长着“铁盔甲”的蜗牛

深海世界生活着一些最神奇的生物,就连蜗牛在这里都变得与众不同。在印度洋深处的海底热液口附近,生活着一种长着“铁盔甲”的蜗牛——作为海洋中生活的腹足类动物,称它们为“海螺”其实更为恰当。这种螺的名字叫鳞角腹足蜗牛(学名:Chrysomallon squamiferum),它们的螺壳由铁的硫化物组成,腹足上覆盖着铁质鳞片,看起来金属感十足,堪称深海版的“钢铁侠”。没错,鳞角腹足蜗牛长出了一副铁盔甲,这在动物世界中是独一份。

  这种令人惊奇的天赋其实要归功于鳞角腹足蜗牛体内的共生细菌。地球上还没有其他动物能以这种方式利用铁元素。而且,由于这种蜗牛的铁化合物具有磁性,有人甚至开玩笑地把它们称为“海底的万磁王”。此外,从比例上看,鳞角腹足蜗牛的心脏体积比许多其他动物都大得多,大约占身体总体积的4%(相比之下,人类的心脏体积只占身体的1.3%)。

鳞角腹足蜗牛(学名:Chrysomallon squamiferum),它们的螺壳由铁的硫化物组成,腹足上覆盖着铁质鳞片  鳞角腹足蜗牛(学名:Chrysomallon squamiferum),它们的螺壳由铁的硫化物组成,腹足上覆盖着铁质鳞片

  奇特的铁甲

  非同寻常的海底热液口环境造就了这种非同寻常的生物。在2400米到2800米的海底,热液口附近的海水流入地壳缝隙,被滚烫的岩浆加热,温度能达到400摄氏度以上,许多有毒物质也随之倾泻而出。2001年,科学家在印度洋的Kairei热液口区首次发现了鳞角腹足蜗牛。即使是在热液口生物群落中,它们也是非常令人惊奇的发现,从来没有一种腹足类动物像它们一样长出数以百计的鳞片!

  可以说,鳞角腹足蜗牛的身体皆被铁化合物覆盖,主要是二硫化亚铁(黄铁矿的主要成分)和四硫化三铁(Fe3S4),后者具有磁性,因此鳞角腹足蜗牛会被磁铁吸住。鳞角腹足蜗牛的螺壳并不像板甲那么坚硬,而更像是锁子甲——柔软却又强韧。它们的螺壳可以分为三层:最外面是一层“镀铁”的物质,厚度约30微米,由铁的硫化物组成;最内侧由钙化的碳酸盐矿物霰石组成,厚度约250微米;而中间是柔软的有机层——相当于其他腹足类的外壳膜,厚度约150微米。铁质可以提供力量,而有机层能吸收掠食者——比如一只挥舞螯肢的螃蟹——攻击时的力道。此外,有机层还具有散热的功能。目前,有研究者正在尝试借鉴鳞角腹足蜗牛的螺壳结构,研究在民用和军事领域的应用。

  鳞角腹足蜗牛的螺壳具有3个螺旋,整体呈压缩的球形。螺壳上具有肋纹和精细的生长线。相比Peltospiridae科的其他物种,鳞角腹足蜗牛的体型要大得多。大部分Peltospiridae科蜗牛的壳长在15毫米以下,而鳞角腹足蜗牛的螺壳宽度通常在9.8~40.02毫米之间,最大的可达45.5毫米,成体的平均宽度为32毫米。

  相比外部的螺壳,鳞角腹足蜗牛腹足上的鳞片似乎有着更合理的用途。一些掠食性海螺(比如芋螺)能伸出鱼叉状的齿舌捕食小鱼,然后注入毒液使其麻痹。生物学家推测,鳞角腹足蜗牛的铁质鳞片可能具有抵挡这种攻击的作用,就像骑士的盔甲可以使标枪转向。

  鳞角腹足蜗牛的鳞片主要由蛋白质组成(贝壳硬蛋白是一个复杂的蛋白质),以覆瓦状排列;相比之下,多板类(包括各种石鳖)的鳞片主要是钙质。不过,在鳞片之间的连接处,我们找不到明显的贝壳硬蛋白生长线。无论是现生,还是已灭绝的腹足类物种,再没有第二种具有这样生长在皮肤上的鳞片;已知的现生动物中,也再没有其他物种能像它们这样利用铁的硫化物,无论是骨骼还是外骨骼。

  鳞角腹足蜗牛的鳞片外表面具有相当多样的附着生物,主要为两类细菌:ε-变形菌和δ-变形菌。这些细菌可能为蜗牛提供了矿物质。有学者认为,鳞角腹足蜗牛会分泌一些有机化合物,促进这些细菌的附着和生长。科学家推测,腹足上的鳞片可能具有保护或解毒的功能,比如保护鳞角腹足蜗牛免受热液口液体的伤害,使它们体内的细菌可以安全地进行化学合成作用;又或者,这些鳞片本身可能就是共生细菌代谢时产生的有毒硫化物沉积的结果。不过,鳞片的真正功能是什么,我们还需要更多的研究。

鳞角腹足蜗牛的“铁盔甲”看起来金属感十足,堪称深海版的“钢铁侠”。鳞角腹足蜗牛的“铁盔甲”看起来金属感十足,堪称深海版的“钢铁侠”。

  体内的细菌工厂

  1977年,科学家在加拉帕戈斯裂谷首次发现了海底热液口。加拉帕戈斯群岛的奇特生物为查尔斯?达尔文的自然选择理论提供了灵感,而群岛海底的热液口又展示了新的生命可能。这些热液口的能量来自地质活动,喷出的液体通常具有很高的酸性,并含有多种金属和硫化氢。硫化氢就是臭鸡蛋气味令人恶心的原因,对生物体具有毒性。不过,也有一些细菌可以通过化学合成的过程利用硫化氢获取能量。在漫长的演化过程中,许多神奇的动物已经和这些细菌形成了互利共生的关系,从而适应了热液口的严酷环境。在总体上寒冷、食物匮乏、生物量极低的深海环境中,深海热液口就像“生命绿洲”,周围聚集了大量无脊椎动物。

  鳞角腹足蜗牛相当于一个化能合成共生作用的功能体,它们体内的内共生细菌主要分布食管腺体(esophageal gland)中,而这个器官的体积甚至比其他蜗牛体内的腺体大1000倍。这些共生菌为鳞角腹足蜗牛提供了能量,很可能是某种糖类(这种细菌也还没有在实验室里培养出来,因此我们只能猜测)。食管腺体就像蜗牛体内的食品工厂,使它们甚至不用去觅食——鳞角腹足蜗牛的消化系统已经退化,不到典型腹足类消化系统体积的10%。这或许就是鳞角腹足蜗牛能长到4.5厘米大小的原因,而那些关系很近,却没有共生菌的蜗牛只能长到1.5厘米甚至更小。与此同时,鳞角腹足蜗牛为这些细菌提供了一个安全、舒适的生存环境。

  奇怪的是,在类似的生活环境中,却出现了3种颜色各不相同的鳞角腹足蜗牛。2001年,生物学家在三个地点发现了鳞角腹足蜗牛,其中两个地点的个体呈深色,第三个地点的个体呈白色。根据遗传学分析的结果,这些蜗牛都属于同一个物种。

  出现这种情况的原因是什么?答案在于与鳞角腹足蜗牛共生的细菌——黑色变种的蜗牛体内具有一些白色变种所没有的细菌。鳞角腹足蜗牛的体表和体内生活着一些有益的细菌,能帮助它们生成铁的硫化物。来自海底热液口硫化物具有很高的毒性,但如果与矿物质结合并形成固体形式,毒性就会消失。在这些化合物毒性减弱的过程中,细菌可能扮演着重要的角色。因此,鳞角腹足蜗牛不仅镀了一层铁盔甲,而且这层铁盔甲还是有毒的。不过,这只是科学家的推测,他们还没有在实验室里培养出这种细菌。也有研究者认为,鳞角腹足蜗牛完全是靠自己生成了铁的硫化物,如果确实如此,那将是前所未有的发现。

  有研究者提出,在食管腺体中蓄养内共生细菌的策略,可能促使鳞角腹足蜗牛在解剖学结构上发生一系列新的改变,从而更加有利于细菌的生长,蜗牛本身的需求反而还在其次。食管腺体的增大、保护性的腹足鳞片、体积较大的呼吸系统和循环系统,以及较高的繁殖能力,都是有利于内共生微生物的适应特征。在极端的化能合成环境中,这些适应特征满足了鳞角腹足蜗牛的能量需求。

现已知三种形态的鳞角腹足蜗牛,从左到右分别来自Kairei、Longqi和Solitaire区域现已知三种形态的鳞角腹足蜗牛,从左到右分别来自Kairei、Longqi和Solitaire区域

  隐秘的海底生活

  2001年,科学家在中印度洋脊的Kairei热液口区首次发现了鳞角腹足蜗牛,随后又在Solitaire区(位于中印度洋脊)和Longqi区(位于西南印度洋脊)发现了它们。其中,Longqi热液口区被指定为模式标本产地,所有的模式标本材料都来自于该区域。虽然三个地点之间的距离很大,但鳞角腹足蜗牛的总分布面积其实很小,不到0.02平方公里。

  尽管早在十多年前科学家就发现了鳞角腹足蜗牛,但直到2015年,研究者才正式发表了对该物种的生物学描述,并确定其学名为Chrysomallon squamiferum。其中属名“Chrysomallon”来源于古希腊语,意思是“金色毛发”,因为它们螺壳中的二硫化亚铁呈现金色;种名“squamiferum”来源于拉丁语,意思是“长有鳞片的”。

  鳞角腹足蜗牛的头部长有两根光滑的、逐渐变细的触角。它们没有眼睛,也没有特化的交接器。它们的腹足呈红色,体积较大,无法完全缩回螺壳。此外,它们也不像其他蜗牛和蛞蝓一样具有上足腺(Suprapedal gland),也没有上足触手。

由鳞角腹足蜗牛和多毛类环节动物、甲壳动物等类群组成的Longqi热液口区生物群落由鳞角腹足蜗牛和多毛类环节动物、甲壳动物等类群组成的Longqi热液口区生物群落

  在 Pelospiridae科中,鳞角腹足蜗牛是目前已知唯一的“同时雌雄同体”物种,这意味着它们同时具有雄性和雌性生殖器官(有些蜗牛属于“阶段性雌雄同体”)。它们具有很高的繁殖力,所产的卵很可能是依靠卵黄提供营养。科学家还不清楚鳞角腹足蜗牛幼体和胎壳的形态(目前采集到最小的未成熟个体已经具有2.2毫米的壳长),但推测可能存在一个浮游扩散的阶段。鳞角腹足蜗牛在人工环境下很难成活,即便如此,它们还是曾在大气压下的水族缸中存活了超过3个星期。

  在食物匮乏的深海热液口环境中,鳞角腹足蜗牛演化出了一种出色的生活策略。海洋上层的有机物质只有极少一部分能落到海底,为了生存,包括鳞角腹足蜗牛在内的许多生物演化出了利用化学能源的能力,在深海热液口附近形成了生命奇观。西南印度洋脊的深海热液口正缓慢扩展,而热液口周围的生物群落对环境扰动十分敏感,并且恢复速率很慢。深海采矿或许会对鳞角腹足蜗牛等热液口生物带来潜在的威胁。

  你或许会问,为什么鳞角腹足蜗牛不迁移到更加宜居的环境?事实上,如果能适应这样的环境,生活其实还不错。举例来说,热带珊瑚礁区域堪称“海洋中的热带雨林”,生活着难以计数的物种,但同时也意味着激烈的生存竞争。而在深海环境,特别是热液口附近,还有一些生态位等待着新生物的到来。

如果我们能消灭地球上所有的蚊子,结局会怎样?

消灭地球上的蚊子会带来什么结果?这个看似简单的问题其实并不简单消灭地球上的蚊子会带来什么结果?这个看似简单的问题其实并不简单
 

  如果我们能消灭地球上的蚊子,那将带来什么样的结果?这个问题最初出现在Quora网站上,台湾大学的昆虫学系助理教授Matan Shelomi(中文名为薛马坦)在该问题下做了详细的解答。以下便是他的答案。

  这是我在Quora上最常被问到的问题类型,提问的形式多种多样,比如“蚊子存在的意义是什么?”、“蚊子在生态系统中扮演着什么角色?”、“我们能否消灭所有的蚊子?”、“我们如何完全摆脱蚊子?”、“有没有人尝试消灭所有蚊子?”,以及“为什么我们还没有完全消灭蚊子?”等等。除了蚊子,我们还会看到关于其他动物的类似问题,包括苍蝇、蟑螂,或者还有臭虫、跳蚤,以及不是昆虫的蜱虫。把这些问题合起来,或者一一回答这些问题,需要耗费无数的时间。因此,我决定写一篇文章,把所有这些问题的答案呈现出来。我们将把焦点放在蚊子上,因为这种动物的情况也能适用在其他所谓的害虫身上。

  听到人们如此迫切地希望一个物种灭绝,而不是阻止它们灭绝,是不是有种很奇怪的感觉?这种仇恨可不仅仅是因为蚊子很招人烦。事实上,蚊子堪称世界上对人类最为致命的动物,而且我是把人类本身也算了进去。它们传播,或携带诸如疟疾、黄热病、登革热、基孔肯雅热、西尼罗河病毒和寨卡病毒等疾病和病原体。每一年,所有这些疾病造成的死亡人数超过战争和杀人案件的总和。消除这些疾病将拯救数以百万计的生命,同时也能减少许多苦痛和残疾。如果没有蚊子,这些疾病将不会存在……但是,为什么会这样呢?

  我们需要杀死所有蚊子吗?

  不,因为并不是所有蚊子都是有害的。蚊子属于昆虫纲双翅目之下的蚊科(Culicidae),包括了超过3500个物种!雌性通常会在平静水体中产卵,从浅水池塘到花盆积水,从供鸟嬉戏的水盆到地上的积水,都是它们孕育后代的地方。蚊子幼虫在水中生长,以微生物、小颗粒或藻类为食。它们会在水中化蛹,成虫最终会离开水面飞走。

  蚊子成虫吃什么?大部分物种是素食主义者。它们吸食花蜜、植物汁液和果汁,并且从不吸血。消灭这些物种并没有必要;事实上,这还会带来负面效果。在无害的巨蚊属(Toxorhynchites)中,有超过90个物种。顾名思义,这类蚊子具有巨大的体型,而它们也是我们的“同盟军”:它们的幼虫以其他蚊子的幼虫为食!由于它们对人类有所益处,因此在我们尝试任何消灭“坏”蚊子的方法时,应当确保这些大蚊子安然无恙。

  在以吸食血液为生的蚊子种类中,只有少数(200种左右)吸食人血,其他的则以鸟类、蜥蜴或小型哺乳动物的血液为食。在能以人血为食的蚊子中,也不是所有种类都携带病原体,甚至在那些携带疾病的物种中,也不是所有种群都是有效的病原体载体。而且,不同的物种携带着特定的疾病。例如,引起疟疾的疟原虫就几乎只由疟蚊属(Anopheles)的种类传播。在大约460种疟蚊属蚊子中,只有大约100种能携带5种左右可感染人类的疟原虫(超过200种疟原虫是感染其他动物的)。在这100种蚊子中,只有30到40种能成为疟原虫属生物的寄主,给人类带来致病风险;其中,又只有屈指可数的几种疟蚊偏好人类血液作为食物来源,并只有5种能携带恶性疟原虫(学名:Plasmodium falciparum)——引发的疟疾最为危险,症状最严重,死亡率也最高。在这5种疟蚊中,最危险的是冈比亚疟蚊(学名:Anopheles gambiae),虽然这个物种本质上其实是由至少7个物种组成,但那又是另一个故事了……总而言之,如果你真的想要消灭疟疾,那只有很少几个物种关系最大,而首先必须把重点放在冈比亚疟蚊上。单单消灭这个物种(集合)就将拯救数百万人的生命。

  其他少数几个属的蚊子也会携带病原体,即所谓的“虫媒病毒”(arboviruses,即所有必须通过吸血性节肢动物媒介而感染脊椎动物的病毒)。伊蚊属(Aedes)的许多物种,尤其是埃及伊蚊(学名:Aedes aegypti)和白纹伊蚊(学名:Aedes albopictus),都是登革热病毒、黄热病病毒、基孔肯雅热病毒、西尼罗河病毒、拉克罗斯病毒(一种脑炎病毒),以及一些动物病毒如西部马脑炎病毒的传播载体。这些病毒中有许多还可以通过库蚊属(Culex)和绒蚊属(Culiseta)传播,前者还能传播鸟疟疾,后者则极少叮咬人类;同样能传播其中某些病毒的还有黄蚊属(Ochlerotatus)——不过这个属名还存在争议,我就不展开了。趋血蚊属(Haemagogus)能传播黄热病病毒和一些较为罕见的病毒,如马亚罗病毒(Mayaro virus)和伊利乌斯病毒(Ilheus virus)。沼蚊属(Mansonia)能传播一些虫媒病毒,但更主要是传播在亚洲和太平洋地区导致丝虫病的丝虫。其他的属也有一些携带丝虫的物种,能传播寄生狗和其他动物的犬心丝虫,以及引起人类象皮病(又称淋巴丝虫病)的几种丝虫。

  为什么某些物种相比其他物种是更好的疾病载体?答案是,蚊子并不仅仅是携带疾病:它们也被感染了。当蚊子将被感染的血液吸入体内时,它们的中肠也会受到感染。病原体会在中肠内增殖,然后喷涌到体腔,最终在那里感染唾液腺。整个过程可长达两周时间,取决于疾病的种类。当蚊子叮咬下一个受害者时,病原体就会随着唾液注入受害者体内。这也是艾滋病病毒无法经过蚊子传播的原因之一:病毒无法感染蚊子的中肠,而是直接被消化了。不同的蚊子种类可能会对某些特定的病原体免疫,中肠或唾液腺具有抵抗力,或者只是在病原体完成增殖周期并到达唾液腺之前就因为某些自然原因死掉。受感染的蚊子有时确实会寿命较短,因此演化机制会让这些病原体变得小心翼翼:它们不能在自己完成繁殖并注入新的宿主之前杀死蚊子。

  总结一下,我们不需要杀死所有的蚊子,只需要处理那些传播疾病的物种。

  蚊子为这个世界做了什么?

