火水鍛造加拉帕戈斯群島的獨特物種

加拉帕戈斯海獅 Image copyright Tui De Roy
Image caption 加拉帕戈斯海獅(圖片來源:Tui De Roy / naturepl.com)

大約1,400萬年前,距離厄瓜多爾海岸西部大約1,000公里(約600英里)的太平洋上,幾座火山浮出了海平面。這些山峰就是早期加拉帕戈斯群島。現在群島由19個較大的火山島和120個較小的火山島組成。加拉帕戈斯群島是一個生活著很多稀奇古怪的生物的家園,如巨型龜、海洋鬣蜥(marine iguanas)和藍腳鰹鳥(blue-footed boobies)。

當查爾斯·達爾文(Charles Darwin)1835年在加拉帕戈斯群島的聖克里斯托瓦爾島(San Cristóbal Island)登陸時,他把這個炎熱、塵土飛揚的地方比作地獄。但他的此次旅行後來給了他啟發,使他想到了自然選擇的進化論,而這最終讓他寫成《物種起源》(On the Origin of Species)。

從那以後,加拉帕戈斯就成為生物學家和地質學家的靈感來源。不過,雖然他們在這個大自然的實驗室裏作出了許多科學發現,但加拉帕戈斯仍然籠罩著一層神秘的面紗。

愛達荷大學(University of Idaho)的地質學家丹尼斯·蓋斯特(Dennis Geist)說,"我們有很多佐證,但是我們尚未就加拉帕戈斯生物進化細節方面取得進展,而關鍵之處就隱藏在這些細節之中。"

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Image caption 加拉帕戈斯群島(圖片來源:Universal Images Group North America LLC/Alamy)

加拉帕戈斯群島孕育了世界上獨一無二的生態系統和動物,例如加拉帕戈斯海狗和沒有飛行能力的鸕鶿。為了了解這種獨特性產生的原因,科學家已經開始把目光轉向生物學以外,研究島嶼的地質歷史。

加拉帕戈斯群島的起源是"熱點",地球內部的岩漿在"熱點"穿透地殼,在海底形成火山。熱點本身是靜止的,但在這裏形成的火山卻不是。它們位於納斯卡板塊(Nazca tectonic plate)上,以每年約4厘米的速度自西向東行進。這個運動就意味著較早的一部分島嶼——其中一些現在已經在水面之下被完全侵蝕——位於東部。最年輕的費爾南迪納島(Fernandina)目前仍然坐在熱點的頂端。

愛達荷大學的地質學家埃里克·米特爾斯泰特(Eric Mittelstaedt)說:"加拉帕戈斯是一條大型的輸送帶,它創造新的島嶼和生命,而動物和植物從較早的島遷移出來。 "等到一些島嶼停止上升活動,並開始受到侵蝕和沉入海洋,生活在那上面的動物和植物就會遷移到下一批島嶼。"

一開始,第一批島嶼就像不適宜生存的火山熔岩一樣。但是後來,"山"與大氣相互作用形成降雨。經過幾千年,雨水侵蝕玄武岩熔岩形成土壤。土壤的到來是生命開始的一個信號。

蕨類植物、苔蘚和地衣的孢子以及小昆蟲甚至小蝸牛可能是被風吹到島上。然後這些食物就把鳥吸引過來。

普林斯頓大學生態學和進化生物學榮譽教授彼得·格蘭特(Peter Grant)說:"先到達這裏的很可能是周圍水域的海鳥。它們把微生物帶到這裏,因為微生物數量龐大,很小,並且很容易散播。植物的種子可能是搭了海鳥的便車,或者是從南美被吹來,或是飄浮在海面上來到這裏。"

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Image caption 加拉帕戈斯海獅(圖片來源:Tui De Roy / naturepl.com)

海洋動物——包括海獅,海龜或企鵝的祖先——很可能是遊到島上來,而許多爬行動物和小型哺乳動物——比如稻鼠——可能是附在大片植被上,從陸地漂浮這裏來。

爬行動物比哺乳動物更適合應對海上的惡劣條件,包括鹹的海水和陽光。這就解釋了為什麼現在只有六種哺乳動物生活在加拉帕戈斯群島,其中包括加拉帕戈斯海狗和加拉帕戈斯海獅。

