物種進化的“龜兔賽跑” ——研究揭示當前海洋生物多樣性成因_風聞

來源：科學網  中國科學報   作者：唐鳳   時間：2020/3/2

原文網址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/3/436474.shtm

一個生態多樣的海洋珊瑚礁羣落，盛產魚類和珊瑚。 圖片來源：John H.R. Burns

也許，從滅絕中突圍，才是生物多樣繁衍的關鍵。

美國夏威夷大學希洛分校生物系研究人員2月28日在《科學》雜誌上發表了他們關於地球動物生物多樣性模式的新研究，認為現代海洋中的動物多樣性，可以由動物羣體中較低的滅絕率來解釋，而不是像之前預測的那樣源於較高的起源率。

“今天，海洋動物比地球生命史上的任何時候都更加多樣化，我們一直在努力描述它們是如何變成這樣的。”該研究通訊作者、生物學助理教授Matthew Knope告訴《中國科學報》。

未參與該研究的加州大學伯克利分校進化生物學教授Rosemary Gillespie指出，瞭解生物多樣性在空間和時間上是如何構成的，一直是生物學研究的重點。其中一個主要難點是，目前的生物多樣性模式是由起源和滅絕決定的，雖然人們可以通過研究現存的生物多樣性推斷起源率，但要闡明滅絕的作用則非常困難。

此外，地球上曾經生活的生物中99%以上已滅絕，只有很少一部分能保存為化石。如何通過不完整的化石記錄，重建地球歷史生物多樣性的變化規律，是一個重大科學難題。

未解之謎

半個多世紀前，英國植物學家John Hutchinson曾問道：“為什麼會有這麼多種動物呢？”並回答説，適應性生態分歧允許物種共存，並導致分類多樣化。

事實上，在許多現代生態系統中，生態分化和分類學多樣性是緊密相關的。生態分化可以允許探索更多的生態位、減少競爭和促進物種形成。然而，如果因果關係被逆轉，生態分化和分類學多樣性之間也會產生類似的相關性，而且更多的物種形成事件為生態分化提供了機會。

此外，Knope表示，分類學上的多樣性是由於起源和滅絕速率的不同而產生的，而滅絕對生態分化和分類學上的多樣性耦合的貢獻卻較少受到關注。因此，生態分化和分類學多樣化之間關係的本質仍然是生物學中一個未解的中心問題，特別是在整個古生物學時間尺度以及地球動物史的物種滅絕事件中。

而現代海洋似乎給了科學家驗證假設的機會。於是，研究人員決定使用海洋動物演化，研究在過去5億年裏生態和分類學多樣性之間的耦合是如何演變的，從而在全球範圍內形成生態分化和分類學多樣性之間的現代關係。

“化石記錄為研究這個問題提供了一個獨特的視角，分化和多樣之間的關係可以隨着時間的推移而追蹤，而起源和消亡的影響可以明確地分離出來。”Knope説。

坎坷之路

海洋生物的發展軌跡並不平順。它們經歷了生命爆發，也邂逅了集羣滅絕，在數億年的歷史長河中，不斷消失，又再次繁榮。

在距今約5.41億年前至4.85億年前的寒武紀，地球生物多樣性和複雜性出現了爆炸式增長，這就是寒武紀大爆發。寒武紀大爆發是生命進化史上最重大事件之一，絕大多數動物門類在這一時期出現。

同樣，在已知地球歷史上，共發生過5次全球性的大規模集羣滅絕事件。第一次是發生在4億多年前奧陶紀末的生物大滅絕。這次大滅絕重創了海洋生態系統，導致當時85%的海洋生物物種滅絕。

這期間形成了大規模冰蓋，總規模達到1.5億立方千米，是今天地球南極和北極冰蓋總和的6倍以上。當時，全球海平面急速下降100至150米，絕大部分海洋生物遭受了滅頂之災。

之後的3.72億年前的泥盆紀晚期物種大滅絕，是已知地球歷史上第二次生物大滅絕。這次事件讓地球生物再次遭受重創，約82%的海洋物種消失。大滅絕結束3600萬年後，海洋生物物種才再次大規模出現。

南京大學樊雋軒團隊與中國科學院院士沈樹忠團隊，挑選了3112個地層剖面，以及11268個海洋化石物種的26萬條化石數據，重建了約5.4億至2.4億年前的古生代海洋生物多樣性曲線。相關論文1月17日刊登於《科學》。

研究人員重現了地質歷史中規模最大的三次生物滅絕事件以及兩次重大生物輻射事件的精細過程。其中，2.52億年前發生了人類迄今為止識別出的最大規模生物滅絕事件，導致約80%的海洋生物在數萬年內迅速滅亡。這一事件的發生，與當時全球氣候的快速升温密切相關。兩次重要的生物輻射事件，分別發生在4.9億年~4.7億年前和3.4億年~3億年前，並均與當時全球氣候的逐漸變冷同步。

5億年 兩萬屬

為了弄清是誰塑造了現在生命繁榮的海洋，Knope與康涅狄格大學、斯坦福大學等機構的合作者，調查了過去5億年間約2萬屬的海洋動物化石，以及約3萬屬的活海洋動物。

“我們的研究結果清楚地表明，在現代海洋中，生態多樣性最豐富的動物羣落，其屬種數量也最佔優勢。”Knope説。

研究人員發現，生態靈活的羣體成員，能抵抗物種滅絕，特別是在物種大滅絕期間，後者主要影響了生態上相似的羣體。

換句話説，人們今天看到的海洋中令人眼花繚亂的各種各樣的物種，比如魚類、節肢動物和軟體動物，並不是因為它們比不太常見的物種有更高的起源率，而是因為它們在很長一段時間內的滅絕率較低。

Gillespie認為，這項研究對迄今為止的化石記錄進行了最詳細、最細緻的分析，非常清楚地表明瞭“緩慢而穩定”的譜系發展的重要性，這是決定哪些譜系具有最高多樣性的關鍵因素。

佛羅里達大學無脊椎古生物學教授Michal Kowalewski認為，在對來自化石記錄的大量數據的巧妙分析中，Knope等人直接解決了生物學的一個關鍵問題，即為什麼某些類型的動物佔據了生態龕位中極為廣泛的位置。“此外，這項研究強調了古生物學數據在評估生物學核心問題和探索現代生物圈的歷史根源方面的獨特價值。”Kowalewski告訴《中國科學報》記者。

沈樹忠認為，理解重大生物事件的驅動機制，對於人們認識當今地球生物多樣性，以及人類面臨的第六次大滅絕及其與全球氣候變化之間的關係，具有重要啓示意義。

Knope説：“或許龜兔賽跑的寓言能恰當解釋海洋動物多樣化：一些物種在早期就出現了多樣性，但後來被其他物種所超越，後者在生態上更多樣化，在進化上更穩定，它們在具有穩定多樣化比例的同時，對物種大滅絕有很強的抵抗力。”

相關論文信息：http://dx.doi.org//10.1126/science.aax6398

https://doi.org/10.1126/science.aax4953