第二章行为生态学中的假说检验

对行为功能的严谨科学研究包含四个阶段：观察（observations）、假说（hypotheses）、预测（predictions）与检验（tests）。前两者——观察与假说——通常相辅相成。可能需要花费较长时间了解特定物种，才能对其行为与生态提出优质问题。Niko Tinbergen 对鸥类（gulls）的研究源于多年对其野外行为的细致观察。在观察到某些无法理解的行为特征后，我们应如何推进？

假设我们想探究为何某动物选择群居而非独居。仅通过观察或可获得强烈提示。例如，若该动物仅在繁殖季群居，我们可能推测其通过提高繁殖成功率获得优势；若仅在冬季群居，则可能怀疑其通过提升摄食效率或躲避捕食来改善成体存活率。我们可通过三种主要方式验证这些想法：

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(1) 种内个体比较。群居个体可能在摄食或躲避捕食者方面比独居个体更成功。此外，成功率可能随群体规模变化。但问题在于可能存在混淆变量：独居个体可能是竞争力较弱的个体，这（而非独居本身）可能解释其较低成功率；或群居个体可能栖息于更优质的生境等。 (2) 实验。因此通常更优选择是进行实验。通过实验可单独调控某一因素；例如，可改变群体规模并观察特定条件下其对成功率的影响。Niko Tinbergen 开创了优雅的田野实验方法以解答功能问题。例如，为检验“鸥类巢间距减少捕食”的假说，他布置了不同间距模式的实验性卵群，发现集群分布的卵群比自然间距分布的遭受更高捕食（Tinbergen et al., 1967）。

(3) 种间比较。不同物种适应不同生态条件演化，因此种间比较或有助于理解摄食生态或捕食压力等差异如何影响群居或独居倾向。使用比较方法如同观察自然选择在演化时间尺度上完成的实验成果。这些“实验”的结果即现存各物种行为的设计。例如，群居可能最常出现于经历特定食物或捕食条件的物种中。

本章将聚焦于后两种研究适应（adaptation）的方法，首先探讨种间比较。

比较法

比较思想是多数适应假说的核心。对不同物种的比较研究使我们感知自然界动物策略的多样性。当我们对某物种行为提出功能性问题时，通常是在追问其为何与其他物种不同。为何物种A群居，而物种B独居？为何物种B雄性单配制（monogamy），而物种A雄性多配制（polygyny）？研究适应的强效方法是比较近缘物种群，试图揭示行为差异如何反映生态差异。

达尔文本人也常通过比较验证适应观点。在《物种起源》（1859；第六章）中，他思考幼体哺乳动物头骨缝合线（sutures）是否特化为便利分娩而演化。但他指出，幼体鸟类和爬行类头骨也有缝合线——“仅需破壳而出”——因此得出结论：缝合线源于“生长定律”，后被高等动物“利用于分娩过程”。在《人类的由来》（1871；第八章）中，他频繁通过比较展示性选择效应，指出单配制海豹物种两性体型相似，而保卫后宫物种的雄性“远大于”雌性，且多配制鸟类的雄性具有最华丽的羽饰。

我们将先描述一些开创行为适应比较法的先驱案例，这些研究激励学者将该方法应用于其他类群。接着指出基于比较构建和检验假说的方法论难点。最后介绍近年试图克服这些问题的新比较法案例。

鸥类繁殖行为与捕食风险的关联

大多数海鸥物种在地面筑巢，它们的卵和雏鸟易受哺乳动物（如foxes和stoats）和鸟类（如crows和其他gulls）捕食(predation)的威胁。这些地面巢鸟类的繁殖特征，例如黑头鸥(black-headed gull)（图2.1a），似乎作为减少捕食的适应(adaptation)具有合理性。成鸟在捕食者接近时会起飞，发出警报并攻击捕食者。它们通过不在巢附近排泄来维持巢的隐蔽性(camouflage)，并在孵化后迅速移除空的蛋壳——这些蛋壳内部白色易吸引捕食者。雏鸟与卵一样具有隐蔽色(cryptically coloured)；它们在孵化后不久离开巢穴并藏身植被中。这导致邻近雏鸟群的混合，因此成鸟需要尽早学会识别自己雏鸟的叫声以确保将亲代抚育(parental care)导向自己的后代。亲鸟还会发出食物呼叫(food calls)向隐藏的雏鸟传递食物可用的信号。

我们如何验证这些特征是为应对捕食而进化形成的假说？未经实验验证，这仅是一个合理的故事。后文将展示其中一项特征——蛋壳移除的功能可通过实验验证。然而，其他特征（如雏鸟行为或亲代食物呼叫）难以通过实验操控。例如，很难操控雏鸟使其不隐藏，或操控亲鸟使其不发出呼叫。

