科研人員揭秘東半球樹蛙科如何進化

科技日報記者 張蓋倫

廣西大學林學院斯里蘭卡籍馬德華教授團隊主導，與英國邊山大學、澳大利亞博物館、美國哈佛大學科研人員合作，近日在Nature子刊Communication Biology發文，揭開兩棲動物東半球樹蛙科進化之謎。

兩棲動物是自然界中捕食者和獵物的關鍵組成部分，蛙類是兩棲動物的主要類羣。它們是生態系統食物鏈的主要成分，是從蛇到猛禽等很多動物的食物來源。兩棲動物是陸地脊椎動物的先驅者，其濕潤、滲透性的皮膚，雙相的生命週期和變温特點，使它們易受到乾燥條件的影響，因此兩棲動物是氣候變化的特殊指示物種。

氣候的不斷變化已經導致蛙類種羣數量以前所未有的速度減少。兩棲動物自然滅絕的速度約是每500年1個物種，然而在1980年後的很短時間內，至少有200個物種完全消失。兩棲動物有着漫長且緩慢的物種分化速率，若兩棲動物種羣數量以當前的速率快速下降，那麼進化的物種將無法補充即將滅絕的物種。

樹蛙科是無尾目的一科，目前已描述有22個屬432個種，約佔全球兩棲綱無尾目（青蛙和蟾蜍）的6%。樹蛙科有10-12屬200-300種。樹蛙科外形與雨蛙非常相似，但和雨蛙沒有很近的親緣關係，而與蛙科親緣關係比較接近。東半球樹蛙科廣泛地分佈在氣候多變的地理區域，主要為亞洲和非洲。

樹蛙科主要有4種不同的生殖模式：水生繁殖 （凝膠覆蓋的水生卵和水生蝌蚪)，膠體築巢 (膠體覆蓋的陸生卵和水生蝌蚪)，泡沫築巢 （泡沫覆蓋的陸生卵和水生蝌蚪)和陸地直接發育 (卵或幼蛙在孵化完成後已完全發育，即沒有蝌蚪階段)。陸生直接發育和泡沫築巢是促進這些蛙類快速分化的關鍵進化創新。泡沫築巢使樹蛙能夠具備抗乾燥的必要條件，即能夠在更開放、更乾燥的棲息地產卵。陸地直接發育使樹蛙能夠在多種類型的潮濕棲息地產卵，以遠離對水體的依賴。

該研究使用最新的數據分析方法，對東半球樹蛙科415個物種現有的全部基因組和多基因序列數據進行分類歸併，構建生成了迄今為止最為全面的系統發育樹。結果表明，在東半球樹蛙科整個系統發育過程中，物種分化速率幾乎是恆定的，但物種豐富度的分佈卻很不均勻、在演化過程中有明顯聚集現象。其中，島嶼上的高海拔地區和一些具有陰冷潮濕氣候的大陸地區呈現較高的物種多樣性和獨特的分類羣。

研究結果證實了樹蛙科的起源中心是亞洲的東北地區，通過適應新的氣候條件（“生態位進化”主導）或在有利的氣候時期進行擴散（“生態位保守”主導），從而到達遠離其起源中心的冷濕避難區。

樹蛙科早期的物種多樣性演化和分散是在生態位保守主導的冷濕氣候條件下發生的，但隨着關鍵進化創新的出現，它們能夠適應氣候變暖。在大約0.4億年前的全球變暖期，樹蛙科的早期祖先在東亞或東南亞地區定居，其後代開始適應“始新世時代中期的氣候最適期（MECO）”不斷增加的夏季温度，這些適應與樹蛙科的陸生繁殖模式的進化相吻合。隨後在始新世-漸新世過渡期內發生了全球變冷事件，導致海平面下降，促使這些適應温暖氣候的祖先物種，從遭受氣候惡劣影響的地區向鄰近的避難所遷移。

此外，研究結果還進一步表明，東亞、東南亞和喜馬拉雅地區的許多水生繁殖和膠體築巢的物種向較冷的氣候條件演化，而棲息在巽他古陸和印度半島的許多陸生直接發育和泡沫築巢物種向較暖的氣候進行演化。與大陸地區相比，島嶼空生態位提供的生態機會加速了樹蛙物種多樣性的演化速率。

這些發現足夠説明，氣候避難所、生態機遇、關鍵進化創新、對氣候條件的長期適應，以及氣候在時間尺度上的變化促進了樹蛙科物種的多樣性演化。研究結果對樹蛙科進化歷史提供了全新認識，將有助於預測樹蛙物種對當前和未來氣候變化的響應，從而提出有效的保護策略。