物种灭绝中的第一冲击效应

1、物种灭绝与捕食者猎物动态的关系广义的捕食者概念包括草食者肉食者和寄生虫。 在由捕食者与猎物种群密度 构成的坐标系中捕食者与猎物种群常常围绕着一个平衡点按照一定的周期摆动。 捕食者种群跟随猎物种群的变化而变化，但落后于猎物种群。当受到外界条件影 响后，随机干扰可能会增加其摆动的幅度，甚至触及某个坐标轴进而一个种群灭 绝或两个种群同时灭绝。捕食者大爆发往往使猎物遭遇恶运。 例如松毛虫的大爆 发使针叶林受到严重危害，原分布于美国东北沿海的松鸡的灭绝和苍鹰的大爆发 有直接关系。不同的草食者采食植物的不同部位。 有些是食叶性的有些是食果性的，有些 则是食幼苗性或食种子性的。大量草食者的存在能够在短期内使

2、一个物种的个体 数量迅速减少，草食者和特定植物种个体数量的动态平衡更常见只有在特殊情况 下，如受新侵入或新引进的食草动物，昆虫病害的流行以及恶劣气候等方面的影 响下，这种动态平衡才会被破坏。在草食者和特定植物种之间长期以来所建立的 动态平衡被打破之后，系统中某些物种有可能会变得十分脆弱。 在接踵而来的各 种外界干扰下不能有效地应变而有可能灭绝， 除自身的直接作用外捕食者也间接 地影响着其他物种的竞争。例如水獭的出现可以彻底消灭海胆而海胆则以多年生 的海藻为食，在没有水獭时海胆的数量增多这时一年生的海藻占绝对优势，相反当水獭普遍出现时海胆几乎消失多年生的海藻占绝对优势最终一年生的海藻彻 底消失。

3、捕食者和猎物种群的大小经常发生波动， 同时环境也不断地发生变化，一些 偶然性因素会使两者之间的平衡失调。此时捕食者或猎物种群便可能出现低于维 持正常生存所需要的个体数目的现象，这样由于个体数目极为稀少而且不能有效 地适应变化的环境该物种则随时存在着灭绝的可能。物种灭绝与病菌及病害的流行从适合度意义上讲，有毒病菌的适应性很差，这是因为有毒病菌使寄主致死 或严重衰弱的同时，也不可避免地导致了自身的灭亡。 病菌常常是导致物种灭绝 的一个重要因素，在这方面病菌和捕食者具有共同的特点，即病菌的生存往往建 立在寄主或被食者生存活力的基础之上，这种相互依存关系的自然结果是形成特 有性平衡。在这种情况下病菌的

4、致病能力减弱，这是在长期的协同进化过程中逐 渐形成的。在这一过程中被寄生物种对病菌逐渐产生了抗性，同时病原体的毒性也逐渐降低，由此推论病害的广泛流行应该是相当罕见的， 只有在长期存在的生 态平衡被打破的情况下，该区域才有可能发生广泛的病害流行。病害流行通常可 分两种情形，即当易受感染的寄主物种从未受病菌感染的区域迁入，病菌感染强烈的地区时；当病菌传入没有病菌传染的地区时。 一些学者认为在一个孤立的生 物区系中突然流行病害往往出现灭绝波。导致病害流行的一个因素是接触传染种 群成员的频繁接触，为高毒性感染病菌的存活创造了必要的条件。现代城市居民 最容易遭受严重的病菌流行的感染，而史前人类由于分别生

5、活在较小的被隔离的 区域则很少发生病菌的广泛传播。显然如果一个物种的不同种群分别生存在相对 隔离的地区则可避免病菌的严重感染。避免因病菌的广泛流行所导致的灭绝，许 多物种的镶嵌分布式样也许是生物在漫长的进化过程中逐渐发展起来的适应策 略。综上所述竞争捕食和流行病等单个因素都不可能导致一个物种的灭绝，尤其对稳定发展的陆地生物区系来说更是如此。 就现在所掌握的资料来看，除岛屿外 至少近300年来还没有发现任何一个物种的灭绝纯粹是由于这些因素单独作用 的结果。然而这些并不能说明上述因素对研究灭绝和进化不重要，它们之中任何一个的存在都使物种增加了能量和遗传上的负载， 再加上某些时期内种群中个体 期望寿

6、命缩短，就会改变生物种群的大小和缩小其分布范围， 在这种情况下接踵 而来的偶然事件就容易将一个物种推向灭绝。物种灭绝中的第一冲击效应松鸡原广泛分布于美国东北部沿海地区从缅因州一直到弗吉尼亚州。19世纪这一地区的工业迅速兴起，人口急剧膨胀，松鸡遭到大量捕杀，由于捕杀过度， 该种很快从原分布的绝大部分地区消失。1870年松鸡仅生存于马萨诸塞州的一 个小岛上，到了 1908年该小岛上的松鸡只剩下50只，1908年建立了 1600英 亩的保护区后，这50只松鸡才得以保存下来。到1915年该岛上的松鸡已自然 增殖到2 000只。然而1916年以后，该岛上接踵而来地发生了导致松鸡灭绝 的一系列事件。首先，