Niko Tinbergen的研究生Esther Cullen通过比较悬崖巢鸟类——三趾鸥(kittiwake)（图2.1b）的繁殖特征，为反捕食假说提供了比较支持。三趾鸥的巢更安全：哺乳类捕食者难以攀爬陡峭悬崖，而悬崖周围的强风使空中捕食者难以攻击。与黑头鸥相比，三趾鸥的不同繁殖特征（表2.1）可被解释为对低捕食压力的适应。成鸟很少发出警报，当捕食者飞过时仍留在巢中。巢杯结构更复杂（以在狭窄崖壁平台上固定卵）。安全的巢无需隐蔽，因此成鸟常在巢边排泄（崖壁平台被白色粪便覆盖）且不移除空蛋壳。雏鸟无隐蔽色，无视捕食者并留在巢中直至能飞行（约六周龄）。由于雏鸟不会游荡混杂，亲鸟无需在孵化后立即识别后代。Cullen通过实验证明三趾鸥会接受巢中的外来雏鸟，直到雏鸟即将离巢前才识别自己的后代。最后，由于雏鸟未被隐藏，亲鸟无需通过食物呼叫宣告食物到来。

因此，黑头鸥与三趾鸥的特征差异强有力地支持了假说：这些行为组合的差异是适应不同巢址捕食压力而进化的结果。

上述海鸥比较仅涉及两个物种。增加物种数量能显著提升分析效力。John Crook（1964）首次尝试对社会组织进行系统比较分析，研究了约90种织布鸟(Ploceinae)。这些小型雀形目鸟类分布于非洲和亚洲，尽管外形相似，但社会组织存在显著差异：有些独居，有些集群活动；有些在大型防御领域内筑隐蔽巢，有些集群筑巢；有些为一夫一妻制(monogamous)（形成永久配偶关系），有些为一夫多妻制(polygamous)（雄性与多个雌性交配，极少参与育雏）。如何解释行为多样性的进化（图2.2）？

Crook的研究方法是寻找社会组织特征与物种生态的关联。他考虑的生态变量包括食物类型、分布与丰度、捕食者和巢址。分析表明织布鸟可分为两大类（表2.2）：

图2.2 织布鸟社会组织的差异。（a）红头织布鸟Anaplectes melanotis：以昆虫为食的林地物种，常以一夫一妻制在分散领域繁殖。（b）南面罩织布鸟Ploceus vellatus：热带草原种子食者，集群筑巢且一夫多妻。（c）村织布鸟Ploceus cucullatus：另一草原集群一夫多妻物种。所有照片\circledcirc Warwick Tarboton。

表2.1 两种海鸥繁殖特征的比较：地面巢黑头鸥Larus ridibundus与悬崖巢三趾鸥Rissa tridactyla（Cullen, 1957）。

非洲有蹄类的社会组织

体型、食性（diet）与社会组织

Jarman (1974)研究了74种非洲有蹄类（ungulates）；它们都以植物为食，但食物类型的细微差异与迁徙模式、交配系统（mating system）和反捕食行为（anti-predator behaviour）的差异相关联（图2.3）。这些物种被划分为五个生态类别（表2.3）。正如织雀（weaver birds）的研究所示，多种适应特征往往共同出现。

食性与社会组织的主要关联因素是体型。小型物种单位体重的代谢需求更高，需要选择高质量食物（如浆果和嫩芽）。这些食物通常分布于森林中且呈分散分布，因此小型物种被迫独居（solitary existence）。在森林中躲避捕食者的最佳方式是隐蔽。由于雌性个体分布分散，雄性个体也随之分散，最常见的交配系统是成对占据共同领域（territory）。

在另一个极端，体型最大的物种以低质量食物为大宗，在平原上非选择性地取食。防御这类食物资源不经济，因此这些物种随降雨和新鲜牧草而集群迁徙（herds）。在大型群体中，最强壮的雄性可能通过护卫后宫（harem）或建立交配权等级（dominance hierarchy）来垄断多个雌性。当捕食者出现时，这些物种无法在开阔平原隐藏，因此选择逃离或依靠群体数量优势（safety in numbers）。中等体型有蹄类的生态特征和社会组织介于这两个极端之间（表2.3）。

图2.3 非洲有蹄类社会组织的差异。(a) 柯克犬羚Madoqua kirki以成对形式生活在林地。照片\circledcirc Oliver Krüger。(b) 黑斑羚在开阔林地和草原以小群活动。照片\circledcirc Bruce Lyon。(c) 角马在开阔平原形成大群觅食。照片\circledcirc iStockphoto.com/William Davies。

早期比较研究的局限性

这些早期研究揭示了比较方法（comparative approach）在行为生态学中的潜力。然而，其方法论存在局限。这些问题并非比较研究所独有，值得在全书研究中予以关注。

(a) 替代假说（Alternative hypotheses）

对行为差异的解释看似合理，但未严谨考虑其他假说。例如，黑头鸥（black-headed gull）与三趾鸥（kittiwake）的巢址差异也可能与遮蔽条件、巢址竞争和觅食地距离相关。如何确定捕食压力是关键选择压力，而非其他变量？

表2.3

非洲有蹄类的社会组织与其生态的关系（Jarman, 1974）。(b) 生态变量的量化生态变量尚未被量化。例如对织雀而言，昆虫是否"分散"、种子是否"斑块化"？这些差异如何具体影响个体开发资源的经济性？

解析比较数据的问题

对行为差异的解释虽具说服力，但其他假说未获严格检验。例如，黑头鸥（black-headed gull）与三趾鸥（kittiwake）的巢址差异可能同时关联遮蔽条件、巢址竞争和觅食地距离等因素。如何确定捕食压力是核心选择压力而非其他变量？

