研究：環境變化和物種更替可能并不那么密切相關

該研究的文章于最近發表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》上，它提供了一個非洲大陸范圍內的上新世-更新世（Plio-Pleistocene）環境變化的綜合資料。上新世-更新世是地球歷史上的一個時期，約橫跨過去500萬年，包括約2萬年前的最后一個冰期。

根據這項新研究，這一時期的環境變化反映了地球軌道和相對于太陽的方向的變化。這些周期使我們的星球暴露在不同強度的太陽輻射下，進而引發有據可查的對地球氣候的不同頻率的周期性影響。

研究人員觀察到，由于全球冰量和海洋溫度的變化，整個非洲的環境變異性呈長期上升趨勢。然而研究結果并沒有在環境變化和物種起源或滅絕率之間產生顯著的關聯，這表明環境變化和物種更替可能并不密切相關，這一概念在科學界一直被廣泛爭論。

論文的第一作者、亞利桑那大學地球科學系和生態學與進化生物學系的大學特聘教授Andrew Cohen指出，氣候變濕或變干的長期趨勢可能是人類進化的一個驅動力，這一觀點可以追溯到查爾斯·達爾文時代。20世紀90年代末，隨著有影響力的變異性選擇假說在科學界的提出，該研究領域發生了重大變化。

Cohen解說道：“這里的想法是，不僅僅是氣候變化的方向作為人類血統進化新穎性的驅動力非常重要，環境和氣候條件的變異性也是。由于我們的祖先面臨著快速變化的條件，這一假設表明他們必須更加機智，從而能夠處理許多不同的突發事件，這反過來又引發了新物種的出現，而其他物種則滅絕了。”

在目前的研究中，研究人員分析了從整個非洲大陸和周邊地區17個地方的湖床、海底和陸地露頭的沉積物芯中提取的樣本。環境數據的來源是通過分析花粉、藻類化石、灰塵、葉蠟、土壤同位素和其他物理性質的記錄，這些記錄提供了關于植被類型和沉積地點的環境條件的線索。Cohen表示，為了將來自這些非常不同類型的記錄的數據結合起來并找出氣候變異的基本模式，團隊必須克服一個重大挑戰：如何量化變異并將其從一個采樣地點比較到另一個采樣地點。

“這不是小事，因為你一方面有化石花粉這樣的記錄，它可以告訴你植被有多大的變化，另一些記錄則告訴你湖面的變化，還有一些記錄告訴你吹到海洋上的灰塵。我們需要一種方法，不只是看一個記錄，而是把所有這些不同類型的參考資料堆疊起來從而使我們能夠區分出變化的節奏。”

Cohen稱，為了做到這一點，研究人員開發了統計方法從而使他們能夠“比較蘋果和橘子”，并將氣候記錄數據點分配到包括2萬年、10萬年和40萬年的時間段的“倉”中。在每個倉中的變異性分數的單個數據集被標準化后，該團隊就可以將它們 “堆疊”起來并計算出每個時間段的平均變異量。

之后，研究人員將氣候數據跟大型哺乳動物--主要是牛科動物，包括羚羊和其他大型食草動物--的化石記錄進行直接比較。研究人員專注于大型食草動物，主要是因為人類祖先的化石太過稀少，在這種方法中沒有用處。

Cohen指出：“我不會說你可以在鞋盒里裝下所有的（人類化石）了，但它們仍不是那么常見。所以我們決定看看其他有更好化石記錄的生物，因為沒有理由認為只有我們的近親、我們的人類祖先應該受到氣候變化和變異的影響。”

Cohen補充道：“如果氣候變異是進化中的一個重要驅動因素，它也應該是其他大型哺乳動物的驅動因素和進化。如想想北極熊及它們如何受到當前氣候變化的影響。”

研究人員使用了一種從現代野生動物種群生物學中借用的方法來解釋長期困擾古生物學家的偏見：化石記錄固有的不完整性，該研究的第二作者Andrew Du則用一塊瑞士奶酪來說明。如果人們在奶酪中鉆取巖心樣本，那么在巖心碰到奶酪上的一個洞時就會出現空隙。同樣，一個物種的化石記錄也有空隙--沒有發現化石的時間段，其跟有化石的時間段相存在交錯。這使得在化石記錄中很難準確確定一個物種何時起源，何時滅絕。

為了規避這一限制，Du采用了一種被稱為捕獲、標記和重新捕獲的技術，野生動物生物學家在調查動物種群時經常使用這種技術。捕獲動物后，它被貼上標簽以進行識別，然后放回野外。在以后的調查中，科學家們會比較有標簽和無標簽的動物的比例。應用統計學他們能夠了解整個種群的規模和結構。

科羅拉多州立大學人類學和地理學系助理教授Du解釋了該技術在化石系統中的工作原理。“假設我們在第一時間段看到一個新物種出現在化石記錄中，然后我們在第二時間段發現同一物種的不同化石，我們在第三時間段錯過它，但我們在第四時間段再次看到它。這告訴我們的是，盡管我們在第三個時間段沒有看到這個物種，但我們知道它就在附近。這讓我們對某些時期的化石記錄的質量有了一個概念，我們可以在估計種群和滅絕率時考慮這種質量。”

通過將所有這些數據集放在一起，研究人員可以比較環境變異的模式及其與哺乳動物物種起源和滅絕率的關系。

“總的來說，在過去的350萬年里，有一個環境變異性增加的長期趨勢。這一趨勢跟蹤了全球冰量和非洲周圍海面溫度的上升變化。疊加在這一點上，我們發現了另一個趨勢。一旦我們進入冰期，我們就會看到更多的起伏；擺動會變得越來越大，這反映了冰原的消長，而這種變異性則跟蹤了40萬年的米蘭科維奇周期。”

一直以來，大型食草動物的物種起源和滅絕的化石記錄還有人類化石似乎都跟這些氣候變異趨勢脫節。雖然研究人員們承認變異性選擇假說仍可能是正確的，但在不同的尺度上運作，他們希望鼓勵科學界以更批判的方式思考變異性選擇假說。

“我們并不是說環境變異性對人類進化不重要，但我們目前匯編的數據跟這種想法非常不一致，”Cohen說道，“如果環境變異性像人們所說的那樣重要，我們會期望看到變異性增加的長期趨勢反映在包括人類在內的各種物種的進化更替中，但我們就是沒有看到這一點。”