  除了传播疾病,蚊子的存在还有什么其他意义?更重要的是,那些传播疾病的物种是否扮演着某种角色,使它们值得存在于我们周围?

  让我们从幼虫开始。蚊子幼虫,也就是孑孓,生活在水中,以各种碎屑为食,它们确实在某种程度上能保持水体清洁,但其他许多不传播疾病的生物也能做到这点。孑孓几乎不会摄食任何重要的东西……除了巨蚊属的幼虫会以其他蚊子的幼虫为食,前面已经提到,我们应当避免让这个属的蚊子遭到“种族屠杀”。

  孑孓会被哪些生物吃掉?其他水生幼虫,比如蜻蜓和豆娘的幼虫、一些龟类、较大的蝌蚪,以及鱼类。最著名的孑孓捕食者是食蚊鱼(学名:Gambusia affinis)和霍氏食蚊鱼(学名:Gambusia holbrooki)。这两种鱼原产于北美洲,已经被普遍引进到世界各国,用于控制池塘和水潭的蚊虫。一些地方的政府还免费发放这两种鱼,认为它们能吃掉蚊子幼虫,而不是其他生物。这种方法在世界一些地方效果明显,特别是在俄罗斯城市索契附近,那里原本是疟疾热点;2010年,当地人还竖起了一座食蚊鱼的雕像。

  然而,认为这两种鱼只吃蚊子幼虫的观点并不准确,它们的名字也是一个误会。霍氏食蚊鱼其实更喜欢吃浮游生物、藻类和有机碎屑(与孑孓的食物相同),通常在没有其他选择时它们才会捕食孑孓等无脊椎动物。食蚊鱼是更厉害的掠食者,每天能够吃下相当于自身体重一半到一倍半的蚊子幼虫。不过,它们无法只依靠蚊子存活,还必须摄食浮游生物和其他昆虫等食物,否则就会营养不良并发育迟缓。虽然被称为“食蚊鱼”,但蚊子在这两种鱼的日常食谱中只占据很小的一部分。更糟糕的是,它们对其他鱼类极其凶猛,而那些鱼类本身在捕食蚊子上也同样高效。在澳大利亚,从20世纪20到30年代人为引进的食蚊鱼在水中横行霸道,欺压并消灭了当地鱼类和蛙类,使后者的数量降低到很低的程度,以至于蚊子的数量反而上升——因为掠食者的总数变少了。被外来食蚊鱼吃掉或杀死的本土蛙类和鱼类,很多本身就是重要的物种,如今却面临灭绝的威胁,这表明即使食蚊鱼真的能捕食蚊子,它们的引入也很可能成为严重的问题。索契之所以没有遭受这样的灾难,是因为那里一开始就没有多少会受到食蚊鱼威胁的本土动物类群。引入其他鱼类,比如鲶鱼甚至金鱼,都是有可能取得和食蚊鱼同样效果的。很显然,食蚊鱼属(Gambusia)并不是全球蚊子消灭行动的可靠帮手,但另一方面,我们也不用担心孑孓灭绝会导致鱼类消失的问题,因为没有一种鱼类(或其他动物)是单一地以它们为食。

  那么对于蚊子成虫呢?以它们为食物的生物种类就更加多样了,从鱼类到蛙类,从蝾螈到蜥蜴,从捕蝇草到鸟类和蝙蝠,更不用说其他昆虫了……这里顺便说一下,大蚊(大蚊总科的昆虫)有时被称为“蚊鹰”(mosquito-hawk),但它们其实不吃蚊子,事实上它们甚至不吃任何东西:大蚊成虫寿命很短,不进食,交配繁殖后就完成了一生的使命。真正吃蚊子成虫的昆虫包括蜻蜓和豆娘,它们的水生幼虫同样会捕食孑孓和孑孓发育成的蛹。它们是蚊子一生的天敌。

  这些自然捕食者能否用来消灭蚊子?而蚊子的清除是否会损害这些捕食者?不能,不会。再说一次,蚊子并不是所有这些生物的唯一食物来源。以一种体型较大的动物来举例,紫崖燕(学名:Progne subis)是一种外形十分漂亮的美洲鸟类,常常被认为是一种应对蚊子的生物防治物种。但是,它们的作用可能被高估了。许多研究者对这种鸟类的摄食行为进行了观察,发现蚊子在它们的食谱中所占比例并不大,而它们的摄食区域和时间也不与媒介蚊活跃的地点和时间重叠;而且,释放紫崖燕也并不会对当地的蚊子种群造成很大的影响(尽管也有些研究提出相反的意见)。此外,与食蚊鱼一样,紫崖燕也会带来适得其反的效果,因为它们会捕食其他掠食性昆虫,比如蜻蜓,以及从甲虫到蜜蜂等众多有害或有益的昆虫。除了蚊子、摇蚊、蠓、和苍蝇之外,蜻蜓本身也喜欢捕食蜜蜂和蝴蝶。蝙蝠也是如此,蚊子在它们的食物中只占不到1%。你能指责这些捕食者吗?蚊子体型微小,还不够塞牙缝的,而一只圆滚滚的甲虫或蛾子显然要更有营养得多。

  如果这些替代食物来源不存在呢?世界上有没有哪些地方蚊子是占优势地位的昆虫?有,在北极。虽然大部分昆虫喜欢温暖的气候,热带地区也确实拥有最高的昆虫多样性,但实际上,北极苔原才是世界上蚊子问题最严重的地方,因为那里为蚊子繁育提供了完美的“孵卵器”。北极苔原的土壤在冬天近乎冻结,而夏天土壤解冻,使整片地区成为巨大的蚊子繁殖场。蚊子在这些地方组成庞大的群体,形成一团团浓密的黑云。科学家认为,蚊子是这些地区鸟类最重要的食物来源……不过也有人表示反对,认为摇蚊(摇蚊科Chironomidae的种类)实际上在当地鸟类的食谱中占更大比例,并且会填补蚊子消失后留下的空白。因此,如果蚊子被消灭,那北极的鸟类将最可能成为(或许也是唯一)被波及的生物。幸运的是,北极地区占优势地位的蚊子是撮毛伊蚊(学名:Aedes impiger)和黑足伊蚊(Aedes nigripes),二者都不是人类疾病的传播者。因此,如果我们的目标是对抗传播疾病的物种,那北极就可以不用考虑了。

  那授粉的问题呢?有没有什么植物是依赖蚊子授粉的?有,很多,但其中大部分植物(比如一枝黄花属)也可以由其他昆虫授粉。少数植物的确更青睐蚊子授粉,即虽然其他昆虫能帮它们授粉,但蚊子是最为常见,也是最有效率的。这些植物都属于兰科,也是低温生活的种类。其中一个例子是北方小泽兰(学名:Platanthera obtusata),一种生长于北极地区的舌唇兰,主要依靠雌性伊蚊和少数几种蛾类进行授粉。这种兰花通过散发一种微弱的气味——能被蚊子探测到但我们的鼻子闻不到——来吸引蚊子,这种气味非常类似人类的体味。与北方小泽兰相近的一种兰花,Platanthera flava,也是主要依靠伊蚊传粉,小型蛾类次之。其他舌唇兰属(Platanthera)物种主要由其他昆虫授粉,蚊子其次;或者主要为自体授粉,很少需要昆虫帮忙;其他少数几种兰花也有类似的现象。因此,这些兰花中有一部分可能会因为蚊子被消灭而受到威胁。不过,这些兰花中没有哪一种是对生态系统本身有重要影响的,它们对人类来说也不是很重要;没有它们世界并不会有太多改变。这并不是说兰花物种灭绝的问题无关紧要,而是说解决昆虫传播疾病的问题相对而言更为迫切。

  彻底消灭蚊子会带来什么风险?

  正如你所看到的,蚊子中并不存在所谓的“关键物种”(keystone species,又称为基石物种)。没有哪个生态系统会因为任何蚊子的消失而崩溃。唯一的例外可能是北极苔原,但那里的蚊子种类并不是疾病传播者,因此可以被保留下来。

  当然,这些都是我们的假设。毫无疑问,我们并不知道所有蚊子种类与其所处环境中其他所有生命形式之间如何相互作用,我们也有可能忽略了一些东西。非确定目标的灭绝并不是唯一的问题。存在另一种可能性是,蚊子被消灭之后留下的空白(学术上称为“生态位”)将被其他更让人烦恼——尽管可能不会传播疾病——的生物所填充。最糟糕的情况是,一种携带病原体的蚊子取代了另一种,而最可能会发生的是,蚊子会被长角亚目蚊科以外的其他类群——包括蠓科、蚋科、蛾蚋科、网蚊科、瘿蚋科、幽蚊科、摇蚊科、Deuterophlebia科、细蚊科、粪蚊科和山蚋科等科的物种——取代。这些昆虫也具有水生的幼虫,有些物种的雌性个体也会吸食血液,其中有些还会吸食人血。少了蚊科的竞争者,以及可能变得更少的捕食者,这些类群的物种可能会迎来种群数量的爆发。另一方面,原先捕食蚊子的捕食者可能会更多地捕食这些类群,在一段时间之后使其数量达到平衡状态。这些与蚊子关系很近的类群会带来危险吗?摇蚊科的种类不会叮人,但蠓科的会;而且,它们的叮咬不仅让人持续瘙痒长达一星期之久,有些物种还会传播感染人类和动物的疾病(尽管目前还没有发现人疟疾或黄热病的记录)。

  蚊子还会以另一种出人意料的方式影响生态系统,这里又要再一次提到北极。蚊子控制着北美驯鹿(学名:Rangifer tarandus caribou)的迁徙。生活在加拿大的庞大驯鹿种群一直处于不断寻找食物的旅程中,但是它们在夏天的行程会多很多,跨越更长的距离前往海拔更高的地方,有时候还会避开最佳的觅食地点。这一切,都是因为它们要躲避夏季在北极地区肆虐的庞大蚊群。长时间行进而不进食,意味着北美驯鹿为寒冷冬天积蓄的脂肪更少,而这经常代表着死亡。消灭这些地区的蚊子将改变北美驯鹿很长历史时间里的迁徙路线,由此引发的后果无法预料。另一方面,今天北美驯鹿的种群数量只是曾经数量的一小部分——从数十万头减少到数千头,而人类对其栖息地的破坏是引起数量下降的主要原因。所以多一些北美驯鹿是件好事情。蚊子对北美驯鹿的伤害显而易见。在蚊子爆发最严重的时期,北美驯鹿一星期会损失多达1升的血液。因此,如果你问我的话,我会说它们肯定非常赞成把蚊子消灭掉。考虑到它们的种群数量和群体智慧,如果投票的话,票数一定很多。

  考虑到我们已经在世界很多地区根除了疟蚊,同时没有造成麻烦,因此真正极端糟糕的情况出现的可能性很小。不过,事情也没有绝对,任何灭绝或局部地区灭绝(extirpation,指一个物种在一块选定地理区域中已经消失或灭绝,但在其他地区依然存在)都可能带来难以预料的风险。问题在于:这些可能会改变某个生态系统的风险能与人类生命的价值相比吗?在多大程度上?我们并不是在争论应不应该拯救熊猫,而是要不要根除人类有史以来已知最主要的杀人凶手。考虑到虫媒病毒和疟疾目前仍在杀死或感染数以百万计的人,如果选择不消灭那些相关的媒介蚊,唯一的辩护理由就是:这么做的预期环境效应将带来同样的损害。我们不能为了对抗黄热病而在一整片热带雨林中施放毒药,因为数百万人依赖热带雨林获取食物、药物、木材、工作机会、清洁的饮用水和清洁的空气;药方比疾病更加恶劣,并影响更多的人。另一方面,假如我们消灭了埃及伊蚊,而一种蝾螈和一种兰花也会随之消失:这样的交易我们是可以接受的。这里的“我们”是指数百万因此不再因为黄热病而死亡的人。毫无疑问,其他物种的灭绝的确是悲剧,但对抗黄热病的胜利价值可以媲美诺贝尔和平奖。渡渡鸟和袋狼的灭绝没有给人类社会带来益处,因此完全是一场不幸,相比之下,埃及伊蚊或甘比亚疟蚊的消失,其价值将比最悲观估计的成本还要高。

  我们如何能消灭全世界所有的疾病媒介蚊?

  由于对生态系统进行改造的过程相当微妙,因此重要的是不要使用一些太过宽泛的方法。预测消灭一个物种的影响已经够难了:想象一下把这一过程中所有被意外杀死的物种都考虑在内……假如我们能全部预想到的话!所以杀虫剂可以排除:它们没有明确的目标,而且也不能在全球范围内奏效。空中喷洒药剂不会伤害到那些在室内叮咬人类的蚊子,在蚊子的繁殖区域喷洒杀虫剂也不会渗透到人类住地中无数的小空间,从空心的树洞,到塑料袋里的小块积水,都可能是蚊子繁衍的场所。这也是公众参与在蚊虫防治中显得特别重要的原因:每个人都必须尽到自己的责任,把自家后院里的蚊子孳生场所清理干净。否则,即使有一家没处理好,蚊子就会卷土重来。

  不,如果我们想要根除全世界的蚊子,就需要一种针对特定物种、使目标无法抵挡并无处可逃的方法。通过方案设计,必须确保只有目标生物受到影响,而且要让它们无法适应或演化出抵抗能力。我们需要某种使它们“自我毁灭”的方法,即目标物种在无意间导致了自己的死亡。这样的事情有可能吗?

