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方舟子:达尔文的鸣雀

http://www.sina.com.cn 2007年09月19日 07:12  中国青年报

  1831~1835年间,年轻的达尔文作为一名不领工资的博物学家随贝格尔号环球航行收集动植物、化石标本,为他后来创建进化论打下了基础。在达尔文带回英格兰的标本中,最著名的是加拉帕戈斯群岛上的鸣雀标本,它们后来干脆被统称为“达尔文鸣雀”。传说由于达尔文在加拉帕戈斯群岛看到如此多样的鸣雀才创立了自然选择学说。事实上,达尔文在岛上采集这些鸣雀标本时,对它们并没有多加注意,还以为它们有的属于乌鸫、鹪鹩、大嘴雀等不同科的鸟类。回到英国后,著名鸟类学家约翰·古尔德才鉴定出它们都属于鸣雀,而且分属13个不同的物种,都是在其他地方没有见到的新物种。

  和它们最接近的是生活在南美洲大陆沿岸的蓝黑草雀。这种草雀是吃种子的。达尔文鸣雀有几种在地面上生活,也吃种子,但是其他鸣雀有的专吃树芽,有的吃仙人掌的花和果实,有的吃树上的虫子。有的鸣雀的习性非常独特,例如啄木鸣雀居然能使用工具,用喙叼一根仙人掌刺,用它钩出树洞里的虫子。有的则吸海鸟的血!

  通过比较基因序列,我们现在可以推测达尔文鸣雀是大约在1百万年前从草雀进化来的。如此多样的鸣雀是怎么进化来的呢?达尔文鸣雀粗粗一看形态都差不多,但身体大小不同,鸟喙的大小、形状差别则更大。这和它们的生活习性有关。吃昆虫的,喙比较窄小;吃树芽的,喙非常粗大的,用来把树芽从树枝上拔出来;啄木鸣雀的喙像凿子;吸血鸣雀的喙又尖又利……达尔文指出,从这些喙的构造可以设想这些物种的由来,是某个原始物种“为了各种不同的目的而发生改变”。

  如果达尔文的设想是正确的,那么鸣雀鸟喙结构的差异是为了适应不同的食物而进化出来的,是自然选择的结果。例如,有4种地上鸣雀都用喙来咬碎种子,但是它们的喙的大小都不同,那么根据达尔文的假说,这是由于它们吃不同的种子导致的。那些喙更粗大的,应该吃更难咬碎的大种子;喙较小的,则吃小种子。

  在达尔文之后,加拉帕戈斯群岛成了生物学的圣地,许多生物学家都拜访此地。但是过了100年,才有一位英国中学教师想到要去那里检验达尔文的假说。1938年,在一所私立中学任教、后来成为著名鸟类学家的大卫·拉克请了一年的假前往加拉帕戈斯群岛。他在岛上仔细观察了5个月,发现不同种的地上鸣雀吃的种子并无区别,喙大和喙小的都在吃相同种类的种子。这个观察结果与达尔文的假说看来是矛盾的。达尔文是不是错了?

  我们现在知道,拉克的观察虽然很仔细,却不幸选错了时间。他在岛上的5个月属于雨水充足的年份(雨年),食物非常丰富。不管是喙大还是喙小的鸣雀,都很容易找到小种子来填饱肚子,喙的差异的重要性显现不出来。但是一旦进入干旱的年份(旱年),情况就大不相同了。

  要解决这个问题,需要在岛上观察更多的时间。从1973年开始一直到现在,普林斯顿大学教授格兰特夫妇和他们的学生都在加拉帕戈斯群岛上研究鸣雀,格兰特夫妇本人每年要在岛上住半年。他们主要以群岛中的一个小岛——大达芙妮岛为研究基地,把该岛上的一种地上鸣雀——中地雀的每一只都做了标记、编号,测量它们的喙深(喙基部从上到下的长度),观察它们的进食情况和后代的演变。

  他们观察到,在厄尔尼诺现象引起的雨年,小种子很多,是这些鸣雀的主要食物。这时候喙大而无用,反而会浪费能量,是一种劣势。而在拉尔尼诺现象引起的旱年,小种子很难找到,只能吃更大、更干的种子,这类种子比较难咬碎。这时候喙大的鸣雀就表现出其生存优势了。统计表明,在旱年,鸣雀群体的平均喙深将会增加,而在雨年,平均喙深则减少。

  那么喙深的变化是自然选择的结果呢,还是后天因素导致的,例如营养好的鸟喙大,营养差的鸟喙小?为了排除后一种可能,格兰特夫妇把鸣雀后代的喙和亲代进行比较,比较了很多代,发现喙的大小能被忠实地遗传下去,喙深的差异是由遗传决定的,与营养因素无关。2004年,决定鸣雀喙大小的基因Bmp4被发现了。把它转入鸡胚胎中,鸡也会长出和大地雀一样粗大的喙。

  2003年,大达芙妮岛发生严重干旱。根据预测,喙大的鸟应该生存得更好。然而没有。原来在1982年,从邻近的岛迁移来了一群大地雀在此传宗接代。它们的喙比中地雀中的大喙鸟还要大。大地雀把岛上的大种子都吃光了,在这种情况下,中地雀中的小喙鸟比大喙鸟需要的食物更少,靠吃残存的小种子可以勉强度日,反而有了生存优势。因此在大旱后,中地雀群体的平均喙深反而变小了。这也是自然选择。格兰特夫妇认为,这是他们30多年来所看到的最强的自然选择证据。达尔文还是对的。

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