不同類群的生物、不同時間段的演化速率的異質性在生物中廣泛存在，但產(chǎn)生異質性的機制還不清楚，可能與其自身的遺傳和形態(tài)特征有關，但也與其他生物和生存環(huán)境相關。
董麗萍
中國科學院古脊椎動物與古人類研究所副研究員
人們通常認為，在生物的進化過程中，許多大的進化分支是通過快速進化出現(xiàn)的，它們擁有更高的生物多樣性；而較小的分支則經(jīng)歷了更緩慢的進化，它們的生物多樣性更低。
然而在1944年，美國著名古生物學家喬治·蓋洛德·辛普森在他的經(jīng)典著作《進化的節(jié)奏和樣式》中，提出了相悖的觀點。辛普森認為，快速的進化可能導致不穩(wěn)定和滅絕，緩慢的進化則可以帶來更高的生物多樣性。
這曾是一個具有挑戰(zhàn)性的觀點。然而最近，英國布里斯托大學地球科學學院幾位研究人員發(fā)表于國際著名期刊《古生物學》的一項研究，通過調查包括蜥蜴和蛇等在內的有鱗類以及它們的一些近親，證實了辛普森早期的觀點。他們的研究證實，生物的一些分支進化得快，滅絕得也快。
物種進化的快慢由什么決定
進化是靠什么力量來驅動的？達爾文曾經(jīng)回答過這個問題。用現(xiàn)代的話語來表述，進化的基本模式就是族群內的基因與染色體的組態(tài)出現(xiàn)的頻率發(fā)生了變化。
“一個基因可能會改變頭顱的性狀，延長壽命，重構翅膀的花色與形態(tài)，或創(chuàng)造出一個形態(tài)碩大的族群。”美國著名生物學家、博物學家愛德華·威爾遜在他的經(jīng)典著作《繽紛的生命》中寫到。
而關于物種進化，不同的理論有不同的描述。
在1859出版的《物種起源》中，達爾文認為在生物多樣性的演化過程中，許多大的演化枝似乎是通過快速演化而出現(xiàn)的，而較小的群體經(jīng)歷了緩慢的演化。
“傳統(tǒng)達爾文的演化理論認為生物演化是漸進的，即生物形態(tài)上的改變是逐漸的、積累性的。而間斷平衡理論則認為生物在一定環(huán)境條件范圍內趨于保守，變化是突然的、爆發(fā)式的，因此生物在一段時間內保存不變，但在一個相對短的時間里會突然變化。”中國科學院古脊椎動物與古人類研究所副研究員董麗萍向科技日報記者介紹，在生物演化歷史中，我們既觀察到漸進的變化，也觀察到突然的變化。
辛普森是美國活躍在上世紀40年代至80年代的古生物學家，以其對進化論和對動物物種洲際遷徙的理解和貢獻而聞名。
在研究中，辛普森在達爾文演化理論的框架內審視了演化的基本模式，并觀察到，許多快速演化的物種屬于不穩(wěn)定的群體，它們有可能適應快速變化的環(huán)境。1944年，他在經(jīng)典著作《進化的節(jié)奏和樣式》中提出，高演化速度不太可能持續(xù)很長時間，因為快速演化的進化枝可能非常不穩(wěn)定，以至于滅絕或會轉向擁有較慢進化速度的物種。
那么，我們如何衡量生物的演化速度，又如何定義一種新的性狀和分類群？董麗萍介紹，生物的演化速率就是單位時間內在一個支系內生物發(fā)生的變化。變化可以是分子上的，如單位時間內DNA堿基對的變化數(shù)目；也可以是形態(tài)學的，如單位時間內形態(tài)特征及性狀的變化數(shù)目。同一時間段內變化數(shù)目多的支系，我們就說其演化速率快。“在生物學上，性狀就是可識別的形態(tài)特征。一個新的類群由這個類群共同擁有、與其他分類群有區(qū)別的性狀所定義。”董麗萍說。
然而，由于化石等研究材料的不易得，以及研究方法、模型等方面因素的影響，古生物學家長期以來一直將“早期爆發(fā)”模型確定為許多進化枝擴展的最佳解釋，罕有實證檢驗辛普森的假說。直到布里斯托大學埃雷拉·弗洛雷斯博士等人研究的出現(xiàn)。
