生态学家发现进化可在观测时间尺度上改变环境

资料来源:莫里茨·马斯希克

蒂莫西·法卡什花了不到一周的时间在南加州的圣·内茨山捕获并安置了1500具石棺。他的工具主要是一根棍子。

“听起来有点粗糙。”法卡什说，“你只需要从地上捡起一根棍子，就可以把它们弄出来。”这种技术含量低的方法使得团队能够移动从土壤中容易获得的粘虫。

在圣巴巴拉外的山坡上，石棺主要栖息在两种灌木中。这种生物通常有两种相应的颜色:绿色或条纹。法卡什和他的生态同事知道石棺已经进化成一种可以与周围环境融合的状态。但是研究人员想知道他们是否能逆转这种关系，让进化的特征——伪装——影响生物的生态。

为了找到答案，研究小组将绿色和条纹的竹节虫放回到不同的植物上。结果，一些昆虫的颜色与新家的颜色相冲突。突然的不适会使它们成为饥饿鸟类的目标，从而产生多米诺骨牌。在被与环境颜色不匹配的石棺所在的灌木丛吸引后，鸟类会呆在附近，吃掉周围的其他生物，如毛虫和甲虫，并让一些植物裸露出来。"这种可能导致本地生物灭绝的进化力量非常重要."“这将影响整个社区，”阿尔布开克新墨西哥大学的生态学家法卡什说。这些事情的发生仅仅是因为一个不相称的进化特征。

生态学家在研究生态系统时通常忽略进化。他们认为，基本上不可能测试如此缓慢的过程是否会在可观察的时间尺度上改变生态系统。但是现在他们已经意识到进化可能比他们想象的要快，一轮研究已经用这个观点来观察进化和生态的一致性。

达尔文的相反方向

事情可以追溯到达尔文的麻雀分析。1835年，当参观厄瓜多尔的加拉帕戈斯群岛时，这位博物学家记录了生活在不同岛屿上的麻雀的喙和它们吃的不同食物。航行几年后，他在《研究杂志》上表示，这一变化表明鸟类生态和进化之间有着密切的联系。

达尔文从来不想以动态的方式看待这种联系，因为他认为进化只在“长时间跨度”内发生。但是到了20世纪90年代末，生态学家开始意识到进化现象可以在特定物种的几代内观察到——而且他们可以达到这个时间尺度。

快速生长和死亡的生物体提供了一些关于进化如何影响生态的早期数据。2003年发表的一项重要研究聚焦于藻类和轮虫(以藻类为食的小型食肉动物)；这两个物种能在两到三周内繁殖20代。这项研究将这些生物混合在一起，结果显示当藻类快速进化时，它们会扰乱正常的捕食者-猎物种群动态。

通常，这两个物种在“繁荣”和“萧条”之间循环。藻类数量增加；轮虫会吞噬它们，它们的数量会爆炸。当捕食者耗尽藻类时，它们的数量会直线下降。然后海藻的数量会反弹，循环会重新开始。然而，当研究人员引入不同的藻类物种时(当增加一些遗传多样性时)，藻类开始快速进化，循环模式完全改变。藻类的数量持续增加，而轮虫本身的繁荣却被反常地推迟了，因为新的藻类对这种捕食者更有抵抗力。

蚜虫和水蚤进行的类似研究也证实了快速进化会影响种群特征，例如它们的生长速度。这些生态变化将相应地改变随后的进化和选择。看到如此快速的进化过程已经改变了生态学家心目中生态过程的基本可预测图景，表明了在研究种群相互作用时考虑进化的重要性。"关于生态的一切都必须重新审视，因为进化比我们想象的更重要."“这改变了一切，”纽约伊萨卡康奈尔大学的生态学家斯蒂芬·埃尔纳说。

人工蓄水池

在这些初步研究之后，生态学家开始思考更多。北亚利桑那大学的进化生态学家丽贝卡·贝斯特(Rebecca Best)表示，该领域最大的挑战之一是研究生态进化的力量是否会影响现实世界，因为有许多不可控因素会影响野生生态系统。

