研究揭示生物大滅絕後滅絕和起源模式發生的變化

據外媒報道,斯坦福大學的科學家們在生命如何從大災難中重新出現方面發現了一個令人驚訝的模式。10月6日發表在《英國皇家學會會刊B輯》上的研究顯示,身體尺寸進化的通常規則不僅在大規模滅絕期間發生變化,而且在隨後的恢復期間也發生變化。

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自20世紀80年代以來,進化生物學家一直在爭論大規模滅絕及其後的恢復是否強化了正常時期的選擇標準–或者從根本上改變了標誌着物種群體毀滅的一系列特徵。這項新研究在對過去5億年來的大部分海洋化石的全面分析中發現了後者的證據。

研究作者寫道,在全球物種大滅絕之後,進化動態是否以及如何轉變,“不僅對理解現代生物圈的起源有深遠影響,而且對預測當前生物多樣性危機的後果也有深遠影響”。

斯坦福大學地球、能源和環境科學學院的博士後學者、主要作者Pedro Monarrez說:“最終,我們希望能夠查看化石記錄並利用它來預測什麼會滅絕,更重要的是,什麼會回來。當我們仔細觀察4.85億年來世界海洋中的滅絕和恢復情況時,根據某些群體的體型大小,似乎確實存在一種模式。”

該研究建立在斯坦福大學最近的研究基礎上,該研究在被稱為屬的群體中研究了海洋動物的身體大小和滅絕風險,比物種高一個分類級別。該研究發現身體較小的屬平均來說比它們較大的近親同樣或更有可能滅絕。

新研究發現,在大規模滅絕之間的很長一段時間內,這種模式在10類海洋動物中是真實的。但是大規模滅絕以不可預測的方式改變了這一規則,在一些類別中,較小的屬的滅絕風險變得更大,而較大的屬在其他類別中失去了優勢。

結果顯示,在大規模滅絕事件中,被稱為海百合綱動物的較小屬類滅絕的可能性大大增加。相比之下,在”背景”間隔時間段內,受害者和倖存者之間沒有出現可檢測的大小差異。在三葉蟲中,一個與現代馬蹄蟹有遠距離關係的多樣化群體,在”背景”間隔期間,滅絕的幾率隨着身體尺寸的增加而略有下降,但在大規模滅絕期間,身體長度每增加一倍,滅絕的幾率就增加約8倍。

當他們把目光投向那些已經滅絕的海洋屬種,並考慮那些最早的同類屬種時,作者發現在滅絕前後,身體尺寸模式發生了更加巨大的變化。在”背景”間隔期間,新進化的屬種往往比之前的屬種略大。在大規模滅絕恢復期間,這種模式發生了翻轉,大多數類別的起源者與在大災難中倖存下來的保留物種相比,變得更加普遍。

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包括海蝸牛在內的腹足綱動物屬是少數例外,它們是在建立在更小的模式中。在恢復期產生的腹足動物屬往往比前一次大災難的倖存者要大。作者寫道:”無論方向如何,在大規模滅絕事件及其恢復期,對身體尺寸的選擇性比背景時期更加明顯。”

研究高級作者、大學地球、能源和環境科學學院的 Jonathan Payne教授說:“我們的下一個挑戰是確定大規模滅絕後如此多的始祖都很小的原因。”

科學家們還不知道這些原因是否可能與全球環境條件有關,如低氧水平或溫度上升,或者與生物體和它們的當地環境之間的相互作用有關的因素,如食物匱乏或捕食者的缺乏。根據Payne的說法,“確定這些模式的原因可能有助於我們不僅了解我們目前的世界是如何形成的,而且還可以預測對目前滅絕危機的長期進化反應。”

化石數據

這是Payne研究小組一系列論文中的最新一篇,這些論文利用統計分析和計算機模擬來揭示海洋化石記錄中身體尺寸數據的進化動態。2015年,該團隊招募了高中實習生和本科生,幫助計算來自照片和插圖的數千個海洋屬物種的身體尺寸和體積。由此產生的數據集包括了科學界已知的大多數無脊椎動物化石屬,比以前任何動物化石體型的彙編至少大10倍。

此後,該小組擴大了該數據集,並對其模式進行了深入研究。在其他結果中,他們發現更大的身體尺寸已經成為海洋動物滅絕風險的最大決定因素之一,這在地球生命的歷史上還是第一次。

在這項新研究中,Monarrez、Payne 和塔夫茨大學的研究合著者 Noel Heim使用來自海洋化石記錄的身體尺寸數據來估計在過去4.85億年的大部分時間裡,滅絕和起源的概率是與身體尺寸有關。通過將它們的身體尺寸數據與公共古生物學數據庫的發生記錄配對,他們能夠分析屬於10,203個屬的284,308個海洋動物的化石發生記錄。Payne說:“這個數據集使我們能夠記錄,在不同的動物群體中,當大規模滅絕出現時,進化模式如何變化。”

未來的恢復

其他古生物學家已經觀察到,在大規模滅絕之後,身體較小的動物在化石記錄中變得更加普遍–通常稱之為”小人國效應”,這是以18世紀喬納森-斯威夫特的小說《格列佛遊記》中的小人國為例。

這項新研究的結果表明,動物生理學為這種模式提供了一個合理的解釋。作者在大多數活動水平低、新陳代謝慢的海洋動物類別中發現了經典的縮小模式。這些類別中的物種,如果是在大規模滅絕後立即進化的,往往比那些在背景間隔期間起源的物種有更小的身體。相反,當新物種在新陳代謝更快、更活躍的海洋動物群體中進化時,它們在滅絕之後往往有較大的身體,而在正常時期則有較小的身體。

“滅絕部分改變了世界,不僅僅是清除了大量的生物體或大量的物種,而是以各種選擇性的模式清除了它們。然後,恢復並不只是對每個倖存的物種都是平等的。一組新的偏見進入了恢復模式,”Payne說。“只有將這兩者結合起來,你才能真正理解我們在滅絕事件發生500萬年或1000萬年後得到的世界。”