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讲座|世界上到底有多少种生物?
2019-08-14 10:03:02   来源:   评论:0 点击:

编者按】近日,著名科普作家、动物学家赵序茅先生与北京大学前沿交叉学科研究院博士生咸逸做客北大博雅讲坛成都方所书店,围绕人类探索地球
编者按】

近日,著名科普作家、动物学家赵序茅先生与北京大学前沿交叉学科研究院博士生咸逸做客北大博雅讲坛成都方所书店,围绕人类探索地球上的生命历程,带领我们跨越了数亿年的历史,讲述了人类探寻生命起源和演化的传奇,让我们感受到探究生命奥秘的伟大征程和探索生命本身一样不可思议、精彩纷呈。

曾几何时,有一些生物学家一再声称,人类在生命探究的征程中取得了完满的胜利。然而,大自然很善于愚弄那些试图限定它的边界的人,越来越多的发现表明,仍然有无数无法想象的未知生命等着我们去探究。

《生命探究的伟大史诗》

著名博物学家、哈佛大学教授爱德华·威尔逊认为,当今生物学研究有三个维度,第一个维度是对模式生物的研究,即选择一些比较有代表性的生物进行深入的研究,拓展生命探究的深度和纵向维度。典型的模式生物包括拟南芥、小鼠、黑腹果蝇、秀丽隐杆线虫、斑马鱼等。第二个维度是对生物多样性的研究,也即发现各种各样的生命,扩展生命探究的横向维度。第三个维度是重构每个物种的演化史,即借鉴第一个维度的研究方法,将每一个物种的生命知识全部都填满,如此绘制出完备的“生命之树”,勾勒出一个物种完整的生命演化历程。从古到今,人类对“生命之树”的认识历经了漫长的过程。

中国的古人是如何认识生命的?

由于中国历史悠久,在古代对动植物的记载有一段非常丰富的历史。早在李时珍的《本草纲目》里就介绍了很多动植物,当然这些植物主要是用于药用的,因此中国对生命的探索首先很大一部分都得益于中医的发展。中医很神奇,几乎没有哪种动植物是不能入药的。其次,生命探索也得益于一批文人雅士,他们通过写一些诗、词,其中也多有对物种的记载。再次,对生命的探索还得益于我们中国最广大、最丰富的“吃货”群体。如果有人问中国生物丰富多样性的地方在哪里呢?答案就在餐桌上。中国人对吃的讲究,一定程度上对物种的认识有很大的帮助。

李时珍《本草纲目》中记录的部分植物

那么,古人眼中的动植物都是科学的吗?或者说古人对于动植物的认识和现代的科学认识是一样的吗?我们可以举珠颈斑鸠的例子。古代有一种拐杖叫做鸠杖,拐杖的头是斑鸠的造型。鸠杖在古代是老年的象征,拄着它可以去公堂县衙不用下跪,在古代75岁以上的老人朝廷才给他颁发鸠杖。为什么把斑鸠的造型当作一种老年的象征?这表明了古人对斑鸠的认知。这里引用了斑鸠的一个典型特征:鸠在古代被称之为“不噎之鸟”,吃食不会噎住,而老人由于吞咽功能下降,吃快了可能会噎着,从而引发危险,所以用斑鸠做成鸠杖以此来表达对老人的尊重。根据现在的研究解剖发现,斑鸠确实消化能力很强,这也是咱们古人认知比较准的。

大云山汉墓出土的错金银鸠杖首

但古人也有认知不准确的地方。古人讲乌鸦(实际上是寒鸦)等到幼鸟长大之后会把食物给父母吃,古人就把它们作为“孝顺”的代表。其实这种认识是错误的,真实的情况是:寒鸦属于晚成鸟,它相当长的一段时间需要父母捕食喂养它们。当它的身体大小长到和父母很接近时,古人发挥了一些想象,以为是孩子在反哺父母,真实的情况其实还是父母在喂养它的“大孩子”。还有大名鼎鼎的鸳鸯,鸳鸯在中国被当作爱情的象征,很多人结婚会用鸳鸯绣花枕头或者鸳鸯图形。然而,真实的鸳鸯并非真的“专一”,雄鸳鸯和雌鸳鸯只在交配期的时候才成双成对出现,一旦交配完之后它立马会另取新欢。从某种程度上讲,真正的“只羡鸳鸯不羡仙”只是很多男人的追求而已。再如大鸨,有一些不文明的场所有所谓的“老鸨”,就是通过这种鸟演绎出来的。古人认为这种鸟只有雌鸟,没有雄鸟,认为它可以和任何的鸟交配。其实它是有雄鸟的,只是二者相差很大,雄鸟的体重达到雌鸟的一倍多,因此这两种鸟在一起的时候古人把它当作两种鸟。这是古人认识的错误,因为认识错误让这种鸟背负了骂名。

