再探達爾文進化論靈感之源:加拉帕戈斯群島

出品︱網易科學人欄目組 王真

太平洋上的許多島嶼都以奇特的動物物種聞名於世，但科學家們直到現在才開始理解，這些島嶼的古代歷史對生物多樣性具有怎樣的重要意義。

大約1400萬年前，在距離厄瓜多海岸以西1000多公裡的地方，幾座海底火山噴發打破了太平洋表面上的寧靜。這些火山噴發後，巖漿冷凝、堆積形成了早期的加拉帕戈斯群島，它現在由19個大型火山島和120個小島組成。這裡是許多特有動物的天堂，比如巨龜、海蜥蜴以及藍腳鰹鳥等。

達爾文曾於1835年登上加拉帕戈斯群島的聖克裡斯託巴爾島，並將這個炎熱枯燥的地方比作地獄。但這次到訪也為他提出自然選擇的進化理論提供了靈感，最終幫助他推出《物種起源》。（網易科學人）自從那時以來，加拉帕戈斯群島就成為生物學家、地質學家的科學冥想之地。儘管這裡的「自然實驗室」已經有了很多發現，但其依然籠罩著神秘的面紗。

美國愛達荷大學地質學家丹尼斯·蓋斯特（Dennis Geist）說：「我們發現很多具有啟發性的證據，但我們還沒有加拉帕戈斯群島生命進化的詳細證據，而魔鬼通常就隱藏在細節中。」加拉帕戈斯群島是許多不同生態系統和動物物種的家園，比如加拉帕戈斯海豹和不會飛的鸕鷀，它們都是加拉帕戈斯群島上獨有的動物。為了了解這種獨特性是如何產生的，科學家們已經開始從生物學之外的角度探究這些島嶼的地質歷史。

圖：加拉帕戈斯群島全貌

加拉帕戈斯群島有自己的「熱點」起源，即地球內部巖漿從地殼中湧出，並在海底形成火山。這些「熱點」是靜止的，但其形成的火山卻非是固定的。它們坐落在納茲卡板塊上，以每年大約4釐米的速度從西向東移動。這種運動意味著，更古老的島嶼（目前已被完全浸入水下）通常位於東側，而更年輕的島嶼總是坐落在「熱點」之上。

愛達荷大學地質學家埃裡克·米特爾斯塔茨（Eric Mittelstaedt）表示：「加拉帕戈斯群島就像大型的島嶼傳送帶，它不斷創造新的島嶼和生命，動物和植物則從舊島嶼向新島嶼遷徙。（網易科學人）在島嶼停止增長並開始受到侵蝕下沉前，這些動植物都在舊島嶼上生長，隨後會遷往新島嶼。」

最初的時候，最先形成的島嶼僅僅是大量火山巖形成的荒涼之地。但是山脈與大氣層交互產生雨水。經過數千年的演變，雨水侵蝕玄武巖形成土壤,土壤的出現則成為生命初現的信號。風將蕨類植物、苔蘚以及地衣的孢子帶到島嶼上，還有其他小型昆蟲甚至蝸牛，最後吸引到更多鳥類到來。

普林斯頓大學生態學和進化生物學榮譽教授彼得·格蘭特（Peter Grant）說：「很可能是周圍水域的海鳥首先來到島上，帶來了微生物，因為它們是如此豐富、渺小以及容易傳播。植物種子可能被海鳥帶來的，或從南美洲被風吹來，亦或是隨海水漂浮而來。」

圖：加拉帕戈斯海獅

海洋動物（包括海獅、海龜或企鵝的祖先）可能遊到加拉帕戈斯群島上。而島上的其他爬行動物和小型哺乳動物（比如水稻鼠）可能是隨著植被形成的「竹筏」漂浮來此。與哺乳動物相比，爬行動物似乎能更好地適應海上惡劣、多鹽以及高溫條件，這也可以解釋為何加拉帕戈斯群島上為何只有6種哺乳動物存活，包括加拉帕戈斯群海豹和海獅。

此外，（網易科學人）加拉帕戈斯群島上的獨特動物還包括加拉帕戈斯巨龜，它們是世界上體型最大的龜類物種，體重可達417公斤。不僅僅是與世隔絕和火山性質導致加拉帕戈斯群島出現了獨特的生物，生物多樣性和生態系統的獨特個性也與這樣的事實有關：這座群島直接位於赤道地區，並且處于洋流（赤道潛流）的「快車道」中。這種類似噴氣的洋流位於海洋表面以下100米深的地方，從西向東以每秒超過1米的速度流動。

科羅拉多大學大氣與海洋科學教授克裡斯多弗·喀納斯卡斯（Kristopher Karnauskas）說：「這只是個巧合，加拉帕戈斯群島恰好位於赤道上，而且足夠大到影響洋流的方向。但是這也導致有別於地球上其他地方的生態系統出現。」

隨著洋流衝入群島西部，它將營養更豐富的冷海水從深海中翻上來。這樣營養物質還未被任何海洋動物碰觸過，當它們到達光照區後，光合作用開始發揮作用。這為群島上的海洋生命提供了補充能量，而海水的清涼也幫助催生了熱帶地區不太常見的生態系統。喀納斯卡斯說：「登上加拉帕戈斯群島的不同位置，你可能感受到極寒或極熱的環境。」

群島西側更低的海水溫度為加拉帕戈斯企鵝提供了充足的食物和良好的生存環境，（網易科學人）90%的企鵝生活在伊莎貝拉島和費南迪納島西部。喀納斯卡斯說：「這些企鵝之所以生活在那裡，是因為那裡有食物，而且它們屬於冷水動物。在島嶼東側，溫度則高很多。」

