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物种灭绝机制

来源:未知 编辑:admin 时间:2019-07-31

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  物种灭绝机制(Mechanism of species extinction):若将物种灭绝视作一个动态过程的话,物种灭绝和物种濒危的区别是,它们分别处于某一特定物种走向消亡过程的不同阶段。物种多样性保护的对象是濒危物种而不是已灭绝的物种。然而,对于在自然状况下或人类活动影响下灭绝了的物种的濒危过程和机制的认识势必对现存濒危物种的保护具有重要的启发意义。

  灭绝是一种复杂的现象,它既有生物内在的因素,也有外部环境的原因.它既是偶然的,不可预测的,也是决定性的。由生物发展规律所决定的对物种施加任何一种压力,无论生物学还是物理学方面的,都将可能使其灭绝。人类对物种灭绝的影响不仅远远超过其他任何生物类群,而且也是地球历史上任何一个灾变事件所不能相比的。当然,这难以用现有的实验手段加以证明。同时各个学者对于物种灭绝的机制和因素也存在着不同的见解,影响物种生存的外部因素包括生物学机制、物理学机制和人为活动。

  当竞争发生在两个种或两个同时利用同一种资源的种群时,两者中一方个体数目的增加会导致另一方适合度的降低。竞争分为两种类型资源:①利用性竞争:指两个种或种群同时利用同一种自然资源,但它们之间并不发生相互作用;②互干涉竞争:指一个物种往往以某种行为阻碍另一物种的生存,远隔作用(allelopathy)就是一种普遍的互干涉竞争。(Frankel 等1981)

  生态习性相似的种往往构成镶嵌分布型,(mosaic distributional pattern)使两个竞争物种可能长期共存。然而在较小的岛屿,一个新的物种的侵入有可能导致当地种的灭绝。这是因为较小的岛屿面积减少了当地种寻找其避难所的机遇,而在较大面积的岛屿和大陆可能找到避难所,从而能和侵入种建立镶嵌分布的关系。

  竞争可能使一个物种的地理分布范围和密度减少。只有在特殊情况下,如较小的岛屿、重大的地质事件以及人类干扰,才有可能使一个物种或种群走向灭绝。竞争往往要伴随其他因素才会导致物种的灭绝。倘若说一条绳索将一个物种拉向灭绝,那么,竞争则是这条绳索中的一束线。因此竞争是导致物种灭绝的因素之一。

  广义的捕食者概念,包括草食者、肉食者和寄生虫(Merrell 1981)。在由捕食者与猎物种群密度构成的坐标系中,捕食者与猎物种群常常围绕着一个平衡点按照一定的周期摆动。捕食者种群跟随猎物种群的变化而变化,但落后于猎物种群。当受到外界条件影响后,随机干扰可能会增加其摆动的幅度,甚至触及某个坐标轴,进而一个种群灭绝,或两个种群同时灭绝。捕食者大爆发往往使猎物遭遇恶运。例如松毛虫的大爆发使针叶林受到严重危害;原分布于美国东北沿海的松鸡的灭绝和苍鹰的大爆发有直接关系。

  不同的草食者采食植物的不同部位,有些是食叶性的,有些是食果性的,有些则是食幼苗性,或食种子性的。大量草食者的存在能够在短期内使一个物种的个体数量迅速减少。草食者和特定植物种个体数量的动态平衡更常见。只有在特殊情况下,如受新侵入或新引进的食草动物、昆虫、病害的流行以及恶劣气候等方面的影响下,这种动态平衡才会被破坏。在草食者和特定植物种之间长期以来所建立的动态平衡被打破之后,系统中某些物种有可能会变得十分脆弱,在接踵而来的各种外界干扰下,不能有效地应变而有可能灭绝。

  除自身的直接作用外,捕食者也间接地影响着其他物种的竞争。例如水獭的出现可以彻底消灭海胆,而海胆则以多年生的海藻(Laminaria)为食。在没有水獭时,海胆的数量增多,这时一年生的海藻占绝对优势;相反当水獭普遍出现时,海胆几乎消失,多年生的海藻占绝对优势,最终一年生的海藻彻底消失(Frankel 等1981)。

