物种进化的“龟兔赛跑”

生态多样的海洋珊瑚礁群落富含鱼类和珊瑚。资料来源:约翰·伯恩斯

也许，突破灭绝是生物多样性的关键。

夏伊洛大学生物系的研究人员在2月28日的《科学》杂志上发表了他们对地球动物生物多样性模型的新研究，他们认为现代海洋中的动物多样性可以用动物种群的较低灭绝率来解释，而不是以前预测的较高起源率。

“今天，海洋动物比地球生命史上任何时候都更加多样化，我们一直试图描述它们是如何变成这样的。”《研究通讯》的作者、生物学助理教授马修·克诺普告诉《中国科学》。

加州大学伯克利分校的进化生物学教授罗斯玛丽·吉莱斯皮(Rosemary Gillespie)没有参与这项研究，她指出，理解生物多样性在空间和时间上的结构一直是生物学研究的重点。主要困难之一是，目前的生物多样性模式是由起源和灭绝决定的。虽然人们可以通过研究现存的生物多样性来推断物种的起源率，但是很难弄清灭绝的作用。

此外，99%以上曾经生活在地球上的生物已经灭绝，只有少数能作为化石保存下来。如何通过不完整的化石记录重建地球历史生物多样性的变化规律是一个重大的科学问题。

秘密

半个多世纪前，英国植物学家约翰·哈钦松曾问，“为什么有这么多种动物？”并回答说适应性生态差异允许物种共存并导致分类多样化。

事实上，在许多现代生态系统中，生态分化和分类多样性密切相关。生态分化可以开发更多的生态位，减少竞争，促进物种形成。然而，如果因果关系颠倒，生态分化和分类多样性之间将有类似的相关性，更多的物种形成事件为生态分化提供了机会。

此外，克诺普说，分类学多样性是由起源和灭绝率的差异造成的，而灭绝对生态分化和分类学多样性的耦合的贡献却较少受到关注。因此，生态分化和分类多样性之间关系的本质仍然是生物学中尚未解决的中心问题，特别是在整个古生物学时间尺度和地球动物史上物种灭绝的问题上。

现代海洋似乎给了科学家一个检验他们假说的机会。因此，研究人员决定利用海洋动物进化来研究在过去5亿年中生态和分类多样性之间的耦合是如何进化的，从而在全球范围内形成生态分化和分类多样性之间的现代关系。

“化石记录为这一问题的研究提供了独特的视角。分化和多样性之间的关系可以随着时间的推移而追溯，而起源和灭绝的影响可以清楚地分开。”克诺普说。

崎岖的道路

海洋生物的发展轨迹并不平坦。他们经历了生命的爆发和集群的灭绝。在数亿年的漫长历史中，它们已经消失并再次繁荣起来。

在5.41亿年前到4.85亿年前的寒武纪期间，地球生物多样性的多样性和复杂性呈爆炸性增长，这就是寒武纪大爆发。寒武纪大爆发是生命进化史上最重要的事件之一，大多数动物物种都出现在这一时期。

同样，在已知的地球历史上，已经有5次全球大规模灭绝。首先是4亿多年前奥陶纪末期的生物灭绝。物种灭绝给海洋生态系统带来了沉重打击，导致当时85%的海洋物种灭绝。

在此期间，形成了一个大规模的冰盖，总规模为1.5亿立方公里，是今天地球南极和北极冰盖总和的6倍多。当时，全球海平面迅速下降了100至150米，大多数海洋生物遭到破坏。

后来，3.72亿年前，晚泥盆世灭绝是地球历史上第二次已知的灭绝。这一事件再次给地球上的生命带来沉重打击，约82%的海洋物种消失了。在大规模灭绝结束后的3600万年，海洋物种再次大规模出现。

南京大学范俊轩团队和中国科学院院士沈团队选取了11268种海洋化石物种的3112个地层剖面和26万个化石数据，重建了约5 . 4亿年至2 . 4亿年前的古生代海洋生物多样性曲线。这篇论文发表在1月17日的《科学》杂志上。

研究人员重现了地质史上最大的三次生物灭绝和两次重大生物辐射事件的精细过程。其中，2.52亿年前，发生了人类有史以来最大的灭绝事件，导致大约80%的海洋生物在数万年内迅速灭绝。这一事件的发生与当时全球气候的迅速变暖密切相关。这两次重要的生物辐射事件分别发生在4.9亿至4.7亿年前和3.4亿至3亿年前，这两次事件都与当时全球气候逐渐变冷同步发生。

五亿年，两万个属

为了找出是谁塑造了繁荣的生命海洋，克诺普与康涅狄格大学、斯坦福大学和其他机构合作，调查了过去5亿年中大约20，000个海洋动物化石属和大约30，000个海洋生物属。

“我们的研究结果清楚地表明，在现代海洋中，生态多样性最丰富的动物群落拥有最多的优势物种。”克诺普说。

研究人员发现，生态灵活群体的成员能够抵抗物种灭绝，尤其是在物种灭绝期间，这主要影响生态相似的群体。

换句话说，今天人们在海洋中看到的各种令人眼花缭乱的物种，如鱼类、节肢动物和软体动物，并不是因为它们比不太常见的物种有更高的起源率，而是因为它们在很长一段时间内的灭绝率较低。

Gillespie认为，这项研究对化石记录进行了迄今为止最详细和详细的分析，非常清楚地表明了“缓慢和稳定”谱系发展的重要性，这是决定哪些谱系具有最高多样性的关键因素。

佛罗里达大学无脊椎古生物学教授迈克尔·科瓦勒夫斯基认为，克诺普等人通过对化石记录中大量数据的巧妙分析，直接解决了一个关键的生物学问题，即为什么某些类型的动物在生态位中占据极其广泛的位置。此外，这项研究强调了古生物学数据在评估生物学核心问题和探索现代生物圈历史根源方面的独特价值科瓦列夫斯基告诉《中国科学》。

沈认为，了解重大生物事件的驱动机制，对于人们认识当今地球生物多样性和人类面临的第六次大灭绝及其与全球气候变化的关系具有重要启示。

克诺普说:“也许龟兔赛跑的寓言可以恰当地解释海洋动物的多样性:一些物种在早期表现出多样性，但后来它们被其他物种超越，这些物种在生态上更加多样化，在进化上更加稳定。它们具有稳定的多样性比率，并对大规模灭绝有很强的抵抗力。”

相关论文信息:http://dx.doi.org//10.1126/science.aax6398

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