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进化最完美的族群,几亿年前就有它们身影,遍布世界各个角落

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如果你还以为是人类在占据着整个地球,那你可就大错特错了!

昆虫,动物中最成功的族群

摆在德国莱比锡大学的生物进化学家比约恩·冯·罗伊蒙特面前的是一只少见的甲壳动物。这只奇怪的小东西长4厘米,像只被翻了个身子的蜈蚣。要找到它可不容易,这些小东西只生活在世界上少数滨海地下沉洞的深水里。这次,罗伊蒙特跑到了位于墨西哥尤卡坦半岛上的一个古老的玛雅雨林中,才得以一窥它的真容。

为了找到这种甲壳动物,罗伊蒙特直接潜入25米深的水里,再摸黑进入一个狭窄的洞穴,洞穴里面遍布嶙峋的怪石和钟乳石。要从表层新鲜的淡水潜到深处的咸水部分,罗伊蒙特感觉简直就像在凡士林里面扑腾一样难受!但正是在这儿,在这个黑暗而又景致奇绝的地底深处,罗伊蒙特找到了他的猎物——珍稀的桨足纲动物。这些小动物循着罗伊蒙特电筒的光聚集了过来,试图用毒牙捞点儿吃的。值得注意的是,这些桨足纲动物不仅仅是珍稀的动物界活化石,它们还是现存动物中和昆虫关系最近的一种。而昆虫,众所周知,则是这个地球上把自己经营得最成功的生物了。

在已知的动物中,有四分之三都是昆虫。这意味着,整个昆虫家族有近100万多个种类,其中还不包括科学家们估算的近400万~500万种待发现的昆虫。然而,包括人类在内的脊椎动物,其种类只有7万种左右。根据哈佛大学的昆虫学家爱德华·威尔逊统计,在任何一个时刻,这个星球上都同时存在着起码100万兆数量的昆虫。它们遍布每一块大陆,包括南极洲;它们能够在空中、陆地上或是水里任意挑选栖息地;它们甚至能生活在人身上(虱子就是最典型的一种,只要沾到头发或是羽毛上,它们就能驻扎下来)。可以说,昆虫绝对是节肢动物这样的“硬骨头队伍”中的王者,也是现存所有动物中最成功的族群。虽然它们是那么常见,但对于昆虫为何能如此成功地统治地球,我们的研究才刚刚起步。

从水里到陆地

要想了解昆虫家族,得从昆虫的起源开始说起。桨足纲动物就是很好的一条线索。甲壳动物被认为是最早一批形成的节肢动物,在距今5.5亿到5亿年前的寒武纪就出现了。

而根据迄今为止发现的最早的昆虫化石,其化石年代被测定为4.1亿年以前。但是,科学家分析,该化石中昆虫的结构已经趋于复杂,也就是说,在更早的时期,昆虫就已经开始进化了。对于昆虫的祖先,学界曾经认为是多足类动物,如陆地上的千足虫或者蜈蚣。但德国莱比锡大学的进化生物学家罗伊蒙特却提出了不同的观点。2010年,罗伊蒙特发表了他的研究结果,即“桨足纲动物才是与昆虫关系最近的动物”。它们拥有相似的大脑、神经系统和各种蛋白质。所有这些,都说明桨足纲动物和昆虫拥有一个共同的祖先。这不仅仅表明昆虫有可能是从水中进化而来的,更表明它们的起源比我们所认为的更加久远。

桨足纲动物不仅仅是珍稀的动物界活化石,它们还是现存动物中和昆虫关系最近的一种。桨足纲动物和昆虫拥有一个共同的祖先。

关键性的证据来自于一年之后。在罗伊蒙特发表其观点的第二年,德国科学家本哈德·米索夫组织起了一个成员超过百人的研究团队,并开始对此进行研究。米索夫认为:学界对于昆虫的起源已经争论了近200年,是时候采取新方法一锤定音了。米索夫的团队随即对整个昆虫的进化以及亲缘关系作了大量的基因研究,并最终证明了昆虫起源于水里。米索夫认为:昆虫是陆地上生活的甲壳纲动物。不过,4.8亿年前,它们才从水中到陆地上来。那个时候也是第一批陆生植物出现的时期。也许,正是这个原因帮助昆虫们成功一跃。

