當環境變化快過生命的適應速度

人們普遍認為，當環境變化的速率超過一個物種適應變化的能力時，滅絕就會發生。然而，在全球性變化的尺度上，這一假說仍缺乏充分支持，部分原因在于不同物種的適應速度并不一樣，有的適應得快，有的適應得慢，而科學家并不清楚這種“快慢差異”是怎樣分布的。

在一項新發表于《物理評論快報》的研究中，兩名研究人員建立了一個通用的理論模型來檢驗這一想法，該模型能夠預測不同物種之間適應速率的分布。他們將這個模型與過去的主要集群滅絕事件數據進行了比較，其中包括每次事件發生時全球環境變化的速率。結果表明，進化適應與環境變化速率之間的這種關系，在全球尺度上同樣成立。

災變與滅絕

滅絕與環境變化之間的聯系并不是一個新想法。18世紀末，常被稱為“古生物學之父”的博物學家喬治·居維葉（Georges Cuvier）率先提出了“災變論”的概念。

當時，居維葉在巴黎附近發現一些骨骼化石，但這些骨骼與當時已知的任何現存動物都不相符。他由此判斷，這些骨骼來自一類曾經存在、但如今已經消失的巨型哺乳動物。于是，他進一步提出，物種有可能整體性地消失、走向滅絕，而原因很可能是一場大范圍的災難。

后來，“災變論”逐漸讓位于另一種觀點：地球史主要是由緩慢、漸進的過程塑造的。但到了20世紀中期，地質學家諾曼·紐厄爾（Norman Newell）重新審視了這個問題。在尋找滅絕原因時，他提出了一種所謂的“速率錯配”假說。這個假說認為，當環境變化的速率超過物種通過進化來適應的速率時，滅絕就會發生。

此后，生物學家在許多案例中觀察到，環境變化確實會推動單個物種滅絕——當環境變化超過單個物種的適應能力時，這些物種就會滅絕。但科學家尚不清楚的是，同樣的規律是否適用于全球性地滅絕事件？

難以測量的適應速率

在這項新研究中，研究人員希望在全球尺度上檢驗“速率錯配”假說。他們想弄清楚，歷史上的大規模滅絕事件，是否可以用全球環境變化速率與全球生命適應速率之間的錯配來解釋。

要解答這一問題，他們需要比較兩類數據：一類是全球環境隨時間變化的速率，另一類是不同生物類群適應環境變化的速率。第一類數據可以從地質記錄中獲取，而第二類數據幾乎不可能被直接記錄——因為生物適應重大環境變化的速率，發生在從幾千年到幾百萬年不等的地質時間尺度上。

由于缺少實際數據，研究人員轉而嘗試建立一種通用數學理論，用來描述全球不同動物類群適應速率的范圍。在這里，“適應”指的是一個物種內部在長期時間尺度上發生的變化；這種時間尺度遠遠超過一代個體的更替，而這些變化能夠幫助該物種在環境變化中繼續生存下去。

一條鐘形曲線

進化論通常認為，一個物種只有在多個條件同時滿足時，才可能成功適應環境變化。例如，種群內部必須存在變異；這些變異必須能夠遺傳；其中一些變異要能讓個體比其他個體更好地適應環境；而那些適應得更好的個體，還應該留下更多后代。如果所有這些條件都得到滿足，整個物種就應該能夠適應某種環境變化；只要其中任何一個條件無法滿足，種群就可能走向滅絕。

這讓研究人員意識到，在這種情況下，一個物種是否能成功適應并不是由單一因素決定的，而是取決于多個必要條件能否環環相扣地成立；整體成功適應的概率就要與這個條件成立的概率相乘。

結果表明，這種模式可以用一條非常簡單的鐘形曲線來描述。這條曲線表示了在全球動物類群中，有多少比例的類群具有某一水平的適應速率；從適應最慢的類群到適應最快的類群，這一比例如何隨著適應速率發生非線性變化。總體來看，大多數動物類群的適應速率處在中間區間，真正適應特別慢或特別快的類群都比較少。

化石記錄中的速率錯配

在建立了這種適應速率的一般模式之后，研究人員進一步分析了這一模式如何與已有記錄中的環境變化速率相比較，以及在集群滅絕發生時，這兩種速率之間究竟是匹配還是錯配。

為此，他們分析了過去4.5億年中27個碳循環顯著變化的時期，并分析了這些時期對應的古生物學和地球化學數據。碳循環變化通常被認為能夠反映全球環境變化。接著，他們比較了每個時期的環境變化速率，以及當時有多大比例的動物類群走向滅絕。

最終，研究人員發現，在過去4.5億年中，幾乎每一次集群滅絕事件都確實伴隨著環境變化速率與動物適應速率之間的錯配。當相當一部分動物無法足夠快地適應不斷變化的環境時，集群滅絕就會發生。他們的結果證實，“速率錯配”假說同樣適用于全球尺度。

臨界邊緣

不僅如此，研究人員還發現這種速率上的錯配還能夠預測滅絕事件的嚴重程度。也就是說，他們可以根據環境變化的速率，預測有多大比例的動物生命會走向滅絕。以二疊紀末大滅絕為例，海洋快速酸化很可能超過了生物進化出足夠保護機制的能力，最終導致全球超過80%的海洋物種滅絕。

這項研究的重點，是將這個新模型應用于過去的滅絕事件。不過，這項工作也可能為理解當代滅絕風險提供一個框架。如今，海洋中的二氧化碳水平正在上升。如果經過適當的尺度換算，這一變化速率與過去碳循環變化的速率相近，只是略低于那些與重大滅絕事件相關的變化速率。這表明，現代環境變化可能正在接近某種速率界限；一旦超過這一界限，適應就會變得越來越困難。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2026/when-environmental-change-outpaces-life-ability-to-adapt-0624

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/62jn-xgqy

#圖片來源：

封面圖&首圖：PublicDomainPictures / Pixabay