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再探达尔文进化论灵感之源:加拉帕戈斯群岛

2017-04-20 00:02:30 来源: 网易科学人
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出品︱网易科学人栏目组 王真

再探达尔文进化论灵感之源:加拉帕戈斯群岛

太平洋上的许多岛屿都以奇特的动物物种闻名于世,但科学家们直到现在才开始理解,这些岛屿的古代历史对生物多样性具有怎样的重要意义。

大约1400万年前,在距离厄瓜多尔海岸以西1000多公里的地方,几座海底火山喷发打破了太平洋表面上的宁静。这些火山喷发后,岩浆冷凝、堆积形成了早期的加拉帕戈斯群岛,它现在由19个大型火山岛和120个小岛组成。这里是许多特有动物的天堂,比如巨龟、海蜥蜴以及蓝脚鲣鸟等。

再探达尔文进化论灵感之源:加拉帕戈斯群岛

达尔文曾于1835年登上加拉帕戈斯群岛的圣克里斯托巴尔岛,并将这个炎热枯燥的地方比作地狱。但这次到访也为他提出自然选择的进化理论提供了灵感,最终帮助他推出《物种起源》。(网易科学人)自从那时以来,加拉帕戈斯群岛就成为生物学家、地质学家的科学冥想之地。尽管这里的“自然实验室”已经有了很多发现,但其依然笼罩着神秘的面纱。

再探达尔文进化论灵感之源:加拉帕戈斯群岛

美国爱达荷大学地质学家丹尼斯·盖斯特(Dennis Geist)说:“我们发现很多具有启发性的证据,但我们还没有加拉帕戈斯群岛生命进化的详细证据,而魔鬼通常就隐藏在细节中。”加拉帕戈斯群岛是许多不同生态系统和动物物种的家园,比如加拉帕戈斯海豹和不会飞的鸬鹚,它们都是加拉帕戈斯群岛上独有的动物。为了了解这种独特性是如何产生的,科学家们已经开始从生物学之外的角度探究这些岛屿的地质历史。

再探达尔文进化论灵感之源:加拉帕戈斯群岛

图:加拉帕戈斯群岛全貌

加拉帕戈斯群岛有自己的“热点”起源,即地球内部岩浆从地壳中涌出,并在海底形成火山。这些“热点”是静止的,但其形成的火山却非是固定的。它们坐落在纳兹卡板块上,以每年大约4厘米的速度从西向东移动。这种运动意味着,更古老的岛屿(目前已被完全浸入水下)通常位于东侧,而更年轻的岛屿总是坐落在“热点”之上。

爱达荷大学地质学家埃里克·米特尔斯塔茨(Eric Mittelstaedt)表示:“加拉帕戈斯群岛就像大型的岛屿传送带,它不断创造新的岛屿和生命,动物和植物则从旧岛屿向新岛屿迁徙。(网易科学人)在岛屿停止增长并开始受到侵蚀下沉前,这些动植物都在旧岛屿上生长,随后会迁往新岛屿。”

再探达尔文进化论灵感之源:加拉帕戈斯群岛

最初的时候,最先形成的岛屿仅仅是大量火山岩形成的荒凉之地。但是山脉与大气层交互产生雨水。经过数千年的演变,雨水侵蚀玄武岩形成土壤,土壤的出现则成为生命初现的信号。风将蕨类植物、苔藓以及地衣的孢子带到岛屿上,还有其他小型昆虫甚至蜗牛,最后吸引到更多鸟类到来。

普林斯顿大学生态学和进化生物学荣誉教授彼得·格兰特(Peter Grant)说:“很可能是周围水域的海鸟首先来到岛上,带来了微生物,因为它们是如此丰富、渺小以及容易传播。植物种子可能被海鸟带来的,或从南美洲被风吹来,亦或是随海水漂浮而来。”

