海洋捕食者的兴起在突然群众灭绝的规模上改变了海洋生活

亚扪人组化石

一项新的研究表明,海洋动物之间的进化臂在海洋动物的大洋生态系统上的鳞片相似的鳞片相似的鳞片。

瑞典Umeå大学和佛罗里达自然历史博物馆的科学家利用古生物学数据库建立了一个多层次的计算机模型,该模型记录了过去5亿年的海洋生物历史。他们对化石记录的分析与1981年的一项开创性研究遥相呼应学习由古生物学家J. John Sepkoski - 有一个关键差异。

Sepkoski的突破性统计工作表明,生物多样性的突然变化约为490和2.5亿年前,对应于两个大规模灭绝事件。这些事件将海洋生物分为他所谓的“三大进化动物群”,每个人都是一套独特的动物。

但新模型揭示了第四个。

大约2.5亿至6600万年前,掠食性海洋动物和它们的猎物之间展开了激烈的生存之战,这可能是一股同样强大的力量,将海洋的多样性重塑为我们今天看到的样子。这第三次大转变比前一次要渐进得多,是由生物体驱动的,而不是外部过程。

海洋生活的历史

1981年的一项开创性研究将海洋生物的历史分为三个等级,在每个时期都有特定的动物统治着海洋。两次大灭绝为新物种的繁荣和统治扫清了道路。但一项新的研究提供了证据,证明海洋掠食者的崛起也是一个同样有力的转变,导致了海洋生物的第四等级。来源:杰夫·盖奇/佛罗里达自然历史博物馆

“我们了解到的是,并不是所有动物生命的重大变化都与大规模灭绝事件有关,”该研究的主要作者亚历克西斯·罗哈斯(Alexis Rojas)说佛罗里达大学.Rojas现在是综合科学实验室的博士后研究员,该研究员致力于Umeå大学跨学科研究。

Many scientists have long held the view that external factors such as volcanic activity, asteroid impacts or changes in climate are the primary drivers of major shifts in the Earth’s biosphere, said study co-author Michal Kowalewski, Rojas’ doctoral adviser and the Florida Museum Thompson Chair of Invertebrate Paleontology.

“化石记录告诉我们,生活史上的一些关键过渡是突然外部因素引发的快速变化。但本研究表明,其中一些主要过渡更加渐进,可能是有机体之间生物相互作用的推动,“他说。

捕食者的崛起在大规模灭绝方面转变了海洋生活

大约1.5亿年前,鱼类,蜗牛和甲壳类动物等海洋捕食者迅速多样化,主导大海。他们的猎物通过隐藏,越来越多,可以越来越多地打造他们的外部防御。这种现象,被称为中生海洋革命,产生了我们今天看到的海洋生活,并且可能像突然的大规模灭绝一样强大,以重新定义生活在哪里。来源:杰夫·盖奇/佛罗里达自然历史博物馆

塞普科夫斯基的工作具有革命性的一个原因是,他采用了一种数学方法来解决一个实际问题:化石记录太大太复杂,一个人无法仅凭观察标本就分辨出生命的潜在模式。

他在其1981年研究的前言中写道:“当对其组成部分单独或以小团体的形式进行研究时,它们的形式、功能、相互作用和历史的复杂性往往令人难以置信,几乎是无限的。”

他认为,将这些组件组织成一个系统的层次结构,呈现了更完整的视图。Sepkoski的型号将500万年的海洋生物分为三个伟大的历代,每个人都被大规模灭绝分开,清除了新群体蓬勃发展的方式。在Trilobites统治之后,克拉米奇的动物称为Brachiopods和某些古珊瑚和氨群体升级为突出。在灾难性的终身灭绝之后,有时被称为“伟大的垂死”,它们又被蜗牛,蛤蜊,甲壳类动物,现代珊瑚和各种骨鱼所取代。

三虫石化石

现在已灭绝,称为Trilobites的早期节肢动物似乎至少在520万年前出现并存在近3亿年。他们在大规模灭绝期间消失,在大约2.5亿年前标志着二叠纪结束时,地球历史上最大的已知芯片。图片来源:佛罗里达博物馆,杰夫·盖奇摄影