不管到底是什么帮助昆虫从水里跳到了岸上,这些早期的陆上生物都必须面临生存环境的骤然改变带来的挑战。它们要面对随之而来的脱水症状和重力的影响,要适应在空气中呼吸,要在日间巨大的温差中调节体温,还要接受日光的辐射……虽然强硬的骨骼确实是个优势,但真正陆生昆虫的进化还是花费了好几百万年的时间。而且,有些现存的原始物种如蛀虫等,仍然需要一个潮湿的环境才能生存。不过,陆地上的生活也并非全是挑战。陆地上的食物资源丰富,相对在水里,掠食者的数量也少很多。米索夫团队所做的基因研究表明,随着生命大爆发的出现,昆虫也在距今 4.4亿年时开始了自身的进化,并在后来一步步升级成为现在的模样。

飞上天空

最早的昆虫化石是在英国阿伯丁郡的莱尼矿区附近的山间发现的。这里的岩石简直就是化石宝库。不管是微型的蜈蚣、螨虫,还是蜘蛛和杂乱的断枝,都在4.1亿年前被富含硅的火山热泉所石化并保留了下来。2004年,美国科学家迈克尔·恩格尔在这些化石中有了新的发现。在用显微镜观察其中一块化石的时候,恩格尔惊呆了。他看到一处被保留得十分完整的昆虫口器,而且还是有翅昆虫所特有的口器。恩格尔兴奋地评价道:“这可是我们揭开飞虫庐山真面目的第一步!”虽然化石中昆虫的翅膀未能完好保存下来,但所有的证据都表明,莱尼虫极有可能是一种已经进化得比较高级的飞虫。这说明,早在生命大爆发时期,即4.4亿年前,有翅昆虫就出现了。曾几何时,人们所找到的最早的有翅昆虫化石,其年代仅为3.24亿年前,由于莱尼虫化石的出现,世界上最早的飞虫出现时间一下就被提前了8000万年!而这一点,也正与米索夫的基因研究结果完美吻合。

那么,又是什么原因促使昆虫飞上了天空呢?恩格尔认为,在那个时期,沼泽边的昆虫会攀上附近植物长长的茎,从而获取植物的孢子为食。而当它们朝下返回的时候,就会发现用滑行的方式更加便捷。像蠹虫这样原始的不会飞的昆虫,在其前胸都长有一对类似翅膀的小叶,以便在下落的时候能有所控制。基因研究也表明,翅膀很可能来自于这些位于前胸的小叶的扩张和延伸,以及控制移动的四肢关节的发展和进化。

在翼龙出现之前的两亿年间,昆虫是第一个、也是唯一一个进化出飞行能力的物种。有了翅膀,它们就能够更容易地获取食物、寻找伴侣、寻找新的栖息地,更有效地躲避掠食者,并调节自身的体温……就这样,有翅昆虫越来越多。在距今3.23亿至2.52亿年前的石炭纪和二叠纪之间,天空中布满飞行的昆虫,其数量之大,令人叹为观止,就像个热闹的动物园一样。同一时期里,曾经矮小的植物长成了参天大树,富含煤的沼泽森林一度延伸到了赤道附近。在那里,有着蕾丝花边般翅膀的古网翅昆虫攀在植物的茎上,用它们长长的喙吸食着植物茎中丰富的汁液;庞大的巨蜻蜓四处搜寻着自己的猎物;如今常见的一些如蜉蝣等昆虫也在那里觅食。但是,那时的有翅昆虫都有着十分突出的翅膀,即使在休息时也不能合拢。这可带来了不小的困扰,不仅使得它们更容易受伤,也大大限制了它们的生活环境。

这些古老的有翅昆虫横行一时,但最终,在森林下方小小的地面上,新型的有翅昆虫崛起了。它们有着新进化出的关节,能够在不使用的时候将自己的翅膀折叠起来,从而找地方隐藏自己,还能在自己祖先完全不能适应的区域生存下去。例如最著名的蟑螂,看看,现在你都还能见到它们在窜呢!

