华人学者发现:恐龙灭绝时,蛙类大爆发

上传 / 管理员 ·2017-07-10 生物学,进化生物学,蛙类,华人研究

论文标题 / Phylogenomics reveals rapid, simultaneous diversification of three major clades of Gondwanan frogs at the Cretaceous–Paleogene boundary

作者 / Yan-Jie Feng(封彦杰,中山大学生命科学学院), Peng Zhang(张鹏,中山大学生命科学学院), et al.

期刊 / PNAS

发表时间 / 2017-07-03

数字识别码 / doi: 10.1073/pnas.1704632114

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【论文摘要】

Frogs (Anura) are one of the most diverse groups of vertebrates and comprise nearly 90% of living amphibian species. Their worldwide distribution and diverse biology make them well-suited for assessing fundamental questions in evolution, ecology, and conservation. However, despite their scientific importance, the evolutionary history and tempo of frog diversification remain poorly understood. By using a molecular dataset of unprecedented size, including 88-kb characters from 95 nuclear genes of 156 frog species, in conjunction with 20 fossil-based calibrations, our analyses result in the most strongly supported phylogeny of all major frog lineages and provide a timescale of frog evolution that suggests much younger divergence times than suggested by earlier studies. Unexpectedly, our divergence-time analyses show that three species-rich clades (Hyloidea, Microhylidae, and Natatanura), which together comprise ∼88% of extant anuran species, simultaneously underwent rapid diversification at the Cretaceous–Paleogene (K–Pg) boundary (KPB). Moreover, anuran families and subfamilies containing arboreal species originated near or after the KPB. These results suggest that the K–Pg mass extinction may have triggered explosive radiations of frogs by creating new ecological opportunities. This phylogeny also reveals relationships such as Microhylidae being sister to all other ranoid frogs and African continental lineages of Natatanura forming a clade that is sister to a clade of Eurasian, Indian, Melanesian, and Malagasy lineages. Biogeographical analyses suggest that the ancestral area of modern frogs was Africa, and their current distribution is largely associated with the breakup of Pangaea and subsequent Gondwanan fragmentation.

 

一项新研究表明,在白垩纪-第三纪灭绝事件中,地球丧失了包括非鸟翼类恐龙在内的3/4的物种,却为蛙类的迅速崛起搭建了舞台。

最新发现的蛙类进化树显示,占蛙类物种总数88%的三条主要进化枝中的物种都在导致非鸟翼类恐龙消失的大灭绝之后同时出现。
(图片来源:Brian Freiermuth拍摄)

来源 phys.org
翻译 刘威尔
审校 谭坤

在《美国国家科学院院刊》(PNAS)发表的一篇论文中,一个国际研究团队展示了新的蛙类进化树,它帮助我们解开了科学家们困扰已久的蛙类演化谜题,阐明了其演化的过程和步骤。

研究人员意外地发现:包含现存蛙类物种数量88%的三条主要谱系是同时在6600万年前白垩纪晚期、第三纪初期的大灭绝事件之后演化形成的;而非如之前主流研究的观点,即许多现代蛙类类群起源于更古老的年代。

论文的共同作者、佛罗里达自然历史博物馆两栖和爬行类副馆长 David Blackburn 解释道:“蛙类在地球上存在的时间已远超2亿年,但我们的研究表明,蛙类的多样性直到恐龙灭绝之后才出现爆炸式增长,并逐步演化成为现今我们能见到的大多数蛙类物种。”他还表示:“这一结果完全是我们没有想到的。”

Blackburn 认为,在小行星或彗星撞击地球,引发大面积动植物灭绝之后,蛙类物种的迅速多样化表明这些幸存者们很可能填补了地球上新的生态位空缺。

他解释说:“我们认为,当时的地球生态系统出现了包括大范围森林破坏等许多重大变化,但蛙类十分擅长在微小的栖息地中挣扎求生,因此当森林和热带生态系统逐渐修复后,它们迅速把握了生态系统中新的生存机遇。”

蛙类逐渐壮大并成为脊椎动物中最为多样化的类群之一,目前有记载的蛙类物种就已超过6700种。但基因数据的缺失严重阻碍了科学家们可靠地追溯蛙类的演化历程并揭示不同蛙类家系间的关系。

图中名为Petropedates cameronensis的蛙类来自喀麦隆,属于蛙超科(Natatanura)分枝,大灭绝发生后很快在非洲大陆起源。
(图片来源:Brian Freiermuth拍摄)

