大多數人在成年後都不會再使用他們小時候掌握的爬樹技能。但對於瑞典烏普薩拉大學的進化生物學家約亨·沃爾夫來說，爬樹是他工作的重要組成部分。他經常爬到 60 英尺高的樹頂，小心地從鳥巢中取出剛出生的烏鴉幼鳥，然後將它們放到下面的團隊手中。
沃爾夫的攀爬活動主要集中在兩種鳥類身上——西德常見的禿鼻鴉和分佈在更遠的東方，瑞典和波蘭的密切相關的冠鴉。這兩組可以相互交配，但它們的外觀差異很大——禿鼻鴉是黑色的，而冠鴉的身體是黑灰色的——而且這些鳥類強烈偏愛自己的同類作為配偶。在人們的記憶中，除了從丹麥延伸到東德到義大利北部的狹窄棲息地帶之外，這兩組一直保持著截然不同的狀態，它們有時會在那裡混雜在一起。
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這些烏鴉給生物學家提出了一個令人困惑的問題，這個問題直指物種的定義：既然冠鴉和禿鼻鴉可以交配並交換基因，這兩組是如何保持其各自的身份的？這就像你在桶裡混合紅色和黃色油漆，但這兩種顏色卻頑固地拒絕變成橙色。
在六月份發表在《科學》雜誌上的新研究中，沃爾夫的團隊發現，一小段令人驚訝的 DNA 可能掌握著答案。對禿鼻鴉和冠鴉基因組的比較表明，這些序列幾乎完全相同。在總共約 12 億個 DNA 字母中，僅有 82 個 DNA 字母的差異似乎就區分了這兩組。
幾乎所有這些差異都集中在一個染色體的小部分中。“也許只有少數基因決定了一個物種的特性，”英國劍橋大學的生物學家克里斯·吉金斯說，他沒有參與這項研究。“也許其餘的基因組可以流動，所以物種比我們之前想象的要流動得多。”
這些發現令人震驚，因為它們表明只有少數基因就可以將兩個種群分開。該 DNA 片段中的某種東西阻止了黑烏鴉與灰烏鴉交配，反之亦然，從而形成了一個脆弱的交配屏障，這可能代表了新物種形成的最初步驟之一。“它們看起來非常不同，並且更喜歡與自己的同類交配，所有這些都必須由這些狹窄的區域控制，”吉金斯說。
烏鴉的行為並非個例。近年來，大量的遺傳資料表明，物種間的雜交比科學家們想象的更為普遍。“我認為當更多資料出現時，人們會感到驚訝，對物種的看法也會受到挑戰，”吉金斯說。“我認為這將導致人們對物種的看法發生根本性的轉變。”
未知物種
將兩個相關的生物定義為不同物種的傳統方法是根據它們無法交配的能力。瑞典博物學家卡爾·林奈在 250 多年前漫步於烏普薩拉大學的大廳時，採用了這種定義，當時他建立了我們今天仍在使用的分類系統。但是，科學家們一直在爭論一個多世紀以來，到底是什麼構成了物種。
查爾斯·達爾文字人在他的里程碑式著作《物種起源》中拒絕定義這個概念。“達爾文在證明物種進化的時候，也證明了根本沒有物種這種東西，”哈佛大學的進化生物學家詹姆斯·馬利特說。如果生物體在不斷進化，那麼在兩個不同的物種之間劃出精確的界限必然是困難的。
事實上，進化生物學家傾向於採用更實用的方法來定義物種，這種方法取決於他們的研究途徑。例如，區分可以基於形態或遺傳差異。“當我們開始談論物種時，這取決於觀察者的視角，”沃爾夫說。
生物學家說，更有趣和更重要的問題是什麼驅動兩個種群發生分歧，這個過程被稱為物種形成。隨著基因組技術的快速發展，這個問題在過去五年中變得越來越熱門。直到最近，物種形成的研究還主要集中在野外的生態學和行為學，以及交配實驗，但科學家現在發現他們能夠分析包括密切相關的生物在內的各種野生生物的基因組。“就在幾年前，還不可能對野生生物的基因組進行測序，”沃爾夫說。“現在我們可以了，這太棒了。”
