中科院南古所資料庫分析揭示了昆蟲對二疊紀末大滅絕事件的響應

昆蟲作為現今地球上多樣性最高的生物,自石炭紀開始繁盛,在二疊紀已成為陸地生態系統中的重要角色。二疊紀末發生了地質歷史上規模最大的生物滅絕事件,導致了陸地生態系統的崩潰。迄今學界對此時期昆蟲的演化過程爭議頗大,進而導致我們對於昆蟲對大滅絕的響應機制知之甚少。

昆蟲作為現今地球上多樣性最高的生物,自石炭紀開始繁盛,在二疊紀已成為陸地生態系統中的重要角色。二疊紀末發生了地質歷史上規模最大的生物滅絕事件,導致了陸地生態系統的崩潰。迄今學界對此時期昆蟲的演化過程爭議頗大,進而導致我們對於昆蟲對大滅絕的響應機制知之甚少。

近日,中國科學院南京地質古生物研究所碩士研究生趙顯燁在王博研究員指導下,與中國科學院古脊椎動物與古人類研究所博士生餘逸倫以及俄、美等國科研人員合作,依託南京古生物所大數據中心,建立了全球甲蟲(昆蟲綱:鞘翅目)化石形態資料庫。在此基礎上,研究人員利用多種數學模型對早二疊世至中三疊世甲蟲的分類多樣性、形態歧异度、系統發育和生態習性進行了綜合分析,重建了甲蟲的早期演化歷史。研究發現大滅絕事件(特別是去森林化)明顯影響了甲蟲的早期演化歷程,為理解昆蟲對大滅絕事件的響應過程和機制提供了新見解。研究成果近期發表於英國綜合性學術期刊eLife上。

本研究厘定了甲蟲部分關鍵類群,分別統計了自然類群、形態類群及混合類群的物種數;並參攷全延限假設,計算得到了分類多樣性變化曲線。在新的系統發育矩陣的基礎上,採用最大簡約法構建了早期甲蟲的系統發育樹。研究還建立了甲蟲鞘翅形態資料庫,並且利用主座標分析和非度量性多維標度變換方法,基於多種形態歧异度名額,定量分析了早二疊世至中三疊世甲蟲形態差异的變化。

結果表明,隨著早、中二疊世甲蟲幹群的輻射,其多樣性與形態歧异度同步新增。晚二疊世其多樣性與形態歧异度解耦,多樣性的新增並未伴隨形態歧异度而發生顯著變化。在二疊紀末大滅絕事件後,早三疊世的甲蟲蛀食性幹群近乎完全滅絕,多樣性、形態歧异度皆明顯降低。早三疊世蛀食性甲蟲化石記錄的空白與森林生態系統的崩潰時間(即無煤期,“Coal Gap”)大致吻合,表明蛀食性甲蟲的滅絕可能源於去森林化作用所造成的棲息環境的消失。中三疊世甲蟲類群明顯恢復,新的蛀食性甲蟲類群再次廣泛出現,這也與森林生態系統的恢復時間相一致;此時期甲蟲類群也逐漸完成了從古生代類群(基幹類群為主)到中生代類群(多食亞目為主)的轉換。

現代自然界中,昆蟲在陸地碳迴圈中扮演著重要的角色。森林是陸地生態系統中最大的碳儲庫,植食性昆蟲通過分解木質組織,將光合作用固定的碳以二氧化碳形式返回於大氣。現今昆蟲對森林枯木分解貢獻率平均為29%,年排碳量約為3.2±0.9 Pg。甚至在短時間內,植食性甲蟲的爆發足以讓森林從碳匯轉變為碳源。然而,漫長的地質歷史時期,昆蟲對全球碳迴圈及氣候的影響被長期忽略。

古生代陸生植物大輻射伴隨著巨量碳儲存和氧氣釋放,這被認為是同期大氣氧含量上升的主導因素。但大氣氧含量在石炭紀達到頂峰後下降的原因尚存爭議。近期,新的地球化學模型提出二疊紀陸地植食性動物對碳埋藏的限制可能是大氣氧含量下降的主要驅動力。在二疊紀,相對於甲蟎、脊椎動物等植食性生物,蛀食性甲蟲成為更重要的木材分解者。這些甲蟲通過與微生物(例如真菌)的相互作用顯著提高了木材的降解速率。囙此,二疊紀蛀食性甲蟲的輻射可能是二疊紀大氣氧含量下降的一個主要驅動力。

本研究還首次利用形態歧异度等名額對昆蟲化石進行分析。結果表明,基於大數據以及多名額、多種模型的聯合分析有助於我們更好地揭示地質歷史時期生物的演化規律和可能的驅動力。

當今,人類造成的全球變暖與毀林事件導致森林昆蟲多樣性不斷下降,與二疊紀末期滅絕事件十分相似。本研究或許有助於我們更好地瞭解未來昆蟲將如何響應全球氣候的變化。

本研究由國家自然科學基金、中國科學院等資助。南京古生物所畫師楊定華繪製了化石復原圖。

論文相關資訊:Zhao Xianye,Yu Yilun,Clapham M.E.,Yan E.,Chen Jun,Jarzembowski E.A.,Zhao Xiangdong,Wang Bo*(2021)Early evolution of beetles regulated by the end-Permian deforestation.eLife,doi: 10.7554/eLife.72692.

二疊紀甲蟲代表性化石及復原圖

早二疊世至中三疊世甲蟲多樣性變化曲線

早期甲蟲系統發育樹(A)和蛀食類群占比生態變化曲線(B)

早期甲蟲形態歧异度對比分析

本文標題: 中科院南古所資料庫分析揭示了昆蟲對二疊紀末大滅絕事件的響應
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656039495353833
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