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非自然选择的时代:人类对生物演化的影响有多大?

今天小编为大家带来了一篇《非自然选择的时代:人类对生物演化的影响有多大?》的文章,感兴趣的读者朋友可以跟着小编一起看一看。

来源:bbc

人类对生物体的影响——无论是有意的还是无意的——正导致它们以不寻常的方式演化。但是,这种由人类所驱动的演化能走多远呢?

演化时间——至少对于更大、更复杂的生物来说——可能是十分缓慢的。这使得许多动物无法迅速适应人类统治的地球。据估计,相比没有人类干预的情况,目前物种灭绝的速度要快1000倍。

不过,一些快速的变化也有可能出现。通过内在的基因组可塑性,某些动物能够利用一系列身体计划和行为改变,来最大程度地适应新情况和新压力。所谓的“微进化”可以在短短几个世代间发生。这方面最著名的例子也许就是桦尺蠖,由于英国工业革命时期烟囱里冒出的煤烟和空气污染,它们的翅膀颜色从浅灰色变成了黑色。利物浦大学的研究人员确定了导致颜色变化的基因突变,并计算出该突变可能发生的时间——1819年。

桦尺蠖是已知的最早由人类污染引发动物微进化的例子之一。

1878年,一位蝴蝶收藏家首次观察到这种有斑点的蛾子出现了颜色变化,他将这一发现告诉了查尔斯·达尔文。然而,这位提出自然选择理论的伟大人物似乎忽略了这一发现,尽管后来有人提出将此作为他的自然选择理论的证据。但事实上,桦尺蠖的“工业黑化”是一个非自然选择的例子。而这仅仅是开始。

在除南极洲以外的所有大陆上,研究者都观察到了人类引起的动物性状变化。

今天,工业蜂箱里的工蜂——用卡车护送着从一个农场运到另一个农场——体型比它们的野生近亲大三分之一,性情也更温顺。在过去的100年里,北美鸣禽改变了翅膀的形状,以适应因森林砍伐而支离破碎的栖息地。在偷猎的压力下,赞比亚的大象在出生时就没有象牙。海蟾蜍(又称甘蔗蟾蜍)于1935年被引入澳大利亚,最初是为了对付甘蔗种植园里的甲虫,但后来,那里的黑蛇的嘴开始缩小,因为它们的后代学会了避开蟾蜍大小的猎物;而作为成功的掠食者,海蟾蜍自身也变成了同类相食的物种。

气候变化改变了欧亚莺等鸟类的迁徙路线。

在巴布亚新几内亚,海蛇所栖息的水域受到了锌污染,毒素的影响使它们的身体变得更黑,蜕皮也更频繁。有一种蚊子已经演化到只能生活在伦敦地铁的隧道里,并失去了与地表近亲繁殖的能力。在纽约和芝加哥的地铁系统中,蚊子也出现了类似的基因多样性下降。随着气候变化范围的扩大,欧亚莺已经改变了它们从伊比利亚半岛到英国的迁徙路线。

从来没有其他物种如此迅速地改变了演化过程,达尔文如果活到现在会对此震惊不已!

我们不是每一次都知道导致特定变化的原因,也不完全确定是发生了某种适应性,还是分支演化的开始,抑或是在哪里形成了不同的亚种群。但是,有足够多的例子表明,基因变化与此有关,在更深的层次上,有一些事情正在发生。

远离城市的天鹅与那些对人类耐受的天鹅有着基因上的差异,在英国迁徙的欧亚莺与仍然迁徙到伊比利亚的同类之间,存在着“很明显是基因上的”差别。诸如此类的变化是新物种出现的第一步。伦敦地铁里的蚊子就是一个例子,那里可能正在形成一个新的生态位,并为物种形成创造新的机会。

那么,我们是否正在通过与环境的相互作用缩小了物种演化的机会?要知道,地球表面36%的土地都被用于农业生产,而世界各地的城市环境变得越来越相似。一项研究发现,今天地球上塑料的质量超过了所有活着的生物体的总质量。许多研究分析称,由于人类活动的影响,生物多样性正在急剧下降。在某些方面,我们正在使地球均质化,另一方面,我们正在引起这些非常极端的环境变化。城市环境与我们的农业环境完全不同。

高度污染的地点,如矿山尾矿池等,代表了另一种极端情况。人类活动是这些情况最大的共同之处。演化的加速将无法抵消灭绝危机,而是会产生一个越来越由那些能与我们共存的动植物所定义的世界。演化是一个不可思议的创造过程,它不会停止,它将继续产生更能容忍我们的变种。

在地铁网络中发现的蚊子品种具有与地面近亲不同的基因特征,它们最终可能演化成新的物种

甚至微生物也同样受到来自人类的压力,在某些情况下,这会促进它们产生新的变种,但在另一些情况下也会对它们产生抑制。农业肥料可以将细菌带到新的土壤环境,就像船舶的压舱水会将斑马贻贝和其他入侵生物带往新的栖息地一样。根据微生物学家的说法,大量抗生素被排放到环境中,其影响类似于一个入侵物种,加速了微生物演化的基础速率。与此同时,哺乳动物界的均质化意味着,越来越多的微生物生物量是由我们喜欢食用或喜欢与之共处的动物——数量是有限的——的肠道微生物组成的。