Kowalewski说,Sepkoski的假设从根本上改变了科学家如何考虑生活历史。它提供了一种有组织的理解海洋生态系统的历史 - 总体故事情节和曲折。

科瓦莱夫斯基说,随着我们对化石记录的了解不断增加,塞普科夫斯基在如何分析如此庞大而复杂的信息方面也陷入了困境。

他说:“现在有了数百万的化石标本,我们的大脑根本没有可行的方法来处理如此庞大的古生物学数据档案。”“幸运的是,分析方法不断改进,为我们提供了更好的方法来提取和检查隐藏在这些极其复杂的数据中的信息。”

Rojas通过使用数据建模中的最新进步来承担这一挑战。具体来说,他有兴趣使用复杂的网络工具来创建更好的化石记录表示。与古生物学中的其他方法不同,复杂网络使用表示物理和抽象变量的节点yabo124的链接结构,以发现给定系统中的底层模式。网络方法可以应用于社交现象 - 例如,显示Facebook用户与平台上朋友的交互模式 - 但它们也可以应用于复杂的自然系统。像Sepkoski一样,Rojas是一位经典训练的古生物学家,在化石记录上寻找新的透视。

金线Brachiopod

这只腕足动物(一种蛤状动物)身上的金线是黄铁矿矿床。腕足动物曾经广泛分布,组成了自己独特的门,直到今天仍然存在。在软体动物占统治地位之前,它们统治着海洋。图片来源:佛罗里达博物馆,杰夫·盖奇摄影

“在多个尺度同时发生许多进程:在您的邻居,您的国家和整个星球上。现在想象一天,一年或500年发生的过程。我们正在做的是在跨越时间来了解所有这些东西,“他说。

一个简单的网络可能只包含一层——所有动物生命和它们生活的地方的记录。但罗哈斯和他的同事们的网络将不同的时间间隔作为个体层,这是之前宏观进化研究中所缺乏的特征。结果就是罗哈斯所说的一种新的、抽象的化石记录,是对博物馆收藏的标本所代表的物理化石记录的补充。

鹦鹉螺化石集团

死后,鹦鹉螺通常会因为壳内的气体而漂浮。它们被洋流收集起来,经常被冲上岸并变成化石,就像这一大堆的deshayeses。图片来源:佛罗里达博物馆,杰夫·盖奇摄影

“这很重要,因为我们要征求的问题,我们正在研究的流程发生在不同的时间和空间中,”Rojas说。“我们已经回来了一些步骤,所以我们可以看看整个化石记录。通过这样做,我们可以探索各种问题。“

想想它喜欢导航代表过去500万年海洋的谷歌地球。你什么时候去哪里?

罗哈斯说:“我们的海洋生物互动地图显示了较小的动物群体以及它们在每个进化动物群中的相互作用。”“在最基本的层面上,这张地图显示了有特定动物的海洋区域。我们研究的基础是个体动物本身。”

这个复杂的网络展示了Sepkoski的模型无法捕获的模型:海洋生活中逐渐过渡与中生代海洋革命开始于大约1.5亿年前。第一次假设在20世纪70年代,这场革命是由伯尼鱼,甲壳类动物和蜗牛等海洋捕食者的快速增长引起的,这是从那时起占据了海洋。他们的扩散驱动猎物变得更加移动,藏在海底下面,或通过加厚盔甲,开发刺或改善其再生身体部位的能力来增强防御。

多尺度观海洋生物

斯普斯基的模型显示了三个主要的海洋生物群体或进化的动物群,这项研究显示了四个,将第三个和最近的组分成了两组。最后过渡可能是由生物体的驱动,而不是外部过程。信用:亚历克西斯罗哈斯的图

Sepkoski知道了中生代海洋革命,但他的模型,受当时可用方法和数据的限制,无法描绘前后的海洋生态系统和逐步过渡。Rojas和他的同事的研究表明,身体和生物学过程都在最高水平塑造海洋生活中的关键作用。

“我们正在将两个假设融为一体 - 中生海洋革命以及三个伟大的进化救济队进入一个故事,”Rojas说。“而不是生活的三个阶段,该模型显示了四个。”

参考:“Phanerozoico唱片的多尺度视图揭示了Alexis Rojas,Joaquin Calatayud,MichałKowalewski,Magnus Neuman和Martin Rosvall,Marking 2021年3月8日,通信生物学yabo124
DOI: 10.1038 / s42003 - 021 - 01805 - y

Joaquin Calatayud,Magnus Neuman和Martin Rosvall的Umeå大学也共同撰写了这项研究。

该研究小组发表了他们的研究结果通信生物学yabo124

该研究由Olle Engkvist Byggmästare基金会、Carl Trygger基金会和瑞典研究委员会提供支持。

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