圖：加拉帕戈斯群島企鵝

喀納斯卡斯和米特爾斯塔茨假設，赤道潛流與群島的初始碰撞促使加拉帕戈斯群島出現生物大爆炸。這樣的事件可能標誌著島上生態系統發生劇烈變化，同時也有利於維持這座群島上生物多樣性的機制。喀納斯卡斯說：「整個島嶼生態系統從上升流中開始。」

為了調查此類事件發生的具體時間，科學家們開發出許多獨立模型，比如時間逆推模型，（網易科學人）即在數百萬年間重建群島的形狀和大小。然後利用這些信息，推測每個島嶼形成的時間和其他相應條件，科學家們模擬洋流和周圍海域溫度模型。

這些模型顯示，200萬年前，赤道潛流流經這個地區。但是150萬年前，某座島嶼擋住了其去路。研究人員查看沉積物巖芯數據，即從加拉帕戈斯群島和南美洲附近海底採集的樣本。這些巖芯顯示過去數百萬年間海洋表面溫度變化情況。科學家們發現，大約160萬年前海洋溫度曾發生劇烈變化。（網易科學人）喀納斯卡斯說：「在那個時間段，群島上發生的某種變化引起了古氣候數據變化。事實證明，我們在模型中對上述發現進行了獨立驗證。」

大約也是在這個時候，加拉帕戈斯群島最終增大至足以阻擋赤道潛流去路的程度。喀納斯卡斯說：「這對生態系統的影響十分直接，生物在那個時候開始繁榮起來。」

圖：加拉帕戈斯群島巨龜

格蘭特認為，該事件肯定會影響海洋生命的生態和進化，或許也改變了島上新動物和植物物種的生存條件。如果這種碰撞促使加拉帕戈斯群島生命進化，其他地質事件可能繼續塑造其過程。蓋斯特說：「由於這座群島首次出現，海平面不斷上下起伏。在過去300萬年間，它大約重複了30次。」

香港大學的傑森·阿里（Jason Ali）與雪梨大學喬納森·艾奇遜（Jonathan Aitchison）2014年發表論文稱，這些波動會大幅改變加拉帕戈斯群島的地理，反過來也會影響島上的生態進化。（網易科學人）通過研究該地區的海底圖，阿里注意到加拉帕戈斯群島中部的水位較淺，或許只有200米深。

在他們的研究中，科學家估計2萬年的海平面比當前前低144米。追溯到63萬年前，阿里認為當時的海平面比當前低210米，那比加拉帕格斯群島某些地方的海底更低。阿里表示：「我意識到，群島部分地區在某個時間點肯定是相連的，甚至它們之間有陸路通道相通。」島嶼之間的橋梁可拓展陸地動物的活動範圍，比如陸鬣蜥、葉趾壁虎以及遊蛇等。

圖：加拉帕戈斯群島陸鬣蜥

當科學家們仔細研究時，他們發現群島曾擁有同樣的生物學特徵，而周邊島嶼則有自己的生物學特徵。阿里說：「只有當有相似的地質背景時，才會出現這種聯繫。」兩種截然不同的蛇曾佔據加拉帕戈斯群島的核心島嶼，科學家認為它們的共同祖先在13.8萬年前可以在不同島嶼之間滑行。（網易科學人）可是隨著海平面上升，這兩個種群分別進化為西部的Pseudalsophis slevini和東部的Pseudalsophis dorsalis。格蘭特表示：「總的來說，島上的生物隔離讓它們可以適應當地環境。解除隔離，即海平面下降，島嶼之間重新連接起來，允許這些此前隔離的物種重新融合起來。」

最終，火山噴發不僅為加拉帕戈斯群島提供了生命基礎，還持續幫助塑造了生態系統。在費南迪納島上，每隔2到3年火山就會噴發，噴發出的巖漿順著山坡流下。米特爾斯塔茨說：「當巖漿直接流下時，可能會殺光某些物種，但也可能將某些動物分成不同族群，它們往往無法跨越熔巖流重新融合。」

在加拉帕格斯群島上，每座火山周圍幾乎都生存著截然不同的龜類。Alcedo火山擁有加拉帕戈斯群島最大的龜群，估計生活著3000到5000隻龜。但是當生物學家們觀察這些龜類的遺傳變異性時，他們發現了8.8萬年前的遺傳瓶頸（即多樣性減少）。蓋斯特利用鉀氬年代測定法估計，Alcedo當時曾發生大規模噴發。

圖：加拉怕戈斯群島費南迪納島火山於1995年噴發

蓋斯特說：「它似乎造成了一種龜類瀕臨滅絕，但總是有類似『夏娃』的龜留下。」生物學家估計，生活在Alcedo附近91%的龜類可能是某隻幸運母龜的後裔。格蘭特說：「通過測定地質事件的年代，並對其進行描述和解釋，地質學家可幫助生物學家理解過去的環境和變化情況，以及它們可能如何對動植物、微生物產生影響。」

加拉帕戈斯群島生態系統的地質影響依然在持續，有時候在很短的時間內甚至也相當明顯。（網易科學人）2015年，位於群島最頂端的沃爾夫火山噴發，可能威脅到世界上唯一的粉色鬣蜥種群。但是當研究生態系統將會如何繼續改變時，人類似乎在此過程中發揮了重要影響力。

在過去數百年間，遊客已經將火螞蟻、山羊以及黑莓引入島上，所有這些都對加拉帕戈斯群島上長期存在的物種造成威脅。由於氣候變化引發海平面上升，也有可能導致島上物種滅絕。蓋斯特說：「回顧過去，生物學和地質學曾密切相關。但是展望未來，地質影響可能不再重要，人類對生態的影響卻越來越明顯。」

本文來源：網易科學人 責任編輯：王真_NT5228

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