火水锻造加拉帕戈斯群岛的独特物种

加拉帕戈斯海狮 Image copyright Tui De Roy
Image caption 加拉帕戈斯海狮(图片来源:Tui De Roy / naturepl.com)

大约1,400万年前,距离厄瓜多尔海岸西部大约1,000公里(约600英里)的太平洋上,几座火山浮出了海平面。这些山峰就是早期加拉帕戈斯群岛。现在群岛由19个较大的火山岛和120个较小的火山岛组成。加拉帕戈斯群岛是一个生活着很多稀奇古怪的生物的家园,如巨型龟、海洋鬣蜥(marine iguanas)和蓝脚鲣鸟(blue-footed boobies)。

当查尔斯·达尔文(Charles Darwin)1835年在加拉帕戈斯群岛的圣克里斯托瓦尔岛(San Cristóbal Island)登陆时,他把这个炎热、尘土飞扬的地方比作地狱。但他的此次旅行后来给了他启发,使他想到了自然选择的进化论,而这最终让他写成《物种起源》(On the Origin of Species)。

从那以后,加拉帕戈斯就成为生物学家和地质学家的灵感来源。不过,虽然他们在这个大自然的实验室里作出了许多科学发现,但加拉帕戈斯仍然笼罩着一层神秘的面纱。

爱达荷大学(University of Idaho)的地质学家丹尼斯·盖斯特(Dennis Geist)说,"我们有很多佐证,但是我们尚未就加拉帕戈斯生物进化细节方面取得进展,而关键之处就隐藏在这些细节之中。"

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Image caption 加拉帕戈斯群岛(图片来源:Universal Images Group North America LLC/Alamy)

加拉帕戈斯群岛孕育了世界上独一无二的生态系统和动物,例如加拉帕戈斯海狗和没有飞行能力的鸬鹚。为了了解这种独特性产生的原因,科学家已经开始把目光转向生物学以外,研究岛屿的地质历史。

加拉帕戈斯群岛的起源是"热点",地球内部的岩浆在"热点"穿透地壳,在海底形成火山。热点本身是静止的,但在这里形成的火山却不是。它们位于纳斯卡板块(Nazca tectonic plate)上,以每年约4厘米的速度自西向东行进。这个运动就意味着较早的一部分岛屿——其中一些现在已经在水面之下被完全侵蚀——位于东部。最年轻的费尔南迪纳岛(Fernandina)目前仍然坐在热点的顶端。

爱达荷大学的地质学家埃里克·米特尔斯泰特(Eric Mittelstaedt)说:"加拉帕戈斯是一条大型的输送带,它创造新的岛屿和生命,而动物和植物从较早的岛迁移出来。 "等到一些岛屿停止上升活动,并开始受到侵蚀和沉入海洋,生活在那上面的动物和植物就会迁移到下一批岛屿。"

一开始,第一批岛屿就像不适宜生存的火山熔岩一样。但是后来,"山"与大气相互作用形成降雨。经过几千年,雨水侵蚀玄武岩熔岩形成土壤。土壤的到来是生命开始的一个信号。

蕨类植物、苔藓和地衣的孢子以及小昆虫甚至小蜗牛可能是被风吹到岛上。然后这些食物就把鸟吸引过来。

普林斯顿大学生态学和进化生物学荣誉教授彼得·格兰特(Peter Grant)说:"先到达这里的很可能是周围水域的海鸟。它们把微生物带到这里,因为微生物数量庞大,很小,并且很容易散播。植物的种子可能是搭了海鸟的便车,或者是从南美被吹来,或是飘浮在海面上来到这里。"

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Image caption 加拉帕戈斯海狮(图片来源:Tui De Roy / naturepl.com)

海洋动物——包括海狮,海龟或企鹅的祖先——很可能是游到岛上来,而许多爬行动物和小型哺乳动物——比如稻鼠——可能是附在大片植被上,从陆地漂浮这里来。

爬行动物比哺乳动物更适合应对海上的恶劣条件,包括咸的海水和阳光。这就解释了为什么现在只有六种哺乳动物生活在加拉帕戈斯群岛,其中包括加拉帕戈斯海狗和加拉帕戈斯海狮。

