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地質學對海水水位變化的研究
為達爾文的進化故事帶來突破新啟示

2014年04月25日

 

由16個島嶼組成的加拉帕戈斯群島（Galapagos archipelago）位於赤道東太平洋一帶，是地球上最重要的生物多樣性熱點之一。群島上的陸地雀鳥和爬行動物曾使達爾文獲得重大啟發，提出「物競天擇」理論以解釋推動生物進化的機制，成為自然科學的權威。時至今日，群島上的火山鏈可以說是全球最大型的「自然生物實驗室」，世界各地的研究人員慕名而至，在這個動植物寶庫中「挖掘」知識，尋求加深人類對生物進化的理解。

奇怪的是，雖然絕大部分科學家都同意島上各種爬行動物（包括陸龜、蛇、陸鬣蜥、熔岩蜥蜴和壁虎）的祖先原居於超過900公里以東的美洲大陸，並由該大陸飄浮到加拉帕戈斯群島，但很少科學家會細想這些爬行動物的後代是如何散佈在群島的不同角落。

最新一項科學研究的發現即將扭轉我們對加拉帕戈斯群島生態的看法。這項研究是香港大學地球科學家Jason Ali博士和悉尼大學地質學家Jonathan Aitchison教授的合作成果，詳細解釋為甚麼某些物種只生活於部分島嶼，卻在其他島嶼上無跡可尋，並分析牠們到達島嶼的經過。與此同時，是項研究亦對群島某些主要物種的進化過程提出了嶄新的觀點。

這項即將刊登於《生物地理學期刊》（Journal of Biogeography）的研究，指出海水水位會受不同的氣候及地質運動影響而產生重大變化，並定期重繪加拉帕戈斯群島的地貌。海水水位降至極低水平時，群島的海岸線會降低130至210米。正如圖1所示，這會令中部及西部的島嶼（「核心島嶼」）合併成為一個超大型島嶼。在這10,000年間，長期被隔離的爬行動物可以在這片新大陸上自由行動。然而，後來海水水位上升，這些生物被迫遷往較高的陸地。在往後約90,000年間，牠們的基因都被困在個別的孤島上了。

Ali和Aitchison察覺到不同爬行動物對這種周期性「解放」可能有不一樣的反應。這項發現對理解群島的整體生物模式十分重要，更是解釋異常現象的關鍵。因此，兩位學者建構了一系列邏輯模型，用以分析研究數據。其中兩個最重要的模型分別考慮以下兩種情境的後果：(1) 某種爬行動物可以在整片新形成的陸地上落地生根；(2) 某種爬行動物只能局部擴展其生活範圍。透過嚴密的推理，兩種模型均作出特定推測，因此研究人員可以輕易地把各種爬行動物的物種分類。情境1會使物種出現在群島的每個角落，這與兩種游蛇的情況吻合（詳見下方圖2）。情境2會導致較邊緣或較難到達的島嶼出現新物種形成的現象，而原有物種的基因會在較接近中心地帶的島嶼得以重新鞏固。此情境適用於熔岩蜥蝪、陸鬣蜥和壁虎。

有趣的是，充滿傳奇色彩的加拉帕戈斯象龜同時出現在核心及非核心島嶼，是唯一不能用任何邏輯模型解釋的陸上爬行動物。分子生物學家的研究顯示，加拉帕戈斯象龜的基因庫非常複雜，他們推論一些象龜群體(subpopulation)曾經定期游走或飄浮於不同島嶼之間，與牠們的近親兼鄰居互通基因特徵。再者，加拉帕戈斯象龜在過去數個世紀被視為極有價值的肉食來源，曾被帶到不同島嶼，作為水手和海盜的食物儲備。象龜的故事因此變得更加複雜。

科學的基本信條是任何假設都必須可以被測試及驗証，而Ali和Aitchison也著意地勾劃出一個堅實的測試方法。

在DNA研究取得革命性突破之前，科學家會比較不同物種的身體部分，從而了解牠們的關係。這種探究模式稱為比較解剖學。物種的外觀越相像，以前的科學家便認為牠們的關係越密切。這種推論方式對外觀差別明顯的動物來說是有用的，例如人類顯然比較接近倉鼠而不是鎚頭鯊。

然而，對於本屬同一綱目的生物，要用這種方法找出牠們的關係便沒有那麼容易。東非湖泊的數百種慈鯛魚和馬達加斯加的數十種夜行狐猴都是好例子。因此，現今的生物學家通常會根據物種之間的DNA差別以建構「生物系譜」：兩種動物的DNA分野越大，牠們的共同祖先便出現在越久遠的時代。

因此，如果Ali和Aitchison對加拉帕戈斯群島生態的假設是正確，爬行動物的系譜應該在海水位降至極低點（2萬年前、13.8萬年前、25.2萬年前、34.2萬年前等）的時候迅即出現物種及亞物種的分支。不久之後，又因為海水水位上升，生活在各片不同高地 上的生物群體的基因便被海水所隔離。重要的是，未來的DNA「分子時鐘」研究應該可以輕易地識別這種進化模式。

加拉帕戈斯群島生物區系的獨特性已獲公認。Ali和Aitchison提出它竟受如此特別的因素影響後，使它更形獨特。世上可能上演相同過程的群島很少，也許只有加那利群島（Canary Islands）、佛得角群島（the Cape Verde islands）和馬爾代夫群島（Maldive Islands）。然而，這三組群島的島嶼數目都遠少於加拉帕戈斯群島。加拉帕戈斯實在是獨一無二的「自然生物實驗室」；Ali和Aitchison的研究讓我們進一步了解它的科研價值，以及保育此一群島的重要性。

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