  捕食者和猎物种群的大小经常发生波动,同时环境也不断地发生变化,一些偶然性因素会使两者之间的平衡失调,此时捕食者或猎物种群便可能出现低于维持正常生存所需要的个体数目的现象。这样,由于个体数目极为稀少而且不能有效地适应变化的环境,该物种则随时存在着灭绝的可能。

  从适合度意义上讲,有毒病菌的适应性很差,这是因为有毒病菌使寄主致死或严重衰弱的同时,也不可避免地导致了自身的灭亡。病菌常常是导致物种灭绝的一个重要因素。在这方面,病菌和捕食者具有共同的特点,即病菌的生存往往建立在寄主或被食者生存活力的基础之上。这种相互依存关系的自然结果是形成“特有性平衡”(endemic balance)。在这种情况下,病菌的致病能力减弱,这是在长期的协同进化过程中逐渐形成的。在这一过程中,被寄生物种对病菌逐渐产生了抗性,同时病原体(pathogen) 的毒性也逐渐降低。由此推论,病害的广泛流行应该是相当罕见的。只有在长期存在的生态平衡被打破的情况下,该区域才有可能发生广泛的病害流行病害流行。通常可分两种情形,即当①易受感染的寄主物种从未受病菌感染的区域迁入病菌感染强烈的地区时;②当病菌传入没有病菌传染的地区时。一些学者认为,在一个孤立的生物区系中突然流行病害,往往出现灭绝波(wave of extinction)。

  导致病害流行的一个因素是接触传染。种群成员的频繁接触为高毒性感染病菌的存活创造了必要的条件。现代城市居民最容易遭受严重的病菌流行的感染,而史前人类由于分别生活在较小的被隔离的区域,则很少发生病菌的广泛传播。显然,如果一个物种的不同种群分别生存在相对隔离的地区,则可避免病菌的严重感染,避免因病菌的广泛流行所导致的灭绝。许多物种的镶嵌分布式样也许是生物在漫长的进化过程中逐渐发展起来的适应策略。

  综上所述,竞争、捕食和流行病等单个因素都不可能导致一个物种的灭绝,尤其对稳定发展的陆地生物区系来说更是如此。就现在所掌握的资料来看,除岛屿外,至少近300 年来还没有发现任何一个物种的灭绝纯粹是由于这些因素单独作用的结果。然而,这些并不能说明上述因素对研究灭绝和进化不重要。它们之中任何一个的存在都使物种增加了能量和遗传上的负载,再加上某些时期内种群中个体期望寿命缩短,就会改变生物种群的大小和缩小其分布范围。在这种情况下,接踵而来的偶然事件就容易将一个物种推向灭绝。

  松鸡原广泛分布于美国东北部沿海地区,从缅因州一直到弗吉尼亚州。19 世纪这一地区的工业迅速兴起,人口急剧膨胀,松鸡遭到大量捕杀。由于捕杀过度,该种很快从原分布的绝大部分地区消失。1870 年,松鸡仅生存于马萨诸塞州的一个小岛上。到了1908 年,该小岛上的松鸡只剩下50 只。1908 年建立了1600 英亩的保护区后,这50 只松鸡才得以保存下来。到1915 年,该岛上的松鸡已自然增殖到2 000 只。然而,1916 年以后,该岛上接踵而来地发生了导致松鸡灭绝的一系列事件。首先是森林火灾,然后是松鸡的捕食者——苍鹰的大爆发,再是百年罕见的低温冻害天气,加上由于种群数目的减少和性比例失调所引起的近交,以及来自家养火鸡的病菌传播流行。这些连续性事件致使松鸡到1927 年锐减到11 只雄鸡,和2 只雌鸡到1928 年底仅剩1 只,该只松鸡于1932 年3 月11 日死亡,从而宣告松鸡从地球上灭绝(Raup 1991)。