  有可能,而且已经在做了。新世界螺旋蝇(学名:Cochliomyia hominivorax)是一种寄生蝇,其蛆虫会寄生在哺乳动物的健康组织上。人类也是这种寄生蝇的寄主,但受害更严重的是牛,被寄生的牛会在10天内死亡。20世纪50年代,美国一年因新世界螺旋蝇造成的经济损失超过2亿美元。事情已经到了刻不容缓的地步,但杀虫剂并不奏效。科学家对新世界螺旋蝇进行了大量研究,包括一项耗资25万美元、部分关于新世界螺旋蝇性行为的研究。这项研究遭到许多美国参议员的责难,认为纯粹是浪费纳税人的钱。不过,这些参议员很快就乖乖地收回前言,认错道歉。科学家发现,雌性新世界螺旋蝇其实是单配的,即一生中只交配一次。研究者爱德华·尼普林(Edward Knipling)和雷蒙德·布什兰德(Raymond Bushland)推测,如果一只雌性新世界螺旋蝇与一只不育的雄性交配,那它的卵就将永远不会孵化;而由于雄性可以反复交配,因此一只不育雄性能使很多只雌性无法产生后代。因此,如果将足够多数量的不育雄性新世界螺旋蝇(不会对牛等牲畜带来影响,因为雄蝇不会吸血或产卵)“倾泻”到生态系统中,就能立刻缩小下一代的种群规模。这一过程可以反复进行多次,直到最终每只雌蝇都与不育雄蝇交配,到了那个时候,整个种群就会永远消灭了。

  在20世纪50年代的实验室中,科学家使用X射线(后来是伽马射线和其他技术)对新世界螺旋蝇进行了昆虫节育技术(sterile insect technique,SIT)的试验。他们用碎肉大规模培养雄蝇,然后用射线照射,强度足以使它们不育,同时又不会太虚弱,以至于无法与正常雄蝇竞争。长话短说,这种方法奏效了。通过每隔几星期一次地大量释放这种不育雄蝇,科学家成功地消灭了美国的新世界螺旋蝇,接着是墨西哥,然后继续向南,最终北美洲和中美洲都再也见不到这种寄生蝇的踪迹。1988年,新世界螺旋蝇被意外地带入了利比亚,而就在1990年12月,该国就引入了不育雄蝇,并在不到一年的时间里就根除了这种寄生蝇。如今在巴拿马,不育雄蝇还会被定期投放,以建立一堵生物墙,阻挡从南方飞来的任何雌蝇。这些措施仅为美国畜牧业就节省了超过200亿美元,这个数字还在不断增加。研究的作者因此获得了1992年的世界粮食奖(World Food Prize),该成果也被誉为“(20)世纪最伟大的昆虫学成就”。

  对于安全消灭疾病媒介蚊,昆虫节育技术的原理是很可取的,因为其不会对环境造成其他影响,除了会目标物种本身的消失;而且,这种方法一次只会作用在一个物种上,对埃及伊蚊的昆虫节育技术不会对撮毛伊蚊有任何影响,更不用说其他属的蚊子,以及其他昆虫、哺乳动物或人类。许多蚊子种类的雌性也是单配的,因此理论上也可以应用昆虫节育技术。此外,由于只有植食性的雄性被释放,因此就算在一个地方释放数十亿只这样的蚊子,也不会使人群被多叮咬一口。非洲的部分地区已经成功应用昆虫节育技术治理了舌蝇(Glossina spp。,能传播非洲人类锥虫病,即昏睡病或嗜睡病),但在其他地方,这样的尝试多以失败告终。在美国佛罗里达州治理四斑按蚊(学名:Anopheles quadrimaculatus)的过程中,尽管花了接近一年的时间,但依然没有任何效果,因为投放的不育雄性竞争不过正常的个体,没有交配的机会。在加利福尼亚州治理跗斑库蚊(Culex tarsalis)的过程中,也发生了同样的情况。这种技术存在的问题是,辐射会使蚊子变得虚弱,而且(或者)缩短它们的寿命,因此无法吸引雌性。并不是所有的昆虫都会对射线照射反应良好,这也限制了昆虫节育技术的使用。

  还有一种策略是“胞质不亲和性”(cytoplasmic incompatability),听起来比它本身还复杂。该方法不用辐射,而是用一种名为“沃尔巴克氏体”(Wolbachia)的细菌感染蚊子。这种细菌能感染节肢动物,包括很大部分昆虫,以及一些线虫。它们能生活在昆虫细胞内部,包括卵细胞和精细胞。当被沃尔巴克氏体感染的精子与未受感染的卵子结合时,合子将无法存活。效果保证。1967年,缅甸的奥波市就是利用这种方法,在9个星期内成功消灭了致倦库蚊(学名:Culex quinquefasciatus)。然而,当野生蚊子同样被沃尔巴克氏体感染时,这种方法就会失效:如果卵子和精子都被同一菌株感染,或者卵子被感染而精子未被感染,那它们结合而成的合子就会存活,并长成新的雄性和雌性,后者的卵子同样对沃尔巴克氏体免疫。另一方面,在实验室中高密度培育被感染的蚊子还存在很大的问题:对冈比亚疟蚊的研究显示,那些以高密度培育出来的个体很难竞争过低密度培育或自然密度下成长的个体。投放所用的蚊子需要大量且廉价地培育出来,但如果把成本压得太低,它们就可能无法与野生雄性展开竞争,并将最终失败。

  还存在另一个问题:由于我们不希望释放吸血的雌蚊,因此节育技术也好,其他方法也好,我们都需要在实验室培育的蚊子被释放之前,以某种方式将其中的雌蚊清除掉。不幸的是,蚊子中的性别比例为50/50,因此有必要想出一种分隔雄性和雌性的方法。科学家一开始所用的方法简直不能再原始了:雄蚊和雌蚊的蛹在颜色和大小上有细微的区别,因此可以用人工或带有过滤器的机器将它们分拣出来,确保只有雄蚊被送去用射线照射,然后释放。令人郁闷的是,这种筛选方式对疟蚊属无效,因为二者的蛹大小相同。甚至在这一步之前,许多金钱也是白白花掉的,因为实验室里的雄蚊和雌蚊都消耗同样多的资源。可以这么说,在昆虫节育项目中,只有不到一半的昆虫会最终被释放,实际的投入是理论上投入的两倍。如果想在全球范围内采用昆虫节育技术消灭媒介蚊,我们需要释放数量极为庞大的不育雄蚊,高昂的成本将是必须考虑的问题。

  有没有什么方法可以确保只培育雄蚊,或者提前把不必要的雌蚊先杀死呢?有,使用“遗传性别品系”(genetic sexing strains,GSS)。这是一种用了很久的技术,原理是将一个显性的选择标记——使持有者能够在致命条件下存活下来的某个基因——连接到雄性的性染色体上。一个成功的例子是名副其实的“MACHO”(西班牙语中健壮男子的意思):一个在雄性染色体上具有抗杀虫剂基因的白魔按蚊(学名:Anopheles albimanus)品系。蚊子通常具有和人类一样的XY型性染色体,只有雄性具有一条Y染色体。当用杀虫剂处理一堆MACHO的卵时,可以杀死99.9%的雌性。20世纪70年代晚期,在萨尔瓦多,这一方法确保了每天可以投放100万只雄蚊用于控制野生蚊子的数量。这场清除行动几乎成功,直到其他国家的蚊子又迁移了过来。无论最后我们选择了哪一种技术,都应该能够普及到世界范围。尽管有接近成功的前例,但遗传性别品系技术仍然没有解决辐射会导致许多雄蚊竞争力下降的问题。

  最新的一项技术完全跳过了辐射。该技术被称为“RIDL”,是“昆虫显性致死释放技术”(Release of Insects carrying Dominant Lethals)的缩写,由昆虫学家卢克·阿尔菲(Luke Alphey)发明。RIDL技术中,雄蚊不必接受辐射照射,因此它们和野生的雄蚊一样健康,一样富有竞争力,但也同样是可育的。不过,它们体内携带着一个致命的基因,能导致幼虫后代在长到吸血成虫之前死亡。目前RIDL技术涉及的一种基因被称为“tTAV”(tetracycline repressible activator variant,四环素可抑制活化剂变体),能产生一种有毒蛋白质,阻塞昆虫细胞内的细胞器活动,使其他基因无法激活,从而导致昆虫死亡。这种技术只在蚊子自身的细胞内起作用,所产生的蛋白质在被其他动物摄食后会被消化降解,从而对任何捕食被改造蚊子及其幼虫的动物没有任何伤害。这是一个完全无毒的体系。“但是等一下,那这些蚊子在实验室里是怎么长到成体的?”也许你会这么问。答案是四环素(Tetracycline),这种常见的抗生素同时也是tTAV的解毒剂。在实验室培育中,研究者会用四环素喂食雄蚊,使它们得以发育为成体,但是到了野外,它们和它们的后代就没有活路了。目前,美国南部和南美洲正在使用RIDL技术对抗蚊子,并且已经使传播登革热的蚊子数量大幅下降;巴西也正在使用该技术阻止寨卡病毒的蔓延。

  目前科学家还开发了一种应对地中海实蝇(学名:Ceratitis capitata)的新技术,未来或许也能用于媒介蚊的防治。这是一种雌性特异性的RIDL技术,其原理是:雄性携带的一个基因能产生某种蛋白,在没有解毒剂的情况下,这种蛋白只会杀死雌性。在该体系中,雌性与被改造的雄性交配之后,会产下完全可育的卵,但其中的雌性后代会在幼虫时期死亡,只有雄性后代能存活到成体。这些雄性携带着被改造的基因,继续与数量变得更少的雌性交配。通过这种方法,人们只要释放一次雄性,就可以引发目标种群中的连锁反应,使其数量逐代减少。

  RIDL是一种神奇的策略,对环境或非目标生物没有任何有害影响,甚至能使人们不必与辐射打交道。不过,由于该技术涉及到基因改造,也就是说改造后的蚊子本质上是转基因动物,这也就意味着有一些“惯犯”会努力尝试阻止它们,有的甚至散布起相当有想象力的谎言,而媒体则往往没有能力分辨事实和谎言,或者根本就不感兴趣。大部分故事担心蚊子释放之后会到处乱飞,并叮咬当地居民。有些文章则宣称这些蚊子是在给人类接种对抗疾病的疫苗,如果真是这样的话就太妙了,可惜并不是。还有的人宣称被这些蚊子叮咬之后会让人变异,这同样是够荒谬的。一些人甚至宣称新生儿小头畸形并不是由寨卡病毒引起的,而是因为那些被释放出来的蚊子,并称这种病是“松散基因综合症”。这种疾病当然是不存在的,而且在生物学上也不可能;事实上,这些人之所以否认真实存在的、由寨卡病毒导致的新生儿小头畸形问题,是为了恐吓人们远离转基因,并更好地销售他们的高价有机产品。这是对真正人类痛苦的无耻利用。幸运的是,你现在将了解一个非常重要的事实:雄性蚊子不会叮人——这几乎可以用来反驳上述所有关于昆虫投放的荒谬描述。雄蚊不会吸血,实际上还会避开人类;而由于投放的只有雄蚊,因此认为被投放昆虫会伤害人类的观点完全是无稽之谈。

  这些技术是否意味着我们能够一劳永逸地摆脱杀虫剂?还没到那个程度。请记住,昆虫节育技术和RIDL都要求释放的雄蚊要远多于野生雄蚊。无论我们培养不育或基因改造雄蚊的效率有多高,只要野生种群的数量过多,那这些技术就永远不能发挥实际作用。相反地,我们需要先用杀虫剂把野外种群的数量降下来,降到一定阈值时,才能使昆虫节育技术和RIDL奏效。此外,如果我们想让整个星球摆脱这些物种,那雄蚊的投放就必须覆盖它们的整个分布范围,而这意味着无比广阔的空间。当然,有进步就是好的,即使无法消灭世界上所有的疾病媒介蚊,我们也已经使全世界范围内蚊媒疾病的死亡率大幅下降。

  不过,再等一下!有一种技术,不仅能在完全不伤害携带者和环境的情况下消灭病原体,而且不需要投放或培育昆虫。首先,让我介绍一下查加斯病(又称美洲锥虫病),由美洲锥虫(学名:Trypanosoma cruzi)引起的一种疾病。美洲锥虫的携带者是锥蝽(锥蝽亚科Triatominae的物种),其中最厉害的两个物种是骚扰锥蝽(学名:Triatoma infestans)和长红锥蝽(学名:Rhodnius prolixus)。锥蝽又被称为“亲吻虫”,因为它们喜欢叮咬人类嘴巴附近的区域吸食血液。它们还有一种令人不适的习惯——吃饱之后就开始排泄。而且,当被叮咬的人抓伤口的时候,会把它们的粪便弄进伤口里,造成感染。查加斯病会带来一些可能致命的症状,比如心室扩大。科学家在锥蝽身上进行过昆虫节育技术的尝试,但后来又有了新的防控策略——转基因共生菌(paratransgenesis)。与对昆虫进行基因改造,使其产生某种蛋白质(转基因)不同,这种新技术是对昆虫体内的共生微生物进行基因改造。以长红锥蝽为例,这种昆虫的体内都具有一种共生细菌——椿象红球菌(学名:Rhodococcus rhodnii),为它们制造维生素,以及其他从血液为主的食物中无法获得的物质。对细菌进行基因改造比较容易,因此科学家开发出了能产生有毒蛋白质(对美洲锥虫而言)的转基因共生体。如果用改造过的椿象红球菌喂食长红锥蝽,后者就会对美洲锥虫免疫,不再成为传播载体。细菌还可以很容易地大量培养,从而省略了昆虫投放的问题。最棒的是,受到感染的锥蝽成虫会将转基因共生菌传递给后代:锥蝽幼虫经常以成虫的粪便为食,从而将椿象红球菌摄入体内(这种细菌无法在我们人类的血管里存活,因此既不会伤害我们,也不会带来什么好处)。这种新技术相当有前景,把含有转基因椿象红球菌的锥蝽粪便投放到美洲锥虫肆虐的地方,最终的结果就是这些寄生虫被完全消灭,而锥蝽安然无恙,整个生态系统也完全不会受到影响。转基因共生菌技术或许还能用在其他地方,科学家正致力于开发适用其他物种的转基因共生菌,比如利用一种基因改造的真菌使疟蚊对疟原虫免疫。

  到这里,你应该已经对是否应该把某个蚊子物种消灭,以及这么做是否可行有清晰的概念了。如果你对另一些昆虫,比如臭虫、蟑螂等也有类似的问题,或许你可以尝试自己来回答一下。你可以问自己:这类昆虫中有哪些物种是真的有害?昆虫节育技术(SIT)是否可行?有没有其他应对相关疾病的方法?如果你对这样的问题感兴趣,可以考虑一下从事医学昆虫学、流行病学、遗传学或(理所当然的)医学等领域的工作,或许我提到的那个诺贝尔奖有朝一日就会属于你。

  与此同时我们应该做什么?

  在全球范围内根除疾病媒介蚊,无论能否做到,也无论是不是一个好主意,都与现实有很长的距离。在那之前,最好的方法是做到局部根除。如果你有一片小池塘,放一些金鱼、锦鲤或孔雀鱼进去吃蚊子幼虫,没必要一定要用食蚊鱼。杀虫剂是另一个不那么理想的选项,因为那些有益的昆虫也会被杀死。不过在紧急情况下也可以酌情使用,比如目前在巴西就使用杀虫剂来对抗寨卡病毒……当然,并不是这些化学药品导致了新生儿小头畸形——无论阴谋论者怎么说,这样的说法都是完全没有被证实的。目前所用的杀虫剂中大多数都是对人体无毒的。

  对于在容器积水中孳生的蚊子,要经常清理容器或者把水排干。注意任何能积蓄雨水的地方,从喂食动物的小碗到花瓶,从旧轮胎到塑料袋或帆布。从这些角落里孳生的蚊子最先叮咬的就是你,因此你所做的一切,都是在为保障公众健康做贡献。最重要的是,这是在保护你自己。当你深入某种蚊媒疾病肆虐的地方时,记得在皮肤或衣物上喷洒防虫喷雾,并在睡觉时挂起蚊帐。对儿童来说,蚊帐的作用非常重要,因为他们在感染疟疾等疾病时症状最为严重。

  想要知道更多信息,可以咨询你当地的传染病媒介防治机构或蚊虫治理的地方网站,也可以咨询当地的专业人士,听取他们对本地区蚊虫防治的建议。你也可以在美国疾病防控中心或美国国家过敏和传染病研究所的网站上了解到与蚊子或其他昆虫为媒介的疾病信息。

 

原文链接:

https://www.quora.com/profile/Matan-Shelomi/Posts/Mosquitoes-Can-we-get-rid-of-them-and-what-would-happen-if-we-did

貓貓的世界征服史:從抓老鼠到沙發馬鈴薯

最近收养了一只黄白色小猫,名唤“奶黄包”,调皮得很,不过养着养着也生出了许多趣味。同时还是推荐最近圆桌派的一期,真是解答了许多疑问,也有诸多同感,07-19期第十七集 吸猫:喵星人的爱与哀愁

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貓貓的世界征服史:從抓老鼠到沙發馬鈴薯

作者:寒波

農夫:是擅長抓老鼠的朋友呢

貓不只在台灣,也在世界上許多地方大受歡迎。人類最早是在什麼地方,與牠們發生關係的呢?

