位置:首页 > 科学传播 > 科普文章  
斗嘴的达尔文雀

(来源:中国科学院遗传与发育生物学研究所 汪鸿儒)

 

茫茫太平洋当中,有一群特别有名的小岛,对的,加拉帕格斯群岛(Galapagos Islands)。由于达尔文对此地雀类的研究,而奠定了它在科学史上独特的地位。加拉帕格斯群岛位于赤道之上,在南美洲国家厄瓜多尔西约1000公里的茫茫海洋之中(图1)。顾名思义,加拉帕格斯群岛是由一群小岛组成,其中最大的一个是伊莎贝拉岛(Isla Isabela,图2)。但我们今天所要关注的重点是这群岛中的一个小不点儿,叫做达芙妮岛(Daphne,图2中的红圈和图3中的箭头)。

话说到160多年前,查尔斯.达尔文(Charles Darwin)乘坐“小猎犬”号科考船航行到加拉帕格斯群岛,被这些岛上特有的物种所吸引,而尤为令人注目的是岛上的雀鸟。根据现在的研究结果,加拉帕格斯群岛和附近的科科斯(Cocos)群岛上共住着15种特有的雀鸟,而这15种鸟是在短短的150万年间由同一个祖先辐射式演化而来的。达尔文被这些特有的雀鸟迷住了,他发现这些鸟儿在体型、鸟喙等形态上有着巨大的差异,而且这些差异能够很好地被不同岛上的地形、气候等因素解释,因而那些形态的差异体现了对不同的地理环境的适应性。达尔文对这群雀鸟的开创性的观察研究,也极大激发了他对进化论的宏伟框架的构思,而这群鸟雀也作为了“进化论”的经典论据。因此后人将这群雀鸟亲切地命名为“达尔文雀”。达尔文的研究不仅为加拉帕格斯群岛赢得了蜚声世界的名气,也吸引了众多的学者以达尔文雀为模式前赴后继地继续探讨进化的模式与细节。

而我们今天所要讨论的达芙妮小岛上的勇地雀(Geospiza fortis)和大嘴地雀(G. magnirostris)的研究则揭示了一个非常有意思的问题:环境的变化如何“极速”地塑造了一个鸟类种群中个体的形态。较早的时候,岛上的勇地雀的主要食物是较小的种子。但是在1977年,一场严重的干旱发生在岛上,导致了小种子的食物不够勇地雀们食用。而勇地雀当中那些鸟喙较大的成员(图4)便开始渐渐去食用大花蒺藜(Tribulus cistoides)的种子(图5)。大花蒺藜的种子较大,有着厚厚的外壳和尖锐的刺,只有大的鸟喙才能处理。因此,经过了1977年的干旱,勇地雀中鸟喙较大的成员由于有了更广泛的食物来源,渐渐有了繁殖的优势,因而带动了整个勇地雀的鸟喙的平均尺寸迅猛增长(图6)。但是好景不长,风调雨顺的年头才过了几年,岛上充足的食物吸引了大嘴地雀的光顾。大嘴地雀有着大大的鸟喙,而且体型是勇地雀的两倍,糟糕的是,它们同样喜爱以大花蒺藜的种子为食,因此这和刚刚改变食性的勇地雀形成了竞争。随着大嘴地雀在达芙妮岛上的繁殖,勇地雀受到了压制。大嘴的勇地雀干不过大嘴地雀,选择的压力迫使着勇地雀们继续回去吃传统的食物——小种子,因此它们平均的鸟喙尺寸开始逐渐回落。噩梦终于在2004-2005年降临:一场持续的干旱使得岛上的大花蒺藜大量地减产,干旱的杀伤力体现在这两群鸟儿的数量上,勇地雀由大约1300只减少到大约150只,大嘴地雀由大约250只减少到几十只(图7)。可以想象,这场干旱极大地激化了大嘴的勇地雀和大嘴地雀的食物争夺战。“战争”的结果也非常惨烈,勇地雀鸟喙尺寸出现了断崖式的降低(图6),这暗示着,在这场残酷的食物争夺战中,大量的大嘴的勇地雀落败并且饿死,实际上,这也得到了大量的死鸟尸体解剖结果的支持(参考文献)。

这对达芙妮小岛上的勇地雀来说,是一个悲伤的故事。在这个略带悲情的故事中,我们肯定注意到一个非常神奇有趣的点,那就是这群勇地雀为什么具有如此神奇的能力,使得他们的鸟喙尺寸在短短30年间“随意”变化,可以适应不同的环境?最新一项基因组测序研究揭示了这一奥秘:研究人员通过对不同鸟类种群中大嘴与小嘴鸟儿的比较基因组研究发现有一个基因组的位点一致性地显示出极强的信号。在这个信号的基因组位点上,包含着HMGA2基因。HMGA2基因在其它物种中的研究显示它和人类的颅部发育、牙齿萌出有关;在老鼠中,这个基因的突变也会造成生长的停滞。因此,HMGA2基因被认为很可能是引起鸟喙大小发生改变的基因。可以想见,勇地雀正是依靠其种群内在这个基因上大量的自然变异,才得以能够应对不同的环境变化,通过改变鸟喙的形状来及时调整自己的食物来源,生存下去,在达芙妮小岛上,生生不息。


1 加拉帕格斯群岛的地理位置


2 加拉帕格斯群岛

 
3 达芙妮小岛

 
4 大嘴勇地雀(上图)和小嘴勇地雀(下图)(参考文献)。

 
5 大花蒺藜的种子(参考文献)。


6 1975-2005年达芙妮小岛上勇地雀鸟喙大小的变化(参考文献)。


7 1997-2006年达芙妮小岛上大嘴地雀和勇地雀的数量变化(参考文献)。