生物演化与环境：关键因素

生命史已不仅是生物演化历史，也是地球演化史，更是生物与环境相互协调共振发展的历史。生命的演化，无论过去、现在还是将来，都在进行，今天人类的一切形态及活动都是生命演化的过程。如果认为生物演化是有方向性的，那么就是生物的生存对环境选择性越来越大，能够适应各种各样的环境。

生物与环境关系是共振关系，共振现象是宇宙中最普遍和最频繁的自然现象之一。在宏观世界，比如宇宙天体之间，存在共振现象，而且可以说共振诞生了宇宙，宇宙存在于共振中。在微观世界，无论细胞、微生物及更微观的粒子，也存在着共振现象，美国化学家鲍林（L.Pouling）在20世纪30年代提出来的一种分子结构理论也成为共振论。由此可推导出：两个独立存在的物质通过某种联系发生协调效应，就是共振现象。这种通过协调共振结合在一起的整体，就是共振体。

因此，生物体不仅本身就是一个共振系统，维持着生物体的能量及物质稳定，而且与环境形成共振体，从环境中获得物质及能量，其生存就是通过自身共振系统与环境共振实现的。比如，万物生长靠太阳，因此环境变化必然导致生物发生适应性演化，内在共振模式发生调整，方能维持生物与环境的共振关系，环境的变化必然引起生物演化，方可合拍协调，否则，这种生命体将无法获得环境的物质及能量。

（一）生物与环境关系分类

将生物与环境的关系分为超适应型、适应型及不适应型三种。

1.生物与环境超适应型关系

超适应型关系是指物种演化脱离环境中某种或某些因素的限制，具体表现为人类及人类主导的动物、植物的驯化杂交及基因改造活动。这种活动发生在1万年前，人类驯化小麦、稻米、烟叶以及各种水果蔬菜，还有猪、羊、狗、牛及家禽，开启了人类的农业革命，这些被人类驯化的生物，本身可以适应环境继续存活繁衍，但也附加为人类提供食物的功能，这种活动使生物体具备某种新的结构及功能，已经超出其现实环境中生存繁衍后代的需求。而现代生物学技术（如基因技术）为这种超适应型提供了高效技术手段，出现了许多新型转基因植物。

2.生物与环境适应型关系

这是生物演化历史的基本关系。适应型关系是指环境的变化引导着生物演化，生物为了生存必须被动演化的过程。环境适应型的生物演化是演化生物体具备的新的结构及功能，以满足物种在其现实环境中生存繁衍后代的需求。环境不断变化及物种不断遗传变异，使顺应环境变化或有修改的物种得以生存传代，逐渐形成了适应不同环境的新结构和新物种。生物与环境形成不可分割的有机整体，不同生物适应不同的环境，有不同的生态位，生物与环境的关系都是一致的，也就是共振体。例如，10多亿年前的早期生物以蓝绿藻等为优势种，适应低氧的地球环境，而现代生物同样只是适应或依存于现代富氧的特定环境。生物演化以结构修改维持了生物与环境的依存关系，延续了物种的生存周期，因此，适应性是生物演化的基本特点，实质上是环境对物种的选择（自然选择），即环境多样性导致多样性的自然选择对遗传突变变异导致物种多样性的筛选过程。适应性和多样性是生物演化的基本特点，它解释了地球上不同生物产生与灭绝的原因，或不同类型生物的地理分布，包括历史分布及生态分布等。

3.生物与环境不适应型关系

不适应型是指环境的变化与生物演化不能匹配，导致生物物种消亡，如恐龙的灭亡。

（二）生物与环境适应型关系的分类

生物与环境适应型关系可分两个亚种：一种是生物演化适应于环境，另一种是环境改变适应于生物。

1.生物演化适应于环境

根据环境的特点，生物的演化所形成的结构功能保障物种能够生存繁殖于此环境，环境变化主导物种演化（自然选择等）；环境变化的无方向性，导致物种演化的无方向性，因此，不同的环境有物种的种类及结构不同；演化成功与否，取决于物种，结果是维持了物种环境关系或适应了新环境，一些不能适应环境的物种灭绝，产生新、旧物种交替。另外，人们一直认为生物由简单到复杂结构演化，遵循由简到繁的渐进演化规则。但有的生物（如寄生虫）的结构也在不断简化，如数量庞大的简单生物就一直保持简单的构造，因此这种演化的无方向性进一步体现自然选择生物演化关系，使结构逐渐改进或完善。结构的完善是以物种适应环境为标准，环境决定了不同物种适应的复杂程度。