目前馴化貓最早的證據,來自塞浦路斯距今 9500 年前的墓葬,有隻貓完整地與人被葬在一起1。為什麼死掉以後還要一直在一起?理由現在已不可考,只能確定那個時候,貓已經與人建立起某種關係了。

貓最初被馴化的地點,應該不是塞浦路斯,而是肥沃月灣,也就是世界最早的農業起源地。科學家推論,貓的馴化與老鼠有關。人類本來以採集狩獵維生,不會儲藏大量食物,也不長期在一地定居;等到一萬多年前農業發明以後,人類開始定居、儲藏糧食,也引來了老鼠;老鼠是貓的狩獵對象,跟著老鼠前來的貓,有了接觸人類的機會,或許,貓就此與最早的農夫成了朋友。

事實上,肥沃月灣中的黎凡特(現在的以色列、約旦、敘利亞一帶),其居民開始定居與儲藏食物,比種田更早數千年。最近研究指出,其實在黎凡特人開始定居,尚未正式成為農夫以前,老鼠就已經出現了2;假如老鼠比本來預期的更早來襲,貓與人結緣的歷史也會更早嗎?這個有趣的題目,目前仍沒有研究。(延伸閱讀 1)

用古貓 DNA 研究馴化史

當今世上的野貓(Felis silvestris)被分為 5 個亞種,所有馴化的家貓都可以追溯到,原產於北非與中東的非洲野貓Felis silvestris lybica)一種,其他 4 種歐洲野貓(Felis silvestris silvestris)、亞洲野貓(Felis silvestris ornate)、南非野貓(Felis silvestris cafra)、中國野貓(Felis silvestris bieti),與家貓之間有情慾交流,不過沒有被馴化過的證據。

一般的馴化動物,與祖先或野生的親戚相較,型態、習性等許多特徵會產生差異,不過家貓與野貓間的很多特徵,變化都很有限。所幸科學家已經知道,可以根據粒線體 DNA 上,一段 286 個核苷酸長的序列,分辨出 5 種亞種;所有馴化貓皆屬於第五型(IV),旗下又可再細分為 5 種:A、B、C、D、E,以 A 與 C 最多。

一隊科學家,搜集許多古代貓的樣本,取得其中 200 多個樣本的古貓 DNA,試圖研究貓的馴化歷史3。樣本最古早的距今 9000 年,最接近現代的則是 19 世紀;比較各地與不同時期的古貓 DNA 以後,研究團隊發現,A 貓與 C 貓的發展史截然不同。

農業誕生後的新石器時代,在中東一帶,以及幾千年後歐洲的古貓,遺傳上以 A 貓為主,還有少少的 B 貓,表示最初與人成為朋友的貓,應該屬於 A 這個粒線體支系。當今另一主流 C 貓是怎麼來的?一些證據指出,古埃及是一個重要的養貓中心;這回論文發現,距今 2800 年起的埃及古貓都屬於 C 貓,因此 C 貓這個支系,應該與埃及關係密切。

古埃及的貓-女神、假木乃伊、沙發馬鈴薯

埃及人開始養貓的年代,遠遠比 2800 年前更早。目前埃及最早有馴化貓的證據,處於古埃及文明尚未正式開始,也還沒有金字塔的 5700 年前,那時算是前王朝時期4。在當時上埃及的城市-希拉孔波利斯(Hierakonpolis,鷹隼城)出土的一處古墓,考古學家發現墓中有與人一起下葬,保有完整骨架的貓,而且 not one,not two,not three……一共有一女一男四小,共 6 隻之多!

隨後數千年,隨著古埃及文明的發達,貓也成為古埃及文化中,常見的藝術、宗教形象。埃及眾神中,有女性貓神芭絲特(Bast/Bastet);古埃及人也製作過許多貓的木乃伊,還因為供不應求,使得黑心商人生產過為數眾多,裡面根本沒有貓的假貨木乃伊。(延伸閱讀 2)

埃及是富裕的農業中心,由眾多描述貓的藝術作品中,可以看見貓的角色,在古埃及經歷過明顯的演變。最早期的作品中,貓在狩獵老鼠;之後的作品裡,貓與人一起打獵;可是更晚期的作品,貓出現在餐桌旁邊。簡直就是,從獵捕老鼠,變成沙發馬鈴薯5

從中東與埃及,前進到世界每一個角落

距今 2800 年的埃及古貓屬於 C 貓,不同於更早之前源自中東的 A 貓。然而 C 貓從何而來,是從中東傳入後在埃及發揚光大,或是在埃及本地獨立馴化而成,由於目前沒辦法得到埃及更早以前的古貓 DNA,因此無法釐清。不過仍能確定,埃及是個重要的育貓中心。

埃及後來屬於羅馬的一員,成為歐亞大陸西部的糧倉,是國際貿易體系中的重要一環,而埃及 C 貓也跟著前進各地。隨後的時光中,C 貓陸續於各處現身,值得一提的是,研究團隊在位於現在德國的波羅的海側,曾經是維京人港口的 Ralswiek,也找到 C 貓的蹤跡,由此推論,擅長航海與貿易的維京人,也曾替傳播 C 貓出了一份力。(延伸閱讀 3)

發源自中東與埃及,可以在船上捕鼠的貓,或許就靠著作為船貓與旅伴的角色,隨著人類最終征服了全世界。

受歡迎的古典虎斑貓

野貓與馴化貓的差異不多,其中之一是貓毛的花紋。野貓的斑紋大部分屬於鯖魚虎斑(mackerel-like tabby),而家貓中,古典虎斑(classic / blotched tabby)的比例很高。貓貓斑紋的型態是由 transmembrane aminopeptidase QTaqpep)基因控制,這次研究也偵測了古貓中,此一基因的版本。

儘管貓的馴化史,可能已經長達一萬年之久,研究團隊卻發現古典虎斑要等到 14 世紀,才在鄂圖曼土耳其首度出現,然而才過了幾百年,古典虎斑卻已經是如今全世界家貓的常見特徵。這表示 14 世紀以後的人,有意挑選配備古典虎斑的貓飼育,此般對外形的偏好,在從前幾千年都沒有發生過。

貓與人,一段良緣

貓最初與人類結緣的理由,可能是獵捕老鼠。有趣的是,最近有其他論文報告,中國北方距今 5000 年左右,新石器時代的遺址中,也發現了馴化的貓科動物-石虎(Prionailurus bengalensis6。這表示小型貓科動物與農夫發展出共生關係,在歷史上發生過不只一次;然而這段關係似乎沒能延續太久,因為今日歐亞大陸東方的貓,仍是源自中東、埃及的血脈,與東亞的石虎無關。(延伸閱讀 4, 5)

時至今日,人類的生活品質比幾千年前大幅進步,與人共同生活的貓,任務也從最初的獵捕老鼠,成了陪伴人類的沙發馬鈴薯(百萬貓奴點頭同意)。這回的研究,大大增進我們對貓馴化歷程的了解;不過粒線體 DNA 畢竟只能反映部分的遺傳歷史,不如整個細胞核基因組,期待未來科學家能取得完整的古貓基因組,拼湊出更詳細的貓族大歷史。

延伸閱讀:

  1. 短篇  人鼠之間-人類開始定居,家鼠也隨之誕生
  2. 假木乃伊風雲
  3. 在船中長眠的武士:十世紀的維京船葬
  4. 貓咪在歷史上被馴化了兩次?
  5. 短篇 中東一萬年前馴化貓,中國5000年前馴化石虎

參考文獻

  1. Vigne, J. D., Guilaine, J., Debue, K., Haye, L., & Gérard, P. (2004). Early taming of the cat in Cyprus. Science, 304(5668), 259-259.
  2. Weissbrod, L., Marshall, F. B., Valla, F. R., Khalaily, H., Bar-Oz, G., Auffray, J. C., … & Cucchi, T. (2017). Origins of house mice in ecological niches created by settled hunter-gatherers in the Levant 15,000 y ago. Proceedings of the National Academy of Sciences, 201619137.
  3. Ottoni, C., Van Neer, W., De Cupere, B., Daligault, J., Guimaraes, S., Peters, J., … & Becker, C. (2017). The palaeogenetics of cat dispersal in the ancient world. Nature Ecology & Evolution, 1(7), 0139.
  4. Van Neer, W., Linseele, V., Friedman, R., & De Cupere, B. (2014). More evidence for cat taming at the Predynastic elite cemetery of Hierakonpolis (Upper Egypt). Journal of Archaeological Science, 45, 103-111.
  5. Ancient Egyptians may have given cats the personality to conquer the world
  6. Vigne, J. D., Evin, A., Cucchi, T., Dai, L., Yu, C., Hu, S., … & Dobney, K. (2016). Earliest “Domestic” Cats in China Identified as Leopard Cat (Prionailurus bengalensis). PloS one, 11(1), e0147295.

文章链接:http://pansci.asia/archives/121908

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

从传说到现实:走进美丽神奇的海螺世界

蓝蓝的大海水,蓝蓝的水上天。蓝蓝的海水中,孕育了无数美丽而神奇的海螺。

在我国沿海许多地方,从福建的东海之滨,到海南三亚的黎族村庄,都流传着海螺姑娘的传说。1955年,著名作家和诗人阮章竞根据民间传说创作了童话诗《金色的海螺》。1963年,上海美术电影制片厂将这个故事搬上了银幕,精美的画面和悠扬的配乐,使这部同名的剪纸动画片成为电影史上的经典。

“金色的海螺”的图片搜索结果

《金色的海螺》讲述了这样一个故事:大海的那边居住着一个勤劳的青年,一年三百六十个早晨,无论大海涨潮退潮,他都要出海打鱼。有一天,青年在海中捞到一个金色的海螺,他把海螺带回家,养在水缸里。之后,在青年出海的时候,海螺就化作一位美丽的少女,帮助青年烧火做饭,缝补衣裳。这位海螺姑娘其实是海中珊瑚仙岛上的蓝海仙女,从前是被打渔少年救过的小金鱼。为了报答救命恩人,她变作海螺姑娘,决定陪在青年身边,每天一同劳动、歌唱。

三年之后,海螺的母亲海神娘娘发现了海螺的踪迹,她威胁青年离开海螺,否则就以水淹人间。面对威逼和利诱,青年表现出了无比的勇敢和真诚,并最终打动了海神娘娘。他和海螺姑娘终于幸福地生活在一起。

其实,在中国民间,类似海螺姑娘这样的传说并不少见,比如在很多地方流传的田螺姑娘传说,也是差不多的故事内容,只不过海螺变成了田螺。为什么会出现这么多如此相似的“螺女”传说呢?一方面,这说明了螺与普罗大众的生活密切相关。“螺”其实并不是专业的生物分类名称,而通常是腹足纲中具有螺旋形外壳的所有水生种类的统称。在西方语言中,一般不会区分水生的螺类和陆生的蜗牛。在海洋中生活的螺被称为海螺,淡水中则经常被称为田螺或螺蛳。无论是海螺还是田螺,都是普通百姓喜爱的美食——这或许也是海螺姑娘或田螺姑娘的举动往往与饮食联系在一起的原因。

另一方面,螺的外形是女性的象征,许多女性也会用螺壳作为装饰品,或者模仿螺壳形状梳理自己的头发——这种发型被称为“螺髻”。在民间文化中,螺还具有占卜、预言的功能,某些种类的螺壳还是重要的宗教法器和身份象征。此外,有些海螺还曾经在人类社会发展历史中扮演过重要的角色,比如宝贝科的货贝就曾经在许多国家被作为原始货币。

 四大名螺

我们常常可以听到所谓“四大名螺”的说法,这里指的是法螺、鹦鹉螺、唐冠螺和万宝螺四种具有高观赏性的海螺。从古至今,这四种海螺一直受到人们的喜爱,也受到许多爱好者的追逐。一方面,通过这些海螺,我们感受到了大自然的神奇,感受到了海洋生物之美;另一方面,人类的捕捉和追捧,也使其中一些海螺物种数量不断减少,给海洋生态系统带来了潜在威胁。以下,我们就通过这四种著名的海螺,走进美丽而神奇的海螺世界。

 法螺

在佛教中,法螺是一个重要的法器。法螺又称大法螺、凤尾螺,是一种分布范围广泛的大型海螺。法螺是珊瑚礁中体型最大的软体动物之一,壳长可以达到60厘米。磨去壳顶之后,法螺可以制成号角。在重要的宗教仪式中,声音占据着非常重要的地位,往往被用作时空界限的标志,这其中就包括钟声、鼓声和螺声等。

在珊瑚礁生态系统中,法螺还具有十分重要的生态功能。它们是少数几个能摄食长棘海星的物种之一。长棘海星是一种体型庞大、破坏性极强的海星。据报道,这种海星已经在大堡礁和西太平洋的珊瑚礁造成了大量珊瑚死亡。法螺具有灵敏的嗅觉系统,在追踪到长棘海星之后,它会迅速靠近,利用身体重量和强有力的腹足包裹住长棘海星的身体。接着,法螺将如同锉刀的齿舌伸入长棘海星的中央体盘,并分泌酸性的消化液。经过大约一个小时,长棘海星的肉质部分基本被法螺吃掉,礁石上只留下软塌塌的残骸。

近年来长棘海星的爆发是否与法螺等天敌的数量下降有关,目前还存在争议,但毫无疑问的是,法螺对控制长棘海星的肆虐有着重要作用。法螺对水体环境要求很高,而且生长缓慢,如今活体的大型个体已经越来越少见。在澳大利亚和其他一些国家,法螺已经得到了法律保护,但在世界许多地方(包括互联网上)依然可以合法买卖。

 鹦鹉螺

许多人第一次听说鹦鹉螺,或许是在法国小说家儒勒·凡尔纳的《海底两万里》中,书中出现的潜艇就被称为“鹦鹉螺号”。巧合的是,在这本书出版近半个世纪后,世界上第一艘实际服役的核动力潜艇也被命名为鹦鹉螺号,虽然这个名称承继自1803年服役的一艘美国海军多桅纵帆船与之后沿袭此名的两艘常规动力潜艇。

鹦鹉螺是一种非常独特的海螺。首先,它们不像其他绝大多数海螺一样属于腹足纲,而是属于头足纲,与章鱼、墨鱼和鱿鱼的关系更近。其次,它们又是现生头足纲动物中唯一具有外壳的种类。它们的外壳薄而轻,以螺旋形盘卷起来,形似鹦鹉的嘴,也因此得名“鹦鹉螺”。虽然船蛸这类远洋章鱼具有类似贝壳的结构——它们也被称为“纸鹦鹉螺”——但这是只有雌性个体才能分泌形成的卵盒结构,也不像鹦鹉螺一样具有填充气体的腔室,因此并不是真正的头足纲贝壳。

说到鹦鹉螺的外壳,就不得不提到等角螺线。法国哲学家、数学家和物理学家笛卡尔在1638年发现了等角螺线,之后数学家雅各布·伯努利对其重新进行了研究,并发现了许多特性。鹦鹉螺的外壳纵切之后,切面呈现出优美的等角螺线,而等角螺线本身又与黄金分割密切相关,这不禁让人感叹生命的神奇。

切开鹦鹉螺的外壳之后,我们还可以看到其中被隔板分隔而成的三十余个壳室。鹦鹉螺的身体居住在最后一个大壳室中,其余壳室则充满气体(主要为氮气)。随着鹦鹉螺的成长,壳室会周期性向外侧推进,外套膜后方则分泌出碳酸钙和有机物质,形成新的隔板。在各个壳室之间有一个贯穿的细管,可以输送气体。鹦鹉螺可以通过调节气体来控制上浮、下沉和水平移动,这种方式与潜艇的原理十分相似。

鹦鹉螺分布于印度洋和太平洋。在鹦鹉螺的主要产地法属新喀里多尼亚,还以鹦鹉螺作为国徽的主要图案。目前,这些在地球上存在了数亿年,外形、习性却又变化极少的“活化石”已经数量稀少。由于对生活环境有数个大气压的水压要求,它们也很难进行人工饲养。2016年,所有鹦鹉螺科物种都被列入了濒危野生动植物国际贸易公约(Convention on International Trade in Endangered Species of Wild Fauna and Flora,CITES,又被称为华盛顿公约)的附录Ⅱ。在我国,鹦鹉螺属于国家一级保护动物。

 唐冠螺

唐冠螺又称为冠螺。顾名思义,这个名称来源于唐冠螺的外形酷似唐代的冠帽。无独有偶,唐冠螺在英文中被称为“horned helmet”,意思是角盔——你可以想象一下古代维京人头上戴的有两只尖角的头盔。

唐冠螺也是一种珍贵的大型海螺,螺壳又大又厚,长度在5厘米到41厘米之间,高度可达30厘米。唐冠螺壳面呈灰白色到浅橙色,具有金属光泽,上方长有许多较大的角状突起。在狭长的壳口周围,具有很厚的片状突起,并形成一个三角形的平面,呈鲜艳的橙色。独特的形状和颜色,使唐冠螺成为许多人追逐的观赏螺类。

唐冠螺主要分布于温暖海域,包括我国台湾、西沙群岛、南沙群岛海域,以及印度—西太平洋暖水区。它们通常珊瑚礁附近沙质或碎珊瑚底质的浅海中活动,以海胆等棘皮动物为食。虽然还没有被列入国际自然保护联盟的濒危物种红色名录,但唐冠螺在许多地方已经受到人类的严重威胁。由于唐冠螺也能捕食长棘海星,因此它们在澳大利亚昆士兰州受到严格的保护。在我国,唐冠螺属于国家二级保护动物。

 万宝螺

四大名螺的最后一个成员是万宝螺,属于唐冠螺科,与唐冠螺在分类学上比较接近。万宝螺也是一种大型海螺,螺壳又厚又沉,壳体长度可达17厘米。万宝螺壳面的颜色鲜艳,深浅不一的白色和橙红色纵横交错,并且富有光泽。和唐冠螺一样,万宝螺也主要栖息在靠近珊瑚礁的沙质海底,是海胆的重要捕食者。它们也主要分布在热带印度—太平洋海域。

四大名螺只是海螺世界中微不足道的一小部分,大海中还生活着无数同样美丽的海螺,比如色彩斑斓如同虎皮的虎斑宝贝(又名黑星宝螺,为国家二级保护动物),比如具有超过100根棘刺、如同一把精美梳子的维纳斯骨螺,又比如外形类似圆锥、能分泌毒素的芋螺等等。所有这些,都是五光十色、精彩纷呈的海洋世界中不可或缺的部分,值得我们的欣赏和珍惜。

 

略删改后发表于《知识就是力量》2017年6月期

空调如何改变世界

想象一下,如果我们能够随意地控制天气,按一下按钮,天气就能变得温暖或凉爽,潮湿或干燥,那将会意味着什么?  想象一下,如果我们能够随意地控制天气,按一下按钮,天气就能变得温暖或凉爽,潮湿或干燥,那将意味着什么?
空调是成就现代经济的50大发明之一空调是成就现代经济的50大发明之一

  

        想象一下,如果我们能够随意地控制天气,按一下按钮,天气就能变得温暖或凉爽,潮湿或干燥,那将意味着什么?

