當環境變化速度超過生命適應能力時，大滅絕將如何發生？

當動物所處的環境變化速度超過其自身的適應能力時，其生存概率將急劇下降。這一規律不僅適用于單個物種，同樣適用于種群乃至整個物種。

麻省理工學院與萊斯特大學的科學家最新發現，進化適應與環境變化速度之間的關系在全球尺度上同樣成立，并可能直接決定生命面對大規模滅絕時的脆弱程度。研究團隊圍繞這一現象構建了一套理論模型，相關成果已發表于《物理評論快報》。

研究團隊將該模型與歷史上幾次重大滅絕事件的現有數據進行比對，重點考察了每次事件發生時全球環境的變化速率。結果顯示，該模型成功預測了地球歷史上大多數大滅絕事件的嚴重程度，即無法完成適應、最終走向滅絕的生命比例。

值得關注的是，研究人員發現，不同動物類群的適應速率范圍，與環境變化速率的范圍大體相當。

"我們開始看到一種內在秩序——生命的行為方式與環境的行為方式之間存在高度一致性，"論文作者、麻省理工學院地球物理學教授兼洛倫茲中心聯合主任丹尼爾·羅斯曼說道，"這或許意味著，生命在進化過程中，其適應能力的范圍已與所面臨的環境壓力范圍相互匹配。"

該研究的共同作者是英國萊斯特大學應用數學教授謝爾蓋·彼得羅夫斯基。

災變論的歷史淵源

滅絕與環境變化之間的聯系并非新發現。18世紀末，法國博物學家喬治·居維葉——常被譽為古生物學之父——率先提出了"災變論"。他在巴黎附近發現了一批化石骨骼，與當時已知的任何動物均不相符。居維葉由此推斷，這些骨骼來自一類曾經存在、如今已不復存在的大型哺乳動物，并進而提出，某個物種可能因大規模災難而徹底消失，走向滅絕。

"物種可以滅絕，這本身就是一個重大觀念，"羅斯曼說，"他認為，正是環境災變導致了這一結果。"

此后，災變論逐漸被一種認為地球歷史主要由緩慢漸進過程塑造的觀點所取代。但20世紀中葉，美國地質學家諾曼·紐厄爾重新審視了這一問題。在探尋滅絕成因的過程中，他提出了羅斯曼和彼得羅夫斯基所稱的"速率失配假說"——即當環境變化速率超過物種進化適應速率時，滅絕便隨之發生。

此后，生物學家在許多具體案例中觀察到了這一假說的驗證：環境變化確實驅動了單個物種的滅絕。羅斯曼和彼得羅夫斯基隨即提出疑問：這一假說是否同樣適用于全球尺度？

"我們知道，當環境變化速度超過物種的適應能力時，該物種就會走向滅絕，"羅斯曼指出，"但這一邏輯是否同樣適用于全球性滅絕事件，此前尚不明朗。"

尋找速率失配的證據

在這項新研究中，研究人員著手在全球尺度上檢驗速率失配假說。他們希望驗證：歷史上的大滅絕事件，能否用全球環境變化速率與全球生命適應速率之間的失配來加以解釋。

這需要比對兩類數據：全球環境隨時間變化的速率，以及不同生物類群對環境變化的適應速率。前者可從地質記錄中獲取，科學家已廣泛利用這些記錄來推斷地球氣候的歷史演變；后者則幾乎無法直接測量。

"我們討論的是生物在地質時間尺度上——從數千年到數百萬年——對重大環境變化的適應速率，"羅斯曼說，"這根本無法通過直接觀測來記錄。"

為彌補這一缺口，研究人員構建了一套通用數學理論，用以描述全球各動物類群適應速率的分布范圍。在這一語境下，"適應"指的是一個物種在遠超單代時間跨度的漫長過程中所發生的任何變化，這些變化使物種能夠在環境持續改變的情況下得以延續。