島嶼上獨一無二的是加拉帕戈斯巨龜(Chelonoidis nigra),它是現有烏龜中最大的一類,有的重達417公斤(900磅)。

但是,加拉帕戈斯群島生物與眾不同的名聲並不僅僅因為它與世隔絶和這裏的火山特性。生物多樣性和生態系統的獨特之處可能與以下事實有關:這些島嶼位於赤道上,並受到被稱為"赤道潛流"的快速洋流的衝擊。這種類似噴氣式的洋流位於海面以下100米深處,自西向東以每秒一米以上的速度流動。

科羅拉多大學(University of Colorado)大氣和海洋科學教授克里斯托弗·卡爾努斯卡斯(Kristopher Karnauskas)說:"加拉帕戈斯恰好在赤道上,並且它的大小恰好可以影響到洋流。不過,這也導致這裏發展出一個不同於地球上其他任何地方的生態系統。"

隨著洋流衝入西部島嶼,它將營養密集的較冷的水從較深的海洋向上推。一旦尚未被任何海洋動物觸碰的營養物質到達陽光照射區,光合作用便會開始起作用,卡爾努斯卡斯說。這種生產力為島上的海洋生物提供了養料,涼爽的水為這裏創造了一個在熱帶地區通常不會出現的生態系統。

"在群島的不同地方,有的可能非常像熱帶,也有的地方可能有寒冷的水,"卡爾努斯卡斯說。

西部島嶼較低的海洋溫度為加拉帕戈斯企鵝提供食物和良好的生活環境,它們中的90%生活在西部的伊莎貝拉島(Isabela)和費爾南迪納島(Fernandina)。 "它們在那裏是因為它們的食物在那裏,它們在那裏繁殖得很好是因為它們是冷水物種,"卡爾努斯卡斯說。 "但東部更像是熱帶。"

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Image caption 加拉帕戈斯企鵝(圖片來源:Tui De Roy / naturepl.com)

卡爾努斯卡斯和米特爾斯泰特假設赤道潛流與島嶼的初次碰撞造成了加拉帕戈斯的生物爆炸式增長。卡爾努斯卡斯說,這一事件標誌著島嶼生態系統的一次重大轉折,它成為維持今天存在的各種生物活動的潛在力量。"整個島嶼的生態系統在這股上升流的促進下蓬勃發展。"

為了研究這一事件的時機,科學家們開發了兩種不同的模型。第一個在時間上倒推,重建數百萬年間島嶼的大小和形狀變化。然後,他們使用這些信息,對每個時間點及所對應的島嶼配置模擬周圍海洋的洋流和溫度模式。

這些模型表明,200萬年前,赤道潛流經過該地區。但在150萬年前,一個島嶼阻擋了它的通行。然後,該團隊查看了從加拉帕戈斯群島和南美洲附近的海底採集的沉積物岩芯的數據。這些岩芯描繪出了數百萬年間海面溫度的變化。科學家發現,大約160萬年前,海洋氣溫發生了巨大的變化。

卡諾斯卡斯說:"大約在那個時候,島上發生了變化,造成了我們在古氣候數據中看到的情況。結果發現那是對我們模型中發現的情況的一種完全獨立的驗證。"

大概在那個時候,加拉帕戈斯群島終於大到可以阻擋住"潛流"了。 "生態系統的影響是非常直接的,"卡爾努斯卡斯說, "那時,生物開始蓬勃發展。"

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Image caption 加拉帕戈斯巨龜(圖片來源:Tui De Roy / naturepl.com)

這一事件影響到了海洋生物的生態和進化,並且可能改變了土地上新植物和動物物種的生存條件,格蘭特說。不過,如果說這次碰撞——它很可能在2萬年前開始——啟動了加拉帕戈斯的生物進化,那麼其他地質事件也一直在對生物進化產生著影響。

在島嶼首次浮出海面後,海平面不斷的下降,上升,再下降。蓋斯特說:"在過去的300萬年裏,它如此上下浮動了約30次。"

