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演化讓崖燕躲過車禍--《科學月刊》

科學月刊_96
・2015/10/29 ・1439字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 499 ・六年級

許家偉/輔仁大學生物系畢業、陽明大學微免所博士;曾任職加州大學洛杉磯分校(UCLA)微免暨分子遺傳系、南加大(USC)分子藥理學系;現任職於生物科技公司,負責產品研發。

生物學者發現鳥兒能否躲過橫衝直撞的車輛,原來全憑兩翅的長度,這個研究也使人們在有生之年一睹動物的演化!

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崖燕體長約 15 公分,展翅後闊 28~30 公分。 Source: Don DeBold
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築在公路橋底的飛燕鳥巢。 Source: Wiki by NJR ZA

每年在美國有 8 千萬隻雀鳥被車輛撞死,在歐洲各國每年也有35萬至 2000萬不等的雀鳥命喪車禍。既然這是「鳥」命關天的事,演化的機制——自然選擇(natural selection)——是否會青睞那些擁有躲過車禍(不被車輛撞到)能力的雀鳥呢?

美國奧克拉荷馬州塔爾薩大學(University of Tulsa)生物科學系的布朗博士(Charles R. Brown)30多年來在內布拉斯加州(Nebraska)西南平原研究崖燕(cliff swallows,學名Petrochelidon pyrrhonota)的社會行為。由於當地的平原地貌缺乏懸崖峭壁,崖燕只好在高速公路或鐵路的高架橋底築巢。布朗每天要開車巡視40個不同的崖燕聚居地點去收集崖燕棲息的數據,但有時候他會發現路旁遺留著被汽車撞死的崖燕屍體,他就停下來「撿屍」,由於很多鳥屍的驅體外觀都很完整,他就本著別浪費的心態,將它們製成標本,並且登錄保存。

布朗察覺到,從1982~2012年這 30年裡,在城裡築巢的崖燕數目越來越多,但那些橫死在路旁的崖燕卻越來越少,他想知道:是否崖燕對於馬路上車輛橫衝直撞的環境發展出適應性呢?(換一個白話一點的問法就是:崖燕是否已演化出閃避車輛的能力?)

在他排除兀鷹之類的動物吃掉屍體以及車輛流量改變這些因素後,決定將那些被車撞死的標本跟那些在鳥巢中自然死亡的崖燕拿來比較一番,布朗發現兩者只有一個差別——翅膀的長度。被車撞死的崖燕有比較長的翅膀(最多集中在 109~110毫米長),但在鳥巢裡自然死亡的崖燕,其翅膀的大小則出現隨機的狀況。經仔細比對以及統計分析後,他計算出在這30年當中,內布拉斯加崖燕族群的翅膀長度呈下降的趨勢(30年內崖燕翅膀的長度平均值從111毫米下降至107毫米,少了4毫米),但被車撞死的崖燕,其翅膀長度則是續年上升(30年內從108 毫米上升至最長111~112 毫米,平均多了約4毫米)。

綜合起來,布朗博士的研究證明在內布拉斯加的公路環境下,自然選擇傾向保留較短肢膀的崖燕,因為短肢膀的崖燕有能力避過車子的碰撞,這是由於長的肢膀呈現較低的翼載荷(wing loading)能力,使飛行中的雀鳥不容易做出垂直抬起的動作去避開行駛中的車輛。對於這個演變,在馬路上穿梭的車輛就是這個現象背後的選擇壓力(selective pressure),使得那些能避過車輛的崖燕能夠存活下來,再經繁衍將短翅膀這個具生存優勢的特質遺傳下去。

對於演化生物學的研究,人們一直以為只有在「微生物」或「昆蟲」這些生命週期短的物種上,才有可能在數年內見證到演化的效果,但布朗博士這項研究告訴我們:如果我們夠細心、有恆心,再加上生物統計學學得好,是可以在有生之年親眼目賭一個「動物」的演化績效。

參考資料:

  1. Brown, C. R. and Brown, M. B., Where has all the road kill gone?, Current Biology, Vol. 23:233-234, 2013.

200〈本文選自《科學月刊》2015年9月號〉

延伸閱讀:
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鳥界噁男出沒!雌鳥該如何自保?——白頸雅各賓蜂鳥的毛色演化策略

