quzhizhuo的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/quzhizhuo

博文

与文科生聊聊进化论:用舍由时 行藏在我 精选

已有 11232 次阅读 2017-10-29 09:34 |系统分类:科普集锦

用舍由时 行藏在我

   前面几章小弟常提到,生物的很多性质在一生中不会发生变化,比如兔子毛,蛾儿翅,这些东西,对某一只兔子或某一只蛾子来说,生下来是什么样就是什么样了。所谓的进化,指的是这个性质的平均值或百分比,在一个种群内,每一代与每一代之间发生了变化。      

   但是,也有很多性质,在某一个生物的一生中会发生变化。这种变化可以是行为上的,也可以是生理上的。生物学家把这种变化叫可塑性,通俗地说实际上就是我们日常说的灵活性:环境变化了,如果你不跟着改变,很可能就会降低你后代的数量(或者你自己的生存可能性)。

   北极圈里的驯鹿,眼睛虹膜会变色。夏天金黄色,冬天蓝色。因为冬天光线比较暗。蓝色的虹膜使视力下降,但是对光线的敏感度提高了1000倍,这就帮助驯鹿在极夜中找吃的,或躲避捕食者。


(图片来自 Stokkan et al, 2013, Proc. R. Soc. B; 左边冬天,右边夏天)

   这个例子看似惊人(眼睛居然会变色),但只不过是众多灵活性的一种。

很多动物在气候变化之前都会改变进食行为。很多候鸟在气候变化之前,会超大幅度增加进食量,造成体重狂增,为即将到来的迁徙作准备。暴饮暴食都化作脂肪储存起来,作为几千公里的迁徙的燃料。到达迁徙目的地时,体重可以缩减到出发之前的三分之一。

   环境变化了,冬天来了,鸟儿必须因势利导,审时度势,做出相应的变化。如果进食量保持不变,体重保持不变,那就是死路一条。

   孔子说邦有道,危言危行;邦无道,危行言孙这意思就是,在坚持原则的同时,要根据环境的变化做一定的改变,正所谓从经从权

   生物也是这样的。穷则变,变则通,通则久。这个当然最终还是指的“繁衍后代。(看,我早给你说了,进化论可以用来注解易经,是不是。)

   孔子懂邦有道邦无道,但是鸟儿可不会思考。我上面用审时度势这个词来形容鸟儿,实际是个很错误的说法。鸟儿之所以会改变行为和生理,是因为有一套基因使它们做出改变,是自然而然的,而不是鸟儿有什么主观意识要做出改变。

   好吧,你非要和我抬扛,说你们家的鹦鹉会思考。而且前些日子有发现说乌鸦也有一定的思考能力。那我就不说鸟儿,说青蛙。青蛙冬眠前也要改变行为和生理。好,你说青蛙是脊椎动物,也有比较发达的大脑,说不定也会思考。那我不说青蛙,我说细菌。细菌在环境变化的时候,行为和生理也会发生变化。你难道给我说细菌也有主观意识?

   我在课堂上问学生,为什么动物植物细菌什么的,能根据环境变化做出行为或生理上的改变?学生回答说是本能,我为之气噎,那“本能”又是个什么东西?

   还是基因。

   这个道理很简单。我们假设一群动物里有两种基因,在环境变化时,一种基因使动物做出改变,另一种使动物拒绝改变。如果环境经常变,拒绝随之改变的生物个体都死绝了(或者不能生育),那后来就没有人携带这后一种基因,所以流传下来的就都是能使动物做出改变的基因了。

   这种基因的存在,使得环境一旦发生变化,动物就会做出相应的改变。这就是本能。

   灵活性(可塑性)的道理很简单。我就不浪费大家时间了。我这里想说的是灵活性的进化。

   (1)一群动物之间,每只和每只的灵活性有差异;(2)灵活性是基因决定的;(3)灵活性决定了动物的生存和生育。那么好了,前面我们讲过的达尔文的三个进化的条件都满足了,所以灵活性本身也会进化。

