鸟儿爱嗦螺,是怎么把蜗牛变得五颜六色的?

作者: 丁丁虫

来源: 物种日历

发布日期: 2021-06-07

本文探讨了生物演化理论中的自然选择与随机性变异的关系,通过具体研究森林葱蜗牛和花园葱蜗牛的颜色变化,展示了鸟类捕食对蜗牛外壳颜色分布的影响,以及分子层次上演化的随机突变作用,最终指出演化是多种因素共同作用的结果。

达尔文提出,生物变化的机制包括随机性变异和自然选择,而自然选择是物种演化最为重要的推动力量。这一观点在今天看来牢不可破,但在演化理论发展史上,自然选择理论的地位一直处在风口浪尖,甚至有人认为,演化的主导力量应该是偶然,俗称“看脸”。传教士约翰•古利克就是其中之一,他搜集了数以万计的夏威夷树蜗牛外壳标本,这些蜗牛的形状、颜色、纹理呈现出近乎无限的多样性,但与自然环境之间似乎找不出任何关联。

因此他认为,这些蜗牛的变化并无规律所循。到了20世纪30年代,学界基本上接受了“随机主导演化”的观点。1949年,亚瑟•凯恩和菲利普•谢泼德来到英格兰南部,研究这里的森林葱蜗牛,发现环境确实与蜗牛的外壳形态有着联系,比如,在草地等绿色为主的环境中,黄色外壳的比例高;而在山毛榉林这种光线昏暗、地上铺满褐色落叶的地方,粉色或褐色外壳的比例更高。凯恩他们敏锐地察觉到自然选择的影响。

当地有一种鸟,欧歌鸫,它会叼起蜗牛,在平坦的石头上砸碎,所以根据外壳碎片,就能知道欧歌鸫经常捕食什么样的蜗牛。绿色环境里,欧歌鸫很少捕食黄色的森林葱蜗牛;而在褐色环境里,外壳碎片也很少有褐色的。这是一项漂亮的研究,但它并没能给争论画下完美的句号。因为差不多同一时期,法国人马克西姆•拉莫特,得出了截然相反的结论。他的研究对象除了森林葱蜗牛,还有花园葱蜗牛。

它是森林葱蜗牛的同属近缘种,外壳也有丰富的底色和纹理。如果是鸟类的捕食压力造成了森林葱蜗牛的纹理变化,那么某种颜色的森林葱蜗牛越多,同样颜色的花园葱蜗牛也应该更多。然而这两类蜗牛的颜色分布频率并没有什么关系。与此同时,凯恩他们也发现了奇怪的现象:相距很远的地方会出现同一类型的森林葱蜗牛,而相距很近的地方,又会出现长相完全不同的森林葱蜗牛。难道蜗牛真的不受自然选择所左右吗?

回答这些问题的任务,落在了凯恩的学生布莱恩•克拉克的身上。克拉克重复了拉莫特的研究,也得到了同样的结果。但他注意到一个拉莫特忽略的现象:黄色的花园葱蜗牛较多的地方,同为黄色的森林葱蜗牛反而较少。克拉克重新拾起了鸟类捕食的假说,但在凯恩的基础上推进了一步:他认为,鸟类是用经验来捕食的。

在开放环境中,花园葱蜗牛本来就占据绝对优势,所以如果这个群体中纯黄色类型较多,鸟类就会捕食到更多的纯黄色类型,学会识别黄色的蜗牛。而生活在开放环境中的森林葱蜗牛,几乎都是纯黄色类型,或者是仅有一根条纹的黄色类型,当鸟类学会了捕食黄色的花园葱蜗牛后,黄色的森林葱蜗牛也成了牺牲品。但花园葱蜗牛在开放环境中还有五根条纹的黄色类型,它是鸟类学习经验下的盲区,不容易被熟悉纯黄色蜗牛的鸟找出来。

结果便导致两类黄色蜗牛你多我少。随后克拉克又通过数学模型证明,不同地区蜗牛颜色的差异,可以通过自然选择的效果实现。再加上1950年代伯纳德•凯特威尔同样无可辩驳地证明了,桦尺蛾变黑是自然选择的结果,学术界终于接受了自然选择的观点。但科学常常会在出人意料的地方展现全新的发现。随着1953年揭晓DNA双螺旋结构,演化学者们很快意识到他们可以在更为基础的层面探索演化的奥秘。

木村资生研究了蛋白酶的变异作用,发现在分子层次上,演化是随机突变所引起的。而莱斯特•金等人发现,有些基因突变并不会改变它们编码的蛋白质。所以这些突变对自然选择必定是中立的。克拉克当然无法接受变化全靠“看脸”的结论,但经过20多年的论战,木村资生的“中立理论”还是获得了世界性的支持。不过科学不是非此即彼的零和游戏。

人们最终发现,有一些突变虽然不会影响最终形成的蛋白质,但却会影响mRNA到蛋白质的翻译速度。所以看似无功无过的突变,仍然可能具有利弊之分。蜗牛的故事还有新的后续。

随着越来越多的信息浮出水面,人们又发现,森林葱蜗牛的分布规律,固然有自然选择的原因,但随机的突变和迁移的影响也不可无视,此外还有气候和人为因素的影响……蜗牛的研究还将持续下去,而我们能从中得到的启示,也许就是如日本的蜗牛研究者千叶聪所说的,无论多么微小而受限的生物,都有可能揭示出宏大而普遍的意义。

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