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数据库分析揭示了昆虫对二叠纪末大灭绝事件的响应

    昆虫作为现今地球上多样性最高的生物,自石炭纪开始繁盛,在二叠纪已成为陆地生态系统中重要角色。二叠纪末的大灭绝事件导致了陆地生态系统的崩溃,尽管许多学者基于化石、现生形态学、分子系统学等证据分别做了深入探讨,但迄今学界对此时期昆虫的演化过程争议颇大,进而导致我们对于昆虫对大灭绝的影响机制知之甚少。 

  近日,中国科学院南京地质古生物研究所硕士研究生赵显烨在王博研究员指导下,与中国科学院古脊椎动物与古人类研究所余逸伦博士生以及俄、美等国科研人员合作,依托古生物所大数据中心,建立了全球甲虫(昆虫纲:鞘翅目)化石形态数据库。在此基础上,利用多种数学模型对早二叠世至中三叠世甲虫的分类多样性、形态歧异度、系统发育和生态习性进行了综合分析,重建了甲虫的早期演化历史。本研究发现大灭绝事件(特别是去森林化)明显影响了甲虫的早期演化过程,为昆虫对大灭绝事件的响应提供了新的见解。研究成果近期发表于《eLife》。 

  本研究厘定了甲虫部分关键类群,分别统计了自然类群、形态类群及混合类群的物种数,并基于全延限假设,计算得到了分类多样性变化曲线。基于新的系统发育矩阵,采用最大简约法构建了早期甲虫的系统发育树。建立了甲虫鞘翅形态数据库,利用与主坐标分析和非度量性多维标度变换,基于多种形态歧异度指标定量分析了早二叠世至中三叠世甲虫形态差异的变化。 

  研究结果表明,随着早、中二叠世甲虫干群的辐射,其多样性与形态歧异度同步增加。晚二叠世其多样性与形态歧异度解耦,多样性的增加并未伴随着形态歧异度的显著变化。二叠纪末大灭绝事件后,甲虫蛀食性干群近乎完全灭绝,多样性、形态歧异度皆明显降低。早三叠世蛀食性甲虫化石记录的空白,与森林生态系统的崩溃(即煤层缺失带,“Coal Gap”)时间一致,表明蛀食性甲虫灭绝可能源于去森林化作用所造成的栖息环境的消失。中三叠世甲虫类群明显恢复,新的蛀食性甲虫类群再次广泛出现,这也与森林生态系统的恢复时间相一致。此时期,甲虫类群也逐渐完成了从古生代类群(基干类群为主)到中生代类群(多食亚目为主)的转换。 

  现代自然界中,昆虫在陆地碳循环中扮演着重要的角色。森林是陆地生态系统中最大的碳储库,植食性昆虫通过分解木质组织,将光合作用固定的碳以二氧化碳形式返回于大气。现今昆虫对森林枯木分解贡献率平均为29%,年排碳量约为3.2 ± 0.9 Pg。甚至在短时间内,植食性甲虫的爆发足以让森林从碳汇转变为碳源。然而,地质历史时期昆虫对全球碳循环及气候的影响被长期忽略。古生代陆生植物大辐射伴随着巨量碳储存和氧气释放,这被认为是同期大气氧含量上升的主导因素。但大气氧含量在石炭纪达到顶峰后下降的原因尚存争议。近期,新的地球化学模型提出二叠纪陆地植食性动物对碳埋藏的限制可能是大气氧含量下降的主要驱动力。在二叠纪,相对于甲螨、脊椎动物等植食性生物,蛀食性甲虫是更为重要的木材分解者。这些甲虫通过与微生物(例如真菌)的相互作用显著提高了木材的降解速率。因此二叠纪蛀食性甲虫的辐射可能是二叠纪大气氧含量下降的一个主要驱动力。 

  本研究首次利用形态歧异度等指标对昆虫化石进行分析。研究结果表明,基于大数据以及多指标、多种模型的联合分析有助于我们更好地揭示地质历史时期生物的演化规律和可能的驱动力。 

  当今,人类造成的全球变暖与毁林事件导致森林昆虫多样性不断下降,与二叠纪末期灭绝事件十分相似。本研究或许有助于我们更好地了解未来昆虫将如何响应全球气候的变化。 

  本研究由国家自然科学基金、中国科学院等资助。南京地质古生物所杨定华绘制了化石复原图。余逸伦在其中的承担的主要工作为形态多样性分析,并参与讨论系统发育分析方面的工作。 

    论文相关信息: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

    论文链接:https://doi.org/10.7554/eLife.72692

图1,二叠纪甲虫代表性化石及复原图

图2,早二叠世至中三叠世甲虫多样性变化曲线

图3,早二叠世至中三叠世甲虫系统发育树(A)和蛀食类群占比生态变化曲线(B)

图4,早期甲虫形态歧异度对比分析

来源:中国科学院古脊椎动物与古人类研究所

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