   举个水蚤的例子。

   水蚤有避光行为,如果一端有光,一端黑暗,水蚤会游向黑暗的一端,以逃避鱼儿捕食。有些蚤对光敏感,有些蚤则不是那么敏感(这就是个体差异,也是进化的基础)。

   有一群比利时人,钱多的烧的,做了这么一项研究。

   比利时有个湖(叽里咕噜的名字很长我就不说了,坐而论道嘛。大家关注“道”就好了,忽略细节)。1970年,湖里没有鱼。研究人员把这个湖里的水蚤捞出来,在实验室里研究避光行为。

   找了一根玻璃管,管子里有纯净的白水,把水蚤放在管子的中间位置。然后一端保持光明,一端保持黑暗。人们发现水蚤的避光度是5%左右,就是说水蚤偏离了中心位置,向黑暗端移动了整根管子长度的5%左右。有些水蚤躲避了20%,少数甚至向有光的一端游了一段距离,总的平均值是5%。(诸位看官,我这是强调什么问题啊?我在强调个体有差异。有差异才能进化。)

   然后呢,这帮人往管子里倒进去了一些曾经养过鱼的水,水里有鱼的味道。结果发现水蚤的避光度还是5%左右。没有变化!

   这说明什么问题呢?这说明,这群水蚤的行为一点灵活性都没有,傻不楞登的。环境变了(本来没危险,现在有来自鱼的潜在危险了),居然不知道改变行为。

   这是1970年的事情。过了几年,有人往这个湖里撒了一些鱼苗。鱼就繁殖起来了。到了1979年,这帮钱多的烧的人又捞了些水蚤,重复了同样的实验。

   在纯净的白水里,水蚤的避光度稍微高了一点,大概不到10%。但是,把有鱼味儿的水倒进去之后,马上变成了25%!灵活性大增。(注意,我们这里关注的不是避光度的数值,而是这个值从白水到鱼水变化不变化,也就是灵活性。以前没有灵活性,而现在可以从10%变到25%

   水蚤学聪明了。

        “学聪明了,这是没看过小弟这一系列的人的用语。读者诸君,应该说:“灵活性(可塑性)进化了

   道理很简单。什么样的环境就会进化出什么样的灵活性来。1970年,湖里没有鱼,环境很安全,水蚤没有灵活性。后来水蚤在有鱼的湖里生活了几十上百代,没有灵活性的水蚤都被吃了,灵活性高的基因就流传开来。这个和我们前面说的兔子蛾子虫子傻子都是一个道理。

   古往今来,最具灵活性的人是谁?据史书记载,当属康熙年间的奇人韦小宝。在朝廷上他是骁骑营都统韦爵爷,在天地会是青木堂韦香主,在神龙教是白龙门掌门使,在少林寺他是钦命晦明禅师,端的是见人说人话,见鬼说鬼话,见风使舵的好手。

   韦小宝生活的是什么环境?宫廷,妓院,黑社会,不断变幻。不灵活,死路一条。

   人家说崖山之后无中国,有元以降,中国封建社会环境险恶,坚持原则不知变通的基因,如海瑞海基因,全都淘汰了,剩下的就只有韦小宝韦基因了。

   其实这不完全是开玩笑。人当然有主观能动性,有自由意志,有道德,有神性,但是人的很多行为也确实受基因的控制。

   我们假设海瑞和韦小宝的行为是有基因的因素的。那么,海瑞刚正不阿食古不化,在崖山之后的环境里穷得当当响,生了两个女儿三个儿子,其中还早夭了两个(具体数目我记不清了),所以携带海基因的人也少。韦小宝,七位夫人,你算算他可以有多少儿子。每个儿子又都能在万恶的旧社会里如鱼得水(灵活性可遗传),所以又都能致富,所以孙子就更多。子子孙孙都带韦基因,那么。。。

   当然个体差异总是有的,有的人受圣人教化,威武不能屈,贫贱不能移,那就是神性压过了兽性。所以,人各种各样的都有,什么样的人占主流,则取决于环境(我说了这么好几章,好像都贯穿了这么个浅显的道理。)

   前些日子看了一本书,大概的意思是说,在英国当时的环境下,聪明勤劳的人致富,致富了的人生孩子多,孩子又都聪明勤劳,就也能致富,所以孙子也多。。。一代一代传下去,整个社会积累大量的财富和聪明人,所以书上说,这是英国工业革命的原因和基础之一。正儿八经的学术著作啊,收集了很多数据,不搞笑。改天再细谈这个事情。

   这个灵活性呢,和世间所有事情一样,也有利有弊,比如人的肥胖症在一定程度上就是这个东西带来的。

   我在课上问学生,假设有两种动物,第一种生活在稳定的环境中,吃喝不愁,第二种食物来源很不稳定,吃了上顿没下顿。你把这两种动物带进实验室,给它们不规律的喂食,哪种动物容易发胖?

