持续的快速进化解释了四足动物如何从鱼类进化而来

2021年08月26日 01:12 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

进化过程中最大的问题之一是动物群体何时以及如何首次进化。四足动物(所有有肢体的脊椎动物)从它们的鱼类亲属中崛起,标志着地球生命史上最重要的进化事件之一。这种 "从鱼到四足动物"的转变发生在中泥盆纪和晚泥盆纪之间(约4-3亿年前),代表了一个重大环境转变的开始,即脊椎动物第一次走上陆地。

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然而,关于这一转变动态一些最基本的问题几十年来一直没有得到解决。在2021年8月23日发表在《自然-生态学与进化》上的一项研究中,哈佛大学的研究人员确定了最早的四足动物起源日期,并发现它们获得了几个主要的新适应性特征,使脊椎动物能加速进化速度,以适应在陆地上生活。


研究人员应用最近开发的统计方法(贝叶斯进化分析)精确估计了四足动物崛起期间,解剖学进化的时间和速率。贝叶斯方法改编自最初在流行病学中开发的方法,用于研究像COVID-19这样的病毒如何进化,最近才成为古生物学中研究物种进化的工具。


上图中动物剪影的颜色代表不同身体区域的解剖学进化率,而背景颜色则表示正在经历稳定与定向进化的群体。该研究还创新地结合了来自脚印化石和身体化石的数据,以确定四足动物的起源时间。通常情况下,脚印数据是在其足迹制造者的身体化石之后出现的。现在研究人员发现四足动物脚印比第一个身体化石要早几百万年,这是极不寻常的。通过结合脚印和身体化石,研究人员能够为四足动物的起源提供一个非常精确的时间,即大约3.9亿年前,比最古老的四足动物身体化石早1500万年。

研究人员还发现,大多数四足动物近亲的解剖学进化速度异常缓慢,这表明四足动物的鱼类亲属相当适应它们的水生生活方式。研究人员发现,第一个四足动物的进化系脱离了这种稳定的模式,以令人难以置信的速度获得了几个主要的新特征以适应陆地生活,这种进化持续了大约3000万年。

西蒙斯和皮尔斯还扩展了分子方法来研究早期四足动物身体进化的不同部分,如头骨、下颚和四肢的进化速度,以及作用于每个部分的自然选择强度。他们发现,四足动物骨骼的所有部分都处于强大的定向选择之下,以进化出新的适应性特征,但头骨和下颌的进化速度比身体的其他部分,包括四肢的进化速度快。这表明,在鱼类向四足动物过渡的最初阶段,头骨的变化比骨架其他部分的变化具有更强的作用。四肢向陆地生活的进化很重要,但主要是在四足动物进化的后期阶段进化,以变得更加适应陆地生活。

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