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88%的现存蛙类物种是三种古老蛙类的后代

来源:南方都市报     2017年07月23日        版次:AA08    作者:贺蓓

    花臭蛙(蛙超科)。

    中山大学生命科学院教授张鹏。

    中山大学生命科学院张鹏教授课题组和美国专家合作采集了156个蛙类物种的基因数据,并结合前人报告的145个蛙类物种的相关数据,构建了迄今最全面的蛙类家族树

    一项最新研究表明,多数现存蛙类物种“崛起”于6500万年前导致恐龙消失的生物大灭绝事件之后。今天地球上88%的蛙类物种是当时幸存的3个蛙类支系的后代。中山大学生命科学院张鹏教授课题组和美国专家合作采集了156个蛙类物种的基因数据,并结合前人报告的145个蛙类物种的相关数据,构建了迄今最全面的蛙类家族树,并得出该研究结果。

    这一最新研究“Phylogenomics reveals rapid,simultaneous diversification of three major clades of Gondwanan frogs at the Cretaceous–Paleogene boundary”近日发表在国际学术权威期刊《美国科学院院报》(PNAS)上。据悉,该课题研究获得了中组部“青年拔尖人才计划”、国家自然科学基金委“优秀青年基金”项目的资助。

    大部分现生蛙类

    “崛起”于恐龙灭绝事件之后

    在距今6500万年前的白垩纪末期,发生了地球史上一次著名的生物大灭绝事件,约三分之一的科属、75%—80%的物种灭绝,其中包括当时在地球上处于霸主地位的恐龙及其同类。该灭绝事件最大的影响一般认为在于为哺乳动物及人类的最后登场提供了契机。

    张鹏教授说,蛙类两栖动物是陆生脊椎动物中物种数量最多的类群之一,目前已被发现的物种超过6600多个。”物种数量比我们所熟知的哺乳纲动物的物种数量总和还要多。“白垩纪大灭绝事件导致很多动物类群的物种数量明显减少,但由于蛙类的化石记录非常稀少,科学家一直以来认为现生蛙类的演化过程没有受到白垩纪末期大灭绝事件的影响”。中山大学生命科学院张鹏教授接受南都专访时介绍,抱着想弄明白蛙类家族进化过程的初衷,课题组于2013年开始了这一研究。

    张鹏教授说,蛙类已经存在超过两亿年,但这项研究看到了一个很震惊的现象。“直到恐龙灭绝之后,我们才看到蛙类多样性大爆发,并带来了我们今天所看到的绝大多数蛙类。这个发现完全出人意料。”

    长期以来,动物学家都认为蛙类起源于2.5亿年前的早三叠纪时期,其丰富的物种多样性是长期进化积累的结果,白垩纪末期的生物大灭绝事件并没有对蛙类的演化历史产生显著的影响。课题组发现,现生蛙类起源于2.1亿年前的三叠纪末期,纠正了早期研究因使用线粒体基因数据而对蛙类起源时间估算偏大的问题。研究还发现,三个主要现生蛙类动物群类(包含了超过88%的现生蛙类物种):雨蛙超科(Hyloidea)、蛙超科(Natatanura)、姬蛙科(Microhylidae),在白垩纪末期同时经历了爆发性的物种分化过程,提示大量生物消亡后遗留下的生态位空缺推动了现生蛙类物种多样性的产生。此外,大灭绝事件对树栖型蛙类物种的影响要远远大于对其他栖息类型蛙类的影响,这与白垩纪末期大灭绝事件摧毁了大部分森林的推断吻合。

    蛙类物种正在急剧减少

    “超三成蛙类动物是濒危物种”

    蛙类从大灭绝事件中幸存下来并“崛起”,这证明了它们的韧性。但今天,由于栖息地减少,加上易感疾病,蛙类物种正在减少,这一情况令人担忧。张鹏说,两栖动物特别是蛙类从上世纪90年代开始,物种已呈减少的趋势。“很多蛙类还没有被发现,就已灭绝了。”他解释,蛙类被称为是“环境的指示剂”,作为两栖动物,它的皮肤透水性很好,可与外界进行物质交换。只要外面有一点有害物质,便会透过皮肤进入身体。“如果有污染物、病毒病菌,蛙是第一类被感染的生物,这是现在蛙类物种数量在急剧下降的原因之一”。

    “目前世界上超过30%的蛙类动物都是濒危物种”。环境气候变化,化学物品排放,致病菌的传播,首当其冲影响蛙类的生存。张鹏说,很多蛙类物种已经濒临灭绝了,比如过去常见的田鸡(虎纹蛙)现在已经很少了。“有些蛙只有个名字但根本找不到,可能已经灭绝了”。他说,蛙除了是环境的指标,对大自然来说,它更是整个生物链中重要的一环。蛙类数量减少,以蛙为食的物种数量也会减少。“蛙类若消亡,食物链运转会出现问题甚至崩溃”。