根據香港大學的賈森·阿里(Jason Ali)和澳大利亞悉尼大學的喬納森·艾奇森(Jonathan Aitchison)2014年的研究,這些波動可能大大改變了加拉帕戈斯的地理布局,這反過來又對島嶼的生物系統造成了影響。

阿里通過研究該地區的海底發現,群島中心的水域較淺,也許只有200米深。他們估計,2萬年前的海平面比目前水平低144米。阿里估計,如果回到63萬年前,海平面可能比現在低210米。這比群島某些地方的海底低。

"我意識到,其中的一些島嶼必定在過去的某個時候曾經是相連接的。"阿里說,"那時有可能在島嶼之間走動。"島嶼之間的橋樑可能擴大了陸地動物的活動範圍,如陸鬣蜥、葉趾壁虎和遊蛇。

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Image caption 加拉帕戈斯路鬣蜥(圖片來源:Andy Rouse / naturepl.com)

當科學家進一步觀察時,他們發現曾經相連的島嶼擁有相同的生物系統,而邊緣的島嶼則有自己的生物系統。阿里說:"只有當你了解了地質背景,你才能建立這樣的聯繫。"

兩種不同種類的蛇佔據了群島的核心島嶼。科學家認為,138,000多年前,它們共同的祖先曾在島嶼之間遊走。

然後,當海平面再次升高時,蛇被分隔開,西部島嶼的進化為Pseudalsophis slevini,東部則進化成Pseudalsophis dorsalis。

格蘭特說:"一般來說,被隔離在島嶼上的生物就會適應當地的環境。而一旦隔離消除,當海平面下降,島嶼重新相連時,就會發生相反的情況——此前被分隔開的生物又會開始混居。"

最後,雖然火山爆發通過創造島嶼的方式為加拉帕戈斯上的生命提供了基礎,火山其實一直在持續影響著生態系統。費爾南迪納島每兩三年發生一次火山噴發,噴出的岩漿沿山坡流下。米特爾斯泰特說:"岩漿直接流過的一些地方會殺死一些物種,但也可能將動物分成兩組,因為它們不會跨越熔流。"

在島上,一種獨特的龜類通常棲息在每座火山的周圍。目前,阿爾塞多火山(Alcedo volcano)是加拉帕戈斯烏龜最多的地區,估計有3000-5000隻。

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Image caption 1995年發生在加拉帕戈斯費爾南迪納島的火山爆發(圖片來源:naturepl.com/Alamy)

但是當生物學家研究阿爾塞多龜的遺傳變異性時,他們發現了遺傳瓶頸,即在88,000年前該物種的多樣性縮小。蓋斯特使用鉀 - 氬年齡測定法估計出阿爾塞多火山在那段時間內的爆發相當劇烈。

蓋斯特說:"這似乎導致一種龜類近乎滅絶。在這場大災變之後,基本上只留下了一隻雌龜。"生物學家估計,生活在阿爾塞多火山上的烏龜91%都是這只幸運雌龜的後代。

格蘭特說:"通過年齡測定法,地質學家可以描述和解釋地球物理事件,幫助生物學家了解過去的環境和變化,及其對動物、植物和微生物的影響。"

地質變化對加拉帕戈斯生態系統的影響仍在持續,有時甚至很短的時間內也十分明顯。2015年,群島最高的沃爾夫火山(Wolf volcano)爆發,潛在威脅到了世界上唯一的粉紅鬣蜥群體。但是,關於未來這裏的生態系統將如何繼續變化,人類似乎是主要的影響者。

過去幾個世紀以來,遊客們帶來了螞蟻、山羊和黑莓,這些都對一些在加拉帕戈斯長期生活的物種造成了傷害。由於人類活動導致的氣候變化,海平面正在上升,這也有可能導致物種滅絶。

蓋斯特說:"回顧過去,地質學和生物體系密切相關。但是,展望未來,與人類對生態系統的影響相比,即使在人類的時間尺度上,地質變化的作用也不太可能佔據重要地位。"

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