生态变量尚未被量化。以织雀为例，"昆虫是否分散分布"、"种子是否斑块分布"如何精确定义？这些差异如何具体影响个体开发资源的经济性（economics of exploitation）？

<html><body><table><tr><td></td><td>Exemplary Body groups</td><td>weight (kg)</td><td>Habitat</td><td>Diet</td><td>Group size Reproductive</td><td>unit</td><td>Anti- predator behaviour</td></tr><tr><td>Grade|</td><td>Dik-dik Duiker</td><td>3-60</td><td>Forest</td><td>Selective browsing; fruit, buds</td><td>1or 2</td><td>Pair</td><td>Hide</td></tr><tr><td>Grade II</td><td>Reedbuck Gerenuk</td><td>20-80</td><td>Brush, riverine grassland</td><td>Selective browsing or grazing</td><td>2-12</td><td>Male with harem</td><td>Hide,flee</td></tr><tr><td>Grade II</td><td>Impala Gazelle Kob</td><td>20-250</td><td>Riverine woodland, dry grassland</td><td>Graze or browse</td><td>2-100</td><td>Males territorial in breeding season</td><td>Flee, hide in herd</td></tr><tr><td></td><td>Grade IV Wildebeest Hartebeest</td><td>90-270</td><td>Grassland</td><td>Graze</td><td>Up to 150 (thousands on migration)</td><td>Defence of females within|herd, flee herd</td><td>Hide in</td></tr><tr><td>GradeV</td><td>Eland Buffalo</td><td>300- 900</td><td>Grassland</td><td>Graze unselectively</td><td>Up to 1000</td><td>Male dominance hierarchy in herd</td><td>Mass defence against predators</td></tr></table></body></html>

(c) 因果关系

考虑观察到以种子为食的织巢鸟（weaver birds）群居活动。我们的解释是食种习性选择（selects for）群居，因为这是找到分散食物资源的最佳方式。然而，我们同样可以提出捕食压力选择群居，结果鸟类被迫选择局部丰富的食物以使整个群体都能获得足够食物。在这种情况下，食种习性成为群居的结果或效应，而非原因。也许捕食压力也选择森林食虫鸟群居，但由于其食性与群居不相容，它们不得不单独觅食。

(d) 替代适应峰值或非适应性差异

在物种间比较时，容易假设差异总是适应性的，但某些差异可能只是对相同生态压力的替代解决方案。来自火星的生态学家若造访地球，会观察到美国人靠右行驶，而英国人靠左行驶。他可能进行大量测量以寻找生态相关性来解释这种差异的适应意义。实际上，靠右和靠左行驶可能只是预防事故的同等优良方案（Dawkins, 1980）。

动物间的某些差异可能与此类似。绵羊用角战斗，鹿用鹿角。角源于皮肤组织，而鹿角源于骨骼。角与鹿角的差异未必反映生态差异；可能只是演化利用不同原材料达成相同功能终端的案例。非适应性解释的问题在于它们是最后手段的假设，阻碍进一步科学探究。或许存在适应性解释，只是尚未被发现。例如，鹿角每年脱落更新而角不脱落，这种差异可能与交配竞争和食物供应的季节性变化程度相关？

物种间的某些差异可能反映对同一问题的不同解决方案

(e) 统计分析与独立数据

统计分析能告诉我们结论的可信度。为此需谨慎考虑何为独立数据点。例如在Crook对织巢鸟的分析中（表2.2），16种草原物种有14种属于Euplectes属。我们能将这些视为独立"演化实验"的结果吗？同属物种常因共同祖先而行为相似。此时物种数据分析会受大属物种数量的统计偏差影响。

何为独立数据？

总结

这些批评很重要，但绝不意味着比较方法（comparative method）失败。相反，该方法将行为与形态特征的广泛多样性纳入同一生态框架的方式令人印象深刻。Crook对织巢鸟的研究和Jarman对羚羊的工作已成为其他物种群生态研究的范例。不过最新比较研究已尝试控制这些问题，下文将结合这些批评讨论其他案例，说明方法论的改进如何使种间比较更严谨。

灵长类生态与行为的比较研究

与织巢鸟和羚羊类似，灵长类的社会组织（social organization）存在差异（图2.4）。有独居的食虫类（insectivores），如夜行性森林生活的眼镜猴（tarsiers）；昼行性森林猴类（如疣猴colobus monkeys）以小群体活动，以树叶或果实为食；其他如狒狒（baboons）等陆生猴类则形成50至数百只的大群。猿类中，猩猩（orang-utan）独居，长臂猿（gibbon）以配对和小家庭单位生活，黑猩猩（chimpanzee）则组成50只的群体。

1970-80年代，Tim Clutton-Brock和Paul Harvey运用比较方法分析这种多样性的演化。他们的分析在方法论上相较早期研究有三点显著改进：首先，对行为和形态特征进行连续尺度测量（而非将灵长类划分为不同特征组）；其次，考虑替代假说，使用多变量统计（multivariate statistics）厘清不同生态变量对各特征的影响；第三，以属（genera）而非物种作为分析独立数据点，减少共同祖先导致的相似性问题。以下案例将说明其方法。