博物学家兼播音员吉莉安·伯克花了一生的时间观察世界各地的动物群落,目睹了大量人类影响下的环境变化。“我想说的是所有地方和所有事物都发生了变化,”她说,“我在肯尼亚长大,我记得那里的风景看起来是非常流动的,土地和水道相互连接,同步移动。从空中看,现在已经变成了许多正方形和直线。”

我们是否已经把地球变成了一个关于物种演化的巨大实验?“对我来说,这种叙事方式很重要,因为这意味着我们正在进行一场实验,而我们也是这场实验的一部分,”伯克说,“新冠疫情很好地提醒了我们这一点。我们就是驱动变异的选择压力——病毒传播得越多,变异就越多。疫苗是一项新的创新,(蜜果网)但随后病毒就会说,‘好吧,那我就改一下,搞点别的花样吧’。我们就在这场实验当中。”

在疫情封城期间,许多人都会注意到动物行为的变化。城市地区的鸣禽已经学会用更响亮的叫声来应对交通噪音和其他环境噪音。但第一次封城时,人们才第一次真正感受到这一点,人们会发现太安静了,现在我们都能听到鸟叫声了。但对于鸟类来说,它们也终于听到了同类彼此的声音!

动物的“文化”

动物的行为也是一种文化,而这些文化就是应对人类压力而演化出来的。例如,大象会将知识和信息一代一代地传递下去,包括迁徙路线等。但随着偷猎者和地区冲突的影响,以及气候变化使寻找食物和水变得更加困难,这些“文化遗产”正在发生改变。其他动物文化也在衰退。城市里的刺耳噪音意味着一些鸟类不能从它们的父母那里学会正确地歌唱。座头鲸也是声乐学习者,每个种群共享独特的曲目,其复杂性可以通过与其他种群的接触而不断演化。然而,来自航运的海洋噪音正导致一些座头鲸改变它们的歌声,甚至变得沉默。

文化在人类演化过程中也发挥了作用。通过“外包”,我们加速了自身的演化:科技让我们能够在不改变身体的情况下获得新能力。共享的文化让我们能够接触到集体的思想,获得大量的信息和新的见解。

事实上,人类的创新大多是从动物身上借鉴来的,或是试图复制它们的能力。石器模仿掠食者的锋利牙齿。最早的技术活动是对生物组织,如动物皮肤和植物体的利用。人类社会是通过借鉴和学习动物来发展的。但现在,颇具讽刺意味的是,当我们越来越多地模仿其他生物的体形和行为时,如此多的物种正被迫适应人类统治下的地球生活。

由于人类在海洋中发出的噪音,座头鲸的歌声发生了变化。这种生物曾给人类发明家带来灵感。

仿生学就是一门试图向这些动植物天才学习的新学科。人类向动物“天才”学习的例子不胜枚举,如白蚁丘激发了更高效的空调设计;世界上最快的列车之一通过模仿翠鸟喙的形状,达到了每小时299公里的速度;基于蚊子喙的结构,人类已经制造出更精细的外科手术用针;还有模拟啄木鸟头骨吸震特性的黑匣子,模仿海獭皮的潜水服,以及模仿蝴蝶翅膀虹彩的钞票。

动物的聪明才智也为解决一些最紧迫的环境问题提供了新思路。仿生学可以帮助我们开发可再生能源,例如,通过模仿座头鲸鳍肢凹凸不平的表面,或者蜂鸟翅膀的形状,我们制造出了具有优良空气动力学特性的风力涡轮机叶片;我们还开发出了能像向日葵一样追踪太阳的太阳能电池板;通过模仿珊瑚如何从海水中吸收矿物质来建造珊瑚礁,我们或许能开发出混凝土的替代品,“生长出”未来的城市,同时将多余的碳锁定在建筑物的基础和结构中。牡蛎等自然滤食性动物也可以帮助恢复枯竭的海洋栖息地。

甚至微生物也能发挥作用。一种名为大阪堺菌(Ideonella sakaiensis)的细菌,已经演化出了分解并消化塑料聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的能力;而一种常见的土壤微生物Methylorubrum quens,能产生一种可以结合镅和锔的蛋白质,这是核废料中最危险和寿命最长的两种成分。

崛起的异种机器人

第一个“机器人”是由肉体而非金属制成的。“机器人”(robot)这个词是捷克剧作家卡雷尔·恰佩克在1921年的一部戏剧中创造出来的。在《罗素姆的万能机器人》一书中,卡雷尔首次使用了“Robota”一词,后来才改成“Robot”。这部作品是一个思想实验,与玛丽·雪莱的《弗兰肯斯坦》如出一辙,后者讲述了一个科学家创造人造人的疯狂实验。

