生物种群有寿命吗?灵长类100万年是最短的种群

一部分种群可以谈寿命,但不普适且不够“内因”。

利用古生物学的化石记录,可以算出某些物种的平均存续时间,可以将其描述为“物种的平均寿命”(后附列表)。某些特定化石给出的数据可以精确到种群水平。不过,许多生物看起来没有自然寿命限制(后详)。物种寿命更多地反映了环境耐性,而不是冷门科幻点子之“物种有内在因素预设的寿命”。

种群是比物种和更高的林奈类别更动态化的,物种演化为新物种的伪灭绝现象会导致旧种群消失。

例如,恐龙总目并未在白垩纪 - 古近纪灭绝事件中彻底灭绝,鸟是恐龙。不过,那时的恐龙种群早就不存在了,那时的物种早已伪灭绝或真灭绝。

由于地球环境的变化趋势,地表绝大部分物种剩余的预期寿命不到十亿年,相应种群只会比这更短,但这是外因决定的。还有一些物种看起来能越过这界限。不考虑人类活动造成的影响和“地球上诞生新的技术文明”之类因素,地球上的多细胞真核生物可能在约 8 亿年后灭绝,真核生物可能在约 13 亿年后灭绝[1]。可能有一部分特别耐环境的多细胞真核生物与原核生物一起长久地存续。

多细胞原核生物可以期待继续存在的时间可能与单细胞原核生物没有什么特别的差异,约 16 亿到 28 亿年,乃至更久。

太阳的亮度每 1.1 亿年增强约 1%,这增速在慢慢加快。在约 10 亿年后,亮度增强 10% 的太阳可以让地表温度升至 47~70 摄氏度,大量蒸发海水,形成正反馈[2]。

早在那之前数亿年,地表温度上升引起的化学反应加快就可以导致大气二氧化碳浓度崩盘,杀死大量多细胞真核生物:

硅酸盐矿物的风化速率增加,大气中的二氧化碳转化为碳酸盐的速度加快。如果没有什么生物演化得能高效率分解碳酸盐,从现在起约 6 亿年后,大气二氧化碳浓度将低于维持 C3 光合作用所需的下限(约百万分之 50),引起大量植物死亡,从而带走依赖它们的许多动物。

C4 光合作用需要的大气二氧化碳浓度下限约百万分之 10,允许 C4 光合作用从现在起继续进行 8 亿到 12 亿年。

你可以预期“植物演化得更擅长固定低浓度二氧化碳,会加速大气二氧化碳浓度的下降”,从而形成自我毁灭的趋势,让植物在 5 亿到 9 亿年后提前灭绝

一些微生物能在二氧化碳浓度低至百万分之 1 的情况下进行光合作用。约 16 亿年后,这种光合作用也难以再进行下去,地球生命将进入“在深层地下靠化能自养·辐射自养·红外线光合作用等维持”的时代。预计这可以持续到 28 亿年后[3]。你可以预期“有一些多细胞真核生物可以和微生物共生到那个时候”。

有学者估计,在约 30 亿到 40 亿年后,地球上会发生金星现在展示的失控温室效应,而且那时太阳的光度会比现在强得多,地表温度可以达到 1330 摄氏度[4]。这可能足以歼灭地球上所有的多细胞生物,或是所有地球生物。

Wikimedia commons user RJHall. CA SA-3.0. based on Ribas, Ignasi (February 2010) Solar and Stellar Variability: Impact on Earth and Planets, Proceedings of the International Astronomical Union, IAU Symposium, volume 264, pp. 3-18.

8 亿年对生物演化来说是一段很长的时间,“某些多细胞真核生物演化得能够生活在深层地下”并不是什么不可思议的事,但那些生物不会被判定为旧的物种、种群。在这种情况下,多细胞真核生物存在超过 8 亿年的主要障碍不是天空中灼热的太阳,而是“多细胞生物在削减复杂度、提高环境耐性时可能变为单细胞生物”:

一些单细胞绿藻,例如小球藻,有证据显示是从石莼纲演化过来的;

一些单细胞红藻,例如 Porphyridium cruentum,有证据显示是从多细胞变成单细胞的;

那不是真核生物的特色,蓝菌至少 5 次从多细胞变成单细胞;

粘孢子虫可能是某种刺胞动物的癌细胞独立为单细胞生物物种然后再次多细胞化的产物;

袋獾传染性面部肿瘤、犬传染性生殖道肿瘤、双壳类传染性白血病的病原体是这些物种身上癌变的细胞,这些癌细胞可以在个体间传递。犬传染性生殖道肿瘤的癌细胞已经重新稳定了染色体组,一些学者认为这可以视为从哺乳纲演化成了单细胞生物(但仍然有人认为这些癌细胞没有严格的世系)。

在太阳变成红巨星后,其光度将足以烤得碳酸盐岩石将二氧化碳重新释放到地球大气中。

这些对人来说完全不重要。显然,如果人类或人类的后继者的技术文明可以存在到上述时间,即使不考虑他们早就可以将太阳拆成红矮星与大量氢储备的概率,“在地球上或地球轨道上配置大量的反光镜”之类听起来十分呆萌的手段就能解决这些问题。不过,人本身大概不会保持当前的生物学身体。