通过将自然元素融入严格控制的实验，贝斯特发现了一个中间地带。在一个俯瞰瑞士卢塞恩湖的地方，她和她的团队建立了50个“迷你湖”:大型塑料罐。每个塑料罐装1000升水，以及从三个湖泊收集的大量沉积物和活植物、藻类、无脊椎动物和水。随着这些“中型生态系统”的建立、浮游生物的繁殖和植物的生根，研究小组在每个水槽中引入了两种不同的成年三倍体鱼的基因:一种来自康斯坦茨湖，另一种来自日内瓦湖。几个星期后，研究人员将这些鱼取出，换上实验室培育的来自两个地方的幼鱼，以及上述两个血统的杂交品种。

他们发现了成年三倍体鱼是如何操纵环境的，从而影响下一代鱼的生存。例如，如果成鱼“扫荡”一定大小的猎物，与成鱼具有相同特征的幼鱼(在这种情况下，嘴的大小)将会饿死。贝斯特说，中尺度实验比实验室研究更复杂、更现实，也不容易控制。

亨德利认为，像Best这样的实验“比自然界中任何可以做的实验都更容易、更可控”。但是它们可能没有反映真正的生态系统。“这是我们现在所处的转折点。这真的能在现实世界中发挥作用吗？”

在混乱的现实世界中，很难确定个体特征的影响，无论它们是生态特征(如降雨)还是进化特征(如伪装的变化)。然而，一些勇敢的生态学家仍在尝试。去年，特立尼达古比鱼(guppy)进行的一项研究表明，这种鱼的进化可以像环境因素一样强烈地推动生态变化:可用的光量。

本研究的重点是该岛北部的两组古碧玉。它们的栖息地有几个不同的生态特征，包括它们从森林树冠获得多少阴凉，这影响了溪流中生长多少藻类。

这个实验使用了比其他实验更自然的背景，但是特立尼达古比鱼是一颗生态“明星”，已经出现在数百个研究中，它们生活的河流已经被高度控制。麦吉尔大学的生态学家格雷格·福思曼(Gregor Fussmann)说，研究人员想知道，在孔雀鱼种群中起作用的力量是否也会在进化动力学中的不太为人知的物种中发挥作用。"我们需要的是一个通用的系统。"他说。

肢体变化

这正是加州大学戴维斯分校的进化生态学家托马斯·舍纳和他的团队开始研究的，他们使用了巴哈马群岛的两种蜥蜴。他们的项目是始于1977年的持续多代研究的一部分。他们一直在试图模拟加速进化的过程，捕捉蜥蜴，然后将它迁移到一系列居住着棕色蜥蜴的小岛上，观察生态系统的变化。

蜥蜴是较小的棕色变色蜥蜴的天敌，所以当研究小组第一次将蜥蜴转移到变色蜥蜴所在的岛上时，变色蜥蜴的数量减少了。蜘蛛的数量增加了，因为它的主要捕食者变色蜥蜴受到了攻击，而数量过多的蜘蛛会吃更多的春尾虫(羽状蠕虫)。研究人员发现幸存的蜥蜴逃到树上躲避新的捕食者，这导致了植物的破坏。该研究小组在之前的研究中发现，变色蜥蜴能够很快适应爬树，并且它们已经生出了四肢较短的幼崽。

但是后来意想不到的事情发生了。飓风艾琳在2011年袭击了这些岛屿，随后是2012年的飓风桑迪。变色蜥蜴和卷尾蜥蜴的数量已经大大减少。在一些岛屿上，蜥蜴在风暴后完全消失了。

“飓风的影响是复杂的。一方面，它为我们提供了与干扰相关的各种有趣的数据。”舍纳说，“另一方面，它可能会减缓正常的进化过程。”

该团队最终成功地使项目步入正轨。他们现在正在观察飓风过后蜥蜴腿长度的变化及其在岛上的殖民情况。

令人惊讶的是，幸存的变色蜥蜴的四肢比飓风前更长，这与团队的预测相反。也许这是因为这是在暴风雨中紧紧抓住树枝的好方法。该团队刚刚收到研究这一进化变化将如何影响生态系统的资金。

当法卡什对圣巴巴拉附近灌木丛中的石棺进行分类时，他脑子里有关于进化和生态的问题。他和他的团队正在计划一个更详细的时间表。他们想捕捉一个完整的反馈循环——生态影响进化和生态，等等，同时收集遗传数据。“比较进化的影响并理解它何时何地发生是非常重要的。”法卡什说，“对我来说，这是最后的边界。但这需要很长时间。”(冯伟伟编著)