“大自然只发现了一种将生活物质组织起来的方法,”恰佩克戏剧中的科学家罗素姆说,“然而,还有一种更简单、更灵活、更迅速的方法,在自然界从未出现过。”

“想象一下,他坐在试管前,思考整棵生命之树将如何从他身上生长出来,”剧中另一个角色说道。

然而,在接下来的一个世纪里,机器人发展成为钢铁和金属丝的组合体,并没有使用活的组织。工程学的发展比生物学快得多。不过,生物学正在迎头追赶工程学的脚步。第一批异种机器人于2020年初问世,由两部分组成:皮肤细胞构成微小的立方体,由两条由心脏细胞构成的“短肢”推动前进。它们由计算机的算法设计,再由研究人员亲手用生物组织构建而成,目的是使其具有行走能力(一个有趣的巧合是,非洲爪蟾的属名“Xenopus”意思就是“奇怪的脚”)。这些有机机器人还可以一起工作,在周围的环境中移动颗粒物;而且与机械机器人不同的是,它们在受伤时还可以自愈。

如果你觉得“有机机器人”的概念已经够奇怪的话,那下一代机器人的情况可能会更出乎你的意料。

  人工智能程序编写的蓝图制造出了吃豆人形状的异种机器人,其凹陷部分看起来就像一张大口。第三代异种机器人带来了更大的惊喜:它们张开的“大口”能够聚集数百个干细胞,并以此塑造出新的异种机器人。

如果我把你汽车的所有部件随机地连接在一起,你会觉得很糟糕,但事实证明,生物学要比这灵活得多。异种机器人2.0是由从爪蟾胚胎中提取的干细胞形成的,可以在不依赖算法的情况下发育。这些干细胞能够独立发育出全新的身体结构,比如毛发状的纤毛——通常是在肺部发现的特征。在异种机器人表面上,这些纤毛更像四肢,通过快速摆动使它们在环境中游动,实验中,一个异种机器人可以在卷饼形状的迷宫中行走,却不接触迷宫的侧面。

这些从爪蟾胚胎提取的干细胞并没有培育出蝌蚪,而是根据实验室环境的特殊条件,发育成了与两栖动物完全不同的身体。它们自发地自我组装,实现了跳跃式的演化。

为了进一步提高异种机器人的性能,借助人工智能程序,科学家提出了加以改进的设计。人工智能程序编写的蓝图制造出了吃豆人形状的异种机器人,其凹陷部分看起来就像一张大口。第三代异种机器人带来了更大的惊喜:它们张开的“大口”能够聚集数百个干细胞,并以此塑造出新的异种机器人。换句话说,它们演化出了一种全新的繁殖方式,与自然界其他任何地方见到的情况都不相同。

未来几代的异种机器人将可以通过不同的设计进行发育,从而与周围环境互动。异种机器人是“一个不完美的有机体”。尽管它们符合生命系统的大多数标准,但它们的复制涉及“功能性的自我复制”——组装新的版本,使其外观和行为都相同,但又不完全相同。

由塔夫茨大学的科学家制造的活体机器人具有独特的身体特征,如毛发状的纤毛,可以帮助它们移动。

尽管如此,异种机器人的开发仍然可以视为全球范围内诸多事件的一个缩影;在我们不断给生物施加压力的同时,它们也做出了创造性的反应。所有生物都在不断地与环境进行协调,正是这种相互作用推动了演化。然而,随着人类以这样或那样的方式主宰着地球上几乎所有的环境,演化的方程式中加入了一个新的因子——人类。

异种机器人也可以对地球产生积极的影响。未来几代异种机器人可能会被派去清理我们在环境中留下的垃圾。生物机器人可以清除海洋中的微塑料或土壤中的污染物。携带某种特殊蛋白质的异种机器人会在特定波长下发出绿光,但当暴露在其他波长时就会变红,在几个小时后仍能“记得”这些暴露特征。人类可以设计它们来感知特定的化学物质,就像用一个计算机程序告诉它们,如果你感觉到有毒物质,游过去,释放一种与毒素反应的化学物质。同样的特性也可以应用于医疗领域,比如用异种机器人来进行非侵入性治疗,或者寻找病因。

未来的演化可能会出现一些令人惊讶的转折。随着在生物工程、干细胞生物学和计算生物学方面取得的进展,我们将看到人类和计算机越来越多地朝着设计生命系统的方向发展。科学家公开进行他们的研究是至关重要的,希望能看到伦理学家、律师和社会成员更多地参与到研究的设计中,而不仅仅是在技术走出实验室进入外界后才对其进行评论。

新一代的异种机器人将见证生命不可思议的可塑性,但它们的前景也提醒我们,地球生物正在多么频繁地被迫调整自己的身体,以适应一个由人类主导的世界。究竟有多少物种能跟上地球快速变化的步伐,还有待观察。但可以肯定的是,随着人类在全球范围内进行的这场生物适应性实验不断加快步伐,将有越来越多的动物受到前所未有的考验。

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