2.环境改变适应于生物

适应环境的生物通过各自的方式改造环境，尽可能维持物种持续存在，当环境变化超过生物改变自身结构演化反应的速度，同时也超过生物改造环境适应自身能力的程度时，生物出现灭绝。大型动物演化规律解释了历史上的大灭绝事件，如恐龙灭绝等，也解释了岛屿物种易灭绝原因、演化中间过渡种缺失等问题。这也表明，大型物种有能力选择环境，但改造环境的能力有限，遇到地球大面积环境剧变，则无法适应。

实际上，各种物种也在不同程度地改造环境，改造的程度存在天壤之别，也可以此认为生物演化存在方向性进化。这种改造环境的能力是可以建立共同的标准的，这种评估标准可以分为：一种是以改造环境的体积、面积进行定量评估，小到纳米级面积或体积，大到公里级；另一种是以通过改造环境的复杂程度及改造的难度进行性质评估，这需要进一步探讨。

在200万年前，人类出现了依靠工具的意识和行为突破，从那以后，人类开始制造出能够适应人体结构的各种工具，如石器、铁器、武器、车辆、船、飞机、电子显微镜、手机、计算机等工具，这不仅是人的结构的延伸，也实现人体体力及智力运动功能的延伸，从而高效地改造环境，为人类的稳定提供了保证，使人类更能适应各种本不适合的环境，如水下、太空、高温环境、低温环境等。同时，也能够稳定个体不稳定机能，如缺陷、损伤、疾病，保持其个体的存在，维持人类繁衍。

黑猩猩等一直生活在雨林或森林中，它们的身体结构、行为等演化变化不大，它们能够适应的环境非常有限，即它们只能适应特定环境或遵循生物演化基本规律。由于人类改造环境能力越来越强，使环境越来越适应人类现有的人体生物形状，故人体的相关结构正在发生改变，相对于过去长时间奔跑的要求，相关结构反而正在弱化。而人类改造环境的能力越来越依赖于智力，故对脑结构的修改的依赖性增强。文明的出现，使人类与环境互动的演变呈现为高层次生物演化基本规律的运行，而不是低层次的如猿类及其他生物与环境的生物演化规律的运行，人类的演化规律丰富完善了生物演化规律。

（三）生物演化适应于环境方式的分类

此种分类分为两种方式，一种是生物结构性适应，速度慢但具有稳定性；另一种是行为性适应，速度快但不稳定。

1.生物结构性适应速度慢但稳定

物种因不断遗传变异而产生的某些新的物种也在不断遗传变异，由此出现的某些新的形状及生理功能，使物种适应新环境，获得竞争优势，赢得自然选择优势。这个过程是在每代间的遗传变异中实现的，因此需要若干代完成，这些新的性状能够持久稳定地存在于后代中。比如，地球高纬度地区光照弱且气温低，故当地的人演化出黑色素低的浅肤色，可以更多地吸收紫外线促进维生素D活化，通过鼻腔窄而长减缓并加热吸入的冷空气，通过吻部突出使咽腭部呈近90度折角形，使口腔的空气紊乱而缓慢地吸入肺中，通过较薄的嘴唇减少热量散失，维持颅内温度，防止温度过低。反之，低纬度地区光照强且气温高，故当地人演化出黑色素多的深肤色，减少紫外线吸收，通过鼻腔宽短加速空气的流通，通过吻部突出使咽腭部呈抛物线形，使口腔吸入的空气顺畅流通，通过较厚的嘴唇增加热量的散失，维持颅内温度，防止温度过高。

2.行为性适应速度快但不稳定

学习是人和动物在生活过程中，通过获得经验而产生的行为或行为潜能的相对持久的适应性变化。目前，比较被大多数学者所接受的界定是：“学习是个体在特别情境下，由于练习或反复经验而产生的行为、能力或倾向上的比较持久的变化及其过程。”