  松鸡的灭绝过程可分为两个阶段。第一阶段:对松鸡的生存从未有过的强烈冲击,即人类大量无度的捕杀。该阶段使松鸡的地理分布范围迅速缩减。第二阶段则始于1916 年,即一系列接踵而来的生物学和物理学事件使该种最终走向灭绝。倘若没有第一阶段突如其来的强烈冲击使之仅生存于一个小岛上,第二阶段中任何一个事件的发生都不可能有如此巨大的效果。无论是火灾、苍鹰捕猎、低温冻害天气。还是近交和病害流行,只会使其中的一个地方种群消失,但要使该种彻底消失是不可能的。由此可见,第一阶段对松鸡突如其来的强烈冲击,即人类的过度捕杀是造成松鸡最终灭绝的首要因素,这就是第一冲击效应(first strike effect )。如果没有第一次远远超过其适应能力的突如其来的强烈冲击,一个已建立起完善的适应体系的物种很难迅速灭绝。由此看来当一个强烈的冲击使一个物种的地理分布或其他适应体系支离破碎时,该物种就很容易在一系列偶发事件中走向灭绝。

  物种有其特定的生存要求,只有在特定的生存条件下才能稳定地发展,即使世界性分布种也不例外。从化石记录可以看到,一些世界性分布的类群在世界性气候和地质变化中常常灭绝,这并非是生物内部的原因,而是生物赖以生存的环境条件被破坏和变更的缘故。导致生境条件变更和破坏的因素可划分为3 种类型,即缓慢的地质变化、气候变迁和灾变事件。

  使生物生存条件变更的缓慢地质变化主要指地球板块的移动、海域消失以及由此而产生的大陆生态地理条件的缓慢变化。地壳整个布局的改变破坏了原来的生存条件,同时又创造了新的生存环境。如二迭纪和三迭纪交界时期,超级大陆——联合古陆(Pangaea) 的形成使大量生存在大陆架上的海洋生物灭绝,同时又为陆地生物的进化创造了必要条件。也正是在这一缓慢的地质变化中,裸子植物逐渐取代了蕨类植物,成为植被中的优势成分。

  气候的变迁改变了生物在纬度和经度上的分布范围。气候的变迁还往往造成大量物种灭绝。根据化石记录(Upchurch 和Wolfe 1987 ),晚白垩纪全球气候的干旱化使38%的海生生物属彻底灭绝,陆地动物遭受灭绝的规模更大:第三纪始新世末期,由于气温迅速变冷,许多在古新世后期和始新世占优势的植物类群灭绝:第四纪冰川的影响又使大量的植物类群销声匿迹。

  分布在岛屿的物种在气候发生变迁的情况下更容易灭绝。大陆上尽管具有广阔的空间,然而物种对其分布范围的调整并不如我们所想象的那样轻而易举。上述地质时期大量生物类群的灭绝就是例证。对于一个长期适应于某一特定气候的物种或分类群,其适应性以及适应性的调节范围总是有限度的。高纬度地区冬季的寒冷和短光照使得长期生存在热带地区的植物种类难以适应。每一个物种或分类群都有其固定的生活节律(生物钟),它的调节幅度是很有限度的。气候的变化或变迁超过了某一物种或分类群的调节限度,就可能导致该物种或分类群不可避免地走向灭绝。

  生物类群的大灭绝往往和地球上重大的灾变事件相关联。有些仅发生在局部区域,有些则是全球性的。Sepkoski (1982 )根据到目前为止所有的化石记录和地质上大量资料的统计和分析,揭示出地球历史上生物界曾经历了几次重大的灾变,即奥陶纪后期、泥盆纪后期、二迭纪后期三迭纪后期和白垩纪后期。这5 个时期都出现了生物类群的大量灭绝,如二迭纪后期,海洋生物中83 %的属消失(Sepkoski 1986)甚至有可能96%的种类灭绝(Raup1979 ),仅有4%的种类幸存下来。这些灾变事件有些是地球内部的自身运动所致,如海退现象、火山爆发、造山运动及海洋作用;有些则是来自外部空间的干扰,如太阳系中一些小行星和地球的相撞、超新星(supernova )的爆炸等。这里仅就可能导致地球灾变事件发生的因素及其原因叙述如下。

