当环境变化快过生命的适应速度

人们普遍认为，当环境变化的速率超过一个物种适应变化的能力时，灭绝就会发生。然而，在全球性变化的尺度上，这一假说仍缺乏充分支持，部分原因在于不同物种的适应速度并不一样，有的适应得快，有的适应得慢，而科学家并不清楚这种“快慢差异”是怎样分布的。

在一项新发表于《物理评论快报》的研究中，两名研究人员建立了一个通用的理论模型来检验这一想法，该模型能够预测不同物种之间适应速率的分布。他们将这个模型与过去的主要集群灭绝事件数据进行了比较，其中包括每次事件发生时全球环境变化的速率。结果表明，进化适应与环境变化速率之间的这种关系，在全球尺度上同样成立。

灾变与灭绝

灭绝与环境变化之间的联系并不是一个新想法。18世纪末，常被称为“古生物学之父”的博物学家乔治·居维叶（Georges Cuvier）率先提出了“灾变论”的概念。

当时，居维叶在巴黎附近发现一些骨骼化石，但这些骨骼与当时已知的任何现存动物都不相符。他由此判断，这些骨骼来自一类曾经存在、但如今已经消失的巨型哺乳动物。于是，他进一步提出，物种有可能整体性地消失、走向灭绝，而原因很可能是一场大范围的灾难。

后来，“灾变论”逐渐让位于另一种观点：地球史主要是由缓慢、渐进的过程塑造的。但到了20世纪中期，地质学家诺曼·纽厄尔（Norman Newell）重新审视了这个问题。在寻找灭绝原因时，他提出了一种所谓的“速率错配”假说。这个假说认为，当环境变化的速率超过物种通过进化来适应的速率时，灭绝就会发生。

此后，生物学家在许多案例中观察到，环境变化确实会推动单个物种灭绝——当环境变化超过单个物种的适应能力时，这些物种就会灭绝。但科学家尚不清楚的是，同样的规律是否适用于全球性地灭绝事件？

难以测量的适应速率

在这项新研究中，研究人员希望在全球尺度上检验“速率错配”假说。他们想弄清楚，历史上的大规模灭绝事件，是否可以用全球环境变化速率与全球生命适应速率之间的错配来解释。

要解答这一问题，他们需要比较两类数据：一类是全球环境随时间变化的速率，另一类是不同生物类群适应环境变化的速率。第一类数据可以从地质记录中获取，而第二类数据几乎不可能被直接记录——因为生物适应重大环境变化的速率，发生在从几千年到几百万年不等的地质时间尺度上。

由于缺少实际数据，研究人员转而尝试建立一种通用数学理论，用来描述全球不同动物类群适应速率的范围。在这里，“适应”指的是一个物种内部在长期时间尺度上发生的变化；这种时间尺度远远超过一代个体的更替，而这些变化能够帮助该物种在环境变化中继续生存下去。

一条钟形曲线

进化论通常认为，一个物种只有在多个条件同时满足时，才可能成功适应环境变化。例如，种群内部必须存在变异；这些变异必须能够遗传；其中一些变异要能让个体比其他个体更好地适应环境；而那些适应得更好的个体，还应该留下更多后代。如果所有这些条件都得到满足，整个物种就应该能够适应某种环境变化；只要其中任何一个条件无法满足，种群就可能走向灭绝。

这让研究人员意识到，在这种情况下，一个物种是否能成功适应并不是由单一因素决定的，而是取决于多个必要条件能否环环相扣地成立；整体成功适应的概率就要与这个条件成立的概率相乘。

结果表明，这种模式可以用一条非常简单的钟形曲线来描述。这条曲线表示了在全球动物类群中，有多少比例的类群具有某一水平的适应速率；从适应最慢的类群到适应最快的类群，这一比例如何随着适应速率发生非线性变化。总体来看，大多数动物类群的适应速率处在中间区间，真正适应特别慢或特别快的类群都比较少。

化石记录中的速率错配

在建立了这种适应速率的一般模式之后，研究人员进一步分析了这一模式如何与已有记录中的环境变化速率相比较，以及在集群灭绝发生时，这两种速率之间究竟是匹配还是错配。

为此，他们分析了过去4.5亿年中27个碳循环显著变化的时期，并分析了这些时期对应的古生物学和地球化学数据。碳循环变化通常被认为能够反映全球环境变化。接着，他们比较了每个时期的环境变化速率，以及当时有多大比例的动物类群走向灭绝。

最终，研究人员发现，在过去4.5亿年中，几乎每一次集群灭绝事件都确实伴随着环境变化速率与动物适应速率之间的错配。当相当一部分动物无法足够快地适应不断变化的环境时，集群灭绝就会发生。他们的结果证实，“速率错配”假说同样适用于全球尺度。

临界边缘

不仅如此，研究人员还发现这种速率上的错配还能够预测灭绝事件的严重程度。也就是说，他们可以根据环境变化的速率，预测有多大比例的动物生命会走向灭绝。以二叠纪末大灭绝为例，海洋快速酸化很可能超过了生物进化出足够保护机制的能力，最终导致全球超过80%的海洋物种灭绝。

这项研究的重点，是将这个新模型应用于过去的灭绝事件。不过，这项工作也可能为理解当代灭绝风险提供一个框架。如今，海洋中的二氧化碳水平正在上升。如果经过适当的尺度换算，这一变化速率与过去碳循环变化的速率相近，只是略低于那些与重大灭绝事件相关的变化速率。这表明，现代环境变化可能正在接近某种速率界限；一旦超过这一界限，适应就会变得越来越困难。

#参考来源：

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

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

#图片来源：

封面图&首图：PublicDomainPictures / Pixabay