研究发现植物不是逐渐进化的 它们在爆发中进化出了复杂性

斯坦福大学领导的一项研究显示,陆地植物不是在数亿年中逐渐进化,而是在相隔2.5亿年的两次戏剧性的爆发中经历了重大的多样化。第一次发生在植物历史的早期,引起了种子的发展,第二次发生在开花植物的多样化期间。

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这项研究使用了一种新颖而简单的衡量标准,根据植物生殖结构中基本部分的排列和数量对植物的复杂性进行分类。虽然科学家们长期以来一直认为植物随着种子和花朵的出现而变得更加复杂,但2021年9月17日发表在《科学》杂志上的新发现为这些变化的时间和程度提供了深入了解。

"最令人惊讶的是这种停滞不前的情况,在种子最初的进化之后,复杂性出现了高原,然后在开花植物开始多样化时发生了全面的变化,"研究的主要作者、斯坦福大学地球、能源与环境科学学院(Stanford Earth)地质科学助理教授安德鲁-莱斯利说。"所有这些植物的生殖结构看起来都不一样,但是在那个停滞期,它们都有大约相同数量的部件。"

一个不寻常的比较

花卉比其他每一类植物都更加多样化,产生的颜色、气味和形状滋养着动物,使人们的感官愉悦。它们也很复杂:花瓣、花药和雌蕊以精确的排列方式交织在一起,引诱授粉者,诱使它们将花粉从一朵花传播到另一朵花。

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这种复杂性使科学家难以将有花植物与生殖系统较简单的植物,如蕨类或一些针叶植物进行比较。因此,植物学家长期以来一直专注于科组内的特征,通常将不开花植物的进化与其更复杂的开花亲属分开研究。

莱斯利和他的合作者通过设计一个系统来克服这些差异,该系统仅根据观察对生殖结构中不同种类的部件数量进行分类。每个物种都根据它有多少种部件以及这些部件的聚集程度来评分。他们对大约4.2亿年前到现在的1300个陆地植物物种进行了分类。

"这在形式和功能方面讲述了一个关于植物生殖进化的相当简单的故事。植物的功能越多,越具体,它们的部件就越多,"莱斯利说。"这是一种思考涵盖整个植物历史的大尺度变化的有用方法。"

从灌木到开花

当陆地植物在大约4.2亿至3.6亿年前的泥盆纪早期首次出现多样化时,地球是一个没有树木或陆生脊椎动物的温暖世界。像蝎子和螨虫这样的蛛形纲动物在矮小、斑驳的植物中游荡,最高的陆地生物是一种20英尺高的真菌,相当于现在的乔木树干。泥盆纪之后,动物界发生了巨大的变化。陆地动物进化为具有大的身体尺寸和,食量也更大,昆虫多样化,恐龙出现--但植物直到发展出花朵才看到生殖复杂性的重大变化。

"昆虫授粉和动物散播种子可能早在3亿年前就已经出现了,但是直到最近1亿年,这些与授粉者真正错综复杂的互动才推动了开花植物的这种超高复杂性,"莱斯利说。"有这么长的一段时间,植物可以以现在开花植物的方式与昆虫互动,但它们没有达到同样的复杂程度。"

在白垩纪晚期,大约1亿至6600万年前,地球更接近于我们今天所知的星球--有点像没有开花树木和灌木的优胜美地国家公园。莱斯利说,第二次复杂性的爆发比第一次更有戏剧性,强调了开花植物的独特性质。那个时期产生了像西番莲这样的植物,它可以有20种不同的部分,比非开花植物中发现的数量多一倍。

研究人员对472个活体物种进行了分类,其中一部分是莱斯利在斯坦福大学校园内和周围进行的,方法是简单地将当地的植物拉开并计算其生殖器官。该分析包括维管束陆地植物--除了苔藓和一些缺乏传导水和矿物质的支持性组织的早期植物之外的所有植物。

"我们在这篇论文中论证的一件事是,这种分类仅仅反映了它们的功能多样性,"莱斯利说。"他们基本上分工合作,以便更有效地做他们需要做的事情。"

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