Fisher_96
・2021/10/21 ・2775字 ・閱讀時間約 5 分鐘

鹿的鹿角、大象的象牙、動物的體型大小、蝴蝶的特殊斑紋等,這些都是在自然界中動物為了繁衍後代、雄性動物們為了吸引雌性動物進行交配,而針對本身與其他雄性個體的「競爭特徵」進行強化或是展現外觀特色的演化結果。這就是達爾文早在 200 多年前提出的性選擇理論:同一性別的個體(通常是雄性)為了競爭有限的交配機會,會促進性狀的演化。

透過性選擇,動物在演化過程中也產生了新性狀,並造成了個體差異。而這些差異有時會產生全新的功能,對天擇演化作出貢獻。

為了避免騷擾,雌鳥演化出雄鳥的鮮艷羽毛

這樣的演化結果在鳥類中又特別明顯。大部分的鳥類,雄鳥幾乎都比雌鳥擁有更鮮豔的羽毛色彩,也就是鳥類透過鮮豔的羽毛色彩,以吸引雌鳥進行交配,保障自身的繁衍可能。但是,科學家們發現,有些鳥類的雌性也有部分會擁有與雄性外觀相似的鮮豔羽毛,他們還發現,這些雌鳥演化出鮮豔羽毛的原因,竟然是為了避免遭受雄鳥的騷擾。一種叫做白頸雅各賓(white-necked jacobin , Florisuga mellivora)的蜂鳥,就產生了這樣的現象。

白頸雅各賓是一種大型蜂鳥,分布於墨西哥到秘魯、玻利維亞和巴西南部等地區。因為頸背上有一條白色的帶子,也被稱作有領蜂鳥(collared hummingbird)。

白頸雅各賓頸背上有一條白色的帶子,也被稱作有領蜂鳥。 (圖/EOL

白頸雅各賓的雄性和雌性外觀差異相當大,雄性白頸雅各賓(上圖)有閃閃發光的藍色頭部、綠色背部、白色腹部和尾巴,脖子後面有一條白色帶子;雌性白頸雅各賓(下圖)的羽毛雖也是由綠色和黑色構成,但顏色明顯較為黯淡柔和,並有深色的尾巴。

雌白頸雅各賓。 (圖/EOL

一般來說,在鳥界中,鳥類的幼鳥外觀都會跟成年的雌鳥比較相似,也就是擁有顏色較黯淡不起眼的羽毛外觀。但白頸雅各賓卻不一樣,他們的幼鳥看起來卻和成年的雄鳥比較相似,都擁有顏色鮮豔的羽毛。

大部分的幼年雌鳥在成長的過程中與一般鳥類相同,羽毛的顏色會朝著異色外觀(成年雌鳥的一般毛色)進行轉變。但是,大約有 20% 的幼年雌鳥,在成年後的羽毛顏色依然會維持與幼年時期相同的鮮豔色彩,這樣的外觀使他們看起來就像一隻雄鳥。因為這樣的特徵,白頸雅各賓與一般成年後具有「兩性異態性」(同種生物雌雄之間的差異)的鳥類不同,雌性外觀具有多種型態的特徵,因而造成三種不同外觀樣貌的白頸雅各賓:(顏色鮮豔的)雄性色雄鳥、(顏色鮮豔的)雄性色雌鳥、(一般顏色的)異色雌鳥。

約有 20% 的幼年雌鳥成年後的羽毛顏色依然維持與幼年時期相同的鮮豔色彩,使他們看起來就像一隻雄鳥。圖/參考文獻 1

依據達爾文的性選擇理論,我們可以猜測,或許雄性色雌鳥的羽毛顏色,是為了要在成年後做為雄鳥的配偶選擇時,可以對雄鳥有較大的性吸引力,因此在成長過程中才會有這樣保留鮮豔色彩的情形?