动物和人的生活都离不开学习。学习是动物和人与环境保持平衡、维持生存和发展所必需的条件，也是适应环境的手段。

动物和人为了生存下去，必须通过学习获得个体经验。这种后天习得的行为经验可适应相对迅速的变化，与先天本能相比，学习的意义显然要重要得多。譬如，一只小羊羔通过不断地向羊妈妈学习，知道了哪里可以寻找到丰富的食物，知道了怎样躲避狼的追捕。如果小羊不学习，就不能适应不断变化的外界环境，也就无法生存下去。

然而，学习对个体生活的作用和重要性的程度，在各种动物之间的差异很大。越高等的动物，生活的方式越复杂，本能行为的作用也越小，学习的重要性就越大。在低等动物中，习得的行为很少，获得的速度也很慢，学习对其生活可以说不起什么作用。例如，原生动物刚出生不久，其一生中的大部分动作就已出现了，后天所需要的反应大多数也已具备。它们学习的能力很低，保持经验的时间也很短，因而学习的结果对它们生活的作用是很小的。

人的生活方式非常复杂，固定不变的本能行为最少。人类的行为绝大部分是后天习得的，学习在人类个体生活中的作用也就必然是最大的。相对来说，人类婴儿与初生的动物相比，独立能力低，天生的适应能力也低。可以说，离开父母的养育，婴儿是无法生存下去的，但是人类却有动物不可比拟的学习能力，可以迅速而广泛地通过学习适应环境。例如，种植谷物，获取粮食，靠的是学习；战胜毒蛇猛兽等天敌，对付可怕的瘟疫，以免于被消灭，靠的也是学习。总的来看，人和自然界的其他动物，如狮子、老虎甚至麻雀相比，很多方面都处于劣势，人能够成为万物之灵，靠的是学习。国外有句名言，叫作“不学习就灭亡”。1972年，联合国教科文组织国际教育发展委员会发表著名的研究报告，题为《学会生存》，就把学习同生存直接联系在一起，可见学习对人类生存的重要性。

很多生物出生时就具备了一定的行为能力，后天要通过学习获得新的行为能力，这种新的行为能力存在差异，导致物种个体生存概率差异，影响着繁衍能力，能力强的获得生存及繁衍的机会增加。

（四）环境改变适应于生物途径的分类

环境改变适应于生物途径分两种：一种是选择性适应生物的环境，一种是改造环境适应于生物。

1.选择性适应生物的环境

迁徙，是自然界绝大多数动物所固有的特性，甚至已经成为一部分动物一生当中不可分割的重要部分。无数的迁徙动物年复一年地离开自己生活的故土，前往遥远的异乡寻找可口的食物和温暖的阳光。动物的迁徙可以说是一场规模异常浩大的旅行，它们在跋山涉水之中面对艰辛所表现出来的毅力令人惊讶。恶劣的环境、天敌的追杀，甚至伤病的折磨，对它们来说都不在话下，勇往直前才是它们行动的唯一目标。哺乳动物的迁徙大都是定期的、定向的、集体进行的。大规模的动物迁移场面十分宏大壮观，动物们成群结队地跨越高山、沙漠、河流和海洋，向着自己的目的地行进，坚韧不拔，一往无前。

迁徙是生物对环境因素周期性变化的一种适应性行为。气候的季节性变化是候鸟迁徙的主要原因。由于气候的变化，在北方寒冷的冬季和热带的旱季经常会出现食物短缺的情况，因而迫使鸟类种群中的一部分个体迁徙到其他食物丰盛的地区。这种行为最终被自然界选择的力量固定下来，成为鸟类的一种本能。植物根据环境温度、湿度及光照度变化选择生长还是休眠。(www.xing528.com)

图1-1 迁徙

注：根据人类人线粒体DNA和Y染色体及相伴的细菌、病毒、虱子等基因变异情况分析出的人类大迁徙^[1]

除了鸟类迁徙，还有某些无脊椎动物（如东亚飞蝗、蝴蝶等）、爬行类动物（如海龟等）、哺乳类动物（如蝙蝠、鲸、海豹、鹿类等）都有季节性的长距离更换住处的行为，有些鱼类也是如此。动物的迁徙大都是定期的、定向的，而且多是集成大群地进行。动物的迁徙行为是一种适应现象，凭借这种活动，可以满足它们在特定的生活时期所需要的环境条件，使个体的生存和物种的繁荣得到可靠的保证。

