從科學角度,北極熊到底是獨立物種,還是棕熊的亞種?

北極熊與棕熊外形和生活習性明顯不同,一直以來都是作為不同物種的。然而近年來,有人說北極熊和棕熊沒有生殖隔離,不符合物種定義;而且新的分子遺傳學研究已經將北極熊降為棕熊的亞種了,真的是這樣嗎?

這裏我們要聲明,學術界從未提出將北極熊作為棕熊亞種,所謂的將北極熊降為亞種的遺傳學研究是被一些人誤讀了。下面我們將向大家全面介紹北極熊和棕熊的異同,並對相關研究做科學解讀。

北極熊

形態上有穩定差異

北極熊和棕熊表型差異非常顯著。最明顯的差別是體色,北極熊是白色,棕熊是棕色。實際上北極熊皮膚是黑的,毛是透明的,在陽光照射下才顯現出白色。北極熊的毛是中空的,棕熊毛多數是實心的。而且北極熊毛更濃密,渾身除了鼻子,連足墊上都長有毛,這是在冰上行走防滑和隔涼用的,棕熊就沒有。

體態上,北極熊脖子長,看起來後腿明顯比前腿長,而棕熊的四肢幾乎等長,而且棕熊肩部有兩個異常顯著的隆起

棕熊

棕熊的爪子是長而鈍的,而北極熊爪子是短而鋒利的,而且高度彎曲。棕熊爪子適合挖掘,北極熊爪子適合攀附海冰和抓海豹。

頭骨方面,棕熊頭骨比北極熊更寬、更高,而且枕部更發達。從側面看,北極熊從顱頂到吻尖形成一條光滑的曲線,而棕熊則是內凹的。

牙齒方面,北極熊捕獵用的犬齒和切割肉用的裂齒比棕熊更發達,而可以磨碎食物的臼齒就相對退化了許多,這是因為北極熊掠食性更強,幾乎只吃新鮮的肉,而棕熊吃植物和揀獸屍比較多。

沒有生殖隔離,可產生可育後代

北極熊和棕熊可以雜交,而且它們的雜交後代是完全可育的,是真正意義上的沒有生殖隔離,這點與獅和虎、馬和驢不同。2004年,德國的奧斯納布呂克動物園就繁育了兩隻棕熊和北極熊的雜交後代。

2006年4月,美國獵人吉姆馬特爾在加拿大班克斯島射殺了一隻既有些像北極熊又有些像棕熊的動物。DNA檢測發現這隻熊父親是棕熊,母親是北極熊,這是在野外首次發現雜交熊,稱為灰北極熊。之後,人們又陸續在班克斯島發現了7隻灰北極熊。經過DNA檢測,這8隻熊全是

一隻母北極熊與兩隻公灰熊的後裔。

動物園中的北極熊-棕熊雜交後代

雜交熊的出現與氣候變暖棕熊擴張領地有關,近幾十年來,一些公棕熊北上到加拿大北極群島地區遊盪,還有一部分棕熊東進到哈德遜灣沿岸建立領地,這兩個地區都是北極熊的傳統定居地,兩種熊接觸的機會由此大大增加了。

雜交熊的產生與母熊擇偶有關,並不是所有母北極熊都願意與公棕熊交配。1995年,在梅爾維爾島有隻母北極熊及其兩歲幼仔都被一隻320千克的大公棕熊殺害,很可能就是因拒絕與後者交配所致。

野外發現的“灰北極熊”

遺傳上是兩個不同分支

21世紀初,遺傳學家意外發現,從線粒體基因來看,北極熊只是棕熊的一個分支,由此掀起了大家對北極熊物種地位的廣泛爭論。

現生棕熊線粒體DNA可分為七大支系,1支系分佈於西歐和環地中海一帶;2支系僅見於亞歷山大群島的奇恰戈夫島、金鐘島和巴拉諾夫島,該亞種被稱為錫特卡棕熊,下文將這三個島簡稱為錫特卡三島;3支系分佈最廣,包括從歐洲到加拿大的整個環北極地區;4支系分佈在加拿大南部、美國以及北海道東部;5支系即青藏高原的藏馬熊,6支係為中亞山地的天山棕熊;7支係為已滅絕的北非阿特拉斯棕熊。

棕熊的線粒體地圖

北極熊的線粒體DNA序列完全落入2支系棕熊的範圍內,構成了一個單獨的亞支2b,錫特卡棕熊則為2a亞支。更為複雜的是,在愛爾蘭發現的古棕熊與北極熊是一支的,屬於2b;而在斯瓦爾巴特發現的古北極熊則與錫特卡棕熊一樣屬於2a亞支。

線粒體DNA是母系遺傳,也就是說,錫特卡棕熊雖為棕熊,卻與北極熊是“一母同胞”。從線粒體看,北極熊和棕熊合起來構成一個單系群,而排除北極熊的棕熊只是個並系群。

這份研究就是有人說北極熊被降級為棕熊亞種的源頭。這麼說的人缺乏一個遺傳學常識,線粒體在指示親緣關係方面從來不是個好標的物。因為線粒體只取決於母系血統和基因突變,完全忽視了與母系同樣重要的父系血統

北極熊和棕熊Y染色體樹和線粒體樹的對比

與線粒體相反的是父系遺傳的Y染色體,而細胞核基因組因綜合了父母雙方血統,最能反映血緣關係。遺傳學家也對北極熊和棕熊的Y染色體以及細胞核基因組進行了測序,特別加入了錫特卡棕熊樣本,結果均显示錫特卡棕熊與其他棕熊聚為一支,而不是北極熊;北極熊和棕熊各自組成了一個單系群,它們互為姐妹群關係。