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图:加拉帕戈斯海狮

海洋动物(包括海狮、海龟或企鹅的祖先)可能游到加拉帕戈斯群岛上。而岛上的其他爬行动物和小型哺乳动物(比如水稻鼠)可能是随着植被形成的“竹筏”漂浮来此。与哺乳动物相比,爬行动物似乎能更好地适应海上恶劣、多盐以及高温条件,这也可以解释为何加拉帕戈斯群岛上为何只有6种哺乳动物存活,包括加拉帕戈斯群海豹和海狮。

此外,(网易科学人)加拉帕戈斯群岛上的独特动物还包括加拉帕戈斯巨龟,它们是世界上体型最大的龟类物种,体重可达417公斤。不仅仅是与世隔绝和火山性质导致加拉帕戈斯群岛出现了独特的生物,生物多样性和生态系统的独特个性也与这样的事实有关:这座群岛直接位于赤道地区,并且处于洋流(赤道潜流)的“快车道”中。这种类似喷气的洋流位于海洋表面以下100米深的地方,从西向东以每秒超过1米的速度流动。

科罗拉多大学大气与海洋科学教授克里斯多弗·喀纳斯卡斯(Kristopher Karnauskas)说:“这只是个巧合,加拉帕戈斯群岛恰好位于赤道上,而且足够大到影响洋流的方向。但是这也导致有别于地球上其他地方的生态系统出现。”

随着洋流冲入群岛西部,它将营养更丰富的冷海水从深海中翻上来。这样营养物质还未被任何海洋动物碰触过,当它们到达光照区后,光合作用开始发挥作用。这为群岛上的海洋生命提供了补充能量,而海水的清凉也帮助催生了热带地区不太常见的生态系统。喀纳斯卡斯说:“登上加拉帕戈斯群岛的不同位置,你可能感受到极寒或极热的环境。”

群岛西侧更低的海水温度为加拉帕戈斯企鹅提供了充足的食物和良好的生存环境,(网易科学人)90%的企鹅生活在伊莎贝拉岛和费南迪纳岛西部。喀纳斯卡斯说:“这些企鹅之所以生活在那里,是因为那里有食物,而且它们属于冷水动物。在岛屿东侧,温度则高很多。”

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图:加拉帕戈斯群岛企鹅

喀纳斯卡斯和米特尔斯塔茨假设,赤道潜流与群岛的初始碰撞促使加拉帕戈斯群岛出现生物大爆炸。这样的事件可能标志着岛上生态系统发生剧烈变化,同时也有利于维持这座群岛上生物多样性的机制。喀纳斯卡斯说:“整个岛屿生态系统从上升流中开始。”

为了调查此类事件发生的具体时间,科学家们开发出许多独立模型,比如时间逆推模型,(网易科学人)即在数百万年间重建群岛的形状和大小。然后利用这些信息,推测每个岛屿形成的时间和其他相应条件,科学家们模拟洋流和周围海域温度模型。

这些模型显示,200万年前,赤道潜流流经这个地区。但是150万年前,某座岛屿挡住了其去路。研究人员查看沉积物岩芯数据,即从加拉帕戈斯群岛和南美洲附近海底采集的样本。这些岩芯显示过去数百万年间海洋表面温度变化情况。科学家们发现,大约160万年前海洋温度曾发生剧烈变化。(网易科学人)喀纳斯卡斯说:“在那个时间段,群岛上发生的某种变化引起了古气候数据变化。事实证明,我们在模型中对上述发现进行了独立验证。”

大约也是在这个时候,加拉帕戈斯群岛最终增大至足以阻挡赤道潜流去路的程度。喀纳斯卡斯说:“这对生态系统的影响十分直接,生物在那个时候开始繁荣起来。”

再探达尔文进化论灵感之源:加拉帕戈斯群岛

图:加拉帕戈斯群岛巨龟

格兰特认为,该事件肯定会影响海洋生命的生态和进化,或许也改变了岛上新动物和植物物种的生存条件。如果这种碰撞促使加拉帕戈斯群岛生命进化,其他地质事件可能继续塑造其过程。盖斯特说:“由于这座群岛首次出现,海平面不断上下起伏。在过去300万年间,它大约重复了30次。”