虽然我们知道,接下来的故事不会错过昆虫进化史上最重要的一个篇章,但这一点的重要性直到几年前才被人们正确认识到。在煤沼里所挖掘出来的化石中,学者们一度被那些诡异的小爬虫所迷惑,而忽略了另一些重要的东西。安德烈·内尔,这位来自巴黎自然历史博物馆的学者却没有放过任何一个角落。他把那些来自3.1亿年前的化石拿来仔细琢磨,发现有些昆虫化石只能在显微镜下才能被观察到。虽然这些化石微小的体型掩盖了它们的特征,但这并不妨碍它们成为最古老的经历完整变态发育的昆虫化石。

注:莱尼虫(Rhyniognatha),英国科学家于1928年在苏格兰莱尼地区一处古老的红色砂岩发现了最早的昆虫化石。化石中的昆虫没有飞行能力,但是与有翅膀(羽毛)的昆虫相同的派生性状,这对研究昆虫的翅膀(羽毛)的起源有重要的意义。

昆虫的成功秘技——变态

昆虫的外形基本上是由它们不可弯折的骨骼所决定的。但在此之前,它们会经历一系列的幼虫阶段。每一个阶段都会伴随一次蜕皮,以使得体型随之逐渐变大。与之相比,完整的变态发育过程则会把昆虫的整个生命周期划分为几个特定的阶段,如主要吸取养分的幼虫阶段,或是主要负责繁殖的成虫阶段。完整的变态发育过程,即有着幼虫、蛹和成虫三阶段的昆虫,是由古昆虫的几个形态如前若虫、若虫以及成虫演化而来的。这一发育机制简直太成功了!以至于现今,世界上五分之四的昆虫都在采用这种机制进行生长发育。不过,回到刚才我们说的那些微型化石上来。内尔的化石原型后来不断地演化,成为各种甲壳虫、跳蚤、黄蜂、蜜蜂和蚂蚁,但在那时,它们只能维持自身微小的存在。内尔对此解释道:“也许在那时,生态位被其他族群占据着,只能等到生态位被空出来,这些昆虫才能重新繁衍壮大,使多样化成为可能。”是的,昆虫的时代就要到来了。

史上最大规模的生物大灭绝在2.52亿年前的某个时刻降临了。此后的几百万年里,四处喷发的火山,持续变暖的气候,以及不断降低的氧气含量都给地球的生命保障系统带来了严重的损害,致使90%的物种在这一时期灭绝了。这次,连昆虫都受了影响。英国约克大学彼得·梅休的研究团队把整个昆虫化石梳理一遍之后,得出了这样的结论:“到二叠纪结束时,有50~110种昆虫都已灭绝了。”像巨蜻蜓、古网翅目昆虫,还有很多其他的有翅昆虫都难逃厄运。值得注意的是,梅休的研究团队发现,这次大灭绝反而促使变态发育机制的优势得以展现。采取这种发育机制的昆虫种群繁殖力相当强,可以说是坚不可摧。

那么,这样的机制是如何获得如此巨大的优势的呢?首先,这样的昆虫往往体型较小,发育较快,因此繁育出新一世代所需的时间大大减少,这也使得整个种群在生存危机之后,其种群数量能够得以迅速恢复。不仅如此,它们还有自己最厉害的绝技,那就是在幼虫与成虫之间,有个蛹的阶段。蛹能囤积足够的甘油糖,以抵御严寒和干燥的环境。因此,在环境压力增大的情况下,相对地,蛹的成活率会大大地增加。

在三叠纪时期,即2.52亿~2.01亿年前,更为我们所熟知的现代昆虫——甲壳虫出现了。整个三叠纪都是甲壳虫的黄金时期。它们不仅体型小,繁殖快,拥有变态发育机制,变硬的前翅还能保护后翅,保持珍贵的水分和温暖。不管是沙漠还是池塘,北极还是热带,都能看到它们的身影。到现在,已知的甲壳虫种类起码有40万种,是所有昆虫中种类最多的。

