科学家是怎么知道一个物种灭绝的?

来源:科普中国发布时间:2019-01-23

金顶树蜗牛灭绝了。我们来讨论一下判定的方法问题。

  前一阵子写了一篇文章,关于一只名为乔治的蜗牛去世的事,它的死去在某种意义上象征了夏威夷金顶树蜗的灭绝。 

  那么科学家是如何得出这个结论的呢? 

  灭绝的概念是怎么提出来的? 

  物种灭绝这一概念并不是自然出现的,很早之前大家都不知道动植物会灭绝。当初卡尔·林奈(Carl von Linné)在1753年建立双命名法时,并没有对现存和消亡的物种做分类。因为在他看来,不存在已经消亡的物种,自然也没有必要。 

林奈, 《自然系统》(Systema Naturae) 图源:Wikipedia

   

  在很长的一段时间里,“灭绝”概念的提出归功于一个叫乔治·居维叶(法语:Baron Georges Léopold Chrétien Frédéric Dagobert Cuvier)的科学家,他被称为古生物学家之父。虽说在历史上是一个有争议的人(居维叶也因为强烈反对进化理论而闻名),但不管怎么说他在他提出“灭绝”的说法已经是莫大的成就。

  1739年,一队法国士兵在北美洲的一块沼泽地里发现了一些巨大无比的牙齿,那些牙齿的牙根和人手一样长,每一颗的重量都有四五公斤。虽然发现了骨头,但在当时没人可以肯定这是来源于哪一个物种,虽然看起来这些骨头貌似是来源于大象,但在一些细节方面还是和大象有些差距。科学家们忧心忡忡,Jean-Étienne Guettard在1752年发表的一篇学术论文里问到“这到底是一种什么动物?”

 Jean-Étienne Guettard 图源:Wikipedia

  学术界吵成一片,有人说是一种全新的物种,有人说这个物种消失了,当然绝大多数人的观点是相信这个物种还藏在美洲的某个不知名的地方,只是还没被发现罢了。然后居维叶登场了,他用解剖学的方法进行了分析,他肯定这是一种已经消亡的物种,在经过研究后在1806年将其命名为乳齿象(mastodonte)。

乳齿象化石骨架 图源:Wikipedia

  之后的成就还有确认了在巴拉圭挖掘的大骨骼是大地懒,一种巨大的史前地面树懒;命名了翼龙;描述了水生爬行动物沧龙。这些都是已经灭绝的史前生物。

大地懒 图源:Wikipedia

  这些亚洲象和猛犸象颌骨被列入1799版的1796年现存的和化石大象的论文。 

  在当时,光是凭借几块骨头,就能够构想出一个全新生命模式:生物会灭绝,这个理论是非常大胆而有远见的。因为发现的灭绝物种的名单不断加长,后来在居维叶1813年的《对地球理论的论文》(Theory of the Earth)中,提出新的物种在周期性的灾难性的洪水后产生。这是他对物种为什么会消失提出的看法,他认为物种灭绝都是大灾变导致的,而这种灾变就是类似于圣经里的洪水。

 

  灭绝是如何定义的?

  要确定某个物种的消失,办法只有一个:实地考察,建立每个物种客观而全面的生存状况报告。当然这个事有一个专门的组织在做,这个组织叫世界自然保护联盟(International Union for Conservation of Nature),简称IUCN。

 图源:Wikipedia

  IUCN定义了灭绝这个概念:“某一分类单元的物种的最后一个个体死亡,则认为该分类单元已经灭绝。” 此外,IUCN还指出,在适当时间内(一般是50年),对某一分类单元物种的已知和可能的栖息地进行彻底调查,如果没有发现任何一个个体,就认为该分类单元的物种绝灭。在严格的定义下,必须在确定某一物种最后一个个体已经死亡后,才能宣布这个物种的灭绝。

物种濒危等级评估 图源:Wikipedia

  举个例子,东部美洲狮( Puma concolor couguar )经过了73年才被正式确认灭绝,可见确认一个物种灭局并不是简单事。

东部美洲狮( Puma concolor couguar ) 图源:UMD

  即便有如此详尽的定义,我们对于地球上已经灭绝的生物知道的还是太少了。据估计,生物物种的数目总计在500万至3000万之间——或者更多。该数据的跨度之大,本身也就说明了我们对物种总量知之甚少。在记录在册的物种之中,科学家们也仅仅对190万种进行过描述,其中还包括很多只通过研究单个个体认识的物种。

  光是对物种的了解就知之甚少,更何况是已经灭绝的生物呢?

 

  什么是功能性灭绝?

  前面说了IUCN定义了只有确定了该物种的最后一个个体死亡之后才能宣布灭绝,但现实中要找到最后一个个体实在太难了,所以这里有就有了一个新的概念,功能性灭绝。

  要知道,对于有性繁殖的生物来说,光是有个体没用,得有伴儿才行,也就是得有群体,如果队友数量实在太少,那基本上就凉凉了。所以从遗传学的角度来看,一个物种要确保能不绝后,只有在一段时间内保持一定的种群数量,不然近亲繁殖,只会造成一堆遗传病,只能死路一条。而这个最小的种群数量就是“最小有效种群(Minimum Viable Population)”

MVP 图源:hosho.ees.hokudai.ac.jp

  有效群体大小可能有两种定义方式,即方差有效群体大小(variance effective size)和近交有效群体大小(inbreeding effective size)。两种定义由F-统计衍生而来并紧密相连。具体内容有些复杂,在这里不多做介绍,总之就是一个群体数量的阈值,一旦低于这个值,那就是功能性灭绝了。

  白暨豚就是一个经典的例子,在2006年12月13日,白暨豚专家们宣布白暨豚已经功能性灭绝,即使还有少数个体存在,个体数目也不足以维持族群的繁衍。虽然后来有人宣称发现了一两条白暨豚,但功能性灭绝的事实是注定的。

白暨豚 图源:Wikipedia

  回到蜗牛乔治的话题,乔治在活下来的这十几年里,科学家一直在寻找它的小伙伴,不幸的是一直没有找到,所以几乎可以肯定乔治是最后一只金顶树蜗 (Achatinella apexfulva ),死去了就几乎可以确定它在夏威夷地区是灭绝了。

 

乔治(金顶树蜗) 图源:国家地理

  当然也不排除以后又被重新发现,毕竟这样的事实在太多了。

 

  (本文中标明来源的图片均已获得授权)

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