香港大学的杰森·阿里(Jason Ali)与悉尼大学乔纳森·艾奇逊(Jonathan Aitchison)2014年发表论文称,这些波动会大幅改变加拉帕戈斯群岛的地理,反过来也会影响岛上的生态进化。(网易科学人)通过研究该地区的海底图,阿里注意到加拉帕戈斯群岛中部的水位较浅,或许只有200米深。

在他们的研究中,科学家估计2万年的海平面比当前前低144米。追溯到63万年前,阿里认为当时的海平面比当前低210米,那比加拉帕格斯群岛某些地方的海底更低。阿里表示:“我意识到,群岛部分地区在某个时间点肯定是相连的,甚至它们之间有陆路通道相通。”岛屿之间的桥梁可拓展陆地动物的活动范围,比如陆鬣蜥、叶趾壁虎以及游蛇等。

再探达尔文进化论灵感之源:加拉帕戈斯群岛

图:加拉帕戈斯群岛陆鬣蜥

当科学家们仔细研究时,他们发现群岛曾拥有同样的生物学特征,而周边岛屿则有自己的生物学特征。阿里说:“只有当有相似的地质背景时,才会出现这种联系。”两种截然不同的蛇曾占据加拉帕戈斯群岛的核心岛屿,科学家认为它们的共同祖先在13.8万年前可以在不同岛屿之间滑行。(网易科学人)可是随着海平面上升,这两个种群分别进化为西部的Pseudalsophis slevini和东部的Pseudalsophis dorsalis。格兰特表示:“总的来说,岛上的生物隔离让它们可以适应当地环境。解除隔离,即海平面下降,岛屿之间重新连接起来,允许这些此前隔离的物种重新融合起来。”

最终,火山喷发不仅为加拉帕戈斯群岛提供了生命基础,还持续帮助塑造了生态系统。在费南迪纳岛上,每隔2到3年火山就会喷发,喷发出的岩浆顺着山坡流下。米特尔斯塔茨说:“当岩浆直接流下时,可能会杀光某些物种,但也可能将某些动物分成不同族群,它们往往无法跨越熔岩流重新融合。”

在加拉帕格斯群岛上,每座火山周围几乎都生存着截然不同的龟类。Alcedo火山拥有加拉帕戈斯群岛最大的龟群,估计生活着3000到5000只龟。但是当生物学家们观察这些龟类的遗传变异性时,他们发现了8.8万年前的遗传瓶颈(即多样性减少)。盖斯特利用钾氩年代测定法估计,Alcedo当时曾发生大规模喷发。

再探达尔文进化论灵感之源:加拉帕戈斯群岛

图:加拉怕戈斯群岛费南迪纳岛火山于1995年喷发

盖斯特说:“它似乎造成了一种龟类濒临灭绝,但总是有类似‘夏娃’的龟留下。”生物学家估计,生活在Alcedo附近91%的龟类可能是某只幸运母龟的后裔。格兰特说:“通过测定地质事件的年代,并对其进行描述和解释,地质学家可帮助生物学家理解过去的环境和变化情况,以及它们可能如何对动植物、微生物产生影响。”

加拉帕戈斯群岛生态系统的地质影响依然在持续,有时候在很短的时间内甚至也相当明显。(网易科学人)2015年,位于群岛最顶端的沃尔夫火山喷发,可能威胁到世界上唯一的粉色鬣蜥种群。但是当研究生态系统将会如何继续改变时,人类似乎在此过程中发挥了重要影响力。

再探达尔文进化论灵感之源:加拉帕戈斯群岛

在过去数百年间,游客已经将火蚂蚁、山羊以及黑莓引入岛上,所有这些都对加拉帕戈斯群岛上长期存在的物种造成威胁。由于气候变化引发海平面上升,也有可能导致岛上物种灭绝。盖斯特说:“回顾过去,生物学和地质学曾密切相关。但是展望未来,地质影响可能不再重要,人类对生态的影响却越来越明显。”

王真 本文来源:网易科学人 责任编辑:王真_NT5228
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