别看甲壳虫这么风光,其他昆虫也不甘落后。白垩纪时期,由于开花植物的出现,新一轮昆虫大爆发开始了。这是属于蝴蝶、飞蛾、苍蝇、蜜蜂和蚂蚁的时代。按恩格尔的话来说就是:“开花植物给了昆虫们一张新的美食地图。就像它们的祖先一样,昆虫对于到手的机会从来不放过。每个不同的时期,你都能看到昆虫获得新的技能,从而为整个家族增添新的面孔。”当6600万年前的一颗小行星为恐龙时代画上句号时,昆虫依旧在繁衍生息,不断壮大。

对于昆虫的强大,恩格尔赞叹有加:“这些昆虫是经历了上亿年的进化,不断融合自身的优势才形成了现在的规模,才拥有了统治世界的能力。”是的,昆虫族群的确拥有无与伦比的寿命和创新性,有着强大的适应力,还有持续不断的进化。它们的多样性以及生存的智慧都会使它们屹立不倒。即使在今天,当其他物种还在为全球气候变化焦头烂额之时,昆虫依然会率领自己庞大的家族,继续朝前迈步。

巨型昆虫

欢迎大家来到爱丽丝梦游仙境记,这里是距今3.2亿年前的石炭纪。在这儿,有着大家都很熟悉的昆虫朋友们,只是,它们的体型都大得吓人。拿巨蜻蜓来说吧,它们的翅膀翼展可长达惊人的70厘米。古马陆(又称千足虫)长得和现代的马陆其实没什么区别,不过它们可是比人还长的存在呢!为什么它们会长得如此巨大呢?

有一种说法是因为氧气。在这个时期里,植物开始木质化,产生木质素。但能够降解木质素的物质还没出现,因此,植物多是被烧掉而不是被降解循环。结果,空气中的氧气含量大大增加,提高到近31个百分点,约是现在的1.5倍。昆虫会通过自身外骨骼上的小孔呼吸,这样氧气能够直接通过气管导管进入身体组织中。这本身其实是一种天然的控制身体大小的设置——由于身体越来越大,必然需要更大的气管。但实际上,随着氧气的增加,昆虫进化了。有科学家对此专门进行了实验。他们发现,几乎所有的昆虫在这样的情况下都进化出了更多的导管,以使得自己的身体长得更大。

不过,这些巨型昆虫的繁荣没能持续多久。据统计,这一时期只持续了1.8亿年。随后,奇怪的事情发生了。在距今1.45亿~6600万年前的白垩纪,虽然氧气含量还在持续上升,但巨型翼展的昆虫种类却已减半。那时候又是什么占据领先优势了呢?答案是——鸟。有科学家感叹道:“要是没有鸟在旁边,估计现在有些虫子会长得比以前还要大得多!”

祸害还是恩赐?

讨厌昆虫的理由是很多的。它们会传播这世界上最致命的疾病,像伤寒或是疟疾的传播都少不了它们的推波助澜;有些则会损坏庄稼,蛀坏树木;而有刺昆虫和寄生虫简直就是人类的噩梦。不过,我们注意到,只有千分之一的昆虫是害虫,大多数昆虫都是无害并且对人有益的。

例如,昆虫为全球近五分之四的庄稼授粉,换算过来就是,世界上近三分之一的粮食产量里都有它们出的一份力,更别提我们自家花园里的园艺植物了。我们还从昆虫那里采集蜂蜜,缫制丝绸,提取颜料和蜂蜡。要是没有它们为我们肥田、净化残渣和废物,光靠我们自己还真有些不知道该怎么办呢!另外,它们还富含蛋白质,可以成为重要的食物来源。果蝇一直在实验室里勤勤恳恳地工作,与其他昆虫一起为医学科技的突破做着自己的贡献。还有些诡异的小爬虫,专门在尸体上转悠,它们可是破获罪案的一把好手哦!

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