    此外蛙的皮肤是半透的,为了抵抗外界病菌,蛙类皮肤会产生各种抵抗机制,因此皮肤上有很多活性物质,这是其他动物所没有的。“比如蛙的皮肤表面有抗菌肽,目前已有人在研究。”世界上存在着6600多种蛙,每种蛙的皮肤成分不一,很多人把眼光瞄在蛙的皮肤上,值得研究。据悉,蛙类抗菌肽被认为是具有广谱、高效的抗菌活性,且不易产生耐药性,已成为未来抗菌药物的理想材料。张鹏教授说,“如果某个蛙的种类消亡了,某种程度上,也是失去了人类找到潜在抗菌药物的生物资源之一。所以说,保护它们也是保护我 们 人 类自己”。

    释疑

    为何是这三个蛙科类“崛起”?

    研究进一步发现,三个主要现生蛙类动物群类:雨蛙超科(Hyloidea)、蛙超科(N atatanura)、姬蛙科(M icrohylidae)包含并超过88%的现生蛙类物种。不仅如此,三个蛙类群类在白垩纪末期同时经历了爆发性的物种分化过程,研究结果提示,大量生物消亡后遗留下的生态位空缺,推动了现生蛙类物种多样性的产生。

    他说,蛙类的研究证明了两栖动物也有同样的短暂爆发。“如果大灭绝事件是真实的,不应该只影响几个动物群类,未来应该还会发现更多的生物类群的进化过程与这个灭绝事件有关,只是我们现在还没有研究到。为何是这三个蛙科类“崛起”?张鹏说,暂未发现三个蛙科特别之处。“完全是运气的问题,看谁反应快。”

    大灭绝事件

    遗留下大量的生态位空缺

    张鹏教授说,经典达尔文进化论认为,物种进化是一个渐进阶梯式的过程,是一步步慢慢来的。“但三个蛙类分歧的时间起点全部都是大灭绝事件,都是在过了白垩纪时间点后有一个非常快速的爆发”。为何会突然爆发性增多?张鹏说,科学界公认在距今6500万年前的白垩纪末期,发生了地球史上一次著名的生物大灭绝事件。这次事件的导火索是一颗天外的小行星在今天墨西哥尤卡坦半岛的位置与地球发生了碰撞,约三分之一的科属、75%—80%的物种灭绝,其中包括当时在地球上处于霸主地位的恐 龙 及 其同类。该灭绝事件最大的影响一般认为在于为哺乳动物及人类的最后登场提供了契机。

    张鹏说,大灭绝事件将撞击点附近所有的生命基本上都消灭了,遗留下大量的生态位空缺,这为现生蛙类物种多样性的产生提供了机遇。“雨蛙超科目前的主要分布范围就在南美洲的巴西雨林地带,离墨西哥的撞击点很近。但它原始的类群并不在那,而是在南美洲的最南角。”也就是说,“离得很远的南部幸存者涌入巴西雨林,产生大爆发”。他补充,蛙类喜欢藏在地下,行星撞击地球时,把恐龙之类猎食者都“消灭”了,原来作为被捕食对象的蛙类,可以去原来去不了的地方,扩散分化。

    擅长在微型栖息地中生存

    蛙类迅速利用了新出现的生态机会

    “不仅是蛙类。”张鹏说,在此之前,科学界已证明了鸟类和哺乳动物也有类似结果。“在白垩纪灭绝之前,哺乳动物的化石很稀少。但灭绝界限之后,化石变得很多,这意味着哺乳动物占据了恐龙的生态位,也有同样爆发式的进化过程”。该研究共同作者、美国得克萨斯州大学奥斯汀分校的D avidH illis也在采访中说,生物大灭绝事件让绝大多数恐龙灭绝,随后其生物多样性爆发,并成为陆地动物的优势类群。“随着看到越来越多的生命群体,可以看到类似的模式,事实证明蛙类也是如此。”

    参与研究的美国佛罗里达自然历史博物馆副教授戴维·布莱克本在一份声明中也说,“我们认为那时候的生态系统发生了巨大变化,包括森林遭广泛毁坏,但蛙类非常擅长在微型栖息地中生存。随着森林和热带生态系统的恢复,它们迅速利用了新出现的生态机会”。“本次研究完美地证明,新的间断平衡理论真实存在。即长期稳态短暂爆发”。张鹏教授说,蛙类、鸟类、哺乳动物在白垩纪后爆发性增长的研究都意味着,生物进化并非一定是渐进阶梯式演化。“长期生活安逸没有进化的动力,在化石上变化不大,突然有特殊事件刺激了生命,会短时间迸发出不同类型的物种”。而这种短暂爆发具体如何启动,则有很多种可能,比如大灭绝就是一种非常有效的机制。