7、是森林火灾然，后是松鸡的捕食者苍鹰的大爆发，再是百 年罕见的低温冻害天气，加上由于种群数目的减少和性比例失调所引起的近交， 以及来自家养火鸡的病菌传播流行。这些连续性事件致使松鸡到1927年锐减到 11只雄鸡和2只雌鸡。到1928年底仅剩1只。该只松鸡于1932年3月11 日死亡，从而宣告松鸡从地球上灭绝。松鸡的灭绝过程可分为两个阶段，第一阶段对松鸡的生存从未有过的强烈冲 击，即人类大量无度的捕杀该阶段，使松鸡的地理分布范围迅速缩减。 第二阶段 则始于1916年，即一系列接踵而来的生物学和物理学事件使该种最终走向灭 绝。倘若没有第一阶段突如其来的强烈冲击使之仅生存于一个小岛上，第二阶段中任何一

8、个事件的发生都不可能有如此巨大的效果。无论是火灾苍鹰捕猎、低温 冻害天气、还是近交和病害流行只会使其中的一个地方种群消失但要使该种彻底 消失是不可能的。由此可见第一阶段对松鸡突如其来的强烈冲击，即人类的过度 捕杀是造成松鸡最终灭绝的首要因素，这就是第一冲击效应。如果没有第一次远 远超过其适应能力的突如其来的强烈冲击， 一个已建立起完善的适应体系的物种 很难迅速灭绝，由此看来当一个强烈的冲击使一个物种的地理分布或其他适应体 系支离破碎时该物种就很容易在一系列偶发事件中走向灭绝。物理学机制物种有其特定的生存要求，只有在特定的生存条件下才能稳定地发展，即使世界性分布种也不例外。从化石记录可以看到一些

9、世界性分布的类群在世界性气候和地质变化中常常灭绝，这并非是生物内部的原因而是生物赖以生存的环境条 件被破坏和变更的缘故，导致生境条件变更和破坏的因素可划分为3种类型即缓慢的地质变化气候变迁和灾变事件。物种灭绝与缓慢的地质变化使生物生存条件变更的缓慢地质变化主要指地球板块的移动、海域消失以 及由此而产生的大陆生态地理条件的缓慢变化。 地壳整个布局的改变破坏了原来 的生存条件，同时又创造了新的生存环境。如二迭纪和三迭纪交界时期超级大陆 联合古陆的形成使大量生存在大陆架上的海洋生物灭绝，同时又为陆地生物的进化创造了必要条件，也正是在这一缓慢的地质变化中裸子植物逐渐取代了蕨类植 物成为植被中的优势成分

10、。物种灭绝和气候变迁气候的变迁改变了生物在纬度和经度上的分布范围， 气候的变迁还往往造成 大量物种灭绝。根据化石记录晚白垩纪全球气候的干旱化使的海生生物属彻底灭 绝。陆地动物遭受灭绝的规模更大，第三纪始新世末期由于气温迅速变冷许多在 古新世后期和始新世占优势的植物类群灭绝。第四纪冰川的影响又使大量的植物 类群销声匿迹，分布在岛屿的物种在气候发生变迁的情况下更容易灭绝。大陆上尽管具有广阔的空间然而物种对其分布范围的调整并不如我们所想象的那样轻 而易举。上述地质时期大量生物类群的灭绝就是例证。对于一个长期适应于某一 特定气候的物种或分类群，其适应性以及适应性的调节范围总是有限度的。 高纬 度地区冬

11、季的寒冷和短光照使得长期生存在热带地区的植物种类难以适应，每一个物种或分类群都有其固定的生活节律生物钟，它的调节幅度是很有限度的。气 候的变化或变迁超过了某一物种或分类群的调节限度，就可能导致该物种或分类 群不可避免地走向灭绝。物种灭绝和灾变事件生物类群的大灭绝往往和地球上重大的灾变事件相关联。有些仅发生在局部 区域有些则是全球性的。根据到目前为止所有的化石记录和地质上大量资料的统 计和分析，揭示出地球历史上生物界曾经历了几次重大的灾变即奥陶纪后期泥盆 纪后期、二迭纪后期三迭纪后期和白垩纪后期这5个时期都出现了生物类群的大量灭绝。如二迭纪后期海洋生物中属消失。甚至有可能种类灭绝Raup1979