   在其他条件相同的情况下,应该是第二种,饲养员喂得多,就狂吃,哪怕吃不下也硬往里塞。吃进去的食物去哪里了?变成脂肪储存起来了(因为脂肪的能量密度比蛋白质大。同等体积的脂肪可以比蛋白质多储存一倍的能量),留待不时之需,以后没吃的了,就烧脂肪。

   而第一种的进食量,相对来说不会有太大的变化,上一顿饿着了,下一顿会多吃一些,但是不会像第二种那样狂吃。因为第一种在稳定的环境下没有进化出这种灵活性的基因。即使吃下去也很可能无法变成脂肪,也无法储存起来(没那个基因)。

   人类,当年在狩猎采集时代,就处于这种吃了上顿没下顿的环境中。今天打着一只鹿,可能以后很长时间运气都不好。那么假设有两种基因,一种有助于储存脂肪,一种让你保持身材。你说哪种基因会流传?

   那么到了今天,食物的来源不成问题了(在全球范围内,这也就是近一百年的事情),但是基因的进化可没有那么快。人们普遍都还携带着这种有助于储存脂肪的基因,所以,你吃多了就会发胖。以后我会讲到,很多人类的疾病就是这种古老的基因和当代生活环境不相容造成的。

   在相同的环境变化中,不同的物种会做出不同的变化。就好比,都面临经济危机,大公司和小淘宝店采取的措施不一样。

   我举个例子。我自己实验前年发表的文章。

   对于成长中的动物来说,吃进去的食物(收入)有两大花销(支出)。一个是用来生长,一个是用来维持自身的新陈代谢。(当然还有运动啊什么的,但是一般情况下运动所需的能量和新陈代谢的成正比,所以可以简要地归结我上面说的这两项。)

   那么,在食物不够的情况下,动物应该如何调整花销?

   这好比是问,如果国家/公司的税收/年收入不够,国会/董事会应该如何调整预算。

   不难想象,应该有三种情况:第一种情况,减慢生长,尽量维持自身的新陈代谢;第二种情况,生长优先,维持自身为次;第三种情况是两项都按相同比例缩减。真正的按相同比例缩减是很难做到的,一般的动物都会在生长和代谢之间有个倾向。所以,我们只讨论前两种情况。

   人们早就知道,如果不给老鼠喂饱(只给50%~80%它平时的食量),那么老鼠的生长会减缓,但是新陈代谢率却不会变。以前人们不相信,后来到了九十年代,人们做了一系列测量,发现新陈代谢率确实不变(或只下降一点点),也就是说老鼠倾向维持自身,牺牲生长。

   你可能会说,那谁不是这样啊?健康都没了,还长什么长?

   哎,还偏偏有很多动物不是这样。

   小弟三年前想到这个问题。如果给我的大青虫只提供60%的食量,它会怎样改变它的收支预算?

   我的想法是,听好了啊,有点点烧脑:

   在自然界,食物匮乏的时间一般都是冬天,一般就是两三个月。老鼠,它的平均寿命是三年。那么,在困难时期,如果它削减生长的能量,把省下来的能量都用于维持自身代谢,那么它就可以熬过困难时期。困难时期一过去,食物多了,它可以继续生长。这一来,它的生育期虽然推迟了,但是它可以保证自己的健康,也能保证后代的健康(自己健康,后代才能健康)。

   大青虫则不同。它的寿命很短,生长周期只有三到四个星期。在三个多星期里,它必须长到6克左右,才能化蛹。低于6克,化蛹的成功率就很低。

   如果它采用老鼠的策略,削减生长,保持自身健康,四个星期以后,体重还没达到6克,那它节约下来用于维持自身健康的能量等于是浪费了。不能化蛹,就不能变蝶(话说梁祝小提琴协奏曲里,只有化蝶这一乐章,少了变蛹的前奏啊,唉,何占豪缺少自然科学知识),不能变蝶,就没有后代。没有后代意味着什么?读了我这一系列的都该知道:被自然选择淘汰。都被淘汰了,保持自身健康还有什么用?所以,不存在采取这一策略的大青虫。

   那么它是个什么策略?