岛屿上独一无二的是加拉帕戈斯巨龟(Chelonoidis nigra),它是现有乌龟中最大的一类,有的重达417公斤(900磅)。

但是,加拉帕戈斯群岛生物与众不同的名声并不仅仅因为它与世隔绝和这里的火山特性。生物多样性和生态系统的独特之处可能与以下事实有关:这些岛屿位于赤道上,并受到被称为"赤道潜流"的快速洋流的冲击。这种类似喷气式的洋流位于海面以下100米深处,自西向东以每秒一米以上的速度流动。

科罗拉多大学(University of Colorado)大气和海洋科学教授克里斯托弗·卡尔努斯卡斯(Kristopher Karnauskas)说:"加拉帕戈斯恰好在赤道上,并且它的大小恰好可以影响到洋流。不过,这也导致这里发展出一个不同于地球上其他任何地方的生态系统。"

随着洋流冲入西部岛屿,它将营养密集的较冷的水从较深的海洋向上推。一旦尚未被任何海洋动物触碰的营养物质到达阳光照射区,光合作用便会开始起作用,卡尔努斯卡斯说。这种生产力为岛上的海洋生物提供了养料,凉爽的水为这里创造了一个在热带地区通常不会出现的生态系统。

"在群岛的不同地方,有的可能非常像热带,也有的地方可能有寒冷的水,"卡尔努斯卡斯说。

西部岛屿较低的海洋温度为加拉帕戈斯企鹅提供食物和良好的生活环境,它们中的90%生活在西部的伊莎贝拉岛(Isabela)和费尔南迪纳岛(Fernandina)。 "它们在那里是因为它们的食物在那里,它们在那里繁殖得很好是因为它们是冷水物种,"卡尔努斯卡斯说。 "但东部更像是热带。"

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Image caption 加拉帕戈斯企鹅(图片来源:Tui De Roy / naturepl.com)

卡尔努斯卡斯和米特尔斯泰特假设赤道潜流与岛屿的初次碰撞造成了加拉帕戈斯的生物爆炸式增长。卡尔努斯卡斯说,这一事件标志着岛屿生态系统的一次重大转折,它成为维持今天存在的各种生物活动的潜在力量。"整个岛屿的生态系统在这股上升流的促进下蓬勃发展。"

为了研究这一事件的时机,科学家们开发了两种不同的模型。第一个在时间上倒推,重建数百万年间岛屿的大小和形状变化。然后,他们使用这些信息,对每个时间点及所对应的岛屿配置模拟周围海洋的洋流和温度模式。

这些模型表明,200万年前,赤道潜流经过该地区。但在150万年前,一个岛屿阻挡了它的通行。然后,该团队查看了从加拉帕戈斯群岛和南美洲附近的海底采集的沉积物岩芯的数据。这些岩芯描绘出了数百万年间海面温度的变化。科学家发现,大约160万年前,海洋气温发生了巨大的变化。

卡诺斯卡斯说:"大约在那个时候,岛上发生了变化,造成了我们在古气候数据中看到的情况。结果发现那是对我们模型中发现的情况的一种完全独立的验证。"

大概在那个时候,加拉帕戈斯群岛终于大到可以阻挡住"潜流"了。 "生态系统的影响是非常直接的,"卡尔努斯卡斯说, "那时,生物开始蓬勃发展。"

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Image caption 加拉帕戈斯巨龟(图片来源:Tui De Roy / naturepl.com)

这一事件影响到了海洋生物的生态和进化,并且可能改变了土地上新植物和动物物种的生存条件,格兰特说。不过,如果说这次碰撞——它很可能在2万年前开始——启动了加拉帕戈斯的生物进化,那么其他地质事件也一直在对生物进化产生着影响。

在岛屿首次浮出海面后,海平面不断的下降,上升,再下降。盖斯特说:"在过去的300万年里,它如此上下浮动了约30次。"