大鸨的雄鸟(左)和雌鸟(右)

为“万物”命名:地球上到底有多少物种?

古人没有系统的命名和归纳,对周围物种的认识也常常停留在表面。系统的命名和归纳要追溯到西方18世纪,也即卡尔·冯·林奈(注:1707-1778,瑞典生物学家)的时期。人们往往称林奈为“万物命名人”,他统一了物种的命名法则,并开创了以植物的性器官对植物进行描述和命名的方式,这是一项了不起的成就。林奈终其一生命名了一万多个物种,可以说是名副其实的“万物”命名人;然而一万个物种相比于真实的生物多样性,也只是冰山一角。那世界上究竟有多少物种呢?

这个问题不断被后世的博物学家提出,其中有一人号称当代的林奈“使徒”——特里·欧文。他是一个昆虫学家,主要是研究甲虫。据他的估算,全世界仅节肢动物便有3000万种。欧文在巴拿马的热带森林里,用杀虫剂喷洒19棵同种树,他在这19棵树中发现的甲虫里有163种是较为特殊的,不会栖息在其他种类的树上。换句话说,这些甲虫对某种树有所谓的“宿主特异性”。全球一共有约50000种树木,假设每种树上都有163种宿主特异的甲虫,假设甲虫的物种数量占节肢动物物种总数不超过1/3,那么全球热带节肢动物的数量便有将近3000万(163×3×50000)种。欧文的估计远远大于此前人们认为的世界上有几百万个物种的估算,也招致了不少争议。

人们当然不会满足于纸间笔端的粗略估算,希望能够有更切实的证据:可不可以把全世界所有的物种都找出来,或者找到一个区域内所有的物种,看看究竟能有多少。这是一个宏大的计划,生态学家丹·詹曾便是实践者之一。他先后在哥斯达黎加发起“瓜纳卡斯特全物种多样性编目项目”,在美国大烟山国家公园发起“大烟山全物种多样性编目项目”,试图厘清某一个地方的物种数量。然而终究没有成功。关于世界上有多少物种的问题,有几个绕不开的问题,也是一些人质疑全物种多样性编目项目的原因。

其中质疑的核心有两个,其一便是物种的概念问题:究竟什么是“物种”?物种是怎么界定的?生物个体之间的界限本来就很模糊,物种之间的界限更是如此。从历史的角度来看,大多数物种都基于形态学命名,也就是基于它们的样子命名。然而,物种之间可能会有难以察觉的细微区别,比如释放的化学物质不同,而两个看上去截然不同的物种之间又可能可以自由地繁殖。区分物种的方法可能会有很多,但由于物种区分具有主观性,没有什么方法是绝对正确的。另一个是物种是在不断变化的,今天我们发现了这个物种,可能过段时间这个物种分化了。至少到目前看来,纵然我们人类已经可以把人类送上月球,但我们甚至依然不知道,在我们后院这样的一隅之地,究竟有多少物种。

与微生物共生:原来肥胖不是你的错

林奈最大的贡献在系统地归纳和总结了对万物命名的法则,对人类思想最大的触动点在于:在林奈之前人类始终认为自己是生物的中心,是绝对的中心,而林奈告诉世界,我们人类不过是地球上一个普通的物种而已,没有多少特别。但是林奈忽视了微生物界。早在林奈之前一百年的列文虎克(注:安东尼·列文虎克,1632-1723,荷兰显微镜学家、微生物学的开拓者)时代,人们就已经发现了微生物。在列文虎克之前,欧洲人认为跳蚤是最小的生物,即使那个时期已经有了显微镜。列文虎克最大的发现就是发现了细菌界和原生生物;林奈对动物命名,但他并没有发现新的界,而列文虎克发现了新的界。近二十年,人类对微生物的研究发展是很快的,通过分子生物学手段,我们发现人类其实是一个共生生物体:我们与微生物是共生的。人体的微生物绝大部分集中在肠道,人体的肠道微生物大概有1到2斤重。

