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为什么进化往往有利于小尺寸生物,但生物却又不遗余力地变大呢?

生物界有一个看起来比较矛盾的事实:小尺寸的生物在进化上往往更有利,但生物却又总是在想方设法、不遗余力地变大!

各种细胞Wikimedia Commons

小尺寸的生物——包括微生物细菌、单细胞藻类和真菌等在种群数量级上大到难以想象,而且还有着超乎想象的多样性。

不仅如此,小尺寸的生物还具有难以置信的适应弹性,可以在环境变化中生存下来,所以它们中的一些成员相当古老。

而作为对比,大尺寸的生物往往需要更长时间生长和成熟,因此它们的繁殖速度更慢,这降低了进化的速度,同时也失去了适应弹性。

所以,环境变化最先倒下的都是是大型生物,比如6600万年前,小行星撞击导致恐龙灭绝的事件中,陆地上任何比家猫更大动物都灭绝了。

事实上,即便没有大灾难降临,大尺寸的生物似乎也不太能够应对物理和生物环境的长期发展,基本没有什么大型生物可以长期演化下去的,通常在较短时间内就会走向灭绝。

那么,有趣的问题是,既然进化对小生物更有利,那生物为什么还会变大呢?

大部分生物确实都在想方设法地挑战物理极限,让自己变得更大,事实上,这就像是一个“陷阱”一样,且生物对此无法自拔。

图:这个被称为达尔文兰花,它与授粉飞蛾都高度特化了,除了彼此无法再适应其它生物

为什么小生物更具适应性?

我们前面提到过,体积太大会导致进化速度慢和丧失适应弹性从而灭绝,除了因为成熟的时间变长了之外,还有一个根本原因,就是大尺寸的生物体需要更多的专业化来维持

例如,较大的脊椎动物需要不成比例的厚骨骼和大肌肉,如果鼩鼱等比例长到大象大小的话,那么它们的骨骼也将无法支撑身体。

这种专业化在生物学上有一个专业的名词来形容——叫做特化,如果你了解这个名词的话,你就会知道高度特化的物种有多脆弱了。

高度特化的特征意味着它只对特定的环境有效,而且越是高度的特化,它的机动性就越差,越难以发生改变。

大象其实即便没有人类,也相当容易灭绝Ikiwaner

这就是为什么几乎所有大型生物都会走向灭绝,而不是继续演化的原因,因为随着体积变大,它们将用完所有“进化潜能”,直到无法做出任何改变去应对最简单的变化。

而小型生物正好相反,它们不需要太专业化,同时可以快速完成繁殖使命,积累基因突变来适应变化。

更重要的是,因为尺寸小,它们可以更精细地分配资源,将更多物种和个体容纳在同一栖息地空间中,确保多样化不易完全灭绝。

昆虫是资源分配的大师,所以单个昆虫类群的物种数量就超过了所有其他动物类群的总和,这使得它们可以称得上是地球上最成功的动物类群。

另外,小尺寸生物因为不需要对自身生物体的维持做出太多努力,所以它们对环境的适应是我们远超想象的。

那些较小的生命体,如一些古细菌可以在200°C 温度的深海喷口生存,水熊虫这样的节肢动物也可以忍受高辐射的环境。

事实上,一些人认为微生物可以在陨石内完成星际旅行并存活下来,所以哪天你看到新闻说,太阳系其它地方的生命有着与地球生命共同的起源,不要觉得意外。

既然小尺寸生命如此强大,那么为什么生物还会选择变大?

Wikimedia Commons

大体积的进化陷阱

古生物学家爱德华·科普(Edward Cope)曾提出,所有谱系中的个体在进化过程中都倾向于体型增大。

虽然有时候会存在一些例外,但生物在进化过程中确实倾向于变大,这点是毫无疑问的,那些倾向于变小的生物,通常是因为资源的限制,而且这种限制不至于导致其灭绝。

而之所以生物倾向于变大,自然是因为越大越容易给它们带来更多生存和繁殖的机会。

对于种群外部来说,较大的体型意味着能够更容易躲避掠食者,捕食猎物,所以大象和鲸鱼除了人类之外几乎没有天敌。

对于种群内部来说,较大的体型更能战胜竞争对手,无论是动物,还是植物,还是其它生物类群,更大都意味着相较于同类可以得到更多生存资源。

细胞增大后,表面积和体积比值下降Wikimedia Commons

对于个体来说,较大的生物体也往往更擅长保存热量,这是因为随着体积增加表面积与体积的比值会下降。

另一方面,这对于有性繁殖而言也是有利的,不仅仅体现在较大体型能在种群竞争中胜出,还有体型更大往往也意味着拥有更多的生殖细胞。

生物被“设计”成传递基因的使命,较大的体型无论从哪方面出发,它都对传递基因有利,所以生物倾向于变大,是可以理解的。

但就像我们前面提到的,这种有利只是眼前的,而不是长久的,它就像一个陷阱一样。

另外,值得一提的是,在变大这件事上,地球的生命花了很长时间才找到方法。

单细胞生物的第一个证据可以追溯到大约38亿年前,当时新形成的地球已经冷却到足以让有机生命出现的程度。

但是,单个细胞的大小有物理极限值,无论太大、还是太小都会导致细胞崩溃,太大的话营养输送都会出问题,而太小的话它难以自我能量为此。

生物想要变大的唯一方法就是合作——变成多细胞, 而地球多细胞的出现时间不到10亿年,在地球生命历史的大部分时间里都是以简单的单细胞存在的。

古老的藻类化石,图源:S Bengston et al/PLOS Biology

同样因为营养输送问题,多细胞生物在变大这件事上其实只有两种选择:

一种是细胞合在一起之后彼此摊开,或者彼此连接,这样它们不需要内部运输系统也能维持生物体,古老的多细胞生物就是先找到这种简单的变大方式,所以那些古老的多细胞生物要么是扁平的,要么线状的。

不知道何时起,生物找到了另外一种方式——让不同的细胞专门从事不同的工作,包括结构支撑、消化食物以及移动氧气和二氧化碳等物质。

也正是找到了这种方式,地球生命在变大这条路上变得一发不可收拾,不停尝试各种变大方式。

但似乎历史已经说明一切,变大是一条不归路。

参考链接:

https://theconversation.com/why-evolution-often-favours-small-animals-and-other-organisms-227524

  • 发表于:
  • 原文链接https://page.om.qq.com/page/OPvBrWgdzXnFOYalxGSpReCQ0
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