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,陆地植物并没有在数亿年内逐渐进化,而是在两亿五千万年之间的两次戏剧性爆发中经历了重大的多样化。第一次发生在植物史早期,导致种子发育,第二次发生在开花植物多样化的过程中。

该研究使用一种新颖但简单的度量方法,根据植物生殖结构中基本部分的排列和数量对植物复杂性进行分类。尽管科学家们一直认为随着种子和花朵的出现,植物变得更加复杂,但这项新发现发表于2021年9月17日,发表于科学类,提供对这些变化的时间和规模的洞察。

斯坦福大学地球学院地质科学助理教授安德鲁·莱斯利(Andrew Leslie)说:“最令人惊讶的是这种停滞,在种子最初进化后,这种复杂的高原,然后是开花植物开始多样化时发生的总体变化。”,能源与环境科学(斯坦福地球)。“所有这些植物的生殖结构看起来都不一样,但在停滞期,它们的部分数量都差不多。”

不寻常的比较

花比其他任何一类植物都更加多样化,它们产生的颜色、气味和形状能滋养动物并愉悦感官。它们也很复杂:花瓣、花药和雌蕊以精确的方式交织在一起,引诱传粉者并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生殖系统较简单的植物(如蕨类植物或某些针叶树)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,通常将非开花植物的进化与它们更复杂的开花亲缘植物分开研究。

莱斯利和他的合著者通过设计一个系统来克服这些差异,该系统仅基于观察就可以对生殖结构中不同种类部分的数量进行分类。根据每个物种有多少类型的部分以及这些部分的聚集程度,对每个物种进行评分。他们对大约4.2亿年前至今的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:“昆虫传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,这些与传粉者的复杂互动才推动了开花植物的超高复杂性。”。“有很长一段时间,植物可以像现在开花的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。”

最近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种活的物种进行了分类,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植物拆开,并计算它们的生殖器官。该分析包括维管陆地植物——除了苔藓和一些早期植物之外的所有植物,这些植物缺乏传导水和矿物质的支持组织。

莱斯利说:“我们在这篇论文中提出的一点是,这种分类仅仅反映了它们的功能多样性。”。“他们基本上分工是为了更有效率地完成他们需要做的事情。”

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,科学类
DOI: 10.1126 / science.abi6984

研究作者包括科罗拉多大学自然历史博物馆的Carl Simpson和开放大学的Luke Mander。

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