植物不是逐渐进化的——它们在两亿五千万年前两次戏剧性的爆发中进化出了复杂性

百子莲

一种非洲百合(非洲百合花)的花被分成几个部分。根据一种新的植物复杂性分类,非洲百合的生殖结构有12种类型,其中一些在种子上或子房内,这里没有图。相比之下,典型的蕨类植物只有一种生殖器官。信贷:安德鲁。莱斯利

斯坦福大学领导的一项研究表明,陆地植物不是在数亿年的时间里逐渐进化的,而是在相隔2.5亿年的两次戏剧性的爆发中经历了主要的多样化。第一次发生在植物历史早期,导致种子的发展,第二次发生在开花植物多样化期间。

这项研究使用了一种新颖而简单的度量标准,根据植物生殖结构中基本部分的排列和数量来分类植物的复杂性。尽管科学家们长期以来一直认为,随着种子和花朵的出现,植物变得更加复杂,但2021年9月17日发表的新发现科学,提供对这些变化的时间和规模的洞察。

“最令人惊讶的是这种停滞,这种在种子最初进化后的复杂性高原,然后是当开花植物开始多样化时发生的全部变化,”该研究的主要作者、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同,但在停滞期,它们的部分数量都差不多。”

一个不寻常的比较

花比其他种类的植物更多样化,它能产生颜色、气味和形状,滋养动物并使感官愉悦。它们也错综复杂:花瓣、花药和雌蕊以精确的排列方式交织在一起,以引诱传粉者,诱使他们将花粉从一朵花传播到另一朵花。

这种复杂性使得科学家很难将开花植物与具有简单生殖系统的植物(如蕨类植物或针叶树)进行比较。因此,植物学家长期以来一直专注于科群内的特征,并通常分别研究非开花植物和复杂开花植物的进化。

莱斯利和他的合著者克服了这些差异,他们设计了一个系统,仅根据观察就可以对生殖结构中不同种类的部分数量进行分类。每个物种都根据它有多少类型的部分以及这些部分聚集的程度进行评分。他们对大约从4.2亿年前到现在的1300种陆地植物进行了分类。

莱斯利说:“这从形式和功能上讲述了一个关于植物生殖进化的非常简单的故事:植物的功能越多,它们越具体,它们拥有的部分就越多。”“这是思考涵盖整个植物历史的广泛变化的有用方式。”

从灌木到花朵

当陆地植物在4.2亿至3.6亿年前的泥盆纪早期开始多样化时,地球是一个温暖的世界,没有树木或陆地脊椎动物。像蝎子和螨虫这样的蛛形纲动物在矮小的零星植物中漫步,最高的陆地生物是一种20英尺长的类似树干的真菌。泥盆纪之后,动物王国发生了巨大的变化:陆地动物进化成体型更大,饮食更多样化,昆虫多样化,恐龙出现了——但植物的繁殖复杂性直到开花才发生了重大变化。

莱斯利说:“昆虫授粉和动物种子传播可能早在3亿年前就出现了,但直到最近1亿年前,这些与传粉者的真正复杂的相互作用才使开花植物变得超级复杂。”“曾经有很长一段时间,植物可以像现在开花植物那样与昆虫相互作用,但它们没有达到同样复杂的程度。”

白垩纪它与我们今天所知的地球更为相似——有点像没有开花树木和灌木的约塞米蒂国家公园(Yosemite National Park)。莱斯利说,复杂性的第二次爆发比第一次更引人注目,强调了开花植物的独特性质。这一时期产生了像西番莲这样的植物,它可以有20种不同类型的部分,是非开花植物的两倍多。

研究人员对472种现存物种进行了分类,莱斯利只是简单地将当地植物分离并计算它们的生殖器官,并在斯坦福大学校园内外对其中的一部分进行了分类。分析包括维管陆生植物——除了苔藓和一些缺乏支撑组织来输送水分和矿物质的早期植物以外的所有植物。

莱斯利说:“我们在这篇论文中争论的一点是,这种分类只是反映了它们的功能多样性。”“为了更高效地完成他们需要做的事情,他们基本上分工合作了。”

参考文献:《生殖创新和植物复杂性的脉冲上升》,安德鲁·b·莱斯利、卡尔·辛普森和卢克·曼德,2021年9月17日,科学
DOI: 10.1126 / science.abi6984

这项研究的共同作者包括科罗拉多大学自然历史博物馆的卡尔·辛普森和开放大学的卢克·曼德。

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