快速进化实时改变物种

20世纪70年代末，作为一名研究生，David Reznick 开始了一项旨在检验进化论关键部分的温和研究。Reznick 希望研究查尔斯·达尔文关于生存斗争的观点——特别是捕食者与猎物的相互作用如何塑造新物种的进化。他充满热情和雄心，打算在野外进行这项研究。“我想亲眼看看进化是如何发生的，”加州大学河滨分校的进化生物学家 Reznick 说。

于是，1978年，他飞往特立尼达寻找孔雀鱼。他带着一张笔记本纸上描绘的等高线地图，深入加勒比海岛屿崎岖的北部山脉。在热带树木的树冠下，在尖叫的鸟儿、五彩缤纷的蝴蝶和蟒蛇之间，他收集了1600条孔雀鱼。这是一种色彩斑斓的鱼类，繁殖能力极强，雌鱼每三到四周就能产下数十条幼鱼。Reznick 希望在短时间内观察捕食者是否会影响孔雀鱼的基因适应。

这被认为不是一个有前景的实验。一个世纪前，达尔文曾认为，进化需要数万到数十万代才能产生新物种——这是一个缓慢的过程，慢到几乎看不见。当Reznick于1974年开始攻读研究生时，这一理论仍然盛行。科学家们在受控的实验室实验中研究了进化，但在人类生命周期内观察其在自然环境中发生，即使在最好的情况下也被认为是难以想象的，更可能是不可行的。

“我把我的职业生涯押在了这样一个想法上：改变环境，就能在足够短的时间内看到显著的进化，从而获得终身教职，”Reznick说。“人们认为我的论文很有趣，但怀疑我活不到看到结果的那一天。”

Reznick毫不气馁，于1981年返回特立尼达的湍急溪流，以检验他的理论。他将孔雀鱼从一个需要与慈鲷（一种攻击性强的、嘴大的鱼）搏斗的地方，迁移到一个没有捕食者也没有其他孔雀鱼的新地点。Reznick还将慈鲷引入了没有捕食者的孔雀鱼栖息地。

他发现，仅仅四年——也就是六到八代——雄性孔雀鱼的繁殖模式就发生了显著变化。从高捕食风险地区迁移到无捕食者的溪流中的孔雀鱼，体型变大，成熟得更晚，繁殖速度也更慢。在Reznick引入捕食者的地方，孔雀鱼通过提前成熟来适应。生存变成了一场生产更多后代的竞赛。

“死亡的风险会改变生物分配资源以求生存的方式，”Reznick说。

他的联邦资助研究成果促成了他称之为科学生涯中最引以为豪的时刻之一：一家《国家询问报》的报道，标题是“美国政府浪费97000美元来了解孔雀鱼的死亡年龄。”实际上，Reznick笑着说，“我学到的东西远不止这些。”他与孔雀鱼的合作改变了他对物种进化速度的看法。它还引发了科学家们对进化观念的范式转变。

自Reznick首次前往特立尼达以来，其他研究也已证明了适应性的快速驱动，科学家们称之为“快速进化”。曾经认为进化需要数千年的研究人员，现在正在记录物种在几十年甚至更短时间内发生的适应。1863年殖民伦敦地铁的蚊子，现在已经发生了如此大的变化，以至于它们无法与地面上的同类繁殖。1920年代商业捕捞增加后，从阿拉斯加到加州的帝王三文鱼在人类一代的时间里就变得更小、寿命更短。适应正在我们眼皮底下，在我们有生之年发生。

最近，进化生物学家Yoel Stuart发现，佛罗里达州印第安河泻湖岛屿上的绿变色龙仅用了20代就适应了棕变色龙的入侵。由于入侵者的驱赶，绿变色龙被迫爬到更高的树枝上，通过发展出更大的、有更多鳞片的脚垫来提高在树枝上的抓握能力——这仅仅用了15年。这进一步证明了“在可观察的时间尺度上的进化变化，”现任德克萨斯大学奥斯汀分校的Stuart说。

我们周围发生的许多非凡适应可能都与我们有关。随着人类活动扰乱气候模式并改变栖息地，快速进化似乎成为一种越来越普遍的生存策略。

气温升高对棕林鸮的影响是野外种群适应气候变化的首批记录实例之一。芬兰鸟类学家Patrik Karell及其同事在2011年的一项研究中发现，棕林鸮的颜色会根据芬兰变暖的冬季而改变。

棕林鸮有两种颜色：浅灰色和红褐色。直到最近，自然选择都偏爱浅灰色，这使得猫头鹰在雪地里有更好的生存机会。随着冬季变得温和，Karell注意到红褐色猫头鹰的比例在稳步增加。

“即使是细微的改变也会塑造生物的进化方式，”Reznick说。

物种的进化速度是达尔文无法想象的。但并非所有物种都能足够快地适应以逃避伤害。当一个外来物种入侵一个生态系统时，本地物种常常难以抵御外来入侵者。例如，北美洲的白蜡树在翡翠白蜡钻（一种从亚洲引进的昆虫）到来时，缺乏“进化上的适应”来保护自己，Reznick说。因此，全大陆数千万棵白蜡树受到绿色甲虫的威胁，该甲虫据信是通过木制包装箱或托盘“搭便车”来到美国的。

今天的进化生物学家拥有前所未有的分析能力来追踪物种的适应。分子生物学的发展使他们能够识别出帮助个体在适应新条件时脱离祖先的关键基因。例如，哈佛医学院和普林斯顿大学的一个科学团队确定BMP4是塑造加拉帕戈斯群岛雀类喙的关键基因，这正是促使达尔文产生进化论最初想法的起源。

“我们不再被迫从化石记录的历史足迹或尘封的蛾类收藏品中推断进化，”Reznick说。

Reznick和他的团队继续在特立尼达的热带溪流中移植孔雀鱼。除了DNA分析等新的进化生物学工具外，他们还使用Reznick开发的一种技术来标记个体孔雀鱼，以便以后更容易重新捕获它们。这种标记方法使他的团队能够重建个体孔雀鱼的谱系并测量它们的繁殖成功率。这项研究回答了关于捕食者与猎物相互作用如何塑造进化中的物种的问题，但也产生了一些新问题：如果环境力量能够改变孔雀鱼，那么孔雀鱼本身是否也能改变它们的生态系统？Reznick对此感到好奇，并将注意力转向了生态过程与进化过程的相互作用。

现在，他不仅监测孔雀鱼，还观察它们的捕食者，以了解这种相互作用如何改变生态系统。他的团队想知道孔雀鱼如何适应捕食者，以及捕食者如何响应孔雀鱼而进化——即生态因果关系。

“几乎没有人考虑的是，被遗留下来的动植物可能已经进化，并且与捕食者消失前的它们不同，”Reznick说。这引发了关于生态恢复、入侵物种、自然选择以及当 fittest 真正生存下来时还有哪些其他因素发生变化的基本问题。

在自然环境中记录物种的快速进化，将达尔文的“神秘之谜”变成了一场实时的科学冒险。虽然Reznick成功地看到了进化过程，但他开始认为他早期的计算低估了物种在自然界中实际适应的速度。“令人兴奋的是，”Reznick说，“现在将进化纳入我们对世界如何变化的思考中是可行的。”

此故事最初以“物种实时快速演化”为题刊登在印刷版上。