  答案将会有很多:不再有干旱和洪水,不再有热浪和结冰的道路,沙漠将变成绿洲,农作物将不再枯萎。事实上,为了改变气候,人类提出了一些听起来很不可思议的主意,包括在大气层上层喷洒硫酸,或是往海水里抛洒生石灰。

  然而,即使科技发展到今天如此先进的地步,我们还是无法对天气进行精确的控制——至少是在室外如此。从空调发明之后,我们已经能够控制室内的“气候”,而这也带来了一些深远而且意想不到的影响。

  自从我们的祖先掌握用火之后,人类便能够自己取暖,相比之下,降温的挑战性更大一些。脾气古怪的罗马皇帝埃拉伽巴路斯曾经派遣奴隶到高山上挖取冰雪,然后堆在他的花园里,利用微风将凉爽的空气吹到室内。

在人工制冰技术出现之前,如果新英格兰州的冬天变得温和,就有可能导致一场“冰荒”。在人工制冰技术出现之前,如果新英格兰州的冬天变得温和,就有可能导致一场“冰荒”。
威利斯?开利很快发现了这种湿度控制设备具有更广泛的应用潜力威利斯·开利很快发现了这种湿度控制设备具有更广泛的应用潜力

  

湿度问题

  毫无疑问,这并不是一个可以推广的解决方法。但是直到19世纪时,美国波士顿一位名叫弗雷德里克·图多尔(Frederic Tudor)的企业家还通过类似的方法,在解决降温问题的同时积累了大量的财富。他从冬天新英格兰的冰冻湖泊里切取冰块,用锯末进行隔热,然后装船运到加勒比海、欧洲甚至遥远的印度等地区,帮助那里的人们度过炎热的夏季。在人工制冰技术出现之前,如果新英格兰州的冬天变得温和,就有可能导致一场“冰荒”。

  我们所熟悉的空调出现在1902年,但在它最初出现时,却与人类的舒适需求无关。当时,纽约的Sackett & Wilhelms印刷出版公司在进行彩色印刷时时常会受到湿度的影响。例如,为了印出4种颜色,同一张纸必须印刷4次,而如果两次印刷之间湿度发生改变,那纸张就会轻微膨胀或收缩,即使1毫米的变化都会使最终效果变得非常糟糕。

  这家印刷出版公司找到了制作暖气机的水牛城锻造公司,希望对方开发一个控制湿度的系统。一位名叫威利斯·开利(Willis Carrier)的年轻工程师发现,装有压缩氨的线圈可以使循环空气降温,并使其湿度稳定控制在55%。印刷出版公司的问题迎刃而解。

  更广泛的应用

  水牛城锻造公司很快就开始向那些饱受湿度问题之苦的地方出售威利斯·开利的发明,比如面粉厂和吉列剃须刀集团——过度潮湿会使剃须刀生锈。

  对这些早期的工业客户而言,把温度降低到对工人更加舒适的水平并不重要,这只是附带的好处。但是,威利斯·开利很快发现这种湿度控制设备具有更广泛的应用潜力。到了1906年,他开始探索将这种“舒适”应用到剧院等公共建筑物上。

  这是一个明智的选择。历史上,剧院往往会在夏季关门歇业,因为此时会面临多种安全隐患:没有窗户,人群拥挤在一起,在电灯出现之前还需要用火来提供照明。新英格兰的冰块在一段时间内曾短暂流行过。1880年夏天,纽约的麦迪逊广场花园一天内使用了4吨冰块,一台2.4米的风扇在冰块上方吹气,然后通过管道将冷却空气吹向观众。

  威利斯·开利的“气候调节器”显然更加实用。在电影院迅速成长的20世纪20年代,大众第一次感受到了空调的凉爽,这在当时也很快成为了电影的一大卖点。

空调的发明改变了美国所谓“太阳带”地区的建筑结构空调的发明改变了美国所谓“太阳带”地区的建筑结构

  

引领变革的技术

  好莱坞夏季大片的传统和大型购物商场的崛起,都可以直接追溯到威利斯?开利的发明。但是,空调不仅仅能提供便利,它还是一项革命性的技术,对人类在哪里生存以及如何生存都有着深远影响。

  电脑如果过热或过于潮湿,就会停止工作,因此空调可以使服务器场不间断工作,以维持互联网的运行。事实上,如果工厂无法控制空气质量,我们根本就无法得到制造电脑所需的硅芯片。

  空调还使建筑发生了变革。从前如果想在炎热气候下建造一座凉爽的建筑,就意味着厚厚的墙壁和高高的天花板,还需要阳台、庭院和背向阳光的窗户。在美国南部流行一种带通道的住宅(dogtrot house),即把房子中间辟为过道,以利于通风。在空调出现之前,建设玻璃幕墙的摩天大楼并不明智——在高层工作的人无疑会受到炙烤。

  空调也改变了人口分布。如果没有空调,我们很难想象迪拜或新加坡这样的城市会崛起。在20世纪的下半程,美国的住宅单位快速增长。所谓的“太阳带”——美国南部北纬37度以南的温暖地区,从加利福尼亚州到佛罗里达州——占美国总人口的比例从28%暴涨到40%。

  随着许多退休人员从北方移居到南方,他们也改变了当地的政治平衡。作家史蒂文·约翰逊(Steven Johnson)很自信地宣称,正是空调成就了罗纳德·里根的当选。里根在1980年掌权,当时美国人使用的空调数量超过全球一半以上。

  从很多方面看,空调的快速发展是一件好事。研究表明,空调降低了酷热天气时的死亡率。酷热会使监狱囚犯变得暴躁,而空调可以使他们冷静下来。当考场的气温超过21或22摄氏度时,学生在数学考试中的分数便开始下降。在办公室内,空调可以使上班族更有效率。根据早期的一项研究,空调使美国政府的打字员多做了24%的工作。经济学家们也自此证实了生产力与保持凉爽之间的关系。

在地铁运输系统里,列车的冷却系统也会使月台上的人们感到闷热。在地铁运输系统里,列车的冷却系统也会使月台上的人们感到闷热。

  

难以忽视的现实

  美国经济学教授威廉·诺德豪斯(William Nordhaus)根据经纬度将全世界划分为许多单元,并列出每个单元内的气候、经济产出和人口。他发现,平均气温越高的地方,人们的生产力水平就越低。

  另一项研究显示,对于气候炎热的国家,气温高于平均值的年份不利于生产力的提高,而在气温较低的年份则恰好相反。研究者指出,生产力的峰值出现在气温18到22摄氏度的时候。

  然而,一个不容忽视的问题是:当你把室内变得凉爽时,代价是室外变得越来越热。在美国亚利桑那州凤凰城进行的一项研究显示,由空调排放到室外的热空气会导致城市夜间温度上升2摄氏度。当然,气温的上升会使空调使用得更多,从而使室外变得更热。在地铁运输系统里,列车的冷却系统也会使月台上的人们感到闷热。

  接着是空调的能量来源问题。空调运行所需的电能主要来自天然气或煤炭的燃烧,而空调机所用的冷却剂泄漏之后也会成为强效的温室气体。

  目前的空调技术已经越来越清洁、环保。不过,对空调的需求增长得如此迅速,即使是最乐观的估计,到2050年时,空调对能源的消耗都将增长8倍。对于气候变化问题而言,这是一个令人担忧的消息。毕竟,控制室外的气候远远超出了目前人类的能力范围。

现实世界中的可怕僵尸

原来不仅动物界中有僵尸,植物界也有僵尸,而且更加彻底,更加惊悚

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        一些真菌、病毒和细菌演化出了一种令人脊背发凉的传播方式:将宿主变成毫无自主意识的僵尸。

  在小说、影视剧中,僵尸给我们的印象是行为凶猛、生吃人肉的半人半尸。这样的场景或许永远也不会成真,但是在自然界中,有许多动物和植物也会变成类似的“僵尸”。有时候现实会比想象更令人恐惧。

  有些动物在受到微生物或寄生虫感染之后,行为会发生巨大改变,这可能会让一些人感到非常不适,但事实上,这可以说是一种十分“完善”的自然行为。我们甚至还可以找到4800万年前僵尸蚂蚁的化石证据,它们被感染后的形体在树叶上留下了明显的痕迹。

  以下,就让我们来盘点一些比小说情节更加可怕的真实“僵尸”。

  僵尸蚂蚁

被偏侧蛇虫草菌(学名:Ophiocordyceps unilateralis)感染的弓背蚁被偏侧蛇虫草菌(学名:Ophiocordyceps unilateralis)感染的弓背蚁
被蛇形虫草属真菌感染,已经死亡的蚂蚁(学名:Formicidae sp.)被蛇形虫草属真菌感染,已经死亡的蚂蚁(学名:Formicidae sp.)

  几年前,马特·费舍尔(Matt Fisher)在法属圭亚那的茂密丛林中进行夜间科考巡查时,遇见了一个可怕的场景。“我们发现了被真菌感染的昆虫尸体,紧紧抱住植物高处,可怕的子实体从它们的头部穿出来,”他回忆道。

  作为伦敦帝国学院的真菌流行病学家,马特·费舍尔马上就明白了眼前发生了什么。这些都是“僵尸”蚂蚁,被寄生的真菌控制了身体和神经系统,使它们爬到植物高处并一动不动。在它们死亡的时候,真菌孢子会从树上抛洒下来,感染下面路过的蚂蚁,使真菌传播到更远的地方。

  在小说和影视剧中,被僵尸咬过的人也会变成僵尸,而这些蚂蚁也会“致命一咬”,只不过是为了固定在植物上。有时候,这也是它们的“最后一咬”,在紧紧咬住叶脉之后随即死去。

  能引起这种行为的真菌属于蛇形虫草属(Ophiocordyceps)。根据真菌物种的不同,受到感染的蚂蚁会无意识地爬到适宜真菌生长的特定环境,再感染其他蚂蚁。

  这其中最著名的或许要属偏侧蛇虫草菌(学名:Ophiocordyceps unilateralis),它们能驱使宿主爬到树叶下方结束自己的生命。另一种学名为Ophiocordyceps australis的真菌在感染蚂蚁之后,则会使后者死在树林地面的落叶之中。

  对于比自己复杂得多的生物体,这些真菌是如何产生影响的呢?要解答这个问题并不容易。大卫·休斯(David Hughes)、哈里·伊文斯(Harry Evans)及他们的同事对虫草属(cordyceps)真菌进行了数十年研究,希望找出这一问题的答案。他们发现,不同的蛇形虫草属真菌已经针对不同宿主蚂蚁的生活史周期,演化出不同的寄生策略。这是“一个令人惊叹的共同演化例证,”伊文斯说道。

  在2016年的一篇文章中,伊文斯等人解释称,真菌很可能利用一系列的酶来改变宿主蚂蚁体内的反应过程。打个比方,这些酶可能改变了某些基因的表达,进而影响蚂蚁的行为。有研究已经发现,一旦“僵尸化”,蚂蚁的肌肉组织会逐渐分解。

  宿主蚂蚁的神经系统也可能受到了直接操控,而对神经递质或类似多巴胺等“化学信使”的控制也会改变蚂蚁的行为。然而,科学家对这些相互作用并没有完全了解。唯一确定的是,更多的真菌-昆虫僵尸还在不断被发现。“我们接下去想解决的问题是:同样的事情会不会发生在蜘蛛身上,”伊文斯说,“看起来答案将是:是的,确实会这样。”

  如今这些真实的僵尸甚至还会影响小说故事中的僵尸形象。随着虫草属真菌的知名度越来越高,它们已经启发了一些关于“不死者”的现代传说。在一些小说和视频游戏中,人类变成僵尸不再是因为感染僵尸病毒,而是被真菌寄生。

  僵尸寄生虫

  当两个生物体发生直接相互作用并生活在一起时,这种现象被称为“共生”。寄生虫与宿主之间也属于共生关系。在昆虫世界中,这样的例子不胜枚举。

  比如,刻绒茧蜂属(Glyptapanteles)的物种会将卵产在毛毛虫的体内。在这些卵孵化之后,幼虫会以宿主毛毛虫的体液为食,并最终从毛毛虫体表钻出来,在附近结成一个茧。不过,此时这些在寄生过程中受到严重损伤的毛毛虫依然活着,并且像“僵尸保镖”一样,通过甩动头部来赶走靠近的其他昆虫。研究这一现象的科学家发现,当僵尸毛毛虫在场的时候,靠近蜂茧的掠食者数量下降了一半,这对刻绒茧蜂来说毫无疑问是巨大的生存优势。

体型微小的寄生蜂Euderus set体型微小的寄生蜂Euderus set

  刻绒茧蜂属于拟寄生物(parasitoid),即在幼虫期寄生在宿主体内,后期将宿主杀死,成虫营自由生活的生物。在寄生蜂中,有许多“拟寄生”关系的例子。

  凯利·韦纳史密斯(Kelly Weinersmith)是美国莱斯大学的生态学家。2017年初,他对一种学名为Euderus set的寄生蜂进行了研究。这种寄生蜂会等待其他种类的蜂在植物表面造成虫瘿——植物体上由于昆虫产卵寄生而引起的异常发育组织。韦纳史密斯的同事斯科特·伊根(Scott Egan)在一次户外家庭散步时发现了一个非同寻常的虫瘿。这个虫瘿是由一种学名为Basettia pallida的蜂所刺激形成的。

Bassettia pallida死在自己挖开的洞口中Bassettia pallida死在自己挖开的洞口中
Bassettia pallida是一种寄生在橡树上的蜂类,其本身又会被另一种新发现的寄生蜂discovered wasp寄生  Bassettia pallida是一种寄生在橡树上的蜂类,其本身又会被另一种新发现的寄生蜂discovered wasp寄生

  通常情况下,Basettia pallida会把卵产在虫瘿内,孵化出来的幼虫长成之后,会挖开一个洞,从虫瘿里面飞出来。然而,当寄生蜂Euderus set介入之后,Basettia pallida的命运就不那么美好了。Euderus set也会将卵产在虫瘿里。

  “我们不知道其中的机制是什么,但这种寄生蜂能让先来的蜂挖开一个出口,”韦纳史密斯说,“但这个洞口要比正常情况小一些,这些蜂(Basettia pallida)不仅出不去,还会卡在洞口,最后死掉。”Euderus set幼虫会吃掉被卡住而死亡的Basettia pallida,使自己发育长大。“当发育完成之后,他会从宿主的头部爬出来,”韦纳史密斯说道。

  所以,寄生虫招来了寄生虫。第一种蜂,寄生在树上的Basettia pallida,变成了某种自杀性的僵尸,并为寄生蜂Euderus set提供食物。韦纳史密斯称,这两种蜂类的寄生方式,前一种受制于后一种,可以说是非常罕见的“超操控”现象。

  性僵尸

  如果僵尸就是行为发生巨大变化,以利于寄生者生存的生物,那我们还可以在韩国找到另一个可怕的例子。这个例子的主角是东北雨蛙(学名:Hyla japonica,又称日本雨蛙)。2016年3月,首尔大学的布鲁斯·瓦尔德曼(Bruce Waldman)和学生Deuknam An发表了一篇论文,展示了蛙壶菌(学名:Batrachochytrium dendrobatidis)对东北雨蛙令人瞠目结舌的行为操控能力。