根据香港大学的贾森·阿里(Jason Ali)和澳大利亚悉尼大学的乔纳森·艾奇森(Jonathan Aitchison)2014年的研究,这些波动可能大大改变了加拉帕戈斯的地理布局,这反过来又对岛屿的生物系统造成了影响。

阿里通过研究该地区的海底发现,群岛中心的水域较浅,也许只有200米深。他们估计,2万年前的海平面比目前水平低144米。阿里估计,如果回到63万年前,海平面可能比现在低210米。这比群岛某些地方的海底低。

"我意识到,其中的一些岛屿必定在过去的某个时候曾经是相连接的。"阿里说,"那时有可能在岛屿之间走动。"岛屿之间的桥梁可能扩大了陆地动物的活动范围,如陆鬣蜥、叶趾壁虎和游蛇。

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Image caption 加拉帕戈斯路鬣蜥(图片来源:Andy Rouse / naturepl.com)

当科学家进一步观察时,他们发现曾经相连的岛屿拥有相同的生物系统,而边缘的岛屿则有自己的生物系统。阿里说:"只有当你了解了地质背景,你才能建立这样的联系。"

两种不同种类的蛇占据了群岛的核心岛屿。科学家认为,138,000多年前,它们共同的祖先曾在岛屿之间游走。

然后,当海平面再次升高时,蛇被分隔开,西部岛屿的进化为Pseudalsophis slevini,东部则进化成Pseudalsophis dorsalis。

格兰特说:"一般来说,被隔离在岛屿上的生物就会适应当地的环境。而一旦隔离消除,当海平面下降,岛屿重新相连时,就会发生相反的情况——此前被分隔开的生物又会开始混居。"

最后,虽然火山爆发通过创造岛屿的方式为加拉帕戈斯上的生命提供了基础,火山其实一直在持续影响着生态系统。费尔南迪纳岛每两三年发生一次火山喷发,喷出的岩浆沿山坡流下。米特尔斯泰特说:"岩浆直接流过的一些地方会杀死一些物种,但也可能将动物分成两组,因为它们不会跨越熔流。"

在岛上,一种独特的龟类通常栖息在每座火山的周围。目前,阿尔塞多火山(Alcedo volcano)是加拉帕戈斯乌龟最多的地区,估计有3000-5000只。

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Image caption 1995年发生在加拉帕戈斯费尔南迪纳岛的火山爆发(图片来源:naturepl.com/Alamy)

但是当生物学家研究阿尔塞多龟的遗传变异性时,他们发现了遗传瓶颈,即在88,000年前该物种的多样性缩小。盖斯特使用钾 - 氩年龄测定法估计出阿尔塞多火山在那段时间内的爆发相当剧烈。

盖斯特说:"这似乎导致一种龟类近乎灭绝。在这场大灾变之后,基本上只留下了一只雌龟。"生物学家估计,生活在阿尔塞多火山上的乌龟91%都是这只幸运雌龟的后代。

格兰特说:"通过年龄测定法,地质学家可以描述和解释地球物理事件,帮助生物学家了解过去的环境和变化,及其对动物、植物和微生物的影响。"

地质变化对加拉帕戈斯生态系统的影响仍在持续,有时甚至很短的时间内也十分明显。2015年,群岛最高的沃尔夫火山(Wolf volcano)爆发,潜在威胁到了世界上唯一的粉红鬣蜥群体。但是,关于未来这里的生态系统将如何继续变化,人类似乎是主要的影响者。

过去几个世纪以来,游客们带来了蚂蚁、山羊和黑莓,这些都对一些在加拉帕戈斯长期生活的物种造成了伤害。由于人类活动导致的气候变化,海平面正在上升,这也有可能导致物种灭绝。

盖斯特说:"回顾过去,地质学和生物体系密切相关。但是,展望未来,与人类对生态系统的影响相比,即使在人类的时间尺度上,地质变化的作用也不太可能占据重要地位。"

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