  海平面的下降常常关系到多次生物区系的危机时期。海退明显地使大陆架生物类群生存空间的减少,导致种群数目的急剧减少,最终使大量物种灭绝。如二迭纪后期地球历史上最严重的生物区系危机可能是由于巨大的海退所致。尽管海退在减少海洋性生物生存空间的同时,又扩展了陆地生物的生存空间海退所导致的全球性气候变化仍使陆地生态系统不可避免地遭受到严重破坏并导致大量物种灭绝。当大陆普遍被浅海覆盖时,全球气候相对一致,呈现温暖和湿润的气候。海退则破坏了这种温和的海洋性气候,产生了从海域到内陆气候的差异,并且普遍出现干旱和气温的急剧变冷,大陆性气候的季节变化显著增强。尤其值得提出的是气温的急剧变冷常常是,生物区系发生严重危机的前兆。

  火山爆发直接导致大量生物灭绝。短时期内大量的火山爆发时,其效应与小行星与地球相撞所产生的气候效应相似,大量的火山灰冲入大气层,加强了地球对光的反射能力,使辐射到地球表面的太阳光迅速减少,导致地球表面的气温急剧下降。几次生物区系的危机均发生在火山爆发和造山运动时期。如奥陶纪后期泥盆纪后期和白垩纪后期所发生的3 次生物大灭绝事件均伴随着火山爆发和造山运动(McGhee 1989 )大多数火山爆发的持续时间和生物大灭绝时期相吻合。火山爆发对环境造成的压力最终导致地球局部生态系统的毁灭。

  近年来,古生物学中一个有争论的问题是关于是否有一个体积巨大的小行星和地球相碰撞,从而导致了晚白垩纪生物界的大灭绝(Alvarez 等1980)。 据推测这颗小行星的体积大约是火星体积的一半,来自于火星和木星之间的行星带。碰撞后所带来的灾变性反应导致了地球生态系统的巨大破坏,在全球范围中呈不连续分布的麦斯特里希特时期之末的沉积岩中,人们发现矿物质具有被冲击的特征。另外,一种小球体(small spherule)也在碳含量较高的同一地层中被发现。这些小球体被认为是由于撞击引起巨大火焰所产生的碳粒。除含有异常铱元素之外。其他地质化学方面的异常现象也被认为是来自地球之外的。

  这种碰撞对地球气候的影响力是巨大的。小行星在大气中燃烧以及和地球的相撞会产生大量的岩石碎片并弥散在大气中,至少要持续一个星期。这种尘埃云会阻碍所有的太阳光线射入地面,由于光线强度极低、光合作用不能进行,因此在几个月之内地球表面温度迅速下降,并一直维持在零度以下。除此之外,大气中会出现氰化物、氮氧化物等有毒气体,并可能导致全球性酸雨以及臭氧层的破坏等。这种气候的大骤变势必对生物圈产生重大的影响,而全球性气温急剧变冷往往就是生物大灭绝即将来临的征兆。

  长期以来,人们就一直猜测生物的大灭绝可能是由临近太阳系的星球或超新星的爆炸触发而产生的其爆炸所产生的。高能级辐射对地球生命是致命性的因素。此外,高辐射流使地球大气上层的气温急剧上升,产生强度对流作用,使大气低层的水蒸气上升到大气高层,并在大气高层,结冰从而在大气高层形成全球性的冰冻云层。这一冰冻云层使地球对太阳光线的反射力迅速增强,导致地球表面温度极度下降。

