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亚利桑那大学一项研究发现:气候变化可能推动进化但不像以前认为

2022-05-12 16:43   来源:未知   作者:admin

  图源:PHYS ORG (图片描述:旱季,蒸发的水会留下天然碱晶体,这些晶体生长在肯尼亚裂谷(Kenyan Rift Valley)最南端的马加迪湖(Lake Magadi)湖底。研究使用的钻井平台高耸在干燥的湖底之上。)

  一项新的研究将气候数据与过去400万年中生活在非洲各地的大型哺乳动物化石记录结合起来,对一个长期存在的假设提出了质疑,即气候的反复变化是哺乳动物(包括人类祖先)进化的主要驱动力。

  这项研究发表在《美国国家科学院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences)》上,得出非洲大陆上更新世环境变化的综合结果。上更新世是地球历史上的一个时期,大约跨越了过去500万年,包括大约20000年前的最后一个冰河期。

  该研究发现,这段时间内的环境变化反映了地球轨道和相对于太阳方向的变化,正如一种被称为米兰科维奇周期(Milankovic cycles)的自然现象所预测的那样。该周期使我们的星球暴露在不同强度的太阳辐射下,从而以不同的频率对地球气候产生了有据可查的周期性影响。

  研究人员观察到,由于全球冰量和海洋温度的变化,非洲各地的环境变异性呈长期增长趋势。然而,这些结果并没有在环境变化和物种起源或灭绝率之间产生显著的相关性,这表明环境变化和物种更替可能并不密切相关,这一概念在科学界已被广泛讨论。

  该论文的第一作者,来自亚利桑那大学地球科学系和生态与进化生物学系的一位的杰出教授安赫尔高康认为:长期潮湿或干燥气候可能是人类进化的推动力的想法可以追溯到达尔文(Charles Darwin)时代。20世纪90年代末,随着有影响力的变异选择假说在科学界的引入,出现了一个重大变化。

  科恩(Cohen)解释说:“这里的想法是,不仅气候变化的方向是人类谱系进化新奇性的重要驱动因素,而且环境和气候条件的可变性也很重要。由于我们的祖先面临着快速变化的环境,这一假设表明他们必须更加足智多谋,能够应对许多不同的突发事件,这反过来导致新物种出现,与此同时其他物种则灭绝。”

  在目前的研究中,研究人员分析了整个非洲大陆和周边地区17个地点的湖底、海底和陆地露出的沉积物岩心所采集的样本。环境数据来源于对花粉、藻类化石、灰尘、叶蜡、土壤同位素和其他物理性质记录的分析,这些记录提供了有关植被类型和沉积地点环境条件的线索。科恩说,为了综合这些不同类型记录的数据,梳理出气候变化的基本模式,该团队必须克服一个重大挑战:如何量化变化,并将一个采样地点与另一个采样地点进行比较。

  (图源:PHYS ORG,图片描述:工人们使用钻机从地下深处采集湖泊沉积物样本。)

  他说:“这并不是一件小事,因为一方面你有记录,比如化石花粉告诉你植被的变化有多大,此外你了解到湖泊水位的变化,和灰尘吹到海洋上的情况。我们需要一种方法,不仅要看一条记录,还要叠加所有这些不同类型的参考,让我们能够梳理出变化的节奏。”

  科恩解释说,为了做到这一点,研究人员开发了统计方法,允许他们“比较苹果和橙子”,并将气候记录数据点分配到包含20000年、100000年和400000年的时间段的“箱子”中。一旦每个箱子的可变性分数的单个数据集被标准化,团队就可以“叠加”它们,并计算每个时间段的平均可变性量。然后,将气候数据与大型哺乳动物的化石记录进行直接比较,这些哺乳动物主要是牛科动物,这一科包括羚羊和来自东非的其他大型食草动物。研究人员将重点放在大型食草动物身上,主要是因为人类祖先的化石太罕见,无法用于这种方法。

  科恩说:“我不会说你可以把所有(古人类化石)都放在箱子里,但它们仍然不那么常见。所以我们决定研究其他被化石记录得更好的生物,因为没有理由认为只有我们的近亲,我们的古人类祖先,才应该受到气候变化和变异性的影响。”

  “如果气候变化是进化的一个重要驱动因素,那么它也应该是其他大型哺乳动物进化的驱动因素,”他补充说。“比如,想想北极熊,它们如何受到当前气候变化的影响。”

  作者使用了一种借鉴现代野生动物种群生物学的方法来解释长期困扰古生物学家的偏见:化石记录固有的不完整性,该研究的第二作者安德鲁·杜(Andrew Du)用一块瑞士奶酪来说明这一点。如果在奶酪中钻取岩芯样本,岩芯与奶酪上的孔之间会有空隙。类似地,一个物种的化石记录也有时间间隔——没有发现化石的时期和有化石的时期。这使得通过化石记录,很难确定一个物种何时起源,何时灭绝。

  为了规避这一限制,研究第二作者杜应用了一种被称为捕获、标记和再捕获的技术,这是野生生物学家在调查动物种群时经常使用的方法:在捕获动物后,对其进行标记以进行识别,并将其放归野外。在后来的一项调查中,科学家们比较了标记动物和未标记动物的比例。应用统计学,这使他们能够了解总体动物的规模和结构。

  (图源:PHYS ORG,图片描述:已经灭绝的哺乳动物,与这些在坦桑尼亚北部塞伦盖蒂国家公园的一个水坑拍摄的角马相似,曾经在非洲大陆游荡,留下了大量化石。)

  研究人员杜是科罗拉多州立大学人类学与地理学系的助理教授。他解释了这项技术如何在化石系统中发挥作用。

  他说:“假设我们在第一个时期的化石记录中看到了一个新物种的出现,然后我们在第二个时期发现了与同一物种不同的化石,在第三个时期我们错过了它,但在第四个时期我们又看到了它。这告诉我们,尽管我们在第三个时期没有看到物种,但我们知道它就在附近。这让我们了解了特定时期化石记录的质量,我们可以在估计物种形成和灭绝率时考虑到这种质量。”

  将所有这些数据集放在一起,研究人员可以比较环境变异的模式及其与哺乳动物物种起源和灭绝率的关系。

  他说:“总的来说,在过去350万年中,环境的变异性不断增加,这是一个长期趋势。这一趋势跟踪了全球冰层体积和非洲各地海面温度变化的增加。在此基础上,我们发现了另一个趋势:一旦进入冰河期,我们会看到更多的起伏;摆动越来越大,反映了冰盖的消长,这种变化跟踪了40万年的米兰科维奇周期。”

  一直以来,大型食草动物物种起源和灭绝的化石记录,以及人类化石,似乎都与这些气候变化趋势无关。虽然作者承认变异选择假说可能仍然是正确的,但在不同的尺度上运行,但他们希望鼓励科学界以更批判性的方式思考变异选择假说,科恩说:“而不仅仅是接受它作为我们如何看待非洲化石记录,尤其是人类化石记录的基本原则。”

  他说:“我们并没有说环境变异性对人类进化不重要,但我们目前收集的数据与这一观点非常不一致。如果环境的变异性像人们所说的那样重要,我们预计会看到变异性增加的长期趋势反映在包括人类在内的所有物种的进化更替中,但我们只是没有看到。”

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