    揭秘

    构建蛙类“家族树”背后

    给泡在酒精里运过来的“一块肉”做DNA分析

    哺乳动物的“生命之树”已经构建得非常完善,不同哺乳动物物种的表兄表弟是谁都比较清楚了。比如鲸鱼的最近表兄弟是河马,研究的很透了。张鹏教授说,在此之前,蛙类研究很少,下一步还将继续研究更多蛙类样本,把蛙类的“生命之树”构建得更加完善。“全世界有6600种蛙,我们的研究还只有156个物种,要真正了解整个蛙的进化历史,需要更大的样本数量,更深入的研究。”

    采集156个蛙类

    物种的基因数据

    蛙类两栖动物是陆生脊椎动物中物种数量最多的类群之一,目前已被发现的物种超过6600多个。6600多个物种中有54个科。“物种数量比我们所熟知的哺乳纲动物的物种数量总和还要多”。

    张鹏的研究方向主要是脊椎动物和昆虫,但最喜欢蛙类。“博士论文做的就是两栖动物,有感情在。”他说,由于蛙类物种繁多,多样性非常丰富,但大家都更关注大动物,很多蛙类物种并没有被发现。“每天走过路过一个蛙,可能它其实就是一个新物种,挺好玩”。2013年起,张鹏课题组启动本次研究。

    收集足够多的蛙类物种标本成为第一挑战。课题组一开始便瞄准专门做蛙类物种的专业博物馆。他们联系了美国三个博物馆,包括加州大学伯克利分校博物馆,加州科学院博物馆,德克萨斯州奥斯丁分校博物馆。“这里有比较丰富的馆藏标本,基本把我们要的80%样本找到。”其他特殊的样本,则通过国际合作或交换标本等方式,花了近两年时间。“标本寄过来还曾被海关卡住。”张鹏打趣说,做DNA分析的对象,其实就是泡在酒精里运过来的“一块肉”。

    蛙类在全世界广泛分布,中国境内蛙的绝对物种数量很多,但所属的门类很窄。“全世界有54个科,但中国只有8个科。国内样本都是我们自己解决的”。张鹏教授举例,雨蛙超科是大爆发最明显的一个蛙种,大部分生活在南美洲潮湿茂密的亚马逊丛林一带。“比如世界上最毒的箭毒蛙,它身材娇小、色彩艳丽,被大家所熟知,它就是雨蛙超科下的一个科。实际上雨蛙超科下还有20个科”。通过与美国学者的合作,包括布莱克本和美国加州大学伯克利分校戴维·韦克等人,采集了156个蛙类物种的基因数据,并结合前人报告的145个蛙类物种的相关数据,张鹏的研究团队构建了迄今最全面的蛙类家族树(科级进化关系),包含了80%的现生蛙类动物科级分类单元。

    专门对蛙类样本中95个

    核基因分子标记进行分析

    新的发现总是伴随着新的技术新的方法。张鹏说,这次研究之所以能有重大发现,与新的分析方法与技术密切相关。

    蛙类作为两栖动物,长期生活在有水的环境,蛙的骨头非常柔软纤细,这样的生物很难形成化石。“目前已经发现的蛙类化石记录非常稀少,通过化石记录很难知晓蛙的演化进程。”张鹏说。根据分子钟假说,两个物种的同源基因之间的差异程度与它们两者间的分歧时间存在一定的数量关系。张鹏解释,假设两个蛙的差异是5%,分子钟假说认为每一百万年就会有1%产生,则可推算出它们相差的年份是500万。

    蛙类DNA的信息,记录着它们进化的过程。张鹏说,物种产生与生物的繁殖过程密切相关,传代次数越多,DNA差异越大。不过物种的变更一般是百万年以上级别,物种之间的DNA差异在不断传代中不断扩大。为了解读蛙类的遗传密码与进化过程,需要分析一些特定的基因,即不同蛙类共有的基因,用同源基因分析进化历史。“如果基因组是一本书的话,这样的基因就好像这本书的一些重要章节。”

    张鹏教授说,之前研究蛙类进化,国际科学界主要用线粒体基 因来计算蛙类之间的分歧时间。“线粒体基因突变的速度非常快,几千万年进化下来,很容易达到突变饱和现象,计算误差很大,之前没办法克服”。2013年,张鹏教授课题组专门开发了一套核基因系统———“脊椎动物高通用性核基因分子标记集”,这是之前所没有的。“专门对蛙类样本中95个核基因分子标记进行分析。”张鹏说,在所有的蛙类物种中选出95个核基因分子,因此得到了不一样的结果。研究发现,现生蛙类起源于2.1亿年前的三叠纪末期,纠正了早期研究因使用线粒体基因数据而对蛙类起源时间估算偏大的问题。

    出品:南方都市报科学新闻工作室

    主持:陈养凯 采写:南都记者 贺蓓

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