  太阳系在银河系中相对位置的变化周期也可能触发地球生物的大灭绝。太阳系围绕银河系的平面做上下周期性运动运动,周期为3.3 千万年。当太阳系离开银河系平面的中心位置进入两极时,地球就会暴露在高能级辐射流中,有可能导致整个地球的气候骤变。另有一种假说是,围绕在太阳系周围的欧奥特星云(Oort cloud)由于引力干扰,使太阳系遭受彗星雨的袭击。这一慧星雨在太阳系内就很有可能和地球相碰撞(Hut 等1987 )。天文力学研究表明,当太阳系运行轨道穿过银河系平面中的高密度区域或通过银河系的旋转背时,往往会产生引力干扰,前者周期为3.3 千万年,后者周期则为5 千万年。根据到目前为止所统计的资料,地球上生物的灭绝周期为2.6 千万年。看来两种引力干扰的周期和地球生物的灭绝同期不尽一致。尽管如此,这些假说仍不失为探索地球生物灭绝原因的一条线索。

  人类活动对生命界进化的冲击,首先表现在对地球生态系统的巨大改变。一些大型动物由于被人类的大批杀戮而绝种,更多的动植物种类主要由于人类改变环境而灭绝。地球表面40 的区域被人类作农业、城市、公路和水库之用,那些天然的动植物区系被农作物。混凝土建筑和其他人工产品所替代。尚未灭绝的物种也面临着人类活动所引起的巨大的环境挑战。如巴西的圣保罗地区,从公元1500 年至1845 年间仅有2 %的森林被毁,然而自1907 年以来,90 %的森林已被毁灭殆尽。至80 年代初,全球41 %的热带雨林已经消失(Baloue 1990 )。统计资料表明,人类目前对热带森林的破坏仍以大约每分钟47ha 的速度进行着。照此下去,热带森林将在25 年到50 年内消失,大量的热带生物种类在生物系统学家还未来得及鉴定归类之前就会消失掉(Frankel 等1981 )。由此可见,森林的破坏程度和人口的稠密程度的相关关系是不言而喻的。但同时更和人类获取自然资源的方式以及人类对自然认识的观念密切相关。

  人类除了自身活动直接造成生物种类的灭绝之外,其间接影响也是巨大的。人工引种以及以人工造林代替天然森林常常改变某一区域的植物群落结构,从而打破了该区域各个生物类群,包括动物、植物和微生物长期以来所建立的平衡。此外,人工生态系统仅仅由单一或少数几个物种组成,如农作物种植、人工造林使得遗传多样性和变异性降低,因此是一种潜在的危险状况。在人工生态系统中,一种新的寄生病菌或掠食者可能使一个物种完全毁灭。例如1970 年,美国的玉米就受到一种地方性蠕虫病的侵害。人类活动也是许多植物和动物病害流行的直接或间接原因。现代工业所排出的废气使大气中的二氧化碳含量迅速增高,导致全球性的大气温室效应。气温的升高往往使陆地沙漠化扩大,生态系统失调,自然环境恶化,从而使一些物种失去了原有的生存条件而灭绝。

  目前动植物的进化速度不可能跟上人类改变地球面貌的步伐。地球历史上的大灭绝都经历了几百万年甚至几千万年的地质时期,而人类对森林的破坏导致的大量物种灭绝则发生在几百年或更短的时间内。有迹象表明,地球上的许多陆地植物和动物由于受到人类活动所产生的巨大环境压力,正在迅速地被推向灭绝深渊。

  根据化石记录,每次大灭绝之后,随之而来的是许多次生物类群的强烈分化和增殖,一些全新的高级类群随之出现,即生物类群巨大的分化波。恐龙灭绝之后哺乳动物迅速扩展就是一个典型例子。进化和灭绝看起来似乎是两种水火不相容的生物学现象,它即使生物走向完善,又使生物跌入深渊。然而,掀开面纱,究其本质便会发现,它们只是生命发展的两个不同侧面,既是对立的,又是统一的,构成了生命发展中永无止境的运动。