來自對烏鴉、蝴蝶、蚊子、魚類和其他生物的研究結果表明，物種的概念比我們想象的更加混亂，並且遺傳變化並不總是與更明顯的變化（例如外觀）相一致。“在某些情況下，物種的形態和行為變化很大，但遺傳變化很少，而在另一些情況下，遺傳變化很多，但可見結果很少，”印第安納大學的生物學家馬修·哈恩說。
同類相聚
當沃爾夫爬到樹枝上走向鳥巢時，幼鳥看到他並沒有感到特別驚訝。相反，“它們張開嘴，等待餵食，”沃爾夫說。然而，它們的父母感覺不同，它們在附近的樹梢上叫著。“它們總是回到它們身邊，”沃爾夫實驗室的博士後研究員克里斯滕·博蘇說。
沃爾夫的團隊測量幼鳥的翼長和顏色，並採集血液樣本進行基因組研究，然後再將它們放回鳥巢。在他們最近的論文中，研究人員不僅研究了遺傳密碼，還研究了這兩個種群之間基因活動的差異。他們發現在產生色素的基因中差異最大，這些基因在皮膚組織中活躍並控制羽毛顏色。許多這些基因位於禿鼻鴉和冠鴉之間不同的 DNA 片段內，這表明某種程度上，賦予這兩組獨特外觀的色素基因也在使物種保持分離狀態。但是怎麼做到的呢？
最明顯的解釋是，該區域內的基因也會影響鳥類選擇配偶的方式。所謂的同類交配，即外觀相似的動物更有可能相互交配，是新物種發展的原因之一。簡單的印記是推動這種現象的一種方式；如果你是由一隻灰烏鴉撫養長大的，你可能會更喜歡一隻灰烏鴉作為配偶。
第二種可能性是將配偶選擇、調色盤和視覺聯絡起來。沃爾夫說，也許黑烏鴉比看冠鴉更容易看到其他黑烏鴉，因此更有可能與它們交配。如果與顏色相關的基因和與視覺的這一方面相關的基因位於基因組上的附近位置，它們就更有可能一起被遺傳。（兩個基因在基因組上相距越遠，它們在被遺傳下去時被分離的可能性就越大。）兩個具有這種協同作用的相鄰基因對配偶選擇的影響很容易驅動物種的分離。事實上，研究人員在該區域發現了一個可能與視覺相關的基因。他們認為它會影響鳥類感知對比度的能力，他們目前正在圈養的烏鴉中測試這一假設。
成年烏鴉太聰明瞭，無法被捕獲，因此在五月，就在他的論文發表在《科學》雜誌上之前，沃爾夫開始了另一次爬樹之旅。除了血液和羽毛，他還收集了大約十幾只幼鳥。它們現在正在瑞典的一個新鳥舍裡飼養，它們正在把科學家們吃得傾家蕩產。（牛心是它們最喜歡的食物之一。）研究人員將訓練這些鳥對視覺提示（例如閃光燈）做出反應，然後弄清楚冠鴉和禿鼻鴉是否可以檢測到不同的視覺對比度。據沃爾夫說，黑烏鴉檢測強烈視覺對比的方式可能與冠鴉不同，這可以解釋為什麼它們會尋找其他黑烏鴉作為配偶。
蝴蝶效應
沃爾夫的烏鴉並不是唯一保持其獨特身份的雜交物種。在大西洋彼岸，兩種黑脈綃蝶（Heliconius cydno）和郵遞員蝴蝶（H. melpomene）——它們在南美洲的重疊地區居住，並且儘管外觀不同，但可以相互交配，儘管這種情況很少發生。黑脈綃蝶是黑色的，帶有白色或黃色斑紋，而郵遞員蝴蝶是黑色的，帶有紅色和黃色斑紋。它們各自進化出模仿不同有毒蝴蝶的翅膀圖案，這有助於保護它們免受捕食。但與沃爾夫的烏鴉一樣，黑脈綃蝶和郵遞員蝴蝶更喜歡與自己的同類交配。