  蛙壶菌是许多蛙类的严重威胁,但是当东北雨蛙种群被这种真菌感染之后,它们似乎并不会突然就大规模死亡。瓦尔德曼等人分析了42只雄性东北雨蛙的求偶鸣叫,发现其中9只感染蛙壶菌的个体具有更快、更久的叫声——使它们在潜在交配对象眼中变得更有吸引力。

东北雨蛙在感染蛙壶菌之后会改变求偶叫声东北雨蛙在感染蛙壶菌之后会改变求偶叫声

  论文发表之后,瓦尔德曼和他的团队又对当地健康东北雨蛙的叫声进行了录音,然后把它们带回实验室研究。在这些个体感染蛙壶菌之后,研究者再次进行了录音。在另一个实验组中,东北雨蛙在感染蛙壶菌后又接受了治疗,它们的叫声变化也被记录了下来。结果发现,蛙壶菌感染直接导致了两组东北雨蛙的叫声变化。

  “不过,我们还是不能确定这些叫声差异是真菌操纵宿主的结果,”瓦尔德曼说道。换句话说,这种变化或许是真菌感染在东北雨蛙体内引起的其他化学反应导致的。对此马特·费舍尔表示,这些蛙类可能本质上变成了某种“性僵尸”,其感染后与配偶的互动只是为了增加真菌传播的机会。“当然,这还不是一个被证实的假说,但数据相当有力,”费舍尔说道。

  变异僵尸植物

  或许自然界中最令人惊奇的僵尸例子不是行为变得诡异的动物,而是某些发生变异的植物。

  英国约翰英纳斯研究中心(John Innes Centre)的Saskia Hogenhout及其同事发现,一类被称为“植原体”(phytoplasma)的细菌会将无助的植物转变为僵尸。他们在2014年发表了这一研究结果。

  这类细菌的传播需要借助一些吸食植物汁液的昆虫,比如叶蝉。然而,为了吸引这些病原体运输工具,受感染的植物首先必须接受细菌的驱使。“这些寄生细菌似乎完全掌控了植物,” Hogenhout说道。

叶蝉可以使细菌在植物之间传播叶蝉可以使细菌在植物之间传播
翠菊黄化植原体导致一枝黄花出现变叶病翠菊黄化植原体导致一枝黄花出现变叶病

  Hogenhout的团队发现,植原体会分泌一些改变植物内部分子过程的蛋白质。更确切地说,它们可以改变植物的转录因子——调控基因转录的蛋白质。只有在转录因子的作用下,植物才能长出叶、花、茎干等不同的部分。

  植原体的蛋白质侵入植物体内之后,取代了植物本身的蛋白质,使其开始发生形态的改变。植物的花开始变成绿色,本质上变成了叶。这种转变使植物对某些昆虫更有吸引力,而这些昆虫可以将植原体带到新的宿主植物上。“很显然,这种寄生方式介入了非常基本的植物生理过程,改变了植物的身份,而这正是僵尸的真正含义,”Hogenhout说,“它们获得了一个不同的身份。”

  僵尸植物是十分有趣的例子,因为植物本身最终并不会因感染植原体而死,而只是变成了传播细菌的有效工具。正如马里兰大学的生物学家乔恩·丁曼(Jon Dinman)所指出的,一些成功的“僵尸”式感染会让宿主一直活着。

  通常情况下,只有当生物体的“毒力”——伤害其他生物的能力——受到约束时,疾病才最有可能进行传播。这也正是这些僵尸植物身上所发生的事情。幸运的是,人类并不会受到这些植原体的感染。不过,对许多昆虫和其他生物来说,情况就不是这样了。全世界的森林中存在着无数的僵尸宿主,它们的身体和思维已经完全被寄生者扭曲。

原文:

http://www.bbc.com/earth/story/20170313-real-life-zombies-that-are-stranger-than-fiction

复活灭绝生物:选哪一种最合适?

真猛犸象的艺术想象图真猛犸象的艺术想象图
最后一只袋狼(学名:Thylacinus cynocephalus)死于1936年最后一只袋狼(学名:Thylacinus cynocephalus)死于1936年
一对渡渡鸟(学名:Raphus cucullatus)渡渡鸟(学名:Raphus cucullatus)

  复活灭绝动物或许很快就将成为现实,国际自然保护联盟(International Union for the Conservation of Nature,IUCN)已经在制定计划,鼓励对这项技术的合理使用。

  想象一下,当你踏上毛里求斯岛的土地时,渡渡鸟会一摇一摆地向你发出问候;或许,你更喜欢前往西伯利亚荒野,一睹猛犸象的雄伟身姿;要不然,去澳大利亚看看塔斯马尼亚虎,也就是袋狼,或者到新西兰寻找巨大的恐鸟。当然,这样的生态旅行目前都还无法实现,因为所有这些奇特生物都已经灭绝。

  或许不远的将来,我们可以见到复活的灭绝动物,科学家正在研究使它们重现世间的技术。很自然地,我们会将复活计划与那些最具有魅力的灭绝物种联系起来,谁会想到圣赫勒拿橄榄(学名:Nesiota elliptica)呢?或者巴拿马树蛙(学名:Ecnomiohyla rabborum)?后者的最后一位成员被称为“Toughie”,于2016年9月在美国乔治亚州的亚特兰大植物园去世,宣告了又一种两栖动物的灭绝。

  那么,你会如何选择复活哪一种灭绝生物呢?

  我们或许应该询问专家,但目前还找不到合适的人。科技发展还没有先进到能切实可行地复活灭绝物种。就目前而言,围绕在复活话题周围的大部分只是对着水晶球来预测未来。尽管如此,许多专业人士也对这种可能性展开了十分严肃的探讨。

  国际自然保护联盟的职责是评估每个物种的保育状态,他们很自信地认为,复活技术最终会成为一个很可行的选项。事实上,该组织还在2016年5月发表了一份非同寻常的文件,对如何管理正在灭绝的物种提出了指导意见。

  加拿大卡尔加里动物园的保育和科学主管阿克塞尔(Axel Moehrenschlager),以及新西兰奥塔哥大学的菲尔·塞登(Phil Seddon)参与起草了这份指南。他们都是“再引入”——将(活着的)生物引入它们曾经生活的景观中——领域的专家。毕竟,复活灭绝生物和生物再引入在概念上有一定的相似性。

  他们指出,复活灭绝生物的目标不应该是简单地培育出单独个体,供动物园进行展示。相反,复活灭绝生物应当被视为与现有再引入项目类似的过程:目标应该是产生具有遗传多样性、种群可以延续、生活在健全栖息地中的生物。

  2013年,一场有关复活灭绝生物的TEDx讨论激起了人们对这一问题的想象,也带来了更多的争论。在那之前,研究者主要关注的问题是这一技术能否实现。阿克塞尔说:“但我们(IUCN)要问的是,在什么样的条件下可以进行这样的工作,以及这对保育工作意味着什么?”

  “我们现在还有一段时间,可以让人们思考可能会遇到的复杂情况,”塞登说道。国际自然保护联盟并不十分支持复活计划。他们提前起草了这份指南,是为了在复活技术成为保育工作者的工具之后,能有与之配套的行为准则。即使是人们熟悉的物种,再引入原来的栖息地时也有种种不确定性;因此在考虑引入一个已经灭绝成千上万年的物种时,更不能忽略任何可能的风险。

  塞登称,将现有物种引入到它们已经消失很久的生境时,会遇到各种各样意想不到的结果。在一个生态系统中,每个物种都扮演着各自的角色。例如,食草动物可以使植被生长得到控制,而顶级掠食者又控制着猎物种群数量的稳定。

  “我们仍然秉持着生态系统功能性的观点,但我们也了解,某些物种比其他物种更不显得多余,”塞登说,“复活的灭绝动物可能会填补生态系统中的某些空白,或者发挥同样的功能。”这一概念与生态复位项目十分相似。阿克塞尔描述了在塞舌尔群岛和加勒比海岛屿中重新引入象龟的过程。这些象龟能发挥关键的食草功能,就像之前存在过的那些象龟物种一样。

巴拿马树蛙(学名:Ecnomiohyla rabborum)已经灭绝巴拿马树蛙(学名:Ecnomiohyla rabborum)已经灭绝
一只阿尔达布拉象龟(学名:Aldabrachelys gigantea)阿尔达布拉象龟(学名:Aldabrachelys gigantea)

  世界范围内的生态复位和再引入项目普遍遵循国际自然保护联盟的指南,以此决定引入的物种,以及这些物种应该去的地方。那么,是否可以利用类似的理论模板,选择一种灭绝物种进行复活呢?

  2014年,阿克塞尔和塞登提出了一个包含10个问题的筛选试验,希望找出可能的候选复活物种。这些问题涉及了灭绝的原因、栖息地需求,以及再引入时对环境的冲击和潜在风险。比如,我们是否知道该物种灭绝的原因,以及我们能否列出当前或未来引发其灭绝的因素?如果我们不知道它当初为什么灭绝,那在它复活之后要保护它不再灭绝几乎就是不可能的。

  对这一物种来说,现在是否还有合适的栖息地,未来这些栖息地是否会一直存在?为了回答这个问题,保护工作者需要了解候选物种对气候、物理空间和食物等方面的需求。

  最后,我们能否预测、缓解并控制复活物种所带来的冲击和潜在风险?再引入的物种可能会消灭生态系统中现有的成员,或者传播能感染牲畜和人类的疾病。它们可能会干扰农业或人们的日常生活。如果诸如此类的场景变成现实,我们处理问题的难度会有多大?

  在一个物种被选中进行复活之前,它必须通过所有这些冗长的测试。“如果在测试中失败,你就出局了,”阿克塞尔说,“即使你通过了,你也只是足够进入下一阶段的评估而已。”研究人员对3个候选物种进行了测试,分别是袋狼、白鱀豚和加利福尼亚甜灰蝶。它们的命运会如何呢?

  国际自然保护联盟于2006年宣布白鱀豚功能性灭绝(尽管2016年10月有过未经证实的目击记录)。这种淡水鲸类生活在世界上人口最为密集的地区之一,面临着环境污染、捕猎和栖息地丧失等威胁。有些个体在被渔网缠住之后很快死去。

  所有威胁白鱀豚生存的因素依然存在。工业废水继续流入长江,导致栖息地进一步退化。与其他任何物种一样,如果无法找到合适的地方让白鱀豚健康生存,那放归它们的努力就是徒劳的。

  “如果没有合适的栖息地,而且威胁无法消除,那么做这些事情就没有任何意义,”阿克塞尔说,“在复活那些可能没有任何野外存活希望的物种时,需要考虑到伦理、道德、后勤保障和资金投资等问题。”

  对于加利福尼亚甜灰蝶和袋狼,情况似乎更乐观一些。最后一只袋狼死于1936年。捕猎、栖息地丧失和缺乏食物是袋狼灭绝的主要原因。这种有袋类动物生活在混合森林、湿地和近海灌木丛中,部分栖息地目前还完整保留着。事实上,它们甚至曾经被保护起来,以确保袋獾有足够的领地——二者具有重叠的栖息地。没有研究表明袋狼携带任何异常疾病,复活它们应该不会遇到多少抗议,除了可能有农民会担心偶尔丢失几只羊的问题。

  加利福尼亚甜灰蝶曾经生活在旧金山地区,其栖息地随着城市的扩张而不断缩小,并最终在1941年宣布灭绝。不过,目前金门公园中还保留着一些合适的栖息地,生长着它们所青睐的树木。另一方面,这种蝴蝶引发有害事件的可能性很低,而且成年蝴蝶往往成群飞舞,在需要的时候可以很容易进行采集。

一只白鱀豚(学名:Lipotes vexillifer)白鱀豚(学名:Lipotes vexillifer)
加利福尼亚甜灰蝶(学名:Glaucopsyche xerces)已经灭绝加利福尼亚甜灰蝶(学名:Glaucopsyche xerces)已经灭绝

  不过,如果加利福尼亚甜灰蝶成为复活计划的第一个候选物种,能否吸引公众的注意力呢?猛犸象或剑齿虎等标志性物种或许才会让公众更加兴奋。

  考虑到猛犸象曾经在西伯利亚大草原生态系统中扮演过的重要角色,它们或许是复活计划的不错候选。剑齿虎则是顶级的掠食者,其最大的化石遗骸发现于洛杉矶汉考克公园附近的拉布雷亚沥青坑。无论是剑齿虎还是洛杉矶市民,可能都不会赞同这样的再引入计划。

  负罪感也经常激发人们想复活某些特定动物的欲望。人类的捕猎导致新西兰的恐鸟销声匿迹,也使曾经遮天蔽日的旅鸽走向灭绝。渡渡鸟的灭绝可能主要是因为船上的老鼠登上了毛里求斯岛。复活这些物种可能会让我们良心上感觉好点,但这并不是问题的关键。

  “我们应该把这种技术用在那些灭绝边缘或刚刚灭绝的物种身上,”塞登说,“我们对它们的栖息地有很多了解,我们拥有合适的遗传材料,并且知道如何在圈养条件下培育它们。”对某个物种的了解越多,我们就越有把握制造一个可持续的、高遗传多样性的种群,并使其在自然条件下存续很久。

  那么,灭绝动物的复活在技术上还有多久才能实现?比人们预想的要快得多。事实上,已经有科学家在尝试物种的复活了。2000年,科学家克隆出一只西班牙羱羊,利用的是从最后一只存活个体上采集的细胞样品。不过,这一推迟该物种灭绝的早期尝试并不成功:克隆西班牙羱羊在出生之后仅7分钟时就死于肺部缺陷。

  此外,还有一个经常被忽视的关键因素:真正的灭绝动物复活是不可能的。科学家目前尝试的方法中,没有一种能带来与灭绝物种完全一致的复制品。即使最先进的技术,也只能给我们一个替代品。

  其中一种方法被称为“选择性回交”(selective back-breeding),利用与已灭绝物种关系较近的物种作为实验对象。科学家选择那些在特征上类似灭绝物种的个体,对其进行选择性培育。在培育出来的后代中,再选择更加接近灭绝物种特征的个体,继续进行培育。最终,我们就能获得在形态特征上与已灭绝物种非常相似的种群——尽管二者在基因水平上并不相同。

  其他方法还包括从灭绝物种遗骸中提取遗传材料,然后注入到现有近亲物种的卵细胞中,然后为这枚卵找一位合适的代孕母亲。此外还有“体细胞核移植”技术,又称克隆。这一技术只适用于灭绝不久、能够保存下组织样品的物种。当然,克隆技术也可以用在健康种群中,比如多利羊。

普通西班牙羱羊(学名:Capra pyrenaica pyrenaica)的艺术画普通西班牙羱羊(学名:Capra pyrenaica pyrenaica)的艺术画

  如果物种灭绝时没有保留下足够的组织样品,那科学家就需要借助基因组工程技术来进行复活。脱氧核糖核酸(DNA)会随着时间推移而分解,越古老的生物样品,所包含的DNA碎片就越多。这就像一个有着几千块纸板组成的巨大拼图。令事情更加复杂的是,常常会有一些纸板是缺失的。要填补这些空白,就需要从关系较近的物种身上获得部分基因组。

  克隆和遗传工程的最终成果,都是一个需要通过代孕来发育的胚胎。科学家需要在与灭绝物种关系较近的物种中选择一个合适的代孕母亲,而胚胎的发育过程也会受到这个母亲的影响。代孕母亲子宫内的激素和生长因子会影响胚胎的发育,某些基因的开启和关闭模式也可能与胚胎原先所属的物种不同。因此,举例来说,一只由大象代孕并生出来的猛犸象其实并不能等同于冰河世纪中的那些庞然大物。

  而且,当“复活”的猛犸象出生后,它将是独一无二的。在人类或大象的抚养下,它将如何成长为一只猛犸象?作为替代品,它或许在基因上甚至行为上很接近已灭绝的同类,但永远不是真正的猛犸象。换句话说,复活灭绝动物实际上无法补偿人类活动对生态环境造成的伤害。

  一些科学家担心这个重要的观点被人忽视。他们认为,对复活灭绝动物的热衷甚至可能会伤害现实中的保育工作,因为这会给人以错误的印象,认为物种的灭绝不是永远的。尽管有这些担心,但阿克塞尔依然认为,如果技术出现的话,我们就应该使用。“我们永远不应该盲目地守着最熟悉和最舒适的东西,”他说,“事实在于,地球的形势已经十分危急,我们需要使用一切办法。”

  当然,可以确定的是,复活灭绝动物无法取代传统的保育行动。“生物多样性的损失是巨大的,”阿克塞尔说,“灭绝的速度之快令人难以置信,就算复活灭绝物种的理论可能性再高,复活的速度也无法追上灭绝的速度。”在我们成功复活一个物种的同时,可能就有一千个物种灭绝。对目前的人类而言,最重要的是保护好现有的一切,尤其是那些处于危急状况中的物种。

原文:

http://www.bbc.com/earth/story/20170127-how-to-decide-which-extinct-species-we-should-resurrect

人类思维与量子力学间的奇妙联系

我还是喜欢翻译BBC里那些生物科学方面的长文,这些关于物理的翻完后自己都云里雾里……
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人类思维与量子力学间的奇妙联系:意识到底来自哪里?

