当环境变化速度超过生命适应能力时，大灭绝将如何发生？

当动物所处的环境变化速度超过其自身的适应能力时，其生存概率将急剧下降。这一规律不仅适用于单个物种，同样适用于种群乃至整个物种。

麻省理工学院与莱斯特大学的科学家最新发现，进化适应与环境变化速度之间的关系在全球尺度上同样成立，并可能直接决定生命面对大规模灭绝时的脆弱程度。研究团队围绕这一现象构建了一套理论模型，相关成果已发表于《物理评论快报》。

研究团队将该模型与历史上几次重大灭绝事件的现有数据进行比对，重点考察了每次事件发生时全球环境的变化速率。结果显示，该模型成功预测了地球历史上大多数大灭绝事件的严重程度，即无法完成适应、最终走向灭绝的生命比例。

值得关注的是，研究人员发现，不同动物类群的适应速率范围，与环境变化速率的范围大体相当。

"我们开始看到一种内在秩序——生命的行为方式与环境的行为方式之间存在高度一致性，"论文作者、麻省理工学院地球物理学教授兼洛伦兹中心联合主任丹尼尔·罗斯曼说道，"这或许意味着，生命在进化过程中，其适应能力的范围已与所面临的环境压力范围相互匹配。"

该研究的共同作者是英国莱斯特大学应用数学教授谢尔盖·彼得罗夫斯基。

灾变论的历史渊源

灭绝与环境变化之间的联系并非新发现。18世纪末，法国博物学家乔治·居维叶——常被誉为古生物学之父——率先提出了"灾变论"。他在巴黎附近发现了一批化石骨骼，与当时已知的任何动物均不相符。居维叶由此推断，这些骨骼来自一类曾经存在、如今已不复存在的大型哺乳动物，并进而提出，某个物种可能因大规模灾难而彻底消失，走向灭绝。

"物种可以灭绝，这本身就是一个重大观念，"罗斯曼说，"他认为，正是环境灾变导致了这一结果。"

此后，灾变论逐渐被一种认为地球历史主要由缓慢渐进过程塑造的观点所取代。但20世纪中叶，美国地质学家诺曼·纽厄尔重新审视了这一问题。在探寻灭绝成因的过程中，他提出了罗斯曼和彼得罗夫斯基所称的"速率失配假说"——即当环境变化速率超过物种进化适应速率时，灭绝便随之发生。

此后，生物学家在许多具体案例中观察到了这一假说的验证：环境变化确实驱动了单个物种的灭绝。罗斯曼和彼得罗夫斯基随即提出疑问：这一假说是否同样适用于全球尺度？

"我们知道，当环境变化速度超过物种的适应能力时，该物种就会走向灭绝，"罗斯曼指出，"但这一逻辑是否同样适用于全球性灭绝事件，此前尚不明朗。"

寻找速率失配的证据

在这项新研究中，研究人员着手在全球尺度上检验速率失配假说。他们希望验证：历史上的大灭绝事件，能否用全球环境变化速率与全球生命适应速率之间的失配来加以解释。

这需要比对两类数据：全球环境随时间变化的速率，以及不同生物类群对环境变化的适应速率。前者可从地质记录中获取，科学家已广泛利用这些记录来推断地球气候的历史演变；后者则几乎无法直接测量。

"我们讨论的是生物在地质时间尺度上——从数千年到数百万年——对重大环境变化的适应速率，"罗斯曼说，"这根本无法通过直接观测来记录。"

为弥补这一缺口，研究人员构建了一套通用数学理论，用以描述全球各动物类群适应速率的分布范围。在这一语境下，"适应"指的是一个物种在远超单代时间跨度的漫长过程中所发生的任何变化，这些变化使物种能够在环境持续改变的情况下得以延续。

进化理论普遍认为，物种能够成功适应的前提是同时满足多个条件：种群内须存在变异；这些变异须具有可遗传性；某些变异须能赋予生物体更强的适应优势；适应能力更强的个体须能留下更多后代。当上述条件均满足时，整个物种便能适应特定的环境变化；但只要任一条件缺失，种群便面临灭绝风险。

罗斯曼和彼得罗夫斯基认识到，在这一框架下，物种成功适应的概率随每一个满足条件的累积而呈乘法关系增长。这一规律在数学上可用一条简洁的钟形曲线来描述——该曲线刻画了全球各动物类群在不同速率下的适应比例，以及这一比例随适应速率的非线性变化规律。曲线整体显示：大多数动物类群的适应速率处于中等水平，而适应速率极慢或极快的类群数量均相对较少。

在建立适应速率的总体分布规律之后，研究人员进一步将其与有记录的环境变化速率进行比较，并考察这两种速率在大灭绝时期是否出现失配。

为此，他们分析了过去4.5亿年间27个碳循环发生显著变化的阶段——碳循环变化通常被视为全球环境变化的重要指标——并将环境变化速率与各阶段动物类群的灭绝比例进行了对比。灭绝比例数据来源于古生物学家约翰·阿尔罗伊此前一项颇具影响力的研究。

最终，罗斯曼和彼得罗夫斯基发现：在过去4.5亿年间几乎每一次大灭绝事件中，环境变化速率与动物适应速率之间均存在明显失配——大灭绝的发生，正是因为相当比例的动物无法以足够快的速度适应迅速变化的环境。这一结果证实，速率失配假说在全球尺度上同样成立。

此外，这种速率失配还能预测灭绝事件的严重程度——即在特定环境变化速率下，动物生命最终走向灭绝的比例。

以二叠纪末大灭绝为例，海洋的快速酸化很可能超过了生物进化出有效防护机制的速度，最终导致全球逾80%的海洋物种灭绝。

该团队的工作目前聚焦于将新模型应用于历史灭绝事件的分析，但这一研究框架同样可为理解现代灭绝风险提供参考。

"今天，海洋中二氧化碳浓度的上升速率，经适当换算后，与历史上接近重大灭绝事件阈值的碳循环变化速率颇为相似，"罗斯曼说，"这表明，现代环境变化的速率可能正在逼近某一临界点，超过该点后，适应将变得愈发困难。"

本研究得到施密特科学基金、麻省理工学院气候重大挑战项目、美国国家科学基金会、欧洲航天局及伦敦数学学会的部分资助。

Q&A

Q1：速率失配假说是什么？它如何解释大灭绝？

A：速率失配假说由地质学家诺曼·纽厄尔提出，核心观点是：当环境变化速率超过物种进化适应速率时，灭绝便会发生。麻省理工学院与莱斯特大学的研究将这一假说扩展至全球尺度，通过数学模型和过去4.5亿年的地质数据验证，发现几乎每次大灭绝事件背后都存在这种速率失配，且失配程度可预测灭绝的严重程度。

Q2：研究人员如何衡量生物的适应速率？

A：由于生物在地质时间尺度上的适应速率几乎无法直接观测，研究人员选择构建数学模型来描述其分布规律。他们发现，物种成功适应需同时满足多个条件（如种群变异、可遗传性等），这使得适应概率呈乘法关系变化，最终可用一条钟形曲线来描述不同类群的适应速率分布——大多数动物处于中等适应速率区间。

Q3：这项研究对理解现代气候变化有什么意义？

A：研究指出，当前海洋中二氧化碳浓度的上升速率，经换算后已接近历史上触发重大灭绝事件的碳循环变化速率阈值。这意味着现代环境变化速率可能正在逼近生物难以充分适应的临界点，为评估当代物种灭绝风险提供了重要的理论参考框架。

MIT丹尼尔·罗斯曼Physical Review Letters麻省理工学院