家域范围

体型较大的动物需摄取更多食物，因此通常家域范围（home range）更大。若要研究食性等生态变量对家域的影响，需控制体重（body weight）作为混淆变量（confounding variable）。当家域面积与栖息群体总重（group weight）作图时，群体总重越大，家域面积越大（图2.5）。

与食性的关联

将特化取食者（食虫类insectivores、食果类frugivores）与食叶类（folivores）分离后可见食性对家域的影响：给定群体总重下，特化取食者家域更大。可能的解释是……

Fig. 2.5 不同灵长类属（genera）的家域（home range）大小与栖息群体重量的关系图。实心圆为食叶动物（folivores），其回归线为实线。空心圆为特化食性者（specialist feeders，食虫动物（insectivores）或食果动物（frugivores）），其回归线为虚线。部分属名已标注。源自Clutton-Brock和Harvey（1977）。

果实和昆虫比叶片分布更分散，因此特化食性者需要更大的觅食区域以获取足够食物。

体重性二态（Sexual dimorphism）

灵长类中，雄性通常比雌性体型更大。有两种假说可解释此现象：性二态可能使雄雌性利用不同食物生态位（food niches），从而避免竞争（Selander, 1972）。若此成立，则可预测在单配制（monogamous）物种中二态性最显著，因为此类物种的雄雌通常共同活动并在相同区域觅食。另一种可能是性选择（sexual selection）驱动进化，雄性的大体型在争夺雌性时更具优势（Darwin, 1871）。若性竞争是关键因素，则预测多配制（polygamous）物种的二态性更强，因为雄性可通过垄断多个雌性获得更大繁殖收益。

比较数据未显示生态位分离假说预测的趋势，但支持性竞争假说：繁殖群体中每雄性对应的雌性数量越多，雄性相对于雌性的体型越大（Fig. 2.6）。

牙齿大小的性二态

雄性通常具有更大的牙齿。同样存在两种假说（Harvey et al., 1978）：雄性大牙齿可能为防御群体抵御捕食者而进化；或为与其他雄性竞争雌性交配权而进化。此处需考虑体重作为混淆变量：雄性体型大于雌性，因此牙齿大小的性别差异可能仅反映体型差异。

可通过绘制雌性牙齿大小与体重的回归线进行控制。若将雄性牙齿数据叠加于同一图表，可判断其是否大于同体重雌性的预期值。结果显示：单配制物种中雄性牙齿大小符合同体重雌性预期，但在后宫制（harem-forming）物种中显著大于预期。这些数据支持性竞争假说。但无法完全排除捕食防御假说，因后宫制物种可能更易受捕食威胁。

进一步分析多雄群体（multimale troops）发现：在此类社会组织中，地栖（terrestrial）物种雄性牙齿相对于体型大于树栖（arboreal）物种。即使在同一交配系统中，不同栖息地的牙齿大小仍存在差异。通常认为地栖环境面临更高捕食风险，因此捕食压力可能驱动地栖物种大牙齿的进化。

性竞争与捕食防御可能均具有重要性

结论是：性竞争与捕食压力可能共同影响牙齿大小性二态的进化。此外，牙齿差异可能减少两性食性重叠（diet overlap），从而避免食物竞争。此例表明，即使经过细致分析，仍难以完全解析多个变量对性状进化的影响。

睾丸大小与繁殖系统

体型最大的灵长类——大猩猩（Gorilla gorilla）和红毛猩猩（Pongo pygmaeus）采用单雄垄断多雌的繁殖系统，其睾丸重量分别为30g和35g（双侧平均值）。相比之下，体型较小的黑猩猩（Pan troglodytes）采用多雄与发情雌性交配的繁殖系统，睾丸重达120g。睾丸重量的显著差异可能与繁殖系统相关：单雄系统中雄性只需确保受精的最低精子量；而多雄系统中精子需与其他雄性竞争，选择压力（selection）将促进精子产量增加，进而导致睾丸增大。

Harcourt等（1981）通过比较20个灵长类属验证该假说，样本涵盖从320g的狨猴（Callithrix）到170kg的大猩猩。Fig. 2.7显示：睾丸重量随体重增加而增加，但同等体重下，多雄繁殖系统的属睾丸显著重于单雄或单配制属。前者的数据点位于回归线上方，后者位于下方（"单雄"指繁殖群体仅一雄性，尽管社会群体可能含多雄；"单配制"指一雄一雌结构）。这些数据支持精子竞争（sperm competition）假说。

系统发育在比较分析中的应用

自1980年代中期起，比较分析出现重大进展：利用系统发育（phylogenies）识别独立进化事件（evolutionary transitions），并阐明性状进化顺序（Felsenstein, 1985; Grafen, 1989; Harvey & Pagel, 1991）。在具体方法前，需先解释其必要性。

物种的非独立性

统计检验要求数据点独立。假设我们比较男女体型差异，若测量Smith家族多个男性与Jones家族多个女性，可能因家族特征（如Jones家族普遍高或营养佳）导致错误结论。换言之，性别内数据点非独立，增加误判风险。

