解析进化速率差异

Explaining differences in rates of evolution

December 18, 2018 by Claudia Hoffmann, ETH Zurich

原始文献：Daniele Silvestro et al. Closing the gap between palaeontological and neontological speciation and extinction rate estimates, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-07622-y 

原始报道：https://phys.org/news/2018-12-differences-evolution.html

科学家们研究化石和进化树来帮助确定进化速率- 虽然结果相互矛盾。 ETH研究人员开发的新模型有助于解决这些矛盾。

进化产生植物和动物新物种，或现有物种消亡的速率，是一个非常有趣的研究主题– 这不仅仅限于科学家。 那是因为物种形成和灭绝的速率可以告诉我们很多关于地球历史的信息。 如果在一个区间内出现大量新物种，这将表明地球上出现了有利生命的条件。 相比之下，特殊事件可以引发大规模灭绝，其中最著名的例子是6600万年前恐龙的灭绝事件。这可能是由陨石撞击引起的。

神秘的差异

很难确定过去物种出现，然后再次灭绝的频率。 苏黎世联邦理工学院计算进化研究小组的博士后Rachel Warnock说：“没有人能够看到这些过程的发生。” 这就是科学家试图通过间接方法推断出物种形成和灭绝速率的原因。 一些信息来自不同地质时代的化石。

另一个信息来源是今天存在的物种。 特别是，基于DNA分析的生物物种的系统发育（或进化）树。 通过对这些系统发育树统计分析，科学家们可以确定新物种出现的频率和过去物种灭绝频率。 然而，这两种方法经常产生相互矛盾的结果：从化石记录中得到的物种形成和物种灭绝速率通常远高于通过系统发育方法计算出来的结果。 到目前为止，尚不清楚导致这种差异的原因。

整合不同的方法

但现在，与其他科学家合作，Rachel Warnock和计算进化研究组织负责人Tanja Stadler已经找到了解释。 “这两种方法基于对新物种形成方式的不同假设，”Rachel Warnock说。 这就是他们得出不同结果的原因。 但如果他们考虑到这些不同的假设，那么就可以获得协调的结果。

研究人员通过比较各种动物的数据，如鲸鱼，犬科动物和牛科动物，证实了这一点。 他们的成功部分归功于他们自己开发的计算机模型：“现在我们能够统一两种观点，”Rachel Warnock说。 他们的工作成果发表在广受学界认可的期刊Nature Communications上 。

对物种形成的见解

目前的想法认为：新物种形成机制不是一种，而是多种（附后）。 每种机制都会产生不同的结果。这个过程可能会产生一两个新物种，而祖先物种要么继续存在，要么就会消亡。 “当使用统计方法分析系统发育和化石时，科学家并未明确考虑这些不同的可能性，”Rachel Warnock说。 新模型现在将它们合并在一起，从而确保基于化石和系统发育的信息产生兼容的物种形成和灭绝速率。

它还提供了关于特定动物或植物类群中哪类物种形成机制占主导地位的提示。 例如， 鲸鱼进化树和化石记录显示其最常见的物种形成模式可能是衍生，即原始物种逐渐转变为新物种（模式3框）。 因此，该模型可用于后续研究，以获得有关生物进化的新见解。 它还有助于比以前更好地协调化石基因和系统发育分析的结果。

新物种如何产生

1.芽生：一个新物种从现有物种分支出来，继续存在（1个新的，0个灭绝）。

2.分支进化：一个物种分裂成两个新物种，祖先形式消失（2个新的，1个灭绝）。

3.衍生：一个物种进一步发展成为一个新物种，祖先形态在此过程中消失（1个新的，1个灭绝）。

从单一物种开始，新物种可能以三种方式中的任何一种机制产生。 在他们的研究中，ETH研究人员研究了某些物种是否以一种主要方式产生了新物种。