生物学家通过珊瑚追查海洋生物发光的古老起源

生物学家通过珊瑚追查海洋生物发光的古老起源 生物发光生物通过化学反应产生光的能力在自然界中已经独立进化了至少94次，并参与了包括伪装、求偶、交流和狩猎在内的大量行为。到目前为止，最早的动物生物发光起源被认为是在大约 2.67 亿年前，在被称为"介形纲"的小型海洋甲壳类动物身上。但是，对于这种能发光的特性，生物发光的起源却一直很模糊。2009 年在巴哈马群岛展示生物荧光的八射珊瑚 Isidella sp.图片来源：Sönke Johnsen博物馆的珊瑚馆馆长、该研究的资深作者 Andrea Quattrini 说："没有人知道为什么动物中会首次出现这种进化。"但是，对于夸特里尼和主要作者、博物馆研究助理、前博士后丹尼尔-德里奥说，要最终解决生物发光进化的原因这个更大的问题，他们需要知道这种能力是什么时候首次出现在动物身上的。为了寻找这种特性的最早起源，研究人员决定回溯八射珊瑚的进化史。八射珊瑚是一种进化古老、经常发出生物光的动物，包括软珊瑚、海扇和海笔。与硬珊瑚一样，八射珊瑚也是一种微小的群体性珊瑚虫，它们分泌的框架成为它们的避难所，但与它们的石质亲戚不同的是，这种结构通常是柔软的。会发光的八射珊瑚通常只有在受到碰撞或其他干扰时才会发光，因此它们发光的确切功能还有点神秘。德里奥说："我们想弄清生物发光的起源时间，而八射珊瑚是地球上已知会发出生物发光的最古老的动物群体之一。所以，问题是它们是什么时候发展出这种能力的？"无独有偶，夸特里尼和哈维-马德学院的凯瑟琳-麦克法登在2022 年完成了一棵极为详细、证据确凿的八射珊瑚进化树。夸特里尼和她的合作者利用来自185种八射珊瑚的遗传数据绘制了这幅进化关系图，即系统发生图。有了这棵以基因证据为基础的进化树，德里奥和 Quattrini 便根据两块已知年龄的八射珊瑚的物理特征，将它们放入进化树中。科学家们利用这些化石的年龄和它们各自在章鱼进化树中的位置，大致推算出了章鱼支系分裂成两个或多个分支的时间。接下来，研究小组绘制出了系统进化树中具有生物发光物种的分支。在确定了进化树的日期并标注了包含发光物种的分支之后，研究小组利用一系列统计技术进行了一项名为"祖先状态重建"的分析。Quattrini说："如果我们知道今天生活的这些章鱼物种具有生物发光特性，我们就可以利用统计学推断出它们的祖先是否极有可能具有生物发光特性。具有共同特征的现存物种越多，随着时间的推移，这些祖先也可能具有这种特征的概率就越高。"研究人员在重建祖先状态时使用了许多不同的统计方法，但都得出了相同的结果：大约 5.4 亿年前，所有八射珊瑚的共同祖先很可能是生物发光体。这比之前被称为最早进化出生物荧光的发光甲壳动物早了 2.73 亿年。八射珊瑚有数千种生活代表，而且生物发光的发生率相对较高，这表明这种特性在八射珊瑚的进化成功中发挥了作用。研究人员说，虽然这进一步引出了八射珊瑚使用生物发光到底是为了什么的问题，但生物发光被保留了如此之久这一事实凸显了这种交流方式对于它们的适应和生存是多么重要。既然研究人员已经知道所有八射珊瑚的共同祖先很可能已经具备了自身发光的能力，那么他们就有兴趣更彻底地研究一下，在八射珊瑚类的 3000 多个现存物种中，哪些物种还能发光，哪些物种已经失去了这种特性。这将有助于找到与生物发光能力相关的一系列生态环境，并有可能阐明其功能。为此，德里奥说，她和她的一些合著者正在努力创造一种基因测试，以确定这些物种是否具有荧光素酶（一种参与生物发光的酶）基因的功能拷贝。对于光度未知的物种，这种测试将使研究人员能够更快、更容易地得到答案。除了揭示生物发光的起源，这项研究还提供了进化背景和见解，为今天监测和管理这些珊瑚提供了参考。珊瑚普遍受到气候变化和资源开采活动的威胁，尤其是捕鱼、石油和天然气开采和泄漏，以及最近的海洋矿物开采。这项研究为博物馆的海洋科学中心提供了支持，该中心旨在推动并与世界分享海洋知识。德里奥和Quattrini说，在科学家们弄清发光能力最初进化的原因之前，还有很多东西需要学习，尽管他们的研究结果将发光能力的起源置于进化时间的深处，但未来的研究仍有可能发现生物发光的历史更为久远。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