过去的看法认为,人体细胞的数量是其他部分的10倍;但其实“如果把所有细胞都算在内的话,估计你只能算是43%的人类。”美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的罗布·奈特教授如是说。如果从基因数量上来看,人们更是处于下风。人类基因组大约由两万个基因组成,但人体中的微生物群的基因大约在200万-2000万个。美国加州理工学院的微生物学家萨尔基斯更是认为,人类不仅仅有一个基因组,人体中的微生物群应该是人们身体中的第二个基因组。他认为,每个人都是由自身的DNA再加上人体中微生物的DNA结合起来的。现在的科学已经发现,微生物的功能非常强大,它是人体体内的生产加工厂,微生物可以调节我们的营养、代谢、免疫系统,还可以对神经系统有一定的影响。

对于微生物的应用有一个比较有趣的例子——减肥。现在减肥似乎成为这个时代很多人关注的主题,但是盲目减肥所导致的后果往往是越减越肥。某种程度上,造成这种结果的原因在于减肥者没有抓住重点,人体胖瘦最重要的奥妙就存在于体内的微生物。现在分子生物学证明,遗传对肥胖影响是不大的,影响大的是体内的微生物。身体肥胖的人,很大一部分不是说在吃的有多多、多好,而是体内微生物工作能力比较强,转化力度比较高。关于这个问题,奈特有一个经典实验。他把瘦老鼠的粪便加工之后作为胖老鼠的食物,胖老鼠吃了瘦老鼠的粪便就减肥成功了,这就是因为瘦老鼠的粪便改变了胖老鼠体内微生物的状况。目前,这个经典例子也已经成功应用在人类身上。

生命探究的新维度:“入地”和“上天”

除了对地球表面的探索,随着生产力发展和科技进步,人们还进行了两项最为重大的探索,叫做“上天”、“入地”。1840年之前,人们认为海底是不可探知的,在一定深度下的海底是没有生命的。可到了后来,这种观点却越来越受到挑战。1876年,英国“挑战者”号在水下4752米处发现了生命。陆地生命离不开可见光,海洋生命也要靠一些光合作用,但可见光最深只能照到距离海洋表面900米深的地方,900米以下可以视为一片漆黑。所以,在黑暗的海水中生存的初级生物,比如一些浮游植物和藻类,必须要有另一套除光合作用之外的体系。

“蛟龙”号拍摄的“大糦”热液区盲虾群

事实上,1976年,人们发现2000多米的海底存在热液和冷泉,而且在热液和冷泉的地方发现了一些生物,如蠕虫、贝类、蟹类等等。但是,在如此之深的海底,生命是如何进行营养和能量的加工的呢?答案就在于在海底生存的一种古细菌,它们不靠光合作用生存,而以硫化氢作为食物,从而产生有机质。这些古生菌生活在管虫属生物里边。管虫也比较特殊,它没有口、消化道和肛门,这些古细菌就生存在管虫属里边,捕捉硫化氢为管虫提供能量,而管虫为它提供载体。这项发现也为证实物种共生提供了绝佳的范例。而管虫中的贝类的发现有很大的意义,这意味着即便没有光合作用,地球最原始的物种也可以存活。

深海海底的管虫属生物

如果说“入地”让我们发现了一个隐秘的新世界,那么“上天”的探索未免就有些令人失望了。美国的“好奇号”探测器在最近的一次探索中,试图在火星周围的大气当中捕捉甲烷,因为甲烷也是形成早期有机物的一个重要的物质,但探索的结果是捕捉失败。这也就是说,当下的人类还没有能够在地球之外的地方找到生命存在的证据,所以我们只有更好地爱惜自己的家园,才能够子子孙孙一代代繁衍下去。

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