物种可能因共同祖先而相似……

系统发育树（phylogenies）

在比较不同物种时，完全相同的（non-independence）问题也可能出现（Clutton-Brock & Harvey, 1977）。近缘物种往往相似，因为它们通过共同祖先而非独立演化获得相似性状。举一个极端例子：澳大利亚的哺乳动物多为有袋类（marsupials），它们在育儿袋中携带幼体；而英国的哺乳动物全为胎盘类（placental），通过胎盘在母体子宫内滋养后代。若比较英国和澳大利亚的哺乳动物，我们会发现育儿袋的存在与任何英澳之间的环境变量（如平均温度、降雨量、沙漠面积比例等）相关。然而，推断这些变量导致了差异将是愚蠢的。这种差异更易用历史事实解释——胎盘类哺乳动物在澳大利亚与其他大陆隔离后才演化出来。

……可能会使比较分析产生偏差

非独立性问题并不依赖于此类极端历史模式或性状缺乏演化可塑性（Ridley, 1989）。例如，纵观灵长类，长臂猿（Hylobates spp.）全为一夫一妻制、食果且占据领域。因此，每当在比较研究中加入新的长臂猿物种，这些性状的跨物种相关性就会增强。虽然这可能是自然选择（natural selection）关联了这些性状（例如：获取足够果实需要大领域，这分散了个体从而有利于一夫一妻制），但也可能由近乎无限的其他可能性解释（例如：长臂猿是食果专家，但其他共有行为促成了一夫一妻制）。

系统发育树（phylogenies）

要解决物种非独立性问题，必须考虑系统发育树（phylogeny）。系统发育树是展示物种间演化关系的树状图（图2.8a；暂忽略细节）。最初使用形态性状构建这些树，现今多基于核基因或线粒体基因的DNA序列相似性：两个物种越相似，共享共同祖先的时间越近。若已知突变速率（通过化石或已知年代地质事件校准），DNA序列差异量就成为估算物种最后一次共享共同祖先时间的“分子钟（molecular clock）”。树中的分支长度可指示自分歧以来经过的时间。根据现存物种的DNA序列，使用多种统计方法重建最可能的系统发育树。

图2.8 (a) 简单系统发育树。此树中，A产生两个后代B和C，每个又产生两个后代：D与E，F与G。测量现存物种（D, E, F, G）的性状状态(\mathsf{x},\mathsf{y})。其祖先（B和C）的性状需估算，此处假定为后代值的中间值。该树中有三个独立对比（independent contrasts）：\mathsf C_{1},\mathsf C_{2}和{\mathsf C}_{3}。(b) 将x性状的对比与y性状的对比绘图，显示这两个性状存在协同演化。

现存物种的性状状态（食性、脑容量、交配系统等）可被测量。如何得知已灭绝祖先的状态？形态性状可用化石推断，但行为性状罕有化石记录。因此，我们必须对祖先状态进行合理推测。同样存在多种统计方法，最简单的是简约法（parsimony）：为祖先分配状态以使演化树从祖先到现存物种的变化次数最少。更复杂的方法包括最大似然法（maximum likelihood）和贝叶斯统计（Bayesian statistics），它们评估不同可能性中祖先状态的概率。一般而言，若演化树中变化频繁，祖先重建的不确定性会增加，尤其是更久远的祖先（Schluter et al., 1997）。

估算祖先状态

独立对比法（independent contrasts）

Joe Felsenstein（1985）提出独立对比法（independent contrasts）以解决物种非独立性问题。图2.8是解释该方法的简单示例。关键在于假设两个物种自分歧后独立演化，因此它们的差异程度在统计上独立于树中的其他变化。这些近缘类群间的分歧为分析提供了独立的演化变化或对比（图2.8a中D vs E和F vs G）。除比较树梢的物种对，还可逆向比较更高层级，有效比较物种群或祖先（B vs C）。通常假设连续性状（如脑容量）的祖先值……

利用系统发育树识别独立的演化变化……

图2.9 欧洲莺科（Sylviidae）Acrocephalus和Locustella属的鸣声复杂性与脑解剖结构。(a) 某些物种如草莺L. naevia鸣声极简（重复单一音节），而湿地苇莺A. palustris鸣声复杂，包含多达百种不同音节类型。(b) Acrocephalus和Locustella莺类的系统发育树，数字代表分析中使用的八个独立对比。(c) 音节库大小的对比与脑高级发声中枢（HVC）体积（经体型校正）的对比相关性，八个独立对比已标注。引自Szekely et al. (1996)。

为两个后代物种的中间值（例如B是D和E的平均值）。图2.9是该方法的实例，显示莺类演化过程中鸣声复杂性的增加与参与鸣声学习的脑区（高级发声中枢）体积增大相关。这一关系在45种雀形目鸟类的广泛比较中同样显著（De Voogd et al., 1993）。

该系统发育方法促使对灵长类睾丸大小数据（图2.7）进行重新分析。58种灵长类的系统发育树揭示了多雄群与单雄群类群间的七组独立成对比较。所有七组中，多雄群支系具有相对体重更大的睾丸，验证了原研究的结论（Harcourt et al., 1995）。比较分析显示，精子竞争（sperm competition）增强也会导致螽斯科（Tettigoniidae）物种的睾丸增大（图2.10）。