12、仅 有4%的种类幸存下来这些灾变事件有些是地球内部的自身运动所致如海退现象 火山爆发造山运动及海洋作用有些则是来自外部空间的干扰如太阳系中一些小 行星和地球的相撞超新星supernova的爆炸等这里仅就可能导致地球灾变事件 发生的因素及其原因叙述如下。海退现象中的生物区系危机海平面的下降常常关系到多次生物区系的危机时期海退明显地使大陆架生 物类群生存空间的减少导致种群数目的急剧减少最终使大量物种灭绝如二迭纪 后期地球历史上最严重的生物区系危机可能是由于巨大的海退所致尽管海退在 减少海洋性生物生存空间的同时又扩展了陆地生物的生存空间海退所导致的全 球性气候变化仍使陆地生态系统不可避免地遭受到严重

13、破坏并导致大量物种灭 绝当大陆普遍被浅海覆盖时全球气候相对一致呈现温暖和湿润的气候海退则破 坏了这种温和的海洋性气候产生了从海域到内陆气候的差异并且普遍出现干旱 和气温的急剧变冷大陆性气候的季节变化显著增强尤其值得提出的是气温的急 剧变冷常常是生物区系发生严重危机的前兆8.125火山爆发和造山运动所引发的生物大灭绝火山爆发直接导致大量生物灭绝短时期内大量的火山爆发时其效应与小行 星与地球相撞所产生的气候效应相似大量的火山灰冲入大气层加强了地球对光 的反射能力使辐射到地球表面的太阳光迅速减少导致地球表面的气温急剧下降 几次生物区系的危机均发生在火山爆发和造山运动时期如奥陶纪后期泥盆纪后 期和白垩

14、纪后期所发生的3次生物大灭绝事件均伴随着火山爆发和造山运动eGhee 1989大多数火山爆发的持续时间和生物大灭绝时期相吻合火山爆发对环境造成的压力最终导致地球局部生态系统的毁灭8.126来自太阳系的灾变事件和地球生物的大灭绝近年来古生物学中一个有争论的问题是关于是否有一个体积巨大的小行星 和地球相碰撞从而导致了晚白垩纪生物界的大灭绝Alvarez等1980据推测这颗小行星的体积大约是火星体积的一半来自于火星和木星之间的行星带碰撞后 所带来的灾变性反应导致了地球生态系统的巨大破坏在全球范围中呈不连续分 布的麦斯特里希特时期之末的沉积岩中人们发现矿物质具有被冲击的特征另外 一种小球体small

15、spherule也在碳含量较高的同一地层中被发现这些小球体被 认为是由于撞击引起巨大火焰所产生的碳粒除含有异常铱元素之外其他地质化 学方面的异常现象也被认为是来自地球之外的这种碰撞对地球气候的影响力是 巨大的小行星在大气中燃烧以及和地球的相撞会产生大量的岩石碎片并弥散在 大气中至少要持续一个星期这种尘埃云会阻碍所有的太阳光线射入地面由于光 线强度极低光合作用不能进行因此在几个月之内地球表面温度迅速下降并一直 维持在零度以下除此之外大气中会出现氰化物氮氧化物等有毒气体并可能导致 全球性酸雨以及臭氧层的破坏等这种气候的大骤变势必对生物圈产生重大的影 响而全球性气温急剧变冷往往就是生物大灭绝即将来临

16、的征兆8.127来自外星系的灾变事件可能引发地球生物大灭绝长期以来人们就一直猜测生物的大灭绝可能是由临近太阳系的星球或超新 星的爆炸触发而产生的其爆炸所产生的高能级辐射对地球生命是致命性的因素 此外高辐射流使地球大气上层的气温急剧上升产生强度对流作用使大气低层的 水蒸气上升到大气高层并在大气高层结冰从而在大气高层形成全球性的冰冻云 层这一冰冻云层使地球对太阳光线的反射力迅速增强导致地球表面温度极度下 降太阳系在银河系中相对位置的变化周期也可能触发地球生物的大灭绝太阳系围绕银河系的平面做上下周期性运动运动周期为3.3千万年当太阳系离开银河系平面的中心位置进入两极时地球就会暴露在高能级辐射流中有可

17、能导致整个 地球的气候骤变另有一种假说是围绕在太阳系周围的欧奥特星云Oort cloud由于引力干扰使太阳系遭受彗星雨的袭击这一慧星雨在太阳系内就很有可能和地 球相碰撞Hut等1987天文力学研究表明当太阳系运行轨道穿过银河系平面中 的高密度区域或通过银河系的旋转背时往往会产生引力干扰前者周期为3.3千万年后者周期则为5千万年根据到目前为止所统计的资料地球上生物的灭绝周 期为2.6千万年看来两种引力干扰的周期和地球生物的灭绝同期不尽一致尽管 如此这些假说仍不失为探索地球生物灭绝原因的一条线索人类活动对生物区系的巨大冲击人类活动对生命界进化的冲击首先表现在对地球生态系统的巨大改变。一些大型动物由