 
我们的大脑里发生着什么?我们的大脑里发生着什么?
著名的双缝干涉实验著名的双缝干涉实验

  没有人了解意识到底是什么,以及意识如何运作。同样的,也没有人完全了解量子力学的原理。二者之间,是否存在着某种超越巧合的联系?

  量子力学是物理学家用来描述宇宙中最微小物质的理论。“我无法定义真正的问题所在,因此我怀疑不存在真正的问题,但我并不能肯定不存在真正的问题,”美国物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)在谈到量子力学的困惑和悖论时如此说道。不过,他这番话或许也可以用来描述同样令人纠结的意识问题。

  一些科学家认为,意识是什么的问题已经有了答案,也有人认为意识仅仅是一种幻觉。然而,更多的人认为,我们根本就不知道意识到底来自哪里。长期以来,意识之谜一直困扰着科学家,一些研究者甚至尝试用量子力学来对其进行解释。意料之中的是,这一主张总是受到外界的质疑:用一个未解之谜来解释另一个未解之谜听起来很不可取。不过,这样的想法并非看上去那么荒谬,而且也不是研究者的一时兴起。

双缝实验是一种岩石光子或电子等微观物体波动性和粒子性的实验双缝实验是一种岩石光子或电子等微观物体波动性和粒子性的实验
粒子可以处于两种状态粒子可以处于两种状态

  首先,思维在早期量子理论中扮演着不容忽视的角色——这让物理学家感到很不愉快。其次,量子计算机被认为能完成普通计算机无法做到的任务,这让人想到,大脑也能做到一些人工智能无法做到的事情。“量子意识”虽然广受嘲讽,但并不会消失。

  量子力学是目前用来描述原子和亚原子世界的最佳理论,也被认为是现代物理学的支柱之一。量子力学中最广为人知的谜题或许是这样一个现象:量子实验的结果会因为我们选择测量哪种粒子的性质而发生改变。

  当这种“观察者效应”首次被量子物理学的先驱注意到时,他们感到非常困惑。这似乎推翻了所有科学背后的基础假设:存在一个与我们完全无关的客观世界。如果世界是根据我们是否观察以及如何观察而运作的,那么“现实”的真正含义又是什么呢?

  这些研究者中,有些人不得不做出“客观性”其实是一种幻觉的论断,并认为意识必须被允许在量子理论中扮演一个主动的角色。对其他人而言,这完全讲不通。当然,爱因斯坦也曾经抱怨道,月亮只有在我们看它的时候才存在!

  现在,一些物理学家推测,暂且不论意识是不是会影响量子力学,事实上,意识可能正是源自量子力学。他们认为,我们需要借助量子理论才能完全理解大脑运作的机制。可能是这样吧,或许因为量子物体能同时出现在两个地方,所以量子大脑也能同时拥有两个互相排斥的想法?

  这些观点都纯粹是猜测,量子物理学是否在意识的运作中扮演着重要角色,我们还不得而知。不过,如果不考虑其他,这种可能性本身就显示了量子力学会不可思议地促使我们思考。

  展示思维在量子力学中如何发挥作用的最著名例子当属“双缝实验”。想象一束光照在一块具有两条狭缝的不透明屏幕上,一些光会穿过狭缝,抵达另一块屏幕。

  光可以被视为一种波,当波从两条狭缝穿过之后,它们会互相干涉。如果它们的波峰相同,就会达到加强的效果;如果波峰和波谷重合,它们就会互相抵消。这种波的干涉被称为衍射,会在后一块屏幕上形成一系列明暗交替的条纹,分别是相长干涉和相消干涉的区域。

尤金·维格纳奠定了量子力学对称性的理论基础尤金·维格纳奠定了量子力学对称性的理论基础
物理学家兼数学家罗杰·彭罗斯物理学家兼数学家罗杰·彭罗斯

  这一实验在两百多年前就被用来展示光具有波的行为特征,远早于量子力学的出现。双缝实验还可以用量子粒子(如电子或组成原子的其他微小带电粒子)来做,结果十分违反我们的直观感觉:这些粒子呈现出类似波的行为特征。也就是说,当一束粒子穿过两条狭缝时也会发生衍射,产生干涉图案。

  假设这些量子粒子是一个一个地穿过狭缝,它们也是一个一个地到达屏幕。很显然,并没有什么东西会让这些粒子在运行路线中发生干涉——然而最终的结果就是会出现干涉条纹。这样的结果暗示我们,每个粒子会同时穿过两条狭缝,并且与自己发生干涉。这种“同时经过两条路径”的状态被称为“叠加态”。

  接下来便是真正不可思议的地方。

  如果在其中一条狭缝中(或者就在狭缝之后)放置一个探测器,我们就可以知道任意一个粒子是否穿过这条狭缝。然而,此时干涉现象就会消失。只是观察一个粒子的路径——即使观察行为没有干扰粒子的运动——结果就发生了改变。

  物理学家帕斯库尔·约当(Pascual Jordan)曾经在20世纪20年代师从量子物理学大师尼尔斯·玻尔(Niels Bohr),他曾这样描述:“观察不仅会干扰需要被测量的东西,而且会创造它……我们迫使(一个量子粒子)接受了一个确定的位置。”换句话说,“我们自己制造了测量结果。”

  如果确实如此,“客观真实”似乎就不再存在了,但情况其实更加诡异。

  如果自然的行为变化取决于我们是否“观察”,那我们可以尝试一些小把戏,使自然亮出底牌。为了做到这一点,我们可以测量一个粒子在双缝实验中的路径,但只在它穿过狭缝之后进行测量。届时,这个粒子应该已经“决定”好要选择一条路径还是同时走两条路径。

  美国物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)在20世纪70年代提出了这样的思想实验,而在下一个十年就有人进行了这个“延迟选择”实验。实验中采用了很聪明的技术方法,对量子粒子(光子)的路径——此时应该已经做出了单一路径或叠加态的选择——进行了测量。

  实验的结果正如玻尔所预测的那样,我们的测量是否延迟其实并没有什么不同。只要我们在光子到达探测器之前进行测量,结果就是注定的,所有干涉都会消失。大自然似乎不仅“知道”我们在观察,而且知道我们想要去观察。

细胞内部的微管细胞内部的微管
磷能否维持量子态?磷能否维持量子态?

  在这些实验中,无论我们在何时发现了一个量子粒子的路径,它的可能路线就会“塌缩”到单一的明确状态。此外,延迟选择实验的结果显示,纯粹的观察,而非测量引起的任何物理干扰,就可以导致塌缩。但是,这是否意味着真正的塌缩只会发生在测量结果映入我们意识之中的时候?

  20世纪30年代,匈牙利物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)接受了这种可能性。“顺理成章地,对物体的量子描述受进入我意识中的意念所影响,”他写道,“在逻辑上,唯我论可能与目前的量子力学相吻合。”

  惠勒甚至提出,生命的存在,包括所有具有“观察”能力的生命,可能已经使之前众多可能的“量子过去”转变成了实在的历史。惠勒称,从这个角度而言,我们从宇宙一开始就成为了参与者。用他的话说,我们生活在一个“参与性的宇宙”中。

  到了今天,物理学家在如何最好地解释这些量子实验的问题上并没有达成一致,在某种程度上,怎么解释还要取决于你。无论如何,我们都很难忽视这样的暗示:意识和量子力学之间存在着某种联系。

  从20世纪80年代开始,英国物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)就提出,意识和量子力学之间的联系也可以作用于另一方向。他指出,无论意识能否影响量子力学,或许量子力学本身就包括在意识之内。

  彭罗斯问道,假设我们的大脑中存在能对单个量子事件作出反应并改变状态的分子结构,那这些结构能否转变为叠加态,就像双缝实验中的粒子?在神经元受电信号触发进行交流的过程中,是否会出现这样的量子叠加态?

  彭罗斯称,这是有可能的。我们能够同时保持看似矛盾的精神状态,这并非什么古怪的感觉,而是实实在在的量子效应。毕竟,人类大脑所能处理的认知过程目前还远在计算机之上。或许我们还能进行某些计算任务,是使用传统数字逻辑的常规计算机所无法胜任的。

  在1989年出版的《皇帝新脑》(The Emperor‘s New Mind)一书中,彭罗斯首次提出了人类认知中的量子效应。这一构想被称为“Orch-OR”,是“协同客观崩现”(orchestrated objective reduction)的缩写。彭罗斯认为,所谓“客观崩现”,即量子干涉的塌缩和叠加态是一个真实的、物理性的过程,就像气泡的破裂一样。

  彭罗斯还指出,引力是日常事物——从我们所用的桌椅到宇宙中的行星——不表现出量子效应的原因所在。他认为,比原子大得多的物体不可能达到量子叠加态,因为它们的引力效应会迫使两种不相容的时间-空间形式实现共存。

  彭罗斯与美国物理学家斯图尔特·哈默洛夫(Stuart Hameroff)一起进一步发展了Orch-OR理论。在1994年出版的《意识的阴影》(Shadows of the Mind)一书中,彭罗斯提出,在量子认知中涉及的结构可能就是被称为“微管”的蛋白质聚合物。微管存在于人体大部分细胞中,包括大脑中的神经元。彭罗斯和哈默洛夫认为,微管的振动可以吸收量子叠加态。

量子态粒子可能具有不同的自旋量子态粒子可能具有不同的自旋
碳酸锂胶囊碳酸锂胶囊

  不过,并没有证据表明这一过程是完全不可能的。

  一些报道称,在2013年的一些实验中,微管中存在量子叠加态的说法获得了支持。但事实上,这些研究并没有提到量子效应。此外,大多数研究者认为,Orch-OR理论已经被2000年的一项研究所否定。物理学家马克斯·铁马克(Max Tegmark)的计算结果显示,与神经信号传递有关的分子的叠加态甚至无法维持足够的时间,使信号传递出去。

  由于量子退相干这一物理过程的存在,诸如叠加态等量子效应很容易消失。量子力学中,量子相干性会因为与外在环境发生量子纠缠而随着时间逐渐丧失。在温暖、潮湿的环境中,比如活细胞内,退相干现象的发生极其迅速。

  神经信号是一种电脉冲,是由带电的源自经过神经元通路而产生的。马克斯·铁马克的计算显示,如果其中一个原子处于叠加态并撞上神经元,其叠加态会在不到10-18秒内就会消失。相比之下,神经元发出电信号的时间是其至少1016倍。

  根据这些结果,有关大脑中存在量子效应的说法受到了广泛质疑。然而,彭罗斯不为这些质疑所动,他还是坚持Orch-OR假说。另一方面,尽管铁马克预测了细胞中极快的量子退相干过程,但其他研究者已经发现了生物中存在量子效应的证据。一些研究者争论称,依靠地球磁场导航的候鸟会利用量子力学,绿色植物在利用光合作用制造糖分的时候也会用到量子力学。

  与此同时,认为人类大脑可能会运用量子力学的说法依然存在,并且出现了另一个非常与众不同的观点。

神经元以突触相连接神经元以突触相连接
意识是一个很深奥的谜题意识是一个很深奥的谜题

  在2015年发表的一项研究中,加州大学圣塔芭芭拉分校的物理学家马修·费希尔(Matthew Fisher)提出,大脑可能含有某些特定分子,能维持更加稳固的量子叠加态。他特别指出,磷原子的原子核可能就具有这种能力。

  磷原子在活细胞中无处不在,它们通常以磷酸根离子的形式存在,1个磷原子会与4个氧原子结合。这些离子是细胞内的基础能量单位。细胞的大部分能量储存在三磷酸腺苷(ATP)分子内。ATP分子由腺苷和三个磷酸基组成,当其中一个磷酸基脱离时,就会释放出能量供细胞使用。

  活细胞内具有将磷酸根离子组合起来并使其分解的分子机制。费希尔提出,两个磷酸根离子可能会出于一种特殊的叠加态,称为“纠缠态”(entangled state)。

  磷的原子核具有一种被称为“自旋”的量子性质,这使它们更像是微型的磁体,两极指向特定的方向。在纠缠态中,一个磷原子核的自旋取决于另一个磷原子核的自旋。换句话说,纠缠态是一种涉及不止单个量子粒子的叠加态。

  费希尔称,这些原子核的量子力学行为很可能会在人类的时间尺度上抵抗量子退相干过程。他同意铁马克的计算结果,认为量子振荡(如彭罗斯和哈默洛夫所假定的)会受到周围环境的强烈影响,并且“几乎随即退相干”。但是,原子核的自旋并不会与周围环境发生强烈的互相作用。

  很显然,磷原子核自旋时的量子行为也必须受到“保护”,以免因退相干过程而过快消失。费希尔称,如果磷原子整合形成了“波斯纳分子”(Posner molecule),那这种情况是可能的。波斯纳分子是由6个磷酸根离子和9个钙离子组成的集群。有证据表明,这种分子集群可以存在于活细胞中——尽管现在还远未有确切结论。

  费希尔称,在波斯纳分子中,磷原子的自旋可以抵抗退相干达一天左右的时间,甚至在活细胞中也是如此。这意味着它们可能会影响大脑的运作。这一假说认为,波斯纳分子可以被神经元吞噬。一旦进入神经元内部,波斯纳分子就能通过分解并释放钙离子来触发神经元将信号发送给另一个神经元。

  由于波斯纳分子处于纠缠状态,神经元发出的电信号可能也因此纠缠在一起:或许可以称之为一个“想法”的某种量子叠加态。“如果原子核自旋的量子过程真的存在于大脑中,那它很可能十分常见,几乎每时每刻都在发生,”费希尔说道。

我们并不了解思维如何运作我们并不了解思维如何运作
我们的意识是怎么运作的?我们的意识是怎么运作的?