图2.10 螽斯科（Tettigoniidae）物种中睾丸质量与体质量的关系，按一妻多夫程度分为低（实心圆）和高（空心圆）。通过将现存物种值按系统发育距离加权，将系统发育信息纳入统计分析。拟合线来自系统发育模型，对应低（实线）和高（虚线）一妻多夫程度。引自Vahed et al. (2010)。

离散变量与演化过程中变化的顺序

脑容量和睾丸大小等性状是连续变量（continuous variables）。我们在比较分析中可能考虑的其他性状是离散变量（discrete variables），例如食性（昆虫与种子）或交配系统（单雄与多雄）。已开发的统计方法可用于推断祖先状态的可能性，以及性状变化在系统树中最可能的演化顺序（Pagel, 1994; Pagel & Meade, 2006）。例如，在Crook's weaverbirds中，是食性向种子转变导致了集群行为的增加，还是集群行为的改变促进了种子食性的演化？若能确定这一点，就能回答先前提出的因果关系问题。

我们转向另一个灵长类案例，展示系统发育中离散性状的分析如何帮助识别独立的演化转变及其发生顺序。

…与变化顺序

图2.11 雌性chimpanzees（西非几内亚Bossou）的性肿胀。(a) 左侧为雌性，右侧为退离的雄性。照片\circledcirc Kathelijne Koops。(b) 一只42岁雌性背负其五岁女儿，正被成年雄性检查。此照片拍摄后不久她便怀孕。照片\circledcirc Susana Carvalho。

Darwin的困惑

雌性灵长类的性肿胀

某些旧大陆猴类（old world monkeys）和类人猿（apes）的雌性通过显眼的性肿胀（sexual swellings）展示性接受状态（图2.11）。Charles Darwin（1876）在《人类的由来》中写道："没有哪个案例比某些猴子臀部及邻近部位鲜艳的色彩更让我感兴趣或困惑"。具有性肿胀的物种（如baboons和macaques）倾向于生活在多雄交配群体（'multimale' groups；Clutton-Brock & Harvey, 1976）。类似地，在类人猿中，雌性chimpanzees具有显著肿胀，其生活在大型多雄群体中；而gibbons、orang-utans或gorillas无此特征，它们生活在单雄群体（单偶制或一雄多雌制）。在70个物种中，29个单雄群体物种均无性肿胀，而41个多雄群体物种中有29个（71%）具有该特征（Nunn, 1999）。

雌性性肿胀存在于多雄群体

系统发育分析支持性肿胀与多雄群体的关联（图2.12）。性肿胀在旧大陆猴类和类人猿中独立演化三次，且三次转变均与单雄祖先状态向多雄群体的演化相关。通过统计方法重建祖先状态的进一步分析表明，多雄交配系统很可能先于性肿胀演化（图2.13）。因此，是多雄群体中的新选择压力导致了性肿胀的演化，而非肿胀促进多雄群体的形成。

图2.12中还显示两次肿胀丢失。其中一次（编号2）伴随多雄群体向单雄群体的转变，符合预期。但另一次肿胀丢失发生在多雄系统内（图2.12编号1）。可能原因将在后文讨论。

分级信号假说（graded signal hypothesis）

为何肿胀与多雄群体相关？当群体中存在多个雄性时，雌性面临微妙的平衡：一方面，通过与优势雄性交配可能获得最佳遗传父系，且其最能保护雌性及后代免受捕食者和群体内其他雄性骚扰（Hrdy, 1979）。另一方面，若所有雄性均清楚优势雄性的父权，从属雄性可能伤害甚至杀死其后代。Charles Nunn（1999）提出性肿胀可能提供分级信号，使雌性既能偏向优势雄性的父权机会，又在潜在可育期增强与从属雄性的交配机会。这使所有雄性都有足够父权概率，从而保护雌性及其后代。

支持分级信号假说的证据显示，雌性在肿胀最大期最可能排卵（图2.14），此时优势雄性守卫并高频交配。此期间，雄性可能使用嗅觉线索精细评估雌性生育力（Higham et al., 2009）。但个体雌性可能在最大肿胀期前后数天排卵。此外，有肿胀物种的雌性每个排卵周期性活跃期（11天）约为无肿胀物种（5天）的两倍；

图2.13 (a) 离散性状的协同演化。考虑灵长类两个离散性状：x为是否通过性肿胀发情信号（0=无，1=有）；y为交配系统（0=单雄，1=多雄）。八箭头表示四状态间可能转变。统计方法用于量化灵长类系统树中这些转变的演化速率，寻找最佳拟合模型。例如若\mathsf{q}_{1,2}=\mathsf{q}_{3,4}，则表明向多雄系统的转变与发情信号无关。(b) 流程图显示灵长类系统树中最可能的演化路径：从无性肿胀的单雄/单偶祖先状态（0,0）到有性肿胀的多雄系统（1,1）。最细箭头对应高后验概率（>94%）为零的转变速率，最粗箭头为最频发转变。箭头组合表明交配系统首先演化改变（状态0,1），进而选择雌性展示性肿胀（1,1）。相反假说（肿胀先演化后引发多雄系统）未被支持。引自Pagel & Meade（2006）。