很早以前，人类也有过迁徙活动。人类还是食物采集者时就必须迁移，以至于农业革命之后，有些地理环境下依然保留着游牧民族的生产、生活方式，如北方大草原上曾经的匈奴部落。

现代的人类也有这种行为，并且一旦发生这种人群的大的迁徙，都是一些剧变性事件导致的结果，比如灾难、战争及社会结构大的改革，这种迁徙流动，有助于遗传变异率增加及扩散范围的增大，使人类的遗传生物多样性均衡化，使各等位基因频率趋向哈迪—温伯格法则（Hardy-Weinberg Law）。同时，又由于文化交流，使人类适应自然、改造自然的能力迅速增加。

2.改造环境适应于生物

改造环境适应于生物指生物通过自己的行为构建出自己的物资生存环境，不仅可以保持个体生存繁衍，也有助于减少物种变异，维持稳定。微观生物及植物可通过自身代谢物等方式，营造自己的微环境。动物可构建鸟窝、洞穴、蜂巢、蚕茧等，形成自己的栖息地。人类在石器时代开始建筑房屋，用来居住，农业革命后不仅大规模建筑房屋，还大规模扩展耕田，通过土木工程建筑水坝，改造水系，改造河流，改造地貌，通过人工降雨影响天气变化。今天，人们通过航天器生存于太空的时间越来越长，未来将可能实现太空繁殖后代，形成真正意义的太空人。

（五）生物结构性适应环境的分类

生物结构性适应环境分两种：一种是生物结构改变性适应，另一种是生物结构修复性适应。

1.生物结构改变性适应

人体结构改变遵循生物演化基本规律，但不仅仅是低层次的遵循，而是高层次的遵循。表现为：人类是唯一以双腿长时间直立行走（Walk Upright）的灵长类生物。为何只有人类能够直立？如果直立具有适应环境的优势，至少应该在现存动物中能看到一些直立种类。实际上，直立将使脆弱的腹部暴露无遗，容易遭受捕食者毁灭性打击。直立使奔跑速度、身体灵活性等减退，如黑猩猩、狒狒的奔走速度比人快30%～40%。这些都是危及生存的紧要问题。似乎完全直立并不符合一般动物的生存法则，偏离了生物演化基本规律，其实这种直立行走为人类解放双手改造环境创造了极其关键的条件。同时，考古研究发现，基因突变导致猿人的双侧颞部肌肉颅骨止点下移，为颅骨扩展容积适应脑的生长创造了条件，为智人出现奠定了基础。

直立特征出现的时间较早，如600万年前的“千禧人”（Orrorin Tugenensis）已被认为具有某种直立构造。但在200万年前出现的种类，它们都存留有猿的结构特征。如南方古猿上肢与下肢相对长度比人大，上肢的肱骨粗壮等。又如在南非发现两具距今约197万年的骸骨南猿塞迪巴（Australopithecus sediba），也是迄今罕见的较完整的骨架，它们既有某种直立结构，又有猿适合攀爬的结构。对猩猩的研究发现，猩猩在树杈上直立行走的姿态与人最接近，一些学者认为直立可能发生于古猿下地之前。这就是说，某些古猿既有直立行走结构，又有适应攀缘等结构，它们都是长期并存的基本结构，即200万年前的人类祖先只是“半直立”状态。

动物体型随着环境而改变，如雨林动物体型变小、草原动物体型变大，但远古人类体型差异不大，如北京猿人和爪哇猿人等，现代人体型基本一致。人类脑量在200万年间增长了近2倍，显然与人类制造工具等有关。这些说明人体结构的改变不再是环境主导，而是适应“依靠工具”等的方向性改变所致，这样有利于改造环境适应人体，使人类能够长期保持物种的稳定。

