大多数人在成年后都不会再使用他们小时候掌握的爬树技能。但对于瑞典乌普萨拉大学的进化生物学家约亨·沃尔夫来说，爬树是他工作的重要组成部分。他经常爬到 60 英尺高的树顶，小心地从鸟巢中取出刚出生的乌鸦幼鸟，然后将它们放到下面的团队手中。
沃尔夫的攀爬活动主要集中在两种鸟类身上——西德常见的秃鼻鸦和分布在更远的东方，瑞典和波兰的密切相关的冠鸦。这两组可以相互交配，但它们的外观差异很大——秃鼻鸦是黑色的，而冠鸦的身体是黑灰色的——而且这些鸟类强烈偏爱自己的同类作为配偶。在人们的记忆中，除了从丹麦延伸到东德到意大利北部的狭窄栖息地带之外，这两组一直保持着截然不同的状态，它们有时会在那里混杂在一起。
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这些乌鸦给生物学家提出了一个令人困惑的问题，这个问题直指物种的定义：既然冠鸦和秃鼻鸦可以交配并交换基因，这两组是如何保持其各自的身份的？这就像你在桶里混合红色和黄色油漆，但这两种颜色却顽固地拒绝变成橙色。
在六月份发表在《科学》杂志上的新研究中，沃尔夫的团队发现，一小段令人惊讶的 DNA 可能掌握着答案。对秃鼻鸦和冠鸦基因组的比较表明，这些序列几乎完全相同。在总共约 12 亿个 DNA 字母中，仅有 82 个 DNA 字母的差异似乎就区分了这两组。
几乎所有这些差异都集中在一个染色体的小部分中。“也许只有少数基因决定了一个物种的特性，”英国剑桥大学的生物学家克里斯·吉金斯说，他没有参与这项研究。“也许其余的基因组可以流动，所以物种比我们之前想象的要流动得多。”
这些发现令人震惊，因为它们表明只有少数基因就可以将两个种群分开。该 DNA 片段中的某种东西阻止了黑乌鸦与灰乌鸦交配，反之亦然，从而形成了一个脆弱的交配屏障，这可能代表了新物种形成的最初步骤之一。“它们看起来非常不同，并且更喜欢与自己的同类交配，所有这些都必须由这些狭窄的区域控制，”吉金斯说。
乌鸦的行为并非个例。近年来，大量的遗传数据表明，物种间的杂交比科学家们想象的更为普遍。“我认为当更多数据出现时，人们会感到惊讶，对物种的看法也会受到挑战，”吉金斯说。“我认为这将导致人们对物种的看法发生根本性的转变。”
未知物种
将两个相关的生物定义为不同物种的传统方法是根据它们无法交配的能力。瑞典博物学家卡尔·林奈在 250 多年前漫步于乌普萨拉大学的大厅时，采用了这种定义，当时他创建了我们今天仍在使用的分类系统。但是，科学家们一直在争论一个多世纪以来，到底是什么构成了物种。
查尔斯·达尔文本人在他的里程碑式著作《物种起源》中拒绝定义这个概念。“达尔文在证明物种进化的时候，也证明了根本没有物种这种东西，”哈佛大学的进化生物学家詹姆斯·马利特说。如果生物体在不断进化，那么在两个不同的物种之间划出精确的界限必然是困难的。
事实上，进化生物学家倾向于采用更实用的方法来定义物种，这种方法取决于他们的研究途径。例如，区分可以基于形态或遗传差异。“当我们开始谈论物种时，这取决于观察者的视角，”沃尔夫说。
生物学家说，更有趣和更重要的问题是什么驱动两个种群发生分歧，这个过程被称为物种形成。随着基因组技术的快速发展，这个问题在过去五年中变得越来越热门。直到最近，物种形成的研究还主要集中在野外的生态学和行为学，以及交配实验，但科学家现在发现他们能够分析包括密切相关的生物在内的各种野生生物的基因组。“就在几年前，还不可能对野生生物的基因组进行测序，”沃尔夫说。“现在我们可以了，这太棒了。”