18、于被人类的大批杀戮而绝种，更多的动植物种类主要由于人类改变环 境而灭绝。地球表面40的区域被人类作农业城市公路和水库之用那些天然的动 植物区系被农作物、混凝土建筑和其他人工产品所替代。尚未灭绝的物种也面临着人类活动所引起的巨大的环境挑战。如巴西的圣保罗地区从公元1500年至1845年间仅有2的森林被毁，然而自1907年以来90的森林已被毁灭殆尽。 至80年代初全球41的热带雨林已经消失。统计资料表明人类目前对热带森林 的破坏仍以大约每分钟47ha的速度进行着照此下去热带森林将在 25年到50 年内消失。大量的热带生物种类在生物系统学家还未来得及鉴定归类之前就会消 失掉。Frankel等1981

19、由此可见森林的破坏程度和人口的稠密程度的相关关系 是不言而喻的，但同时更和人类获取自然资源的方式以及人类对自然认识的观念 密切相关。人类除了自身活动直接造成生物种类的灭绝之外其间接影响也是巨大的。人工引种以及以人工造林代替天然森林常常改变某一区域的植物群落结构从而打 破了该区域各个生物类群包括动物植物和微生物长期以来所建立的平衡。此外人工生态系统仅仅由单一或少数几个物种组成如农作物种植人工造林使得遗传多 样性和变异性降低，因此是一种潜在的危险状况在人工生态系统中一种新的寄生 病菌或掠食者可能使一个物种完全毁灭。 例如1970年美国的玉米就受到一种地 方性蠕虫病的侵害人类活动也是许多植物和动物病

20、害流行的直接或间接原因。现代工业所排出的废气使大气中的二氧化碳含量迅速增高导致全球性的大气温室 效应，气温的升高往往使陆地沙漠化扩大， 生态系统失调自然环境恶化从而使一 些物种失去了原有的生存条件而灭绝。目前动植物的进化速度不可能跟上人类改变地球面貌的步伐，地球历史上的大灭绝都经历了几百万年甚至几千万年的地质时期，而人类对森林的破坏导致的 大量物种灭绝则发生在几百年或更短的时间内。 有迹象表明地球上的许多陆地植 物和动物由于受到人类活动所产生的巨大环境压力正在迅速地被推向灭绝深渊。内在机制根据化石记录每次大灭绝之后随之而来的是许多次生物类群的强烈分化和 增殖一些全新的高级类群随之出现即生物类群

21、巨大的分化波恐龙灭绝之后哺乳 动物迅速扩展就是一个典型例子进化和灭绝看起来似乎是两种水火不相容的生 物学现象它既使生物走向完善又使生物跌入深渊然而掀开面纱究其本质便会发 现它们只是生命发展的两个不同侧面既是对立的又是统一的构成了生命发展中 永无止境的运动灭绝和进化创新人们可以想象如果没有物种灭绝生物多样性不可能不断增加。物种形成便会被迫停止。这样许多进化性创新如新的生命体和新的生命形式便不可能出现。由此看来灭绝在进化中的作用就是通过消灭物种和减少生物多样性来为进化创新 提供生态和地理空间。灭绝推动进化在高等生物中随处可见， 但在一些低等生物 中却有例外，最典型的是前寒武纪处于优势地位的细菌和其

22、他一些简单生物的早 期化石与它们现在生存的种类在形状和结构上很难区别，在漫长的地质年代里它 们似乎没有多少变化，但这是否能够说明在这些生物类型中从未发生过灭绝这个 问题还值得探索。物种灭绝与类群的系统发育年龄在系统发育过程中处于幼期阶段的类群仍缺乏对环境的有效适应，自然选择创造了这些类群同时常常在它们还没有来得及扩展自己时，又将它们扼杀在摇篮之中了。这些现象在生命界是普遍发生的， 对于新生类群来说幼期阶段则是它们 系统发育中的瓶颈阶段，在众多的新生类群中只有少数类群能够度过这一瓶颈阶 段。任何一个物种或类群既有它发生和扩展的过程，也有它衰亡的过程。古生物 学研究和化石记录表明地球上几乎所有的大灭绝事件中比较古老的支系往往受 到较大的影响。在正常的地质时期古老支系的灭绝率也比其他类群高得多，这些古老支系在系统发育过程中处于衰亡阶段， 其生存脆弱性是显而易见的。正像个 体生命的衰老过程，在受精卵形成的瞬间就已经开始了一样，灭绝过程在新的物 种或类群从其祖先种或姊妹种完成生殖隔离的同时即已开始倘若说一个个体的 生命是逐渐走向死亡的话那么一个物种或类群适合度也缓慢地被侵蚀直至其所 有进化潜能全部耗尽最终