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有的進化,比想像中快

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簡單的單細胞微生物是如何成為海中的鯨、山中的虎,以及像我們人類這樣複雜群落的?了解生物體的複雜性是生物學中最基本、最吸引人的課題之一。從單細胞生物發展到現代的生態系統,通過地質年代來觀察生命的多樣性,我們不難發現生物的複雜性明顯的增加了。這是進化生物學中的一個基本認知。

人們普遍認為,進化是在億萬年的時間裡發生的緩慢過程,隨機出現的有利變異最終會逐漸向更複雜的方向轉變。但一項新的研究表明,事實可能並非如此。

在一篇最近刊登於《自然通訊》雜誌上的論文中,研究人員通過將哺乳動物的化石數據納入一些進化模型中,對七個相互競爭的關於脊椎複雜性的進化假說進行了測試。哺乳動物的脊椎是由連續重複的椎骨組成的,因此其複雜程度可以較為容易地被測量出來。基於收集到的數據集,他們認為複雜性的增長並非像多數人認為的那樣,是由隨機的布朗運動造成的,也不是一種長期累積的平穩增長,而是一種呈階梯式的跳躍性改變

有的進化,比想像中快

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○ 圖片來源:The Harvard Gazette

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年代久遠的教科書會告訴我們,哺乳動物有著非常複雜的脊椎,但它們的祖先的脊椎並非如此,而對於這二者中間的區域卻描繪甚少。人們普遍認為,這種變化是隨著時間一點點累積而成的,但卻並沒有可以確切證明這一點的實驗證據。因此,這兩者之間的情況一直是研究人員試圖探究的問題。

認為複雜性是隨著時間的推移而緩慢且平緩地發展的觀點造成了這樣一種印象,那就是有一種不可阻擋的進化規律,或者說是一件避無可避的事情,時時刻刻都在發生。但在新的論文中,研究人員收集到的數據集顯示,哺乳動物和合弓綱動物(哺乳動物所屬的進化分支)的複雜性比在進化的大範圍趨勢所顯示的要快得多,它經歷過巨大的、戲劇性的變化。

脊椎複雜性的最大飛躍發生在犬齒類動物身上,這是一類已經滅絕的哺乳動物,它們最早進化出了更類似哺乳動物的活躍生活方式。從現存哺乳動物的新陳代謝和複雜性之間的相互關係來看,研究人員認為是不斷增加的活動水平觸發了複雜性的飛躍性進化。

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然而,用生物數據來測試複雜性的假設是一件非常具有挑戰性的任務,部分原因在於複雜性本身很難被定義和量化。再加上進化並不是一件在每個群體和每個時期都以相同的速度發生的事。因此要將與進化之謎有關的所有拼圖都拼湊到一起是相當棘手的事。

在這篇新的論文中,研究人員從世界各地的化石中收集到了數據,拼湊出了一套新的複雜拼圖。在搜尋過程中,他們需要的是百分之百完好無損的脊椎標本。他們用了三年的時間,去了世界各地的很多博物館,看到了許許多多不同時間點上的化石。這些化石標本來自德國、英國、南非和南美洲。期間他們經常遇到的一個重大困難便是——很多標本都不完整。

為了解決這個問題,他們採用了一種新的蒙特卡羅模擬方法,用系譜樹來處理分類單元中的子樣本,同時在可用樣本的框架下與進化模型進行對比。結果表明,合弓綱的脊椎複雜性的增加並不是漸進的,而是在一個相對快速的爆發中發展起來的。當然,對於進化來說,即便是快速的變化也需要數百萬年的時間,但這一速度比在一個完全隨機的系統的進化要快得多。

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研究人員利用這些數據,為哺乳動物的脊椎的複雜性進行了量化,並測量了這種複雜性是如何隨著時間變化的。他們最終證明了哺乳動物的脊椎複雜性的增加是一個離散的步驟,像是階梯上的台階,而不是像過去人們以為的那樣像斜坡一樣的平穩增加。

他們推測是哺乳動物高度活躍的適應性觸發了這種複雜性的跳躍,並且這種適應性依然在繼續影響著現在的進化。而這項研究也幫助我們回答了一個古老的問題——生命是如何變得如此複雜的?那就是離散的進化變化可以產生一種乍看之下宛若是在長時間內緩慢積累的變異。因此,複雜性的進化可能比想像中更為複雜。

參考來源:

https://www.nature.com/articles/s41467-019-13026-3#MOESM1

https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/11/mammalian-vertebral-columns-may-reflect-pace-of-evolution/

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/11/191107084036.htm

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