2.生物结构修复性适应

生存的生物个体因各种原因导致损伤，其可能影响个体生存及繁育，因此，很多物种具备自治能力。比如老猩猩患牙髓炎，它就到水坑中挖些湿泥巴涂到脸颊上，然后用两手按紧，等到肿疼消失，再把牙齿连根拔掉。鹬和雉鸡摔折了腿，就飞到小河边，用尖嘴啄些软泥涂在骨折的腿上，再从草丛里叼起柔软结实的草茎，像扎“绷带”那样把伤处缠起来，然后又在外面裹上一层泥巴，把伤腿固定好。肠寄生虫会给鸟类带来痛苦，而鸟类都能自己治疗。鹧鸪、松鸡到了夏天，就到林子里找些嫩草或者浆果来吃，冬天时寻找松叶、杉叶或落叶松的树脂来吃。原来，这些“草药”里都含有丰富的香料和单宁酸，能打寄生虫，是很好的“驱虫药”。麋鹿在秋天会拉肚子，它会去找些槲树皮和嫩枝来吃，因为槲树里含有鞣酸，具有收敛止泻的功效。野兔受伤后，会把蜘蛛网上的蛛丝布在伤口上，能起镇痛和止血的作用。有些野兽食物中毒，就去找些催吐促泻的草药来解毒。小獾身上常患脓疮，母獾便领着小獾到附近的温泉去洗澡，治疗脓疮。美洲灰熊一到晚年就常去硫磺泉里浸泡，这样能治疗关节炎。有种叫吐绶的野鸡如果被雨淋湿，就会找一些“安息香树”的树叶来吃，以防治感冒。章鱼一般在触手的4/5处自断，伤口血管剧烈收缩，自行闭合，不会出血，几小时后，血管畅通，第二天伤口就愈合了，并开始生长新的触手，几十天后，触手能长到原来的1/3长。海参在最危险的时候能将自己的五脏从肛门或体壁裂口抛出来，但它不会死去，过几十天，空空的肚子里又会重新长出新的五脏来。螃蟹、壁虎、蝾螈、蜥蜴都可以再生四肢或尾巴。海星如果还剩一个瓣，不久又恢复原样。将片蛭切断后，断面能够识别头部或者尾部的位置，如果切掉的是头，头部将在该位置再生，如果切掉的是尾巴，尾巴将在该位置再生。低等动物细胞的分化程度比较低，新的细胞长成后很快就能恢复功能，而高等动物的细胞生成后要经过复杂的分化过程，就会导致新细胞和旧细胞有差别。

考古发现，人类自身救治疾病的现象早在石器时代就已出现，如同动物受伤会舐其伤口，遇热会避入水中，人与动物一样有着救护本能。人类的求食本能使得其在寻找食物时逐渐发现了葱、姜、蒜、粳米、薏米等，虽为食物或调味品，却具有治病作用。先古人类通过劳动制造出利器，从而产生了砭石、骨针等医疗器具，人类逐渐掌握了运用工具治疗疾病的技能。与此同时，人们发现活动肢体可以舒筋活络，强身健体，“导引术”“五禽戏”的形成也是古代人们积累生活经验后产生的保健养生观。

（六）结构改变性适应环境

结构改变性适应环境分两个亚种，一种是遗传性，另一种是非遗传性。

1.遗传性

通过遗传变异引发适应环境的结构改变，赢得自然选择获得繁殖的优势，这是生物演化的基本形式。生物的亲代能产生与自己相似的后代的现象叫作遗传。遗传物质的基础是脱氧核糖核酸（DNA），亲代将自己的遗传物质DNA传递给子代，而且遗传的性状和物种保持相对的稳定性。生命之所以能够一代一代地延续的原因，主要是由于遗传物质在生物进程之中得以代代相承，从而使后代具有与前代相近的性状。只是，亲代与子代之间、子代的个体之间，是绝对不会完全相同的。也就是说，总是或多或少地存在着差异，这种现象叫变异。遗传是指亲子间的相似性，变异是指亲子间和子代个体间的差异。生物的遗传和变异是通过生殖和发育而实现的。遗传和变异是对立的统一体，遗传使物种得以延续，变异则使物种不断进化。变异主要是指基因突变、基因重组与染色体变异。其中，基因突变是产生新生物基因的根本来源，也就是产生生物多样性的根本来源。目前，人类已经发展出生殖细胞基因改造技术，这种技术被严格控制。