量子磁感应：生物学家探寻鸟类导航的进化秘密

量子磁感应：生物学家探寻鸟类导航的进化秘密 黄腹纹霸鹟（Empidonax flaviventris）是一种小型食虫鸟，它不能产生隐花色素 4 蛋白。这种鸟在北美洲繁殖，冬季迁徙到墨西哥南部和中美洲。图片来源：Corinna Langebrake一项新的基因研究表明，鸟类眼睛中的隐花色素 4 蛋白是鸟类磁导航能力的关键，其进化变化凸显了它在适应不同环境中的作用。研究小组在最近发表于英国皇家学会研究期刊《英国皇家学会生物科学院院刊》（Proceedings of the Royal Society B Biological Sciences）上的一篇论文中报告说，这些发现表明隐花色素 4 能够适应不同的环境条件，并支持隐花色素 4 具有传感器蛋白功能的理论。奥尔登堡大学和牛津大学的研究表明，磁感应是基于候鸟视网膜上某些细胞中发生的复杂量子力学过程。这些研究成果于 2021 年发表在科学杂志《自然 》上，为隐花色素 4 就是他们一直在寻找的磁感受器这一假设提供了支持证据。他们证明了隐花色素 4 存在于鸟类的视网膜中。此外，用细菌生产的蛋白质进行的实验和模型计算都表明，隐花色素 4 在对磁场做出反应时表现出可疑的量子效应。之前的研究还发现，知更鸟等候鸟体内的隐花色素 4 对磁场的敏感性要高于鸡和鸽子等留鸟。"因此，隐花色素 4 在知更鸟身上比在鸡和鸽子身上更敏感的原因必须从该蛋白质的DNA序列中找到，"该研究的第一作者兰格布拉克说。"她补充说："在这些夜间迁徙的鸟类中，该序列可能在进化过程中得到了优化。"在目前的研究中，研究小组首次从进化的角度研究了磁感应。研究人员分析了 363 种鸟类的隐花色素 4 基因。首先，他们比较了该蛋白质与两种相关隐花色素的进化速度，发现用于比较的隐花色素基因序列在所有鸟类物种中都非常相似。它们在进化过程中似乎变化很小。这很可能是由于它们在调节体内时钟方面起着关键作用这种机制对所有鸟类来说都是必不可少的，改变这种机制会产生极其不利的影响。与此相反，隐花色素 4 被证明具有高度可变性。奥尔登堡大学鸟类学教授、鸟类研究所所长利德沃格尔解释说："这表明，这种蛋白质对于适应特定环境条件非常重要。由此产生的特殊化可能就是磁感应。在其他感官蛋白中也观察到了类似的模式，例如眼睛中的光敏色素。"研究人员随后仔细研究了隐花色素 4 的基因序列在鸟类进化史中的演变过程。他们的分析揭示了一个值得注意的趋势，尤其是在雀形目（Passeriformes）中，这种蛋白质通过快速选择经历了重大优化。研究结果表明，进化过程可能导致隐花色素4在鸣禽中专门用作磁感受器。研究发现，某些鸟类支系中不存在隐花色素 4，如鹦鹉、蜂鸟和霸鹟（Suboscines）。这表明隐花色素 4 在它们的生存中并不起重要作用。然而，鹦鹉和蜂鸟是定居型鸟类，而一些霸鹟鸟类则是长途迁徙型鸟类，它们与欧洲的小型鸣禽一样，白天和晚上都会飞行。这就提出了一个问题：霸鹟是否发展出了一种独立于隐花色素 4 之外的磁感，或者它们是否能够在没有磁感的情况下确定自己的方向？另一种可能是，它们的磁感与知更鸟的磁感具有相同的特性，后者依赖于光线，并且会被无线电波干扰。这位生物学家强调说："前两种情况将有力地证实隐色4假说，而第三种情况则会给这一理论带来问题。"Liedvogel说："霸鹟亚目为我们了解隐花色素4的功能和候鸟磁感应的重要性提供了一个天然的工具。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