来自对乌鸦、蝴蝶、蚊子、鱼类和其他生物的研究结果表明，物种的概念比我们想象的更加混乱，并且遗传变化并不总是与更明显的变化（例如外观）相一致。“在某些情况下，物种的形态和行为变化很大，但遗传变化很少，而在另一些情况下，遗传变化很多，但可见结果很少，”印第安纳大学的生物学家马修·哈恩说。
同类相聚
当沃尔夫爬到树枝上走向鸟巢时，幼鸟看到他并没有感到特别惊讶。相反，“它们张开嘴，等待喂食，”沃尔夫说。然而，它们的父母感觉不同，它们在附近的树梢上叫着。“它们总是回到它们身边，”沃尔夫实验室的博士后研究员克里斯滕·博苏说。
沃尔夫的团队测量幼鸟的翼长和颜色，并采集血液样本进行基因组研究，然后再将它们放回鸟巢。在他们最近的论文中，研究人员不仅研究了遗传密码，还研究了这两个种群之间基因活动的差异。他们发现在产生色素的基因中差异最大，这些基因在皮肤组织中活跃并控制羽毛颜色。许多这些基因位于秃鼻鸦和冠鸦之间不同的 DNA 片段内，这表明某种程度上，赋予这两组独特外观的色素基因也在使物种保持分离状态。但是怎么做到的呢？
最明显的解释是，该区域内的基因也会影响鸟类选择配偶的方式。所谓的同类交配，即外观相似的动物更有可能相互交配，是新物种发展的原因之一。简单的印记是推动这种现象的一种方式；如果你是由一只灰乌鸦抚养长大的，你可能会更喜欢一只灰乌鸦作为配偶。
第二种可能性是将配偶选择、调色板和视觉联系起来。沃尔夫说，也许黑乌鸦比看冠鸦更容易看到其他黑乌鸦，因此更有可能与它们交配。如果与颜色相关的基因和与视觉的这一方面相关的基因位于基因组上的附近位置，它们就更有可能一起被遗传。（两个基因在基因组上相距越远，它们在被遗传下去时被分离的可能性就越大。）两个具有这种协同作用的相邻基因对配偶选择的影响很容易驱动物种的分离。事实上，研究人员在该区域发现了一个可能与视觉相关的基因。他们认为它会影响鸟类感知对比度的能力，他们目前正在圈养的乌鸦中测试这一假设。
成年乌鸦太聪明了，无法被捕获，因此在五月，就在他的论文发表在《科学》杂志上之前，沃尔夫开始了另一次爬树之旅。除了血液和羽毛，他还收集了大约十几只幼鸟。它们现在正在瑞典的一个新鸟舍里饲养，它们正在把科学家们吃得倾家荡产。（牛心是它们最喜欢的食物之一。）研究人员将训练这些鸟对视觉提示（例如闪光灯）做出反应，然后弄清楚冠鸦和秃鼻鸦是否可以检测到不同的视觉对比度。据沃尔夫说，黑乌鸦检测强烈视觉对比的方式可能与冠鸦不同，这可以解释为什么它们会寻找其他黑乌鸦作为配偶。
蝴蝶效应
沃尔夫的乌鸦并不是唯一保持其独特身份的杂交物种。在大西洋彼岸，两种黑脉绡蝶（Heliconius cydno）和邮递员蝴蝶（H. melpomene）——它们在南美洲的重叠地区居住，并且尽管外观不同，但可以相互交配，尽管这种情况很少发生。黑脉绡蝶是黑色的，带有白色或黄色斑纹，而邮递员蝴蝶是黑色的，带有红色和黄色斑纹。它们各自进化出模仿不同有毒蝴蝶的翅膀图案，这有助于保护它们免受捕食。但与沃尔夫的乌鸦一样，黑脉绡蝶和邮递员蝴蝶更喜欢与自己的同类交配。