Fig. 2.14 在科特迪瓦塔伊国家公园常绿森林中研究的野生黑猩猩群体中的性肿胀（sexual swellings）。(a) 12只雌性排卵日（第0天）对齐的肿胀大小（\mathsf{mean}\pm\mathsf{SE}）。通过照片测量肿胀程度，通过尿液样本的酶免疫分析（enzyme immunoassays）确定排卵时间。阴影区域表示最可能受孕的生育期。(b) 优势雄性在最大肿胀期的交配率（mean ± 1SD）。来自10只雌性的数据，对齐排卵日（第0天）。阴影为生育期。数据来自Deschner等（2004）。经Elsevier许可使用。

Nunn（1999）。这使得优势雄性不太可能在整个生育期垄断雌性，从而增加了雌性与多个雄性交配的机会。

影响从属雄性接触机会的另一个因素是群体中生育雌性的同步性。如果优势雄性将注意力转移到其他有吸引力的雌性身上，从属雄性将有更多交配机会。这解释了为什么肿胀现象更常见于非季节性繁殖的多雄性物种（如狒狒），而在繁殖具有强烈季节性的物种（如vervet monkeys）中不显著。在季节性繁殖者中，所有雌性会在几周内进入发情期，导致雌性接受期重叠。这意味着优势雄性更少尝试垄断雌性，从属雄性更容易获得接触机会。因此，性肿胀对雌性并不具备明显优势。值得注意的是，在多雄性系统中从有肿胀到无肿胀的进化转变涉及繁殖季节性的增加（猕猴的sinica类群；Fig. 2.12；Nunn，1999）。

繁殖同步性可能也具有重要意义......

比较方法回顾

我们描述的统计方法无疑是对比较方法早期应用的重要改进。主要改进可总结为：

(1) 社会组织的不同方面被独立处理。 (2) 混杂变量（confounding variables）以严格方式处理。

现代研究的主要改进点

(3) 系统发育（phylogenies）被用于识别独立的进化转变和性状变化的可能顺序。(4) 尽可能利用数据区分不同假说。

比较方法适用于检验无法实验验证的假说

比较方法特别适用于观察进化中的宏观趋势以及社会组织与生态学的一般关系。它能产生可用于其他动物类群的预测假说，也可用于检验无法通过实验验证的假说（如一夫多妻对性二态性的影响）。此外，它令人印象深刻地展示了饮食、捕食压力、社会行为和体型等因素如何相互关联。

然而，我们需要不同的方法来详细理解个体采取特定策略的经济学原理（economics）。我们能否实际测量食物分布和捕食风险，进而对个体行为做出精确预测？能否解释为什么猴子以20只而非15或25只的群体活动，为何其家域（home range）是\mathbf{\l{0}ha}而非8或12\mathrm{ha}，以及为何在果丛中停留一小时才转移？事实上，我们可以尝试通过最适性理论（optimality theory）和实验方法回答这类精确问题。

适应的实验研究

我们现在转向另一种互补的方法，研究选择如何塑造行为。重点不再是物种间的宏观比较，而是同种个体行为及其成本效益分析。

鸥类移除蛋壳行为的成本与收益

测量成本效益的理念源于Niko Tinbergen研究行为适应优势的实验方法。例如，Tinbergen观察到在英格兰西北部沙丘筑巢的黑头鸥（black-headed gulls）孵卵亲鸟总会在雏鸟孵化后叼走碎蛋壳（Fig. 2.15a）。尽管每年仅需几分钟，这个行为对幼鸟生存至关重要。黑头鸥的卵和幼鸟在草丛、沙地和枝条间有良好伪装，但碎蛋壳内层的白色非常显眼。Tinbergen通过实验验证显眼蛋壳会降低巢穴伪装的假说：将涂成伪装色的鸡蛋放置在鸥群附近，部分旁边放置碎蛋壳。结果证实靠近碎蛋壳的伪装蛋更容易被乌鸦等捕食者发现（Fig. 2.15b）。因此亲鸟在雏鸟孵化后立即移除显眼蛋壳显然有利于保持伪装，提高基因延续概率。

时间权衡的考量

但故事还有更深层次。亲鸟不会立即移除蛋壳，而是停留一小时以上才带走蛋壳。解释这种延迟需要引入成本效益权衡的概念：如果亲鸟立即带走蛋壳，就必须离开刚孵化的雏鸟（另一亲鸟正在觅食区为下次轮班储备能量）。Tinbergen观察到羽毛未干的雏鸟易被同类成体吞食，但当绒羽干燥蓬松后则难以吞咽。因此亲鸟的延迟行为可能反映了维持伪装效益与离开脆弱雏鸟成本之间的平衡。

Fig. 2.15 (a) 黑头鸥移除蛋壳。(b) 实验结果显示：旁边放置碎蛋壳（5cm）的伪装鸡蛋（\mathtt{\tilde{n}}=60）更易被捕食。数据来自Tinbergen等（1963）。

当成本效益平衡改变时，亲鸟延迟时间也会相应变化。蛎鹬（Haematopus ostralegus）的观察证实了这点：这种独居营巢鸟因无同类捕食风险，亲鸟在雏鸟绒羽未干前就会立即移除蛋壳以保持伪装。