2.非遗传性

通过外界辅助方式改变机体结构适应环境，维持个体生存，不能扩散至整体物种，主要见各种先天畸形的矫治及体细胞基因疗法。

畸形为个体发生中，病变异常而产生的、越出正常范围的异常形态的畸形个体。畸形发生（Teratogenesis）从形态学来看，畸形是由于形态结构的过度形成和部分正常形成被抑制或缺少以及部位变动而重新组配产生的。连体畸形（二重畸形）尤其在动物中是很明显的现象。畸形对某些形态常表现有一定的系统特征，各种实验也模拟出可通过特定发生期的环境因素的改变而获得。在植物中也是一样，如郁金香花瓣的聚缩、金银花的畸形。

畸形是物种自我淘汰的对象，是物种优化自我的重要途径。人类矫正畸形已经成为人类的一个特征，目前未发现其他生物出现纠正现象。人类已经发展出各种矫形，针对运动系统、心血管系统、神经系统、消化系统，以及眼、耳、鼻、喉、口腔等畸形，相关的矫形外科技术、运动系统的支具技术、助听器、假牙、电动及智能外骨骼技术、各种电极植入技术等被发明出来。体细胞基因治疗（Gene Therapy）是指将外源正常基因导入，以纠正或补偿缺陷和异常基因引起的疾病，达到治疗目的，包括转基因等方面的技术应用。也就是说，外源基因通过基因转移技术将其插入病人的适当的受体细胞中，使外源基因制造的产物能治疗某种疾病。这些技术将极大地增加人类个体生存概率以及繁衍概率，可以稳定物种，但降低物种优化能力。

（七）遗传性结构改变性适应环境

遗传性结构改变性适应分两个亚种：一种为自然遗传性改变性适应，另一种为自主遗传性改变性适应。

1.自然遗传性改变性适应

遗传变异指在同一基因库中不同个体之间在DNA水平上的差异，也称“分子变异（Molecular Variation）”，是对同一物种个体之间遗传差别的定性或定量描述。遗传与变异，是生物界普遍发生的现象，也是物种形成和生物进化的基础。

生物每时每刻都在发生变异，比如癌症就是体细胞基因变异引发的微进化。人类子代比亲代出生时，平均至少有4个变异基因是亲代没有的，其中1.6个是有害的。因此，生物体亲代与子代之间以及子代的个体之间总存在着或多或少的差异，这就是生物多样性的根本原因。当这些遗传变异产生新的生物性状在自然选择获得优胜时，导致这种遗传变异的物种或个体获得繁殖优势。当然也为新的物种形成创造条件，一旦出现生殖隔离，新的物种就诞生了。

2.自主遗传性改变性适应

当人类掌握遗传变异的原理后，运用这些原理操作物种可遗传性变异。比如：20世纪20年代美国培育出杂种玉米，实现增产；中国在20世纪70年代培育出杂交水稻。小黑麦异源多倍体的培育成功便是如此。人工诱变也是广泛应用的育种方法之一。数量遗传学和生物统计遗传学的研究结果被应用到动、植物选种工作中，从而使育种效率得以提高。这些主要是细胞遗传学时期研究成果的应用。20世纪70年代，体细胞遗传学的发展进一步增加了育种的手段，包括所谓单倍体育种以及通过体细胞诱变和细胞融合的育种等。这些手段的应用将有可能大大地加速育种工作的进程。

由于人类遗传学研究的开展，特别是应用体细胞遗传学和生化遗传学方法所取得的进展，人类对于遗传性疾病的种类和原因已经有很多了解。产前诊断和婴儿的遗传性疾病诊断已经逐渐推广，对于某些遗传性疾病的药物治疗也在研究中。

免疫遗传学是组织移植和输血等医学实践的理论基础；药物遗传学和药物学有密切的关系；毒理遗传学关系到药物的安全使用和环境保护；用遗传工程技术对遗传性疾病进行基因治疗也已经获得成功。人类遗传学研究也是优生学的基础。目前，基因治疗技术日趋成熟，也将可能应用于人类物种进化中。总之，人类已经通过科学技术扬起进化的风帆，准备驶向宇宙文明的中心。