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进化论如何解释生物的拟态?

发布时间:2019-01-13 22:18:40 来源:亮剑军事网 作者:亮剑 阅读量:

  想要了解进化论是否能解释生物的拟态,首先要知道生物拟态究竟是什么。这里举一个例子,在北京山区随处可见的核桃美舟蛾,其前翅宽阔而平整,上面的渐变色图案构成了一种强迫透视,仿佛卷起来的枯叶或树皮。
如果用进化论解释拟态,就如同用力学解释斜坡上的滑块,直接套公式即可:如果某个基因突变能使个体拥有拟态的性状,这些个体就能获得更高的存活率和繁殖成功率,反过来提高这一基因突变在种群中的频率,最终使拟态成为种群的普遍性状。换句话来说,没有拟态能力的动物,已经被自然选择淘汰了。
但拟态现象的确是一个相当庞大复杂的课题,如果还想更加细致地理解其中的突变和选择机制,我们只能以少数案例为基础,介绍一些最常见的原理和模式。
长期以来,生物体形成复杂图案的能力给公众留下了一个巨大的疑惑:“人类这么聪明,想要组织几百人搞一个变色方阵尚且需要训练很久,而这些数以十亿计的色素细胞连意识都没有,如果没有一种冥冥之中的力量,怎么‘知道’自己应该长成什么颜色,怎么在大尺度上展现出有序的图案呢?”

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细胞分化图


其实细胞的确不知道自己应该长成什么样,但也不需要知道,因为细胞分化并不是一次封闭的自决行为,而是一套交互的开放过程,它们所处的位置决定了分化的方向。
从受精卵开始,状态不同的细胞就能合成不同的信息物质,扩散到细胞周围或者镶嵌在细胞表面,这令生物体内的信息物质处处不同;同时,每个细胞表面都有丰富的受体,不同的种类和浓度的信息物质能够触发细胞内不同的信号传导,进而关闭或打开不同的基因,最终令不同位置的细胞分化成不同的形态。
这个过程看似盲目,实则高度精确。这首先是因为每一种受体蛋白都高度专一,只能识别特定的信息物质或标记物质;其次是因为细胞内的信号传导需要层层递进,对基因表达的调控非常精准;最后,信息物质不是一次释放完成,而是随着每一个细胞的每一次变化不断反馈和改变,细胞得以循序渐进地校对自己的状态,直到分化完成。这整个过程统合起来,就是发育生物学的分子机制了。
既然这种由粗到细的反馈过程可以达到相当高的精度,那么昆虫产生复杂的拟态就不需要任何自觉,更不需要任何素描基础,每一个细胞都只是根据各种信息物质的浓度按部就班地分化罢了。这就排除了那种“生物将自己的意志作用于进化”的胡思乱想。
但要理解这些图案的进化来源,还有一个新的困惑摆在面前:如果自然选择的压力足以让昆虫进化出那样精致的拟态,也就意味着捕食者具有相当敏锐的识别能力。既然生物的发育过程如此的精确稳定,那么如果最初的图案完全没有拟态功能,那么即便发生了一点变化也于事无补,又怎么能被自然选择相中,积累起来呢?
产生这种困惑的主要原因是公众普遍认为“随机突变”都是“细微的变化”,绝大多数的基因突变也的确符合这种认识,但仍然有很多例外的情况,能令基因层面的微小突变在宏观层面产生显著的变化。
为了理解这个佯谬,我们需要引入一个名为“细胞自动机”的数学模型,它由“计算机之父”冯·诺依曼于20世纪 50 年代提出,本质上也是一种计算机,但与我们现在通用的寄存器计算机截然不同。它没有任何读写操作,就是在平面上画出许多一样的方格,所有方格都根据周围方格的颜色,按照一套统一的变色规则在每个回合里同时变色。计算的数据被转化成图案输入给它,它在若干回合之后仍以图案的形式返回运算结果。某些规则的细胞计算机由此可以实现通用计算机的功能。
冯·诺依曼构思这种计算机最初仅仅是从细胞复制中得到了灵感,但随着人们越来越了解生物现象的分子机制,我们发现多细胞生物当真是一部庞大而又复杂的“细胞自动机”,所有细胞都有相同的基因组,互相传递和反馈信息,并据此有选择地表达基因,实现复杂有序的宏观功能。理论逐渐上升为实践,在当代的神经学、发育学、行为学等研究中,根据细胞自动机的原理,用超级计算机模拟活组织的行为是一项重要而有效的手段。
回到生物图案上,受精卵的极性就是初始图案,细胞内的基因组就是图案生成的变化规则。正如细胞自动机中一点微小变化就能产生截然不同的运算结果一样,某些与图案相关的基因突变也能在发育中不断放大,显著改变生物图案的外观。
所以,同一个物种会因为不同的基因型而表现出不同的图案,常见的是各种蛙类和甲虫。这样的基因对自然选择格外敏感,因为它使基因层面的微小变化放大为图案层面的显著变化,当然也就大幅提高了自然选择的效率,让拟态的进化格外迅速。很多同属的昆虫基因组极其类似,但是外表差异非常明显,就是因为少数几个突变改变了全局的图案输出,最终影响了它们拟态的能力。比如多见于中国南方的铃钩蛾属,它们常常拟态成鸟粪。而最著名的例子当属英国的桦尺蠖:在19世纪以前,所有的桦尺蠖都是带有黑斑的灰白色,绝妙地模仿了桦树皮的材质。但随着工业革命推进,树皮都被煤烟染成了黑色,桦尺蠖原本的伪装不再有效。直到1848年,人们首次记录到纯黑色桦尺蠖,于是在接下来的不到1个世纪的时间里,这种黑色桦尺蠖就成了绝对主流,重新避开了鸟类的法眼。
这个现象很早就受到了生物学家的关注,生物学家也很快用实验确定了变色的原因:单纯地将白色桦尺蠖置于黑色环境中并不能使它们变黑,只有引入黑色个体并不断杀死白色个体,才会在若干代之后让种群普遍变黑,这说明是“随机突变+自然选择”而不是“煤灰诱导”改变了桦尺蠖的颜色,但具体的遗传细节直到最近几年才有了眉目:一个转座子在与翅膀相关的基因中插入了重复序列。这在所有真核生物的基因组中都会频繁发生,但此次插入扩大了桦尺蠖的黑色素细胞分布范围,才在强大选择压力下成为主流。
此外,一个更加惊人的例子出现在袖蛱蝶属。近年,有人在狐眼袖蝶身上发现了一个超级基因,它包含了7个等位基因,对应着7种图案。这在昆虫的翅膀图案中也非常普遍,但超级基因形成的每种图案都能拟态苹绡蝶属中的某个物种。这是因为苹绡蝶属的蝴蝶取食茄科植物,体内富集了肝毒性的双吡咯烷;而狐眼袖蝶专吃西番莲科植物,体内富含细胞毒性的生氰糖苷。它们互相拟态可以让捕食者误食一种之后也厌恶另一种,增加警戒效果,这称为穆氏拟态,也就是这种基因脱颖而出的背后力量。
而该属的另外两个成员,诗神袖蝶和艺神袖蝶则互相拟态,它们各自有5种图案,并且一一对应,这表明超级基因在袖蛱蝶属的图案演化中并非特例。
在野外观察中,生物拟态的案例无穷无尽,我们还无法查明每一次拟态背后的基因机制,但总而言之,生物拟态不但丝毫没有超越进化的范畴,反而是进化论最典范的案例。人类对自然的认识会越来越深刻,“随机突变,自然选择;优胜劣汰,适者生存”也会展示出越来越多的惊人细节。

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