对化石进行的研究显示,个体能耗高、繁殖慢的物种高概率比个体能耗低、繁殖快的物种先灭绝。

McKinney 在 1997 年研究了各种生物的化石,估算了已灭绝物种的平均存在时间:

珊瑚 2500 万年,

双壳类 2300 万年,

底栖有孔虫 2100 万年,

苔藓虫 1200 万年,

腹足纲 1000 万年,

浮游有孔虫 1000 万年,

海胆 700 万年,

海百合 670 万年,

单子叶植物 400 万年,

马属哺乳类 400 万年,

双子叶植物 300 万年,

淡水鱼 300 万年,

鸟 250 万年,

马属之外的非灵长哺乳类 170 万年,

昆虫 150 万年,

灵长类 100 万年

上述经验对存续时间超出平均水平 15% 以上的物种(尤其是人和昆虫)的适用性比较有限。人们豢养的家禽、家畜、农作物也可能受此影响呈现反常。

堪萨斯大学的 Luke Strotz 等研究人员考察了过去五百万年间灭绝的软体动物的代谢率,发现代谢率低的物种比代谢率高的物种灭绝的概率更低。高代谢率可以作为很好的灭绝预测因素,尤其是那些栖息地较为受限的物种。

这项研究显示懒惰是一种高效的生存策略,无论是对个体、物种或是生物群落而言。

用软体动物来研究“新陈代谢速率对灭绝率的影响”是因为目前科学家在这方面有大量可用的数据。

参与相关研究的科学家称“长期来看,动物最好的演化策略或许就是保持慵懒的状态,这种慵懒指的是较低的代谢率,这样生物更容易存活下来”“相比于‘适者生存’,更合适的说法或许是‘懒者生存’”。

小体型的动物传代更快、细胞代谢通常也比同一纲的“大中体型动物”要快(但小体型动物个体的总细胞数更少,个体的能耗还是比大中体型动物低),在分子水平具有更高的绝对进化率,种化得快并不值得惊讶。值得惊讶的是对哺乳类来说大体型物种的起源速度并不慢,大体型物种的高灭绝率才是拖后腿的[5]。

我们目前观察到的规律是,动物灭绝的风险与物种种群的大小直接相关,个体数量少的种群比个体数量多的种群更容易灭绝。单位体重需要的资源可能随体型增加而略有减少,但大中型动物个体每天需要的资源的绝对数量要多于小型动物个体,这导致大中型动物具有较低的种群密度,灭绝率也就较高。


经验规律是这样的:

动物的种群密度,通常随其体重^-0.75 所得的数值减少而减少。

这根据具体物种有一定的偏差,例如鸟类的数量比这计算出来的明显少,水生无脊椎动物的数量则比这计算的明显多,同体重下食肉动物的数量比食草动物的数量明显少。

目前还不知道人的智能有没有强到足以改变上述统计规律。

Frederick Colwell 和 Steven D'Hondt 在 2013 年的《深层生物圈的性质和范围[6]》中写道:

我们不知道这些地下环境中的微生物是否以如此缓慢的生物量周转率繁殖,或者在不分裂的情况下生存几百万到几千万年

含水层[7]与沉积物中的微生物的新陈代谢速率远低于地表的微生物,完成简单的新陈代谢步骤需要数百到数千年。南太平洋环流深层海洋沉积物中的细菌早已停止细胞分裂,将极低的能流全部用于自我修复来维持生命[8]。按照“演化需要传代”的一般定义,不传代的活微生物不演化,它们仍是过去那个物种。而且,即使你同意“演化并不需要传代、只要可遗传性状明显变化就行了”,上述微生物的可遗传性状在漫长的时间里很可能并没有变化。

太平洋海底 2000 米深处有 500 万到 3000 万年历史的煤炭与沉积物中,每立方厘米有 50 到 2000 个活细菌,实验显示这些细菌在营养充足的条件下传代可能需要数十天到 100 年[9]。

可以看看研究人员如何培养有 2000 万年历史的煤层里的细菌[10]。

从中国湖北云应盐矿里找到的始新世细菌是多倍体[11] [12],多倍化有助于对抗时间流逝。

2019 年,日本研究人员在深海沉积物里找到一群以极低能耗生存了约 1.015 亿年的需氧细菌[13]。

细菌亦可长时间休眠。2000 年,美国西切斯特大学研究人员从新墨西哥一处核废料储存场的通风竖井里找到的一块2.5 亿年前形成的盐结晶包含 4 种休眠的细菌,它们在实验室恢复了生命活动。对盐结晶进行的灭菌程序将这些细菌来自现代细菌污染的概率降到十亿分之一以下[14]。2006 年,这些研究人员又唤醒了一些盐结晶里的白垩纪嗜盐古菌[15]。

在休眠期间,细菌的新陈代谢接近停止,以极低的能耗修复身体,一部分损伤被搁置到苏醒后修复。细菌自我唤醒的信号是数百个钾离子提供的电位差。这些细菌的基因序列与休眠前几乎一样。

你可以注意到,休眠与极低能耗的非休眠状态没有绝对的界限。

R J Parkes 建议,上述发现意味着细菌在没有科技的情况下实现了生物学低级永生。

多细胞生物的低级永生要更脆弱一些,可以参照:

年龄的增加动物的生存经验也增加,生存能力应该更有优势,那么为什么没有进化出永生的基因呢?

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