鱗龍類范本研究牽出一個意外
鱗龍類是爬行動物的一個超級支系，包括蜥蜴和蛇類組成的有鱗類，以及楔齒蜥為代表的喙頭類。
其中，現(xiàn)存有鱗類動物大約1萬種，它們的形態(tài)和生態(tài)各異，影蹤遍及世界各地的水陸空生境，從馬達加斯加拇指大小的微小變色龍到10米長的蟒蛇，以及同樣巨大的已滅絕的海洋滄龍都屬于有鱗類，它們多以海藻、植物、昆蟲和哺乳動物為食。相比之下，喙頭類早已式微，今天僅有單一物種——楔齒蜥存世，在地理上也僅限于新西蘭島嶼局部。
同是鱗龍類的“親戚”，它們的命運為何如此迥異？其實鱗龍類現(xiàn)存的生物多樣性，只是它們漫長進化歷史的一個縮影。
在進行鱗龍類的進化速度研究之前，埃雷拉·弗洛雷斯博士等人原本期待會在喙頭類動物身上發(fā)現(xiàn)緩慢進化的痕跡，而在有鱗類動物身上發(fā)現(xiàn)快速進化的痕跡。然而，通過對167種中生代鱗龍類樣本的一系列研究，他們觀察到正好相反的情況。
埃雷拉·弗洛雷斯博士說，鱗龍類起源于2.5億年前的中生代早期，它們分化成有鱗類和喙頭類。他們發(fā)現(xiàn)，在有鱗類前三分之二的進化史中，演化速率緩慢；而其姐妹演化分支喙頭類，雖然如今只由一個物種組成，卻顯示出曾有過快速的演化速率。
各種研究證據(jù)表明，在早期的鱗龍類演化過程中，喙頭類是更成功的、形態(tài)更具多樣化的群體，而最早的有鱗類動物的多樣性要少得多。直到白堊紀，喙頭類動物數(shù)量下降，但有鱗類動物卻經(jīng)歷了大量輻射，包括形態(tài)學和系統(tǒng)發(fā)育擴展。也就是說，在新生代，蜥蜴、蛇等有鱗類動物仍然是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，但喙頭類動物已減少為楔齒蜥這樣“碩果僅存”的孑遺物種。
“進化越快滅絕越快”或不具有普遍性
6600萬年前，恐龍滅絕之后，喙頭類動物和有鱗類動物都遭受了重創(chuàng)，但有鱗類動物的物種數(shù)目卻在后來得到了恢復，今天有超過1萬個物種存世，并且演化速度普遍較快。
這個結論，為辛普森當年富有挑戰(zhàn)性的觀點提供了一個實例，證實了快速演化的生物類群在現(xiàn)代生命世界中不一定更繁盛。正如古老《伊索寓言》中賽跑的龜與兔，與喙頭類相比，有鱗類擁有像龜一樣緩慢的演化速率，但這卻意味著低水平的波動性和更少的滅絕風險。
但是，董麗萍認為，不同類群生物的演化速率有顯著區(qū)別。如埃雷拉·弗洛雷斯等人在《古生物學》上的這項新研究所示，同為鱗龍類的喙頭類和蜥蜴、蛇等有鱗類，就有著明顯不同的演化速率，在中生代時，喙頭類的演化速率顯著快于有鱗類。
同時，同一類群在不同時間段的演化速率也不相同，例如喙頭類和有鱗類身體大小的演化速率在白堊紀時都要比在侏羅紀時高。“不同類群的生物、不同時間段的演化速率的異質性在生物中廣泛存在，但產(chǎn)生異質性的機制還不清楚，可能與其自身的遺傳和形態(tài)特征有關，但也與其他生物和生存環(huán)境相關。”董麗萍說。
事實上，此前古生物學家對恐龍、輻鰭魚類、鱷魚類和甲殼類動物形態(tài)進化的研究結果，已經(jīng)將演化枝的演化成功與快速演化速度等聯(lián)系起來。大多數(shù)其他定量研究表明，快速的演化速度是長期成功的關鍵，只是鱗龍類的情況正好相反而已。
“因此，‘進化越快，滅絕也越快’這一現(xiàn)象不具有普遍性。現(xiàn)代生命世界中也存在快速演化且非常繁盛的生物類群，如上述提到的輻鰭魚類。目前還未能確定演化速率是否與一個類群最終能否延續(xù)下來有直接關系，而控制一個類群演化速率的因素也還不清楚。”董麗萍說。
來源：科技日報