最适性模型

乌鸦与蛾螺

在加拿大西海岸，如同许多沿海地区，乌鸦(crows)以软体动物为食。它们在退潮时搜寻蛾螺(whelks)，找到后将其携带至附近的岩石，盘旋并从空中投掷以击碎外壳获取内部肉质。Reto Zach (1979)详细观察了西北乌鸦的行为，发现它们仅选择最大体型的蛾螺，平均投掷高度约为5\mathrm{m}。Zach通过实验将不同大小的蛾螺从不同高度投掷，结合飞行与搜寻的能量消耗数据，计算了觅食行为相关的成本与收益。乌鸦获得的收益(calories)与付出的成本(calories)均可量化，结果显示仅有最大型的蛾螺（含热量最高且最易破碎）能使乌鸦在觅食中获得净能量收益。正如模型预测，即使海滩上摆放不同大小的蛾螺，乌鸦仍会忽略除最大个体外的所有目标。

最小化击碎蛾螺所需的上升飞行

通常乌鸦需要重复投掷2次以上才能破碎外壳。由于上升飞行能耗极高，Zach推测乌鸦可能选择了能最小化总垂直飞行能耗的投掷高度。若从近地面投掷，需多次重复才能破碎外壳；而随着高度增加，首次投掷即破碎的概率逐渐提升（图2.16a）。通过不同高度投掷实验，Zach计算出不同投掷高度下破碎单个外壳所需的总垂直飞行距离（图2.16b）。乌鸦选择的平均投掷高度(5.2\mathrm{m})确实接近理论预测的最小总垂直飞行高度（箭头所示）。不过，即便从略高于5.2\mathrm{m}的高度投掷，总上升飞行距离也几乎相同（图2.16b的浅U型曲线所示），因为所需投掷次数略有减少。Zach提出过高投掷可能产生额外代价：蛾螺可能弹离视野或碎片过小难以回收。

图2.16 乌鸦投掷蛾螺。(a)实验显示投掷高度越高，破碎外壳所需次数越少。(b)计算破碎单个外壳所需总上升飞行距离（投掷次数\times单次高度）。该值在乌鸦最常使用的高度（箭头）达到最小化。引自Zach (1979)。

乌鸦与蛾螺的案例展示了如何通过成本收益计算生成定量预测。乌鸦似乎通过程序化选择接近最小化总垂直飞行距离的投掷高度。若以最大化能量净获取速率等指标为货币(currency)，模型预测的投掷高度将显著更高(Plowright et al., 1989)。

总结

本书将运用三种方法检验行为适应(behavioral adaptations)假说：种内个体间比较、个体成本收益的实验分析，以及种间比较（本质上是检验自然选择在进化时间尺度上的"实验"结果）。

比较法通过跨物种比较，检测行为或形态差异与生态差异的关联性。早期对鸥类(gulls)、织布鸟(weaverbirds)、羚羊(antelopes)和灵长类(primates)的比较研究指出食物可得性与捕食压力是影响社会组织（繁殖行为、群体规模、家域范围、性二态性）的主要选择压力。近期研究利用系统发育树(phylogenetic trees)识别独立进化事件，从而控制共同祖先导致的物种相似性。统计方法包括独立对比(independent contrasts)（以鸟类鸣曲库与脑解剖结构的协同进化为例）和按系统发育距离加权现生物种值（以多雌交配(polyandry)相关的螽斯睾丸大小为例）。

系统发育树还可揭示进化过程中性状变化的顺序。例如灵长类中，从单雄交配向多雄交配系统的转变早于性肿胀(sexual swellings)的演化。性肿胀可能对多雄群体中的雌性有利，因其通过梯度化的生育力信号，使雌性能优先选择优势雄性的父权，同时保持与从属雄性交配以减少后代受害风险。

比较研究对于探究进化中的广泛趋势以及检验那些难以通过实验验证的假设尤为有效。实验方法则侧重于详细分析特定物种个体行为模式的成本(cost)与收益(benefit)。行为可视为具有成本与收益的权衡，自然选择应塑造动物使其净收益最大化。最终，净收益必须以基因对后代贡献的增量来衡量，这将取决于短期目标，如觅食效率(foraging efficiency)、交配成功率(mating success)和逃避捕食的效率。最优化模型(optimality model)可用于预测成本与收益间的何种权衡能实现最大净收益。

延伸阅读

Harvey & Purvis (1991)对比较方法(comparative method)进行了综述。Ridley (1989)清晰阐释了为何即使对于进化可塑性强的特征，也不应将物种视为独立数据点。现代比较分析的统计方法超出本书范畴，近年文献可参考Freckleton and Harvey (2006)、Pagel and Meade (2006)、Felsenstein (2008)及Hadfield and Nakagawa (2010)。Freckleton (2009)评述了比较分析的七大误区。

更多比较研究案例见Fitzpatrick et al. (2009)（慈鲷鱼类中雌性多配性促进精子速度进化）和Kazancioglu and Alonzo (2010)（鱼类性别转换的进化）。Höglund (1989)关于不同婚配系统鸟类体型与羽色二态性的研究，展示了系统发育关系对结论的影响。

Huchard et al. (2009)提出灵长类性肿胀(sexual swelling)在作为生育力信号演化后，可能进一步被选择作为雌性质量的信号，并提供了纳米比亚野生草原狒狒研究的支持证据。