生態與演化 科學報導 遺傳學

古生物學─月末結尾文

本月份的古生物學系列報導帶我們認識整合性的自然史研究領域,主題囊括大尺度的生物多樣性與物種分佈、個體的生理機能與行為、到挖掘化石的個案研究。古生物學家結合新穎科學方法與演化理論研究不同尺度的生物演化史,有趣的研究結果令人讚嘆生命的多樣性、韌度與動態過程,也讓我們反思當前人類活動與環境變遷的潛在危機。

 

近期的人類演化史研究與你我息息相關,我們介紹了目前台灣出現最古老的人屬化石─澎湖原人,研究顯示澎湖原人可能生存於19-1萬年前且型態異於其他位於東亞的直立人,開啟亞洲人種多樣性與演化研究的新篇章 [1]。三年前的搞笑諾貝爾獎–在家禽尾部裝上掃帚的有趣畫面在網路上引起迴響,此實驗的研究動機是在運動形態上驗證禽鳥類與恐龍祖宗在演化上的關聯性,我們報導科學家如何透過行為模式的觀察推敲鳥類的演化史[2],進一步,結合發育生物學的知識與分子生物學方法,演化發育生物學家也發現鳥喙可能因為兩種基因為主的調控而變成類似恐龍與現存爬行動物的喙部型態 [3],佐證鳥類祖先與恐龍的關係。

 

大尺度的生物多樣性、物種滅絕與環境變遷是古生物學研究的重要方向。大滅絕過後,生物多樣性是如何恢復呢?近期兩篇文章分別研究二疊紀-三疊紀滅絕事件造成的海洋生物多樣性變化以及白堊紀大滅絕對昆蟲-植物共演化的影響[4,5],海洋化石的分析顯示大滅絕造成的物種數量顯著下降,但「功能多樣性」則相對不受影響,使不同生態棲位中不同的功能性能在大滅絕後作為基礎持續演化而恢復繁榮生機。南美與北美的比較研究指出南美生態能在白堊紀大滅絕後相對快速恢復,透過樹葉化石中的昆蟲咬痕推敲可能是因為滅絕事件之前的南美洲就具有較高的生物多樣性,此研究再次強調各種多樣性對於滅絕後的復甦與生態系穩定性的重要性。然而,人類活動是否導致近百萬年來的物種隔離與滅絕呢?近期兩篇文章分別計算物種滅絕速度、分析物種隔離現象[6,7],當前每年縮減2%物種數量的滅絕速度已經遠超過推算出的歷史平均速度(每一百年每一萬個物種就有一種走向滅絕),而近百萬年來的物種隔離也與獵捕、圈養和地景改變等人類行為高度相關,不難發現人類在相對短暫的演化過程中快速改變生態結構的潛能。

 

化石的挖掘與分析可說是古生物學研究中最直接的證據。我們報導維管束植物的光合作用、硫化菌演化、恐龍腫瘤的化石證據,近期挖掘目前最早的陸生維管束植物化石紀錄(4.3億年前),膨大的孢子囊顯示頂囊蕨類可能以演化出能獨立於配子體行光合作用的孢子體[8]。相對於環境變化劇烈的陸生環境,硫化菌所棲息的深海底部環境在過去數十億年間少有變化,而現生的硫化菌也與數十億年前的物種相近,此發現填補了演化論中的零假說篇章[9]。此外,還有新奇的在恐龍化石中相繼發現血管瘤骨母細胞瘤腫瘤的蹤跡,這讓我們有機會知道腫瘤疾病的病理演化,對了解疾病有很大的潛能。 [10]。

 

古生物學是Investigator較少提及的研究領域,藉由本月份的系列報導,我們接觸此領域跨領域、跨尺度研究主題。相信在探索物種演化、多樣性、大滅絕與環境變遷的過程中,古生物學研究將指引今日與未來的生命方向。

圖片出處:http://goo.gl/ErwMHF

參考文獻:

  1. Chang C-H, Kaifu Y, Takai M, et al. The first archaic Homo from Taiwan. Nature Communications. 2015;6:6037. https://doi.org/10.1038/ncomms7037
  2. Grossi, B., Iriarte-Díaz, J., Larach, O., Canals, M., & Vásquez, R. A. (2014). Walking like dinosaurs: chickens with artificial tails provide clues about non-avian theropod locomotion. PloS one, 9(2), e88458. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0088458
  3. Bhullar BA, Morris ZS, Sefton EM, Tok A, Tokita M, Namkoong B, Camacho J, Burnham DA, Abzhanov A. A molecular mechanism for the origin of a key evolutionary innovation, the bird beak and palate, revealed by an integrative approach to major transitions in vertebrate history. Evolution. 2015 Jul;69(7):1665-77. https://doi.org/10.1111/evo.12684
  4. William J. Foster & Richard J. Twitchett. Functional diversity of marine ecosystems after the Late Permian mass extinction event. Nat Geoscience. 7, pages 233–238 (2014). https://doi.org/10.1038/ngeo2079
  5. Donovan MP, Iglesias A, Wilf P, Labandeira CC, Cúneo NR. Rapid recovery of Patagonian plant-insect associations after the end-Cretaceous extinction. Nat Ecol Evol. 2016 Nov 7;1(1):12. https://doi.org/10.1038/s41559-016-0012
  6. De Vos JM, Joppa LN, Gittleman JL, Stephens PR, Pimm SL. Estimating the normal background rate of species extinction. Conserv Biol. 2015 Apr;29(2):452-62. https://doi.org/10.1111/cobi.12380
  7. Lyons, S. K., Amatangelo, K. L., Behrensmeyer, A. K., Bercovici, A., Blois, J. L., Davis, M., … & Graves, G. R. (2016). Holocene shifts in the assembly of plant and animal communities implicate human impacts. Nature, 529(7584), 80. https://doi.org/10.1038/nature16447
  8. Rothschild, B. M., Tanke, D. H., Helbling, M., & Martin, L. D. (2003). Epidemiologic study of tumors in dinosaurs. Naturwissenschaften, 90(11), 495-500. https://doi.org/10.1007/s00114-003-0473-9
  9. Libertín, M., Kvaček, J., Bek, J., Žárský, V., & Štorch, P. (2018). Sporophytes of polysporangiate land plants from the early Silurian period may have been photosynthetically autonomous. Nature plants, 4(5), 269-271. https://doi.org/10.1038/s41477-018-0140-y
  10. Schopf JW, Kudryavtsev AB, Walter MR, Van Kranendonk MJ, Williford KH, Kozdon R, Valley JW, Gallardo VA, Espinoza C, Flannery DT. Sulfur-cycling fossil bacteria from the 1.8-Ga Duck Creek Formation provide promising evidence of evolution’s null hypothesis. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015 Feb 17;112(7):2087-92. https://doi.org/10.1073/pnas.1419241112

撰文│陳 曦
審稿│陳彥善

About the author

陳曦

台大生科系畢業,目前於普林斯頓大學攻讀博士班。研究領域為系統與計算神經科學,也對生物物理、 系統生物學與複雜系統感興趣。大學至UCLA暑期實習、於復旦大學研究交流、碩士班研究於中研院物理所。大學時期推動系學會學術活動、撰寫科普文章,希望對跨領域合作、科普知識的推廣盡一份心力。期待持續在Investigator社群結識志同道合的朋友,推廣學術訊息、分享研究經驗的過程中互相學習。

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