進化理論普遍認為，物種能夠成功適應的前提是同時滿足多個條件：種群內須存在變異；這些變異須具有可遺傳性；某些變異須能賦予生物體更強的適應優勢；適應能力更強的個體須能留下更多后代。當上述條件均滿足時，整個物種便能適應特定的環境變化；但只要任一條件缺失，種群便面臨滅絕風險。

羅斯曼和彼得羅夫斯基認識到，在這一框架下，物種成功適應的概率隨每一個滿足條件的累積而呈乘法關系增長。這一規律在數學上可用一條簡潔的鐘形曲線來描述——該曲線刻畫了全球各動物類群在不同速率下的適應比例，以及這一比例隨適應速率的非線性變化規律。曲線整體顯示：大多數動物類群的適應速率處于中等水平，而適應速率極慢或極快的類群數量均相對較少。

在建立適應速率的總體分布規律之后，研究人員進一步將其與有記錄的環境變化速率進行比較，并考察這兩種速率在大滅絕時期是否出現失配。

為此，他們分析了過去4.5億年間27個碳循環發生顯著變化的階段——碳循環變化通常被視為全球環境變化的重要指標——并將環境變化速率與各階段動物類群的滅絕比例進行了對比。滅絕比例數據來源于古生物學家約翰·阿爾羅伊此前一項頗具影響力的研究。

最終，羅斯曼和彼得羅夫斯基發現：在過去4.5億年間幾乎每一次大滅絕事件中，環境變化速率與動物適應速率之間均存在明顯失配——大滅絕的發生，正是因為相當比例的動物無法以足夠快的速度適應迅速變化的環境。這一結果證實，速率失配假說在全球尺度上同樣成立。

此外，這種速率失配還能預測滅絕事件的嚴重程度——即在特定環境變化速率下，動物生命最終走向滅絕的比例。

以二疊紀末大滅絕為例，海洋的快速酸化很可能超過了生物進化出有效防護機制的速度，最終導致全球逾80%的海洋物種滅絕。

該團隊的工作目前聚焦于將新模型應用于歷史滅絕事件的分析，但這一研究框架同樣可為理解現代滅絕風險提供參考。

"今天，海洋中二氧化碳濃度的上升速率，經適當換算后，與歷史上接近重大滅絕事件閾值的碳循環變化速率頗為相似，"羅斯曼說，"這表明，現代環境變化的速率可能正在逼近某一臨界點，超過該點后，適應將變得愈發困難。"

本研究得到施密特科學基金、麻省理工學院氣候重大挑戰項目、美國國家科學基金會、歐洲航天局及倫敦數學學會的部分資助。

Q&A

Q1：速率失配假說是什么？它如何解釋大滅絕？

A：速率失配假說由地質學家諾曼·紐厄爾提出，核心觀點是：當環境變化速率超過物種進化適應速率時，滅絕便會發生。麻省理工學院與萊斯特大學的研究將這一假說擴展至全球尺度，通過數學模型和過去4.5億年的地質數據驗證，發現幾乎每次大滅絕事件背后都存在這種速率失配，且失配程度可預測滅絕的嚴重程度。

Q2：研究人員如何衡量生物的適應速率？

A：由于生物在地質時間尺度上的適應速率幾乎無法直接觀測，研究人員選擇構建數學模型來描述其分布規律。他們發現，物種成功適應需同時滿足多個條件（如種群變異、可遺傳性等），這使得適應概率呈乘法關系變化，最終可用一條鐘形曲線來描述不同類群的適應速率分布——大多數動物處于中等適應速率區間。

Q3：這項研究對理解現代氣候變化有什么意義？

A：研究指出，當前海洋中二氧化碳濃度的上升速率，經換算后已接近歷史上觸發重大滅絕事件的碳循環變化速率閾值。這意味著現代環境變化速率可能正在逼近生物難以充分適應的臨界點，為評估當代物種滅絕風險提供了重要的理論參考框架。

MIT丹尼爾·羅斯曼Physical Review Letters麻省理工學院