當(dāng)環(huán)境變化快過生命的適應(yīng)速度

人們普遍認(rèn)為，當(dāng)環(huán)境變化的速率超過一個物種適應(yīng)變化的能力時，滅絕就會發(fā)生。然而，在全球性變化的尺度上，這一假說仍缺乏充分支持，部分原因在于不同物種的適應(yīng)速度并不一樣，有的適應(yīng)得快，有的適應(yīng)得慢，而科學(xué)家并不清楚這種“快慢差異”是怎樣分布的。

在一項新發(fā)表于《物理評論快報》的研究中，兩名研究人員建立了一個通用的理論模型來檢驗這一想法，該模型能夠預(yù)測不同物種之間適應(yīng)速率的分布。他們將這個模型與過去的主要集群滅絕事件數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，其中包括每次事件發(fā)生時全球環(huán)境變化的速率。結(jié)果表明，進(jìn)化適應(yīng)與環(huán)境變化速率之間的這種關(guān)系，在全球尺度上同樣成立。

災(zāi)變與滅絕

滅絕與環(huán)境變化之間的聯(lián)系并不是一個新想法。18世紀(jì)末，常被稱為“古生物學(xué)之父”的博物學(xué)家喬治·居維葉（Georges Cuvier）率先提出了“災(zāi)變論”的概念。

當(dāng)時，居維葉在巴黎附近發(fā)現(xiàn)一些骨骼化石，但這些骨骼與當(dāng)時已知的任何現(xiàn)存動物都不相符。他由此判斷，這些骨骼來自一類曾經(jīng)存在、但如今已經(jīng)消失的巨型哺乳動物。于是，他進(jìn)一步提出，物種有可能整體性地消失、走向滅絕，而原因很可能是一場大范圍的災(zāi)難。

后來，“災(zāi)變論”逐漸讓位于另一種觀點：地球史主要是由緩慢、漸進(jìn)的過程塑造的。但到了20世紀(jì)中期，地質(zhì)學(xué)家諾曼·紐厄爾（Norman Newell）重新審視了這個問題。在尋找滅絕原因時，他提出了一種所謂的“速率錯配”假說。這個假說認(rèn)為，當(dāng)環(huán)境變化的速率超過物種通過進(jìn)化來適應(yīng)的速率時，滅絕就會發(fā)生。

此后，生物學(xué)家在許多案例中觀察到，環(huán)境變化確實會推動單個物種滅絕——當(dāng)環(huán)境變化超過單個物種的適應(yīng)能力時，這些物種就會滅絕。但科學(xué)家尚不清楚的是，同樣的規(guī)律是否適用于全球性地滅絕事件？

難以測量的適應(yīng)速率

在這項新研究中，研究人員希望在全球尺度上檢驗“速率錯配”假說。他們想弄清楚，歷史上的大規(guī)模滅絕事件，是否可以用全球環(huán)境變化速率與全球生命適應(yīng)速率之間的錯配來解釋。

要解答這一問題，他們需要比較兩類數(shù)據(jù)：一類是全球環(huán)境隨時間變化的速率，另一類是不同生物類群適應(yīng)環(huán)境變化的速率。第一類數(shù)據(jù)可以從地質(zhì)記錄中獲取，而第二類數(shù)據(jù)幾乎不可能被直接記錄——因為生物適應(yīng)重大環(huán)境變化的速率，發(fā)生在從幾千年到幾百萬年不等的地質(zhì)時間尺度上。

由于缺少實際數(shù)據(jù)，研究人員轉(zhuǎn)而嘗試建立一種通用數(shù)學(xué)理論，用來描述全球不同動物類群適應(yīng)速率的范圍。在這里，“適應(yīng)”指的是一個物種內(nèi)部在長期時間尺度上發(fā)生的變化；這種時間尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一代個體的更替，而這些變化能夠幫助該物種在環(huán)境變化中繼續(xù)生存下去。

一條鐘形曲線

進(jìn)化論通常認(rèn)為，一個物種只有在多個條件同時滿足時，才可能成功適應(yīng)環(huán)境變化。例如，種群內(nèi)部必須存在變異；這些變異必須能夠遺傳；其中一些變異要能讓個體比其他個體更好地適應(yīng)環(huán)境；而那些適應(yīng)得更好的個體，還應(yīng)該留下更多后代。如果所有這些條件都得到滿足，整個物種就應(yīng)該能夠適應(yīng)某種環(huán)境變化；只要其中任何一個條件無法滿足，種群就可能走向滅絕。

這讓研究人員意識到，在這種情況下，一個物種是否能成功適應(yīng)并不是由單一因素決定的，而是取決于多個必要條件能否環(huán)環(huán)相扣地成立；整體成功適應(yīng)的概率就要與這個條件成立的概率相乘。

結(jié)果表明，這種模式可以用一條非常簡單的鐘形曲線來描述。這條曲線表示了在全球動物類群中，有多少比例的類群具有某一水平的適應(yīng)速率；從適應(yīng)最慢的類群到適應(yīng)最快的類群，這一比例如何隨著適應(yīng)速率發(fā)生非線性變化?？傮w來看，大多數(shù)動物類群的適應(yīng)速率處在中間區(qū)間，真正適應(yīng)特別慢或特別快的類群都比較少。

化石記錄中的速率錯配

在建立了這種適應(yīng)速率的一般模式之后，研究人員進(jìn)一步分析了這一模式如何與已有記錄中的環(huán)境變化速率相比較，以及在集群滅絕發(fā)生時，這兩種速率之間究竟是匹配還是錯配。

為此，他們分析了過去4.5億年中27個碳循環(huán)顯著變化的時期，并分析了這些時期對應(yīng)的古生物學(xué)和地球化學(xué)數(shù)據(jù)。碳循環(huán)變化通常被認(rèn)為能夠反映全球環(huán)境變化。接著，他們比較了每個時期的環(huán)境變化速率，以及當(dāng)時有多大比例的動物類群走向滅絕。

最終，研究人員發(fā)現(xiàn)，在過去4.5億年中，幾乎每一次集群滅絕事件都確實伴隨著環(huán)境變化速率與動物適應(yīng)速率之間的錯配。當(dāng)相當(dāng)一部分動物無法足夠快地適應(yīng)不斷變化的環(huán)境時，集群滅絕就會發(fā)生。他們的結(jié)果證實，“速率錯配”假說同樣適用于全球尺度。

臨界邊緣

不僅如此，研究人員還發(fā)現(xiàn)這種速率上的錯配還能夠預(yù)測滅絕事件的嚴(yán)重程度。也就是說，他們可以根據(jù)環(huán)境變化的速率，預(yù)測有多大比例的動物生命會走向滅絕。以二疊紀(jì)末大滅絕為例，海洋快速酸化很可能超過了生物進(jìn)化出足夠保護(hù)機(jī)制的能力，最終導(dǎo)致全球超過80%的海洋物種滅絕。

這項研究的重點，是將這個新模型應(yīng)用于過去的滅絕事件。不過，這項工作也可能為理解當(dāng)代滅絕風(fēng)險提供一個框架。如今，海洋中的二氧化碳水平正在上升。如果經(jīng)過適當(dāng)?shù)某叨葥Q算，這一變化速率與過去碳循環(huán)變化的速率相近，只是略低于那些與重大滅絕事件相關(guān)的變化速率。這表明，現(xiàn)代環(huán)境變化可能正在接近某種速率界限；一旦超過這一界限，適應(yīng)就會變得越來越困難。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2026/when-environmental-change-outpaces-life-ability-to-adapt-0624

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/62jn-xgqy

#圖片來源：

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