  人们可以想象,如果没有物种灭绝,生物多样性不可能不断增加,物种形成便会被迫停止,这样,许多进化性创新如新的生命体和新的生命形式便不可能出现。由此看来,灭绝在进化中的作用就是通过消灭物种和减少生物多样性来为进化创新提供生态和地理空间。

  灭绝推动进化在高等生物中随处可见,但在一些低等生物中却有例外。最典型的是前寒武纪处于优势地位的细菌和其他一些简单生物的早期化石,与它们现在生存的种类在形状和结构上很难区别,在漫长的地质年代里它们似乎没有多少变化,但这是否能够说明在这些生物类型中从未发生过灭绝这个问题还值得探索。

  在系统发育过程中处于幼期阶段的类群仍缺乏对环境的有效适应。自然选择创造了这些类群,同时常常在它们还没有来得及扩展自己时又将它们扼杀在摇篮之中了。这些现象在生命界是普遍发生的。对于新生类群来说,幼期阶段则是它们系统发育中的瓶颈阶段。在众多的新生类群中,只有少数类群能够度过这一瓶颈阶段。

  任何一个物种或类群既有它发生和扩展的过程,也有它衰亡的过程。古生物学研究和化石记录表明,地球上几乎所有的大灭绝事件中,比较古老的支系往往受到较大的影响。在正常的地质时期,古老支系的灭绝率也比其他类群高得多。这些古老支系在系统发育过程中处于衰亡阶段,其生存脆弱性是显而易见的。正像个体生命的衰老过程在受精卵形成的瞬间就已经开始了一样,灭绝过程在新的物种或类群从其祖先种或姊妹种完成生殖隔离的同时即已开始。倘若说一个个体的生命是逐渐走向死亡的话,那么一个物种或类群适合度也缓慢地被侵蚀,直至其所有进化潜能全部耗,尽最终走向灭绝。

  观察了大量生物化石类群之后,人们发现在正常地质年代形态性状单一的类群容易灭绝,而那些形态性状多样的类群则具有较高的生存率(Anstey 1978 ,1986) 。两个种数相同的属在形态性状多样性方面可能相差极大:生物体的每一个外部形态都和它特定的生理功能相关联。形态性状多样的类群往往具有多样化的生理功能以及较完善的生态适应性。形态性状单一的类群似乎缺乏比较多样化的生理功能(尽管它们可能在某些生理功能方面具有一定优势)缺乏对外界干扰的应变能力,这可能是形态性状单一的类群易灭绝的主要原因。

  通过观察白垩纪后期的大灭绝中北美双壳动物(Bivalves)和腹足类(Gastropods)灭绝和幸存种,发现了一个十分有趣的现象。即分布于海岸平原的特有属和非特有属的幸存率,在双壳类中分别是9 %和55%, 在腹足类中分别是11 %和50% 。海岸平原区域特有属的灭绝率(91 %,89%) 明显高于非特有属(45 %,50% )。后来对其他动物和植物类群所进行的古生物学研究也有类似结果:地方性特有类群,尤其是属级水平上的地方性特有类群更容易灭绝。一些地方性特有属在正常的地质年代具有丰富的多样性,然而却在大灭绝来临之时首遭恶运。这一现象引起了人们对有关地方性特有类群,尤其是地方性特有属进化问题的极大关注。同时,该灭绝式样也为生物多样性的保护提供了理论依据。

  热带雨林往往被认为具有相对稳定的群落结构,其物种丰富性以及群落结构的复杂性对灭绝具有更强的抗性,在正常地质时期的确如此。然而,当环境的干扰超出一定范围时,如全球性气温变冷时,热带区系中那种似乎很精细的群落结构则显得十分脆弱:当遇到与高纬度区域同样强度的环境干扰时,热带类群就会遭受大得多的损失(Jablonski 1986d)。此外,热带区系中的生物地理结构孕育了丰富的特有类群,在环境干扰下,这些特有类群很容易灭绝(Stanley 1988a,b)。

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