  费希尔最初是在开始思考精神疾病的时候想到这一假说的。“三、四年前,当我决定探索锂离子在精神疾病的治疗中到底有没有显著效果时,我踏入了大脑生物化学的领域,”费希尔说道。

  含锂药物广泛用于躁郁症的治疗,具有一定效果,但没有人真正了解其中的机理。“当时我并没有在寻找量子物理学的解释,”费希尔说道。但是不久之后,他翻到了一篇论文,里面报道了含锂药物对大鼠行为的不同作用取决于锂元素的不同形式——又称同位素。

  这一现象实在令人困惑。从化学上来说,不同的同位素有着几乎相同的反应特征,因此如果锂发挥作用的方式与传统药物一样的话,那它的同位素应该也具有相同的作用。

  费希尔意识到,不同的锂同位素,其原子核可能具有不同的自旋特征。这一量子性质可能影响了锂药物的作用。例如,如果锂取代了波斯纳分子中的钙,那锂的自旋可能会“感受”并影响磷原子的自旋,从而干扰磷原子的纠缠。

  如果确实如此,就可以解释锂为什么可以用来治疗躁郁症了。目前,费希尔的假说还只是一个有趣的想法,未经证实。不过,有好几种方法可以用来验证这个假说,首先就是验证波斯纳分子中磷原子的自旋能否长时间保持量子相干性。这正是费希尔下一步的目标。

  当然,费希尔也十分谨慎,不希望自己与早先有关“量子意识”的观点联系在一起。他认为这些观点充其量只是高度推测性的假说。

  物理学家们很不习惯在量子理论中发现自己。大部分研究者希望把意识和大脑隔离在量子理论之外,或许反之也亦然。毕竟,我们甚至都不知道意识是什么,更别说用一个物理理论来描述它了。

  现在还出现了一种热衷“量子意识”的风潮,宣称量子力学可以用来解释心灵感应和心灵遥控等现象。然而,这些对真正的科学研究并没有帮助,造成的结果反而是,物理学家往往羞于在同一个句子中提到“量子”和“意识”。

  不过,暂且把这些放在一边,我们应该看到“量子意识”其实有着相当长的历史。量子理论发展的初期就有了“观察者效应”和有关思维作用的假说,从那时开始,量子力学中就很难排除意识的部分。一些研究者甚至认为我们永远都无法做到这一点。

  2016年,最著名的“量子哲学家”之一、英国剑桥大学的阿德里安·肯特(Adrian Kent)推测,意识可能会以微妙但又可以可探测的方式改变量子系统的行为。

  肯特对于这一假说十分谨慎。他说:“在尝试明确地表述关于意识的问题时,并没有令人信服的原因让人相信,量子力学就是那个正确的理论;量子理论的问题也不能确定与意识的问题有关系。”

  不过,肯特也表示,我们很难单纯用量子物理学之前的理论来描述意识,包括意识可能具有的所有特征。

  一个特别令人困惑的问题是,我们的意识能体验到非常独特的感觉,比如红色或烤培根的气味。除了那些视觉受损的人之外,我们都知道红色是什么样的,但我们无法交流这种感觉是什么,物理学上也无法告诉我们红色应该是什么样的。

  类似这样的感觉被称为“感受性”(qualia)。我们将这些感觉视为外部世界的统一特征,但它们其实只是我们意识的产物——这一点很难解释。事实上,哲学家大卫·查默斯(David Chalmers)在1995年就将此称为意识的“研究难题”。

  “每一次对意识和物理学之间关系的思考都会陷入深深的麻烦之中,”肯特说道。这也促使他提出,“如果假设意识能改变(尽管可能是很轻微和微妙)量子可能性,那我们就可能在意识演化的问题上取得一些进展。”

  换句话说,意识可能真的会影响测量的结果。这么说来,我们就无法明确地界定“什么是真实”。但是,意识可能会影响我们在量子力学中进行观察时各个可能结果出现的机会,以一种量子理论本身无法预测的方式。肯特表示,我们或许能用实验方法寻找这些效应。

  肯特还勇敢地估计了发现这些效应的概率,他说:“我觉得或许有15%的概率可以说,某些与意识有明确关系的东西会导致量子理论出现偏差;在未来50年里用实验方式探测到这一结果的概率或许有3%。”

  如果这一切最终成真,那我们对物理学和意识的认识必将发生重大的改变。

原文:

http://www.bbc.com/earth/story/20170215-the-strange-link-between-the-human-mind-and-quantum-physics

大海牛的故事

大海牛的身体可以长到10米长,体重可达10吨,然而它们的头却小得不成比例

1742年7月12日,德国博物学家格奥尔格·威廉·斯特勒(Georg Wilhelm Steller,1709~1746)站在一头巨兽的尸体之上,一边进行数据测量并记录,一边抵抗着多只狐狸的骚扰。这些狐狸试图偷走他的食物,而且不知出于什么目的,还想把他的地图、纸和墨水拿走。

斯特勒和其他几人刚刚经历了一场海难,鬼使神差地来到了位于俄罗斯和阿拉斯加之间的一个冰冷小岛,所带的食物一点不剩。他们的船长,著名探险家维图斯·白令(Vitus Bering),已经不幸病死(原先人们认为白令死于坏血病,但1991年的一次考古调查发现,白令的牙齿完好无损,说明他不是得坏血病而死)。作为一位杰出的植物学家、动物学家、医生兼探险家,斯特勒不大能容忍愚蠢的人,遗憾的是,他的同伴大多愚不可及。激烈的争吵时有发生,原因是斯特勒坚持要求船员们食用蔬菜,以避免坏血病的发生。

不过,斯特勒还是需要船员们帮助他处理眼前的庞然大物。这头科学界未知的巨兽是海牛的近亲,体型达到惊人的10米长、近10.9吨重。这一重量相当于20头海牛,或4头虎鲸。据斯特勒死后出版的著作《海中野兽》(The Beasts of the Sea)记载,船员们此时更关心的是利用船的残骸建造一艘新船。最终,斯特勒还是成功地用烟草贿赂了船员,帮助他将巨兽的内脏掏了出来,其中包括一个1.8米×1.5米的胃。但是,“出于无知和对工作的厌恶”,船员们无情地撕扯内脏,将之撕成碎片,没留下任何一个完整的器官。

维图斯·白令探险队遭遇海难图

身处狐狸和蠢货之间,冰冷的雨水打在身上,斯特勒当时不知是怎样的心情。令人欣慰的是,在没有参考书籍的情况下,他还是极其详尽地描述了这种动物——大海牛(学名:Hydrodamalis gigas)。正因为他的发现,大海牛也被称为“斯特勒海牛”(Steller’s sea cow)。这是海牛目(Sirenia)的新成员,同类群中还包括海牛和儒艮。

化石记录显示,大海牛曾经活跃在环太平洋的许多近海区域,从日本到俄罗斯,从阿拉斯加到墨西哥的下加利福尼亚州。然而,在斯特勒第一次对它们进行描述的时候,这一物种仅剩下约2000个体,隐居于两个岛屿上:一个便是斯特勒等人遭遇海难的小岛,后来被命名为白令岛;另一个是邻近的梅德内岛。在不到三十年的时间里,大海牛就宣告灭绝。

在被科学界认识之前的一千年中,大海牛的分布范围和数量出现了急剧缩减,其中原因至今尚无答案。不过,就最后的2000头大海牛而言,它们的消失原因十分明了。古生物学家Daryl Domning称,大海牛的生态位受到了威胁。

18世纪中期,俄国市场对海獭毛皮的需求几近疯狂,被称为“Fur Rush”。这是一场人类贪欲的狂欢,众多猎人涌入了白令海地区,捕杀了大量海獭。“这一事件造成的后果,就是消除了海胆的天敌,”Daryl Domning说,“当海獭数量大幅下降的时候,海胆会大量增殖。我们今天也能观察到同样的现象。海胆的数量越多,就会吃掉更多的海藻,而海藻正是大海牛的食物来源。”

从这一角度说,雄壮有力的大海牛最终是被渺小卑微的海胆击败。有一种推测是,生活在如今加拿大和美国西部海岸附近的原住民,有可能在很早之前就触发了同样的连锁反应,导致最终只有个体数量很少的大海牛种群被发现。

正在取食海藻的大海牛,旁边有一只海獭。图片来自一份美国政府的文件

除了海藻的消失,欧洲的海獭猎人为了获取大量的肉,也会毫不迟疑地捕杀大海牛。另一方面,北太平洋甚至都不是大海牛的理想居所。据斯特勒记载,在严酷的北极冬天,大海牛会变得骨瘦如柴,“所有的肋骨”都看得见。

对食性单一的大海牛来说,海藻的卡路里极为有限,要长成如此庞大的体型,它们需要不停地吃。而且,“因为太过贪吃,它们会把头一直埋在水下,丝毫不顾及生命和安全,”斯特勒写道。

因此,大海牛常常在浅滩中沉重地蹒跚移动,组成壮观而无害的群体。它们“勤勉”地吃着海藻,直到吃饱之后,就翻转身体漂浮在水面开始睡觉,如同膨胀的、煮过头的香肠。这样的生活方式,加上对人类接触的毫不在意,使它们称为猎人们最喜欢的目标。

“因此一个人坐着船,或者裸体游过来,”斯特勒写道(不知为何要指出是裸体……),“就能在它们之间毫无危险地移动,然后放松地选择其中一只进行攻击——一切都是在它们进食的时候完成的。”

由于庞大的体型,大海牛在数百万年的时间里一直没有遇到天敌,然后它们突然发现人类的可怕。在斯特勒的记载中,详细描述了饥饿的船员们残忍猎杀大海牛的过程。

这些捕猎堪称大屠杀。据斯特勒的记载,幼年的大海牛比成年的更难以捕捉,因为它们更加活跃。这一点与自然界中的许多其他动物不同,举个例子,幼狮有时会因为身体瘦弱和行动迟缓,成为其他掠食者的目标。

有人或许会感到奇怪,如此庞大、丑陋的身体一开始是怎么演化出来的?“最显而易见的一点,这是一种对寒冷气候的适应,”Domning说,“它们具有更好的表面-体积比,即单位体积的表面积较小,从而能更好地抵御严寒。”

1742年7月12日,格奥尔格·威廉·斯特勒站在一头雌性大海牛身上,旁边是两个船员

此外,大海牛具有极为厚实的皮肤,按斯特勒描述,更像是树皮而非兽皮。此外,大海牛的皮下脂肪层厚度可达10厘米。“它们也基本摆脱了指骨,”Domning说,“它们具有短而粗的鳍肢,这是有效减少热量损失的特征之一。”遗憾的是,这样一种集合了多种神奇适应能力的动物,还来不及被人类所认识,就在地球上彻底消失了。

格奥尔格·威廉·斯特勒最终离开了那座小岛。经过艰难的9个月,船员们终于建造出了一艘简易船只,成功返回到了俄罗斯大陆。在这趟奇特的旅程中,斯特勒一共记录了4种新的海洋哺乳动物:北海狮(又称斯氏海狮,学名:Eumetopias jubatus)、海獭(学名:Enhydra lutris)、北海狗(学名:Callorhinus ursinus)和本文所讲述的大海牛。

返回俄国之后,斯特勒在接下来两年里一直在堪察加半岛进行探险。由于对堪察加原住民的同情,他被指控煽动叛乱,并被召回了圣彼得堡。在返回的路途中他曾遭到逮捕,并被送往伊尔库茨克参加一场听证会。之后他被释放,然后又向西前往圣彼得堡。就在这次旅途中,斯特勒出现了发烧症状,并最终在秋明去世。

 

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文章编译自

Absurd Creature of the Week: A Strange Saga of Bribery, Skinny-Dipping, and a 12-Ton Sea Cow

有关旅鸽

羽毛组成的河流

19世纪初,博物学家亚历山大·威尔逊(Alexander Wilson)正在美国肯塔基州旅行,突然间天空一片黑暗。他后来写道,这是“一场龙卷风,正要将房屋及周围的一切摧毁。”

然而,恢复理智之后的威尔逊发现,遮挡阳光的其实是巨大的旅鸽群。

许多早期探险家的日记中都记载了相似的情节。旅鸽会以大规模的群体横扫美国东部,以栗子和橡果为食。威尔逊凝视着遮天蔽日的旅鸽,试图估算出它们的数量。旅鸽群的宽度差不多有一英里,如同一条羽毛组成的河流,流动了超过4个小时。依据这些信息,威尔逊估计这群旅鸽的成员数量超过22亿。“一个令人难以置信的庞大种群,”他写道,“而且还很可能比实际数量低得多。”

1914年,由于工业规模的狩猎,旅鸽逐渐灭绝。马克·巴罗(Mark Barrow)在《大自然的幽灵》(Nature’s Ghosts)一书中指出,人类对这一繁盛的鸟类进行的物种灭绝带来了极大的心灵震撼,使整个世界意识到了大自然的脆弱。

由于旅鸽在现代生态学建立之前就已灭绝,科学家对它们的自然生活史知之甚少。我们所能依赖的资料,主要来自像威尔逊这样的博物学者撰写的报告——内容可以简单总结为:好大的旅鸽群!——以及博物馆中保存的少量填充标本。

不过,近几十年来一些研究者提出,旅鸽的历史比我们原先想象的复杂得多。1985年,考古学家威廉·纽曼(William Neumann)指出,在美洲原住民的考古遗址中并没有发现多少旅鸽遗骨。如果这种鸟类在数千年时间里都是遮天蔽日般繁盛,那应该是美洲原住民的重要食物才对。纽曼认为,19世纪的庞大种群并不能反映旅鸽数量的长期变化。

现在,科学家正利用新的DNA方法来解决这一难题。在博物馆中保存的一些填充标本上还存留着基因分析所需的材料。来自国立台湾大学的洪志铭及其同事在PNAS上发表文章称,他们在3只旅鸽标本的趾垫上获取了DNA信息。这些标本中有两只采自明尼苏达州,一只来自宾夕法尼亚州。他们最终成功提取了每只旅鸽标本上57%到75%的基因组信息。

有了这些DNA样品,科学家就能了解许多关于旅鸽的信息,如它们的祖先在历史上的数量大小。能做到这一点,得益于每个动物个体之间存在的基因差异。即使是拿两个人DNA中的胶原蛋白基因进行对比,也会发现极细微的差别。这是因为在基因传给后代的过程中会产生突变。

在大的种群中会出现许多变异,并遗传给后代;而在小规模的种群中,出现的变异数量就少得多,它们遗传给后代的变异基因也就更少。因此,在今天某个生物种群中的遗传变异可以作为估算历史上种群变化的线索。即使在某一时期,种群内的个体数量出现大规模增长,该种群也有可能只有较少的变异——因为其祖先的数量太过稀少。

严格地说,科学家并不能通过这种方法确定古代种群的真实规模。在每一代中,只有一部分个体能够进行繁殖,我们只能研究这一部分的遗传变异。科学家称这一群体的数量为“有效种群大小”。有效种群大小可以用来粗略地估计真实的种群大小(通常而言,有效种群大小大约是真实种群大小的十分之一)。

在开始测算有效种群大小时,科学家会比较大量个体中的某个特定基因。近年来,科学家发明了一个巧妙的反向技巧:通过分析少数个体中的多种基因来估计有效种群大小。如果这些基因中有许多与其他个体不同,就表明这些个体来自历史上的某个大规模的种群;而如果这些基因十分相似,则说明种群相对较小。

这一方法中最不寻常的一点是,通过比较每个基因从共同祖先那里产生突变的时间,科学家可以追踪某个种群大小随时间的变化。如果大多数基因变异可以追溯到某个特定时期,就表明当时的种群相对较小。2011年,沃尔卡姆基金桑格学院(Wellcome Trust Sanger Institute)的李恒和理查德·德宾(Richard Durbin)利用这一方法从6个基因组中重建了人类历史。他们发现,人类种群在大约5万到2万年前出现了急剧萎缩,之后又出现了极大的增长。

现在,洪志铭及其同事利用相同的方法对旅鸽种群进行了追踪。令人意外的是,他们发现旅鸽的有效种群大小长期的平均值仅为33万只个体。要知道,科学家曾估计旅鸽在19世纪时的数量在30亿到50亿之间。换句话说,这一有效种群大小比原先预计的低了1000倍。

这种不吻合预示着,旅鸽在某些历史时期中具有规模较小的种群。洪志铭等人在重建旅鸽种群历史时,发现其经历了非常大的数量变化。在大约12万年前,旅鸽数量丰富,但在2.1万年前,它们的数量急剧缩减。末次冰期之后,旅鸽的数量又有所回升,并在大约9000年前达到另一个峰值。在那之后,它们的数量开始缓慢下降。

这一变化曲线与冰河期的生态变化历史十分吻合。在大约12万年前,气候温暖,冰川处于最低值,森林广泛覆盖着北美大陆。到了2.1万年前,大片的旅鸽栖息地被冰雪覆盖,剩余的栖息地大多无法支持橡树和栗树的生长,导致旅鸽的食物大量减少。等到冰川退去,森林重新出现,旅鸽的数量才出现回升。

不过,洪志铭及其同事认为,这些长期的气候变化只能部分解释旅鸽的有效种群大小。他们提出,鸟类就像蝗虫,当食物供应丰富的时候会数量膨胀,而当情况恶劣时则出现崩溃(在现实中,蝗虫爆发时数量可以达到1000亿,但它们的有效种群大小只有约50万)。

在研究中,洪志铭及其同事得出了与纽曼相似的结论。19世纪的博物学家看到的庞大鸟群,其实并不是前工业时代北美大陆的固定风景。相反,威尔逊很可能只是碰上了一次旅鸽爆发事件。

甚至有可能是来自欧洲的殖民者引发了这场爆发。美洲原住民通过捕猎旅鸽、采集橡果和栗子等方式,使旅鸽的数量一直保持在低位。新来的欧洲人将原住民从原来的土地上赶走,从而使旅鸽的数量突然急剧增加——殖民者种植的庄稼也可能为旅鸽提供了食物。

在采集旅鸽DNA的过程中,研究者也在寻找将其复活的可能性。理论上,科学家可以利用近缘物种——如斑尾鸽(学名:Patagioenas fasciata)——的基因组,对旅鸽的DNA和特异性的突变进行基因工程处理。加州大学圣克鲁斯分校的本·诺瓦克(Ben Novak)在这个TEDx视频中就阐述了这一可能性。

洪志铭等人的研究(以及本·诺瓦克等人正在进行的类似研究)表明,科学家或许真的有可能将旅鸽重新带回世间。尽管在某些时期旅鸽的数量出现大幅下降,但在人类开始将枪口对准它们之前,它们已经在地球上生存了数十万年。

另一方面,如果我们成功地复活旅鸽,它们的种群大小也不一定会保持稳定。如果条件合适,它们有可能膨胀到惊人的数量;而如果环境条件不利,如出现气候变化等,那它们的数量有可能再次下降。这种曾经遮天蔽日、被人形容为龙卷风的鸟类,其实也是紧密依赖于生态系统的脆弱物种。

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文章编译自

The Feathered River

洪志铭等的文章:

Drastic population fluctuations explain the rapid extinction of the passenger pigeon