   只要有一点点食物,我就使劲儿长,我不管我自身健康了,我长到6克,我就变蛹。来年春天我就化蝶生孩子。这一来,虽然我身体有很多损伤,这些(在分子细胞层面的)损伤也有可能传给我孩子,但是我至少可以有机会传宗接代。自然选择关心什么?不是健康美貌智力体力,小弟我不厌其烦的说了无数次了,它只关心传宗接代。所以采取这种策略的大青虫就被自然选择保存下来了。

   然后小弟就让学生做实验,限食(体力活,一言难尽),测体重,测生长,最麻烦的是测新陈代谢率。

   然后小弟的假想就被证实了。我们测了三种温度,很多组,都是我上面说的那个结果。在生长过程中,虫子分配给维持自身代谢的能量越来越少(少到了惊人的程度),分配给生长的能量越来越多。

   然后我们就写了篇文章,发表在了一个有104年历史的马马虎虎档次过得去的德国学术期刊上。

   老鼠和青虫,在相同的危机中,采取的灵活性(能量预算的改变)截然不同,因为它们的寿命不同,生长周期不同。

   生发,还是蛰伏;锋露,还是韬晦,我只能说,用舍由时,行藏在我。

   人类社会也是这样。面对相同的危机,不同的国家/经济体,有不同的经济量,不同的进化历史,不同的文化,他们对能量预算的改变应该也不同。当然人类社会的经济体的财政预算不可能只有生长和维持这两项,要复杂的多。但是我想基本的道理是相通的。

   最后说两点。

   一,美国国会和总统会做财政预算,动物可不会。动物那是本能进化的结果,前面说了,基因决定。

   二,能量预算这个词儿,不是我故意的拟人化用到动物身上的。生物学家就是这么用的。能量预算这个概念在生态学,生理学,进化生物学中有广泛的应用。人们把这个叫做自然的经济学,它和人类社会的经济学非常相似。所以很多进化生物学家都懂一点经济学。奥斯卡电影《美丽心灵》的主角(真人真事改编),约翰.纳什,是诺贝尔经济学奖得主,但是他的理论也被用在进化生物学中。

   这一回是因为讲灵活性(可塑性),顺带着讲了讲能量预算问题。下一回里,详细地聊一聊这个能量投资问题在生态学,生理学,和在进化论里的应用。敬请关注《熙熙攘攘,为利来往》。

×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××

小弟这一系列是想和文科白领,理科小资,在生活工作之余还想顺便关心一下诗和远方这些大而无用的东西的律师,医生,码农,中学老师,在校学生,历史教授,饭店经理,机电工程师,股票交易员……,用老妪能解的非专业语言,聊一聊进化论到底是什么,它的精义,近年来的发展,以及它无远弗届的应用。

拟出30~32集。暂拟纲要如下:


此博文是第六章。全文在微信公众号“复眼视界”上连载。这里是QR码(不是小弟自己的微信号,而是出版社的)。敬请关注。敬请多提负面意见!谢谢。



http://blog.sciencenet.cn/blog-414978-1082840.html

上一篇:和文科生聊聊进化论:安邦宜守,乱世当变
下一篇:与文科生聊进化论:一阴一阳谓之道

41 陈楷翰 武夷山 姬扬 应行仁 左宋林 黄永义 孟佳 张亮生 张晓良 朱玉镖 李毅伟 蔡宁 胡良军 李红雨 谢平 宁利中 王启云 胡大伟 苏德辰 杨正瓴 高建国 李楠 许培扬 杨艳明 戎可 周健 迟延崑 郭景涛 冯大诚 吕健 余国志 杨顺楷 郑永军 陈永金 曹则贤 白龙亮 徐志刚 王德华 张海权 liyou1983 zjzhaokeqin

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (38 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2020-9-30 11:08

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部