Blackburn 加入了由来自中山大学生命科学学院、德克萨斯大学奥斯汀分校、加州大学伯克利分校的研究人员组成的国际团队,专攻蛙类演化问题,他们构建的数据集比先前研究中所用的要大7倍。研究团队从156个蛙类物种中提取了由95个细胞核基因组成的核心数据集,将其与之前发表的研究所提供的基因数据中145个额外物种的数据相结合,得出了迄今为止最为可靠的进化树,即系统发育关系。研究结果呈现了目前已知的全部55个蛙类家系,并由此得出了蛙类演化的全新时间线。

研究人员随后利用化石记录解译不同蛙类家系之间的基因区别,并定位其分化的可能时间。分析表明,雨蛙超科(Hyloidea)、蛙超科(Natatanura)、姬蛙科(Microhylidae)这三类主要的蛙类进化枝是同时演化形成的。论文的通讯作者、中山大学生命科学学院生物化学与分子生物学系的张鹏教授表示,他们起初对这一结果是持怀疑态度的。

张鹏教授说:“从没有人得到过这样的结论。我们设定不同的参数多次重新分析,但结果仍保持不变。这时我才意识到,我们的数据已经给出了强烈的暗示,这不可能是一个错误结果。”

Blackburn 介绍称,以其他动物的演化为背景进行分析结果的检验时,这些结果开始显露出非凡的意义。

他解释道:“通过观察鸟类或哺乳动物的系统发育,我们可以发现它们对气候和地质事件等地球历史事实的反映。因此,你可能会认为大灭绝、板块运动等主要事件也会对蛙类演化产生影响,并在某种程度上与主要进化枝之间的分化有所联系。这正是我们能从研究得到的系统发育树上看到的。”

Blackburn还说,世界范围内具有远亲关系的蛙类物种间普遍具有较强的相似性,这一蛙类演化和生物学问题长久以来都困扰着众多科学家,如今很可能因为主要蛙类进化枝的同时演化这一结论而有所启发。大灭绝事件摧毁了地球生态系统并激发了一次系统重启,不同的现代蛙类家系可能在随后的时间内经历了相似的演化路径。

“你可以轻易地在中非、菲律宾、厄瓜多尔找到看起来几乎一样的蛙类,它们的最近共同祖先可能生活在远在1亿2千万年前。”Blackburn 补充道,“这些不同的进化枝似乎在大灭绝发生后经历了极为相似的分化过程。”

树蛙全部在恐龙灭绝之后演化出现,随着森林的逐步恢复而繁衍壮大,如图中马达加斯加岛上的树蛙Boophis marojezensis
(图片来源:Brian Freiermuth拍摄)

Blackburn还介绍说,虽然大灭绝事件为蛙类打开了新的生存机遇,显著推动了世界范围内树蛙的演化,但同时也扼杀了许多其它的蛙类进化枝,尤其是分布于北美洲的蛙类。

“除去非常少的几种,北美地区所有其他蛙类都是在恐龙灭绝后定居的。”Blackburn说,“如果我们能回溯到霸王龙横行的北美大陆,也可以在那里看到蛙类,但夜晚的蛙鸣声绝对会与我们在现代听到的完全不同。那些蛙类甚至不属于同一科。”

研究还表明,全球蛙类分布能够为超级大陆分离过程的追溯提供帮助。这一过程始于2亿年前的联合古陆(Pangea),随后冈瓦纳大陆(Gondwana)分离成为了南美和非洲大陆。数据显示,蛙类很可能曾在由南美洲向澳洲迁移的过程中将南极洲作为踏脚石,而当时的南极大陆还未被冰原覆盖。

Blackburn 急切地希望利用新的系统发育树描绘化石记录的路线图,尤其针对白垩纪出现的蛙类。

“这给我们未来可能或不可能发现的结果限定了期望。”他说,“蛙类化石记录中很可能有许多新的发现等着我们,这太令人兴奋了。”

张鹏教授表示,虽然蛙类在大灭绝中的存活以及随后的兴旺都证明了他们极强的恢复力,它们当前面对疾病、生境丧失与退化时表现出来的脆弱性十分令人担忧。

张鹏教授还说:“我认为,这项研究最令人激动的地方在于,我们向人类展示了蛙类是一种多么强大的动物类群。他们能够在导致恐龙消失的全球生物大灭绝中存活并且很快恢复兴旺。然而,由于人类对自然生境的破坏,蛙类数量目前正在持续下降。这是否意味着人类正在引发一场比以往还要更严重的生物大灭绝?我们需要仔细思考这个问题。”

文章来源
https://phys.org/news/2017-07-extinction-event-dinosaurs-frogs.html

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