基因組分析表明，這兩個物種正以驚人的速度交換基因。但是，每個物種都有其特有的基因組片段，儘管其餘基因組混合在一起，但這些片段似乎仍然存在。這就像這些基因組的部分是由油製成的，其餘部分是水；水很容易混合，但油仍然以不同的液滴形式存在。
科學家將基因組的這些區域稱為“物種形成島”。在各種生物體中都觀察到了這種島嶼的永續性。自然選擇似乎對這些區域施加了進化壓力，即使在雜交的情況下，也保持了基因及其相應特徵的獨特性，而基因組的其餘部分可以混合。科學家們推測，這些區域在維持單個物種方面起著主要作用，也許是透過保留不同的顏色圖案或交配行為。吉金斯和其他人現在正在嘗試找出這些島嶼中存在哪些基因，以及它們如何將兩個種群分開。“當你開始分歧時，哪些型別的基因首先分歧？哪些基因驅動物種形成？哪些是首先變得差異化的？”哈恩問道。
這一過程的主要驅動因素可能是控制多種性狀的基因。“基因組中似乎經常存在一些對多種性狀產生重大影響的基因，”瑞士伯爾尼大學的進化生態學家奧勒·西豪森說。“一個基因如果影響個體在一種環境或另一種環境中的表現，可能會影響它們如何看待彼此以及如何交配。”基因組上彼此靠近的基因（例如烏鴉的色素和視覺基因）可能具有相同的效果，因為它們傾向於一起遺傳。
黑鸝蝶的行為支援了這一觀點。科學家在實驗室觀察了多年的交配後，確定了一個與翅膀圖案相關的基因，該基因在兩個物種之間有所不同。一個相鄰的基因與交配偏好有關，儘管科學家尚未確定具體的基因。
總而言之，這項研究正在開始描繪物種形成的過程。它可能從基因組的一個小區域開始，該區域可能包含與交配相關的基因，就像烏鴉的情況一樣。然後該區域擴充套件，並出現包含其他不同基因的新“島嶼”，從而在整個基因組中建立物種形成的“島嶼”。
相遇的中點
烏鴉的雜交帶——即禿鼻烏鴉和冠烏鴉混雜的狹長地帶——在任何方面都不算引人注目。沒有山脈將其分隔開來，阻止一個物種進入另一個物種的領地。東部和西部的景觀相似，兩個物種都棲息在同一型別的森林中。這兩個群體是如何劃分各自的領土的，目前尚不清楚。
這些群體可能在冰河時期分裂，當時冰川多次覆蓋了北歐。烏鴉和其他動物向南遷移，可能在兩個不同的地點避難。當冰川消退時，這兩個種群向北遷移，在雜交帶相遇。但科學家們尚不清楚這發生在最近的冰河時期（大約在1萬到2萬年前），還是更早的冰河時期（遠至200萬年前）。
這種不確定性凸顯了研究物種形成的一個挑戰。有時，兩種截然不同的可能歷史會產生相同的遺傳模式。例如，正如哈恩在7月份發表的一篇論文中所論證的那樣，物種形成島嶼周圍的基因組共享區域可能有其他解釋，例如共同的祖先。兩個物種可能具有相似的基因組，不僅因為它們最近交換了基因，還因為它們共享一個遙遠的親本物種。“人們在解讀物種形成的島嶼時有些過頭了，”哈恩說。
禿鼻烏鴉和冠烏鴉可能是很古老的物種，它們的基因組透過雜交變得相似。或者，它們可能很年輕，相對最近才從共同的祖先分裂出來，而一小部分分歧是物種形成的最初跡象。沃爾夫的研究小組傾向於後一種解釋，但希望透過進一步的基因分析來直接解決這個問題。
那麼，這一切對物種的定義意味著什麼呢？科學家們仍然沒有確定的答案。僅僅根據遺傳學定義物種並不能解決問題。正如沃爾夫和其他人所表明的那樣，答案取決於你觀察基因組的哪個位置。“很難劃清界限，”沃爾夫說。“基因組的不同部分會告訴你不同的事情。”
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