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小蛾子如何解决了大问题(转)  

2014-06-06 00:25:55|  分类: 参考文献 |  标签: |举报 |字号 订阅

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    生物课本在介绍进化论时都会提到,一种蛾子翅膀颜色的变化证明了自然选择理论之正确。但是教科书过于简略的介绍,使学生们没有领会到,这同时也是一个理解科学研究是如何进行和深入的绝好例子。
    这种蛾子是桦树的主要害虫,因此中文学名叫桦尺蛾,英文则称之为“斑点蛾”,这是因为在19世纪中叶之前人们见到的这种蛾,都是浅灰色的翅膀上散布着一些黑色斑点。1848年,昆虫学家首次在英国工业城市曼彻斯特附近采集到了黑色翅膀的桦尺蛾标本。之后,人们采集到的黑蛾标本越来越多,而且都集中在空气污染严重的工业化地区。到1895年,曼彻斯特附近的黑蛾所占的比例激增到接近100%,而在非工业化地区,灰斑蛾仍然占绝对优势。
    看来,桦尺蛾翅膀颜色变黑与工业化导致的空气污染有关,那么这种“工业黑化”又是怎么进化来的呢?在19世纪末20世纪初,许多生物学家都相信拉马克主义:后天的环境因素会直接导致生物体产生可以遗传下去的变异。因此推测,桦尺蛾的黑化是在污染物的刺激下产生的。有一位昆虫学家用沾了煤烟成分的树叶喂养从非工业化区抓来的桦尺蛾幼虫,发现有的变成了黑蛾。这似乎验证了拉马克主义的假说。可惜,这个实验结果别人重复不出来,而没法被独立地重复的结果,是无法获得承认的。
    另有一些生物学家相信达尔文提出的自然选择理论。根据这个当时还未被生物学界普遍接受的学说,黑蛾变异并不是被煤烟成分诱发的,而是随机产生的。随机的基因突变总能产生极少数黑蛾,在非工业化地区,这些黑蛾将很快被自然选择淘汰。但是在污染地区,黑化却有生存优势,因此迅速传播开去。在1920年代,英国大生物学家荷尔登(J.B.S. Haldane, 1892-1964)计算出,这个自然选择过程要能发生,平均每一代黑蛾和灰斑蛾后代的生存比例必须是1.5:1。
    但是,黑化究竟有什么生存优势呢?不难设想,桦尺蛾翅膀起到了某种伪装作用。这种伪装看上去非常成功,如果背景合适,桦尺蛾用肉眼几乎难以发现:每当我向学生们展示照片,指出隐藏在树干上的桦尺蛾时,都会引起一阵惊叹。在非工业化地区的森林中,树干长满苔藓,长着灰色斑点的翅膀的桦尺蛾停在这种树干上,不容易被天敌(鸟类)发现,而黑色翅膀则容易被发现。在工业化地区,树干上的苔藓被黑色的煤烟取代了,情形恰好相反,灰斑蛾容易被天敌发现,而黑蛾不容易。所以,“工业黑化”现象可能是由于鸟类不容易发现、捕食停在覆盖着煤烟的树干上的黑蛾,而灰斑蛾更容易被捕食导致的。
    这个假说听上去很合理,但是再合理的假说在被检验之前也还是假说。这个假说在1896年就有人提出了,但是直到1950年代,才由英国生物学家凯特威尔(H.B.D. Kettlewell, 1907-1979)用实验对它进行了验证。他在一个种着树的鸟舍中释放了同等数目的灰斑蛾和黑蛾,然后放出鸟,观察、记录它们的捕食情况。结论是:蛾的翅膀的确起到了避免被捕食的伪装作用,在同一根树干上,显眼蛾被捕食的几率高出不显眼蛾达三倍。
    人为条件下的实验结果真的能反映自然生态吗?为了回应这个疑问,凯特威尔在工业污染严重的地区进行野外实验。他将大量的灰斑蛾和黑蛾做了标记,然后释放。由于雌蛾很少飞翔,他只用雄蛾做实验。一周后,他用汞汽灯和未交配的雌蛾做为诱饵捕捉雄蛾,连续持续了多个晚上。重新捕获的黑蛾的比例,大约是重新捕获的灰斑蛾的两倍,凯特威尔认为那些失踪的蛾是被鸟类捕食了,这表明在工业污染地区,黑蛾的生存机会是灰斑蛾的两倍。这个数字很接近30年前荷尔登的计算结果。
    但是,重新捕获的黑蛾的比例高于灰斑蛾,也可能是由于其他未知因素导致的,例如,黑蛾比灰斑蛾更容易被汞汽灯或雌蛾所吸引,灰斑蛾比黑蛾更爱迁移到外地,由于某种与伪装无关的因素灰斑蛾在野外的生存能力较差等等。几个月后,凯特威尔做了一个对照实验,排除了所有这些可能性。他改到未受污染的地区重复实验,结果与上一次恰恰相反,重新捕获的灰斑蛾的比例,大约是重新捕获的黑蛾的两倍,也就是说,在未受污染的地区,灰斑蛾的生存机会是黑蛾的两倍。两次实验结果合起来,雄辩地证明了影响桦尺蛾野外生存机会的因素,是其翅膀颜色的伪装能力。后来,有几个其他实验室重复、改进了凯特威尔实验,都得到了相似的结果。
    不过,凯特威尔实验并没有直接观察到鸟类在野外选择性地捕食黑蛾或灰斑蛾,而是间接的推论。剑桥大学遗传学教授麦克·马杰鲁斯(Michael Majerus)用了7年时间弥补这一不足。7年来,他每天天不亮就起床,花上几个小时用望远镜观察、记录鸟类在他家的花园捕食桦尺蛾的情况。他观察到,由于剑桥没有被污染,黑蛾的确比灰斑蛾更容易被鸟类捕食。他的结论是:鸟类有选择的捕食是2001年到2007年间剑桥的黑蛾频率下降的一个主要因素。
    在众多生物学家的努力下,用科学方法(观察-假说-验证),让这种不起眼的小蛾子清楚地证明了自然选择这一伟大学说的正确。

2007.9.10.

(《中国青年报》2007.9.12)
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