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有的进化,比想象中快

2019-11-26 22:31| 发布者: | 查看: 16| 评论: 0

摘要:   作者:糖兽  1  简单的单细胞微生物是如何成为海中的鲸、山中的虎,以及像我们人类这样复杂群落的?了解生物体的复杂性是生物学中最基本、最吸引人的课题之一。从单细胞生物发展到现代的生态系统,通过地质 ...

  作者:糖兽

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  简单的单细胞微生物是如何成为海中的鲸、山中的虎,以及像我们人类这样复杂群落的?了解生物体的复杂性是生物学中最基本、最吸引人的课题之一。从单细胞生物发展到现代的生态系统,通过地质年代来观察生命的多样性,我们不难发现生物的复杂性明显的增加了。这是进化生物学中的一个基本认知。

  人们普遍认为,进化是在亿万年的时间里发生的缓慢过程,随机出现的有利变异最终会逐渐向更复杂的方向转变。但一项新的研究表明,事实可能并非如此。

  在一篇最近刊登于《自然通讯》杂志上的论文中,研究人员通过将哺乳动物的化石数据纳入一些进化模型中,对七个相互竞争的关于脊椎复杂性的进化假说进行了测试。哺乳动物的脊椎是由连续重复的椎骨组成的,因此其复杂程度可以较为容易地被测量出来。基于收集到的数据集,他们认为复杂性的增长并非像多数人认为的那样,是由随机的布朗运动造成的,也不是一种长期累积的平稳增长,而是一种呈阶梯式的跳跃性改变


图片来源:The Harvard Gazette

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  年代久远的教科书会告诉我们,哺乳动物有着非常复杂的脊椎,但它们的祖先的脊椎并非如此,而对于这二者中间的区域却描绘甚少。人们普遍认为,这种变化是随着时间一点点累积而成的,但却并没有可以确切证明这一点的实验证据。因此,这两者之间的情况一直是研究人员试图探究的问题。

  认为复杂性是随着时间的推移而缓慢且平缓地发展的观点造成了这样一种印象,那就是有一种不可阻挡的进化规律,或者说是一件避无可避的事情,时时刻刻都在发生。但在新的论文中,研究人员收集到的数据集显示,哺乳动物和合弓纲动物(哺乳动物所属的进化分支)的复杂性比在进化的大范围趋势所显示的要快得多,它经历过巨大的、戏剧性的变化。

  脊椎复杂性的最大飞跃发生在犬齿类动物身上,这是一类已经灭绝的哺乳动物,它们最早进化出了更类似哺乳动物的活跃生活方式。从现存哺乳动物的新陈代谢和复杂性之间的相互关系来看,研究人员认为是不断增加的活动水平触发了复杂性的飞跃性进化。

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  然而,用生物数据来测试复杂性的假设是一件非常具有挑战性的任务,部分原因在于复杂性本身很难被定义和量化。再加上进化并不是一件在每个群体和每个时期都以相同的速度发生的事。因此要将与进化之谜有关的所有拼图都拼凑到一起是相当棘手的事。

  在这篇新的论文中,研究人员从世界各地的化石中收集到了数据,拼凑出了一套新的复杂拼图。在搜寻过程中,他们需要的是百分之百完好无损的脊椎标本。他们用了三年的时间,去了世界各地的很多博物馆,看到了许许多多不同时间点上的化石。这些化石标本来自德国、英国、南非和南美洲。期间他们经常遇到的一个重大困难便是——很多标本都不完整。

  为了解决这个问题,他们采用了一种新的蒙特卡罗模拟方法,用系谱树来处理分类单元中的子样本,同时在可用样本的框架下与进化模型进行对比。结果表明,合弓纲的脊椎复杂性的增加并不是渐进的,而是在一个相对快速的爆发中发展起来的。当然,对于进化来说,即便是快速的变化也需要数百万年的时间,但这一速度比在一个完全随机的系统的进化要快得多。

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  研究人员利用这些数据,为哺乳动物的脊椎的复杂性进行了量化,并测量了这种复杂性是如何随着时间变化的。他们最终证明了哺乳动物的脊椎复杂性的增加是一个离散的步骤,像是阶梯上的台阶,而不是像过去人们以为的那样像斜坡一样的平稳增加。

  他们推测是哺乳动物高度活跃的适应性触发了这种复杂性的跳跃,并且这种适应性依然在继续影响着现在的进化。而这项研究也帮助我们回答了一个古老的问题——生命是如何变得如此复杂的?那就是离散的进化变化可以产生一种乍看之下宛若是在长时间内缓慢积累的变异。因此,复杂性的进化可能比想象中更为复杂。


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