古生物学家揭示毛犀灭绝的新线索

古生物学家揭示毛犀灭绝的新线索 毛犀牛曾广泛分布于欧亚大陆北部和中部，大约在 1 万年前灭绝。图片来源：Mauricio Anton由阿德莱德大学和哥本哈根大学科学家领导的一个国际研究小组利用计算机建模得出了这一发现，揭开了一个千古之谜。领衔作者、阿德莱德大学环境研究所的达米安-福特汉姆（Damien Fordham）副教授说："利用计算机模型、化石和古DNA，我们追溯了毛犀牛在欧亚大陆5.2万年的种群历史，其分辨率是以前认为不可能实现的。研究结果表明，从 3 万年前开始，气温下降和人类持续低度捕猎导致毛犀牛的分布向南收缩，在末次冰河时期末期，毛犀牛被困在一些孤立且迅速恶化的栖息地。随着地球解冻和气温升高，毛犀牛种群无法在欧亚大陆北部开辟的重要新栖息地定居，导致它们不稳定和崩溃，最终灭绝。"毛犀是巨型动物中的一个标志性物种，皮厚毛长，曾经在欧亚大陆北部和中部的猛犸象阶梯上漫步，大约在 1 万年前灭绝。相互矛盾的研究结果和对人类的影响最近发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的这一发现与之前的研究相矛盾，之前的研究发现人类在毛犀牛的灭绝中没有扮演任何角色尽管这种动物在灭绝前的几万年里一直与人类共存。哥本哈根大学全球研究所的埃琳-洛伦森（Eline Lorenzen）教授说："我们的分析所揭示的人口学反应的分辨率远远高于以往的基因研究。这使我们能够确定长毛犀牛与人类之间的重要互动关系，并记录这些互动关系在空间和时间上的变化。其中一种在很大程度上被忽视的互动是人类持续的低水平狩猎，可能是为了食物。"今天，人类也构成了类似的环境威胁。由于过度捕猎和人类改变土地用途，大型动物的种群已被挤到支离破碎和不理想的栖息地范围。在更新世晚期，有 61 种大型陆生食草动物（体重超过一吨）存活下来，其中只有 8 种现存于世。其中幸存的五个物种是犀牛。"我们的研究结果揭示了气候变化和人类活动是如何导致巨型动物灭绝的，"这项研究的共同作者、哥本哈根大学的大卫-诺格斯-布拉沃教授说。"这种认识对于制定保护战略以保护目前濒临灭绝的物种（如非洲和亚洲的脆弱犀牛）至关重要。通过研究过去的灭绝事件，我们可以为保护地球上仅存的大型动物提供宝贵的经验"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

生物学家利用18亿个遗传密码字母构建出突破性的开花植物生命树

生物学家利用18亿个遗传密码字母构建出突破性的开花植物生命树 在邱园皇家植物园科学家的领导下，研究小组相信这些数据将有助于今后识别新物种、完善植物分类、发现新的药用化合物，以及在气候变化和生物多样性丧失的情况下保护植物。这项植物科学领域的重大里程碑研究涉及 138 个国际组织，其所依据的数据量是对有花植物生命树进行的同类研究的 15 倍。在为这项研究进行测序的物种中，有 800 多个物种的DNA以前从未被测序过。这项研究揭示的数据量之大，需要一台计算机花费 18 年的时间才能处理完毕，这是邱园"生命之树计划"在为所有 33 万种已知有花植物建立生命之树方面迈出的一大步。"分析这一前所未有的数据量，解码隐藏在数百万 DNA 序列中的信息，是一项巨大的挑战。但这也为我们重新评估和扩展对植物生命树的认识提供了一个独特的机会，为探索植物进化的复杂性打开了一扇新窗口，"邱园皇家植物园研究员亚历山大-尊蒂尼（Alexandre Zuntini）说。马萨诸塞大学进化生物学家斯蒂芬-史密斯（Stephen Smith）实验室的博士后研究员汤姆-卡鲁瑟（Tom Carruthers）是这项研究的共同第一作者，他与尊蒂尼曾在邱园共事。马萨诸塞大学植物系统学家理查德-拉贝勒（Richard Rabeler）是该研究的共同作者。被子植物生命之树。资料来源：RBG Kew"每当我们走进森林，开花植物都会为我们提供食物、衣物和问候。一个多世纪以来，构建开花植物生命树一直是进化生物学领域的重大挑战和目标，"这项研究的共同作者、麻省理工大学生态学与进化生物学系教授史密斯说。"这个项目为大多数有花植物属提供了一个庞大的数据集，为完成这一目标提供了一种策略，从而使我们离这一目标更近了一步。"史密斯在该项目中扮演了两个角色。首先，他的实验室成员包括麻省理工大学前研究生德鲁-拉尔森（Drew Larson）前往邱园，帮助对一个名为"Ericales"的大型多样性植物群的成员进行测序，该植物群包括蓝莓、茶、杜鹃花、杜鹃花和巴西坚果。其次，史密斯与邱园皇家植物园的威廉-贝克（William Baker）和费利克斯-弗雷斯特（Felix Forest）以及奥胡斯大学的沃尔夫-艾森哈特（Wolf Eisenhardt）共同监督了项目数据集的分析和构建。"研究小组面临的最大挑战之一是许多基因区域所蕴含的意想不到的复杂性，在这些区域中，不同的基因讲述着不同的进化史。团队面临的最大挑战之一是许多基因区域所蕴含的意想不到的复杂性，不同的基因讲述着不同的进化历史。我们必须开发出一种程序，以前所未有的规模来研究这些模式。"作为这项研究的共同负责人，卡鲁瑟的主要职责包括利用 200 块化石将进化树按时间进行缩放，分析整体进化树基础基因的不同进化史，以及估算不同开花植物系在不同时期的多样化率。卡鲁瑟说："基于如此多的基因，为有花植物构建如此庞大的生命树，揭示了这一特殊群体的进化史，帮助我们了解它们是如何成为世界上如此不可或缺的主要组成部分的。所展示的进化关系以及这些关系所依据的数据将为今后的大量研究奠定重要基础。"开花植物的生命树就像我们的家谱一样，能让我们了解不同物种之间的关系。生命树是通过比较不同物种之间的 DNA 序列来发现变化（突变）的，这些变化随着时间的推移不断累积