基因组分析表明，这两个物种正以惊人的速度交换基因。但是，每个物种都有其特有的基因组片段，尽管其余基因组混合在一起，但这些片段似乎仍然存在。这就像这些基因组的部分是由油制成的，其余部分是水；水很容易混合，但油仍然以不同的液滴形式存在。
科学家将基因组的这些区域称为“物种形成岛”。在各种生物体中都观察到了这种岛屿的持久性。自然选择似乎对这些区域施加了进化压力，即使在杂交的情况下，也保持了基因及其相应特征的独特性，而基因组的其余部分可以混合。科学家们推测，这些区域在维持单个物种方面起着主要作用，也许是通过保留不同的颜色图案或交配行为。吉金斯和其他人现在正在尝试找出这些岛屿中存在哪些基因，以及它们如何将两个种群分开。“当你开始分歧时，哪些类型的基因首先分歧？哪些基因驱动物种形成？哪些是首先变得差异化的？”哈恩问道。
这一过程的主要驱动因素可能是控制多种性状的基因。“基因组中似乎经常存在一些对多种性状产生重大影响的基因，”瑞士伯尔尼大学的进化生态学家奥勒·西豪森说。“一个基因如果影响个体在一种环境或另一种环境中的表现，可能会影响它们如何看待彼此以及如何交配。”基因组上彼此靠近的基因（例如乌鸦的色素和视觉基因）可能具有相同的效果，因为它们倾向于一起遗传。
黑鹂蝶的行为支持了这一观点。科学家在实验室观察了多年的交配后，确定了一个与翅膀图案相关的基因，该基因在两个物种之间有所不同。一个相邻的基因与交配偏好有关，尽管科学家尚未确定具体的基因。
总而言之，这项研究正在开始描绘物种形成的过程。它可能从基因组的一个小区域开始，该区域可能包含与交配相关的基因，就像乌鸦的情况一样。然后该区域扩展，并出现包含其他不同基因的新“岛屿”，从而在整个基因组中创建物种形成的“岛屿”。
相遇的中点
乌鸦的杂交带——即秃鼻乌鸦和冠乌鸦混杂的狭长地带——在任何方面都不算引人注目。没有山脉将其分隔开来，阻止一个物种进入另一个物种的领地。东部和西部的景观相似，两个物种都栖息在同一类型的森林中。这两个群体是如何划分各自的领土的，目前尚不清楚。
这些群体可能在冰河时期分裂，当时冰川多次覆盖了北欧。乌鸦和其他动物向南迁移，可能在两个不同的地点避难。当冰川消退时，这两个种群向北迁移，在杂交带相遇。但科学家们尚不清楚这发生在最近的冰河时期（大约在1万到2万年前），还是更早的冰河时期（远至200万年前）。
这种不确定性凸显了研究物种形成的一个挑战。有时，两种截然不同的可能历史会产生相同的遗传模式。例如，正如哈恩在7月份发表的一篇论文中所论证的那样，物种形成岛屿周围的基因组共享区域可能有其他解释，例如共同的祖先。两个物种可能具有相似的基因组，不仅因为它们最近交换了基因，还因为它们共享一个遥远的亲本物种。“人们在解读物种形成的岛屿时有些过头了，”哈恩说。
秃鼻乌鸦和冠乌鸦可能是很古老的物种，它们的基因组通过杂交变得相似。或者，它们可能很年轻，相对最近才从共同的祖先分裂出来，而一小部分分歧是物种形成的最初迹象。沃尔夫的研究小组倾向于后一种解释，但希望通过进一步的基因分析来直接解决这个问题。
那么，这一切对物种的定义意味着什么呢？科学家们仍然没有确定的答案。仅仅根据遗传学定义物种并不能解决问题。正如沃尔夫和其他人所表明的那样，答案取决于你观察基因组的哪个位置。“很难划清界限，”沃尔夫说。“基因组的不同部分会告诉你不同的事情。”
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