研究：环境变化和物种更替可能并不那么密切相关

该研究的文章于最近发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》上，它提供了一个非洲大陆范围内的上新世-更新世（Plio-Pleistocene）环境变化的综合资料。上新世-更新世是地球历史上的一个时期，约横跨过去500万年，包括约2万年前的最后一个冰期。

根据这项新研究，这一时期的环境变化反映了地球轨道和相对于太阳的方向的变化。这些周期使我们的星球暴露在不同强度的太阳辐射下，进而引发有据可查的对地球气候的不同频率的周期性影响。

研究人员观察到，由于全球冰量和海洋温度的变化，整个非洲的环境变异性呈长期上升趋势。然而研究结果并没有在环境变化和物种起源或灭绝率之间产生显著的关联，这表明环境变化和物种更替可能并不密切相关，这一概念在科学界一直被广泛争论。

论文的第一作者、亚利桑那大学地球科学系和生态学与进化生物学系的大学特聘教授Andrew Cohen指出，气候变湿或变干的长期趋势可能是人类进化的一个驱动力，这一观点可以追溯到查尔斯·达尔文时代。20世纪90年代末，随着有影响力的变异性选择假说在科学界的提出，该研究领域发生了重大变化。

Cohen解说道：“这里的想法是，不仅仅是气候变化的方向作为人类血统进化新颖性的驱动力非常重要，环境和气候条件的变异性也是。由于我们的祖先面临着快速变化的条件，这一假设表明他们必须更加机智，从而能够处理许多不同的突发事件，这反过来又引发了新物种的出现，而其他物种则灭绝了。”

在目前的研究中，研究人员分析了从整个非洲大陆和周边地区17个地方的湖床、海底和陆地露头的沉积物芯中提取的样本。环境数据的来源是通过分析花粉、藻类化石、灰尘、叶蜡、土壤同位素和其他物理性质的记录，这些记录提供了关于植被类型和沉积地点的环境条件的线索。Cohen表示，为了将来自这些非常不同类型的记录的数据结合起来并找出气候变异的基本模式，团队必须克服一个重大挑战：如何量化变异并将其从一个采样地点比较到另一个采样地点。

“这不是小事，因为你一方面有化石花粉这样的记录，它可以告诉你植被有多大的变化，另一些记录则告诉你湖面的变化，还有一些记录告诉你吹到海洋上的灰尘。我们需要一种方法，不只是看一个记录，而是把所有这些不同类型的参考资料堆叠起来从而使我们能够区分出变化的节奏。”

Cohen称，为了做到这一点，研究人员开发了统计方法从而使他们能够“比较苹果和橘子”，并将气候记录数据点分配到包括2万年、10万年和40万年的时间段的“仓”中。在每个仓中的变异性分数的单个数据集被标准化后，该团队就可以将它们 “堆叠”起来并计算出每个时间段的平均变异量。

之后，研究人员将气候数据跟大型哺乳动物--主要是牛科动物，包括羚羊和其他大型食草动物--的化石记录进行直接比较。研究人员专注于大型食草动物，主要是因为人类祖先的化石太过稀少，在这种方法中没有用处。

Cohen指出：“我不会说你可以在鞋盒里装下所有的（人类化石）了，但它们仍不是那么常见。所以我们决定看看其他有更好化石记录的生物，因为没有理由认为只有我们的近亲、我们的人类祖先应该受到气候变化和变异的影响。”

Cohen补充道：“如果气候变异是进化中的一个重要驱动因素，它也应该是其他大型哺乳动物的驱动因素和进化。如想想北极熊及它们如何受到当前气候变化的影响。”

研究人员使用了一种从现代野生动物种群生物学中借用的方法来解释长期困扰古生物学家的偏见：化石记录固有的不完整性，该研究的第二作者Andrew Du则用一块瑞士奶酪来说明。如果人们在奶酪中钻取岩心样本，那么在岩心碰到奶酪上的一个洞时就会出现空隙。同样，一个物种的化石记录也有空隙--没有发现化石的时间段，其跟有化石的时间段相存在交错。这使得在化石记录中很难准确确定一个物种何时起源，何时灭绝。

为了规避这一限制，Du采用了一种被称为捕获、标记和重新捕获的技术，野生动物生物学家在调查动物种群时经常使用这种技术。捕获动物后，它被贴上标签以进行识别，然后放回野外。在以后的调查中，科学家们会比较有标签和无标签的动物的比例。应用统计学他们能够了解整个种群的规模和结构。

科罗拉多州立大学人类学和地理学系助理教授Du解释了该技术在化石系统中的工作原理。“假设我们在第一时间段看到一个新物种出现在化石记录中，然后我们在第二时间段发现同一物种的不同化石，我们在第三时间段错过它，但我们在第四时间段再次看到它。这告诉我们的是，尽管我们在第三个时间段没有看到这个物种，但我们知道它就在附近。这让我们对某些时期的化石记录的质量有了一个概念，我们可以在估计种群和灭绝率时考虑这种质量。”

通过将所有这些数据集放在一起，研究人员可以比较环境变异的模式及其与哺乳动物物种起源和灭绝率的关系。

“总的来说，在过去的350万年里，有一个环境变异性增加的长期趋势。这一趋势跟踪了全球冰量和非洲周围海面温度的上升变化。叠加在这一点上，我们发现了另一个趋势。一旦我们进入冰期，我们就会看到更多的起伏；摆动会变得越来越大，这反映了冰原的消长，而这种变异性则跟踪了40万年的米兰科维奇周期。”

一直以来，大型食草动物的物种起源和灭绝的化石记录还有人类化石似乎都跟这些气候变异趋势脱节。虽然研究人员们承认变异性选择假说仍可能是正确的，但在不同的尺度上运作，他们希望鼓励科学界以更批判的方式思考变异性选择假说。

“我们并不是说环境变异性对人类进化不重要，但我们目前汇编的数据跟这种想法非常不一致，”Cohen说道，“如果环境变异性像人们所说的那样重要，我们会期望看到变异性增加的长期趋势反映在包括人类在内的各种物种的进化更替中，但我们就是没有看到这一点。”