公熊遠比母熊能跑,跨洲交流都很普遍。例如,公棕熊的Y染色體支系BR1.1遍布從歐洲到北美的大片地區,包括錫特卡三島,公北極熊的支系PO1.1也廣泛分佈於從大西洋到阿拉斯加的大片海域。

北極熊、棕熊線粒體樹和細胞核基因樹的對比

由於母熊喜歡留在出生地,所以不同支系的母熊很少混居;而公熊酷愛擴張,因而混居現象非常嚴重,不管是北極熊還是棕熊,每個地區都生活着兩個以上Y染色體支系。公熊的擴張使不同地理居群發生基因融合,並主導了兩種熊的地理遺傳結構。

錫特卡棕熊以及古愛爾蘭棕熊都是公棕熊擴張的產物。本來,錫特卡三島上住的是北極熊,整個2支系也都是北極熊。冰期結束后,不斷有公棕熊從北美大陸遊到錫特卡三島上,島上的北極熊很快便被“同化”了。但由於母棕熊從未造訪過該島,所以這些熊至今仍是北極熊的母系血統。

綜上所述,儘管古代棕熊和北極熊發生過大規模的基因滲入,但現生棕熊和北極熊在基因組上屬於兩個不同分支。

金鐘島的錫特卡棕熊,公棕熊和母北極熊的後裔

北極熊是棕熊演化來的

北極熊由古代棕熊演化而來,為學術界所公認。冰期由於氣候變冷,東西伯利亞地區的一群古棕熊被冰川阻隔,與其他棕熊隔離開來,久而久之,它們適應了在海冰上捕獵海豹,演化為今天的北極熊。

北極熊的分化時間,有三種說法:15萬年,60萬年和40萬年。15萬年說是依據線粒體計算的,這顯然是不準確的,因為北極熊和棕熊在歷史上發生過大規模基因滲入,錫特卡棕熊就完全是北極熊的母系血統。60萬年說是根據部分細胞核基因差異得到的,而40萬年說則是全基因組測序結果,很顯然40萬年說是最可靠的

綜上所述,北極熊大約在40萬年前,由東西伯利亞地區的一群古棕熊演化而來。這也解釋了北極熊和棕熊為什麼沒有生殖隔離,分化時間太短啦。短短40萬年北極熊就進化出了如此大的差異,難怪一直以來被作為快速成種的典範

北極熊,狩獵海豹

北極熊和棕熊是一個物種嗎?

通過前文的描述,我們得到了四個事實:

  • 事實一,北極熊和棕熊有顯著的形態差異;

  • 事實二,北極熊和棕熊可雜交產生可育後代;

  • 事實三,北極熊和現生棕熊在遺傳學上分屬不同支系,各自為單系群;

  • 事實四,北極熊是古代棕熊的直系後裔。

下面,我們根據上述四個事實,討論下北極熊到底是棕熊亞種,還是獨立物種。

首先,我們要明確,任何分類單位都是人為定義的,而不是自然存在的。生物進化和物種形成非常複雜,以至於科學家難以給出一個準確定義。

按最經典的定義,物種是可以自由交配並繁衍後代的一群動物,是不是一個種關鍵看有沒有生殖隔離。根據事實二,北極熊和棕熊沒有生殖隔離,確實符合經典定義中同一物種的概念。

然而經典物種定義無法解決很多難題,例如,犬屬動物中,狼、金背胡狼、郊狼和紅狼都可以雜交產生可育後代。如果我們真把整個犬屬合併成一個物種,將給研究和保護工作帶來諸多麻煩,物種的劃分也就完全失去意義了。

最近幾十年來,越來越多學者認識到經典物種定義的局限性,為了更準確界定物種,他們提出了多種現代物種觀念。

表型種,是指表型相似而又與其他生物不同的一群生物,根據事實一,北極熊符合表型種定義。

生殖種,雖繼承了經典定義中生殖隔離的概念,但同時指出,兩群能成功雜交的動物如果雜交不充分,基因庫沒有融合,也應算作不同物種,北極熊和棕熊就是這種情況。

遺傳種,強調物種特異性的基因序列,這裏就不展開說了。

北上的棕熊與北極熊爭搶鯨屍

支系種,是指在形態和遺傳上區別於其他演化支的最小演化支,這就完全摒棄了生殖隔離的概念。根據事實三,現代棕熊和北極熊都是單系群,棕熊冠群(現代所有棕熊的最晚共同祖先,及該祖先的所有後代)是將北極熊完全排除在外的。但是,棕熊總群(史上所有具有棕熊特徵的動物,其最晚共同祖先及該祖先全部後代)就將全部北極熊包括在內了,因為北極熊是古棕熊的後代嘛。從這一角度看,北極熊確實屬於棕熊類動物,但不屬於現生棕熊這個演化支。

年代種,強調群體分化時間以及產生的表型差異。北極熊從棕熊中分化約為40萬年,這個時間尺度定不定獨立種都在兩可之間,但北極熊形態差異已經與它的棕熊祖先足夠大,理應分出一個新種。而同樣的演化時間,現代棕熊就仍然基本保留了其祖先的樣貌。

2020年,在哈德遜灣,北極熊與棕熊接觸

綜合多個現代物種定義,將北極熊列為獨立種顯然更加科學。事實上,學術界也是公認北極熊和棕熊是不同物種的,因此大家不要以訛傳訛了,科學家從來沒有將北極熊降為棕熊亞種。

不過,隨着地球持續變暖,棕熊和北極熊接觸的機會會越來越多,而它們還沒有形成生殖隔離,一旦接觸就會發生雜交。這樣下去,兩種熊的基因庫將會漸漸融合,它們真會變成一種熊,就像在古愛爾蘭和錫特卡三島發生的那樣,北極熊又變回了棕熊。

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