從實驗中找到答案,雄蜂鳥的跋扈全曝光

為了搞清楚原因,研究人員設計了一個實驗,他們在一個餵食器的周圍擺放了三種組合的兩個不同標本進行實驗:(1)異色雌鳥與雄性色雄鳥(不同性別、不同羽毛顏色)(2)異色雌鳥與雄性色雌鳥(同性別、不同羽毛顏色)(3)雄性色雌鳥與雄鳥(不同性別、相同羽毛顏色),並觀察白頸雅各賓對標本的對待方式,觀察牠們會不會依據毛色而對不同個體而有不同。

結果,研究人員觀察到,與性選擇假說的預測相反,雄性在交配選擇上,仍然是對異色雌鳥(顏色比較黯淡的一般雌鳥),而不是雄性色雌鳥(長大過程中保留了鮮豔羽毛顏色的雌鳥),表現出更為明顯的偏好,只要實驗組中有異色雌鳥的標本,所有雄鳥第一次選擇發生交配行為的對象都是異色雌鳥。

另一方面,研究人員還觀察到,白頸雅各賓的個體交互行為中,雄鳥對異色雌鳥表現出攻擊性的狀況是 100%,卻不會對雄性色雌鳥表現出攻擊性,顯示出羽毛顏色才是雄鳥選擇性攻擊的原因,而不是性別本身。而在這個實驗的影像紀錄中,研究人員同時觀察了四周其他蜂鳥的互動,發現這些對標本的攻擊行為模式,與其他蜂鳥互相追逐的觀察結果一致:

雄性色蜂鳥(無論實際上是雄鳥或雌鳥)更常對其他各體進行攻擊,並且異色蜂鳥被追逐與攻擊的機率遠高於雄性色蜂鳥(無論實際上是雄鳥還是雌鳥)。

雄白頸雅各賓。 (圖/EOL

這樣的觀察結果讓研究人員更加確定,雄性色的羽毛可以幫助雌鳥免於雄鳥的攻擊,因此雌鳥將自己偽裝成雄性,可以降低自身受到雄鳥騷擾的機率,而這件事甚至比吸引雄鳥交配還要更重要。除此之外,雄鳥也會對有更多食物資源的餵食器展現出更高的控制性,因此雄鳥會傾向透過啄食或碰撞來攻擊雌鳥,以獲得對食物的支配地位。而雄性色雌鳥因為較不會受到雄鳥攻擊,而能取得更多的食物資源。

「這項研究的其中一個靈光一閃,是當我意識到所有幼年雌性都有艷麗的顏色的瞬間。」現任華盛頓大學(University of Washington)、前康乃爾大學鳥類學實驗室(Cornell Lab of Ornithology)和史密森尼熱帶研究所(Smithsonian Tropical Research Institute)的鳥類學家傑‧福爾克(Jay Falk)說,「在生物界中,一個幼體看起來像雄性的生物是很不尋常的事情,所以一定有些原因在對他們的演化進行作用。

大多數具有兩性異態的鳥類羽毛顏色往往更接近雌性,因為較不顯眼的顏色有助於保護脆弱的除鳥免受捕食者的侵害。雄鳥較不會對雄性色個體進行攻擊的這件事情,正好可以解釋蜂鳥幼鳥顏色的特殊性。

白頸雅各賓幼體為鮮豔顏色的事實同時也說明了,對他們來說,比起外在的捕食者,他們更需要想辦法免受自己的同類傷害。

物種演化——仍有等待挖掘的謎團

當然,性選擇理論在生物的演化中的確會發揮一定的作用。只是包括這個實驗,目前有越來越多的證據顯示,生物之間基於非性相關的社會互動也可能在外觀的演化中發揮作用,因而改變生物的性狀。研究團隊也希望在未來的研究中,利用他們的發現,來了解其他物種演化出性別異態的性狀的原因與方式。

「其實研究這件事,你不需要去找一隻你不認識的動物,來探詢有趣的事實或是啟發性的結果,蜂鳥是很多人都喜歡的動物,很多人都和蜂鳥很熟悉,但是他們仍有一些我們沒有注意到或研究過的謎團。」福爾克說「想挖掘有趣的生物事實,你可以從看看每個人都喜歡的動物開始。」

參考文獻

  1. 2021,《Male-like ornamentation in female hummingbirds results from social harassment rather than sexual selection
  2. EOL,《Oiseau Mouche A Collier

Fisher_96
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想藉由慢慢把知識收入囊中的方式來長大的一條魚,著迷於各種領域知識,想嘗試把困難的事情變簡單,並試著找方法讓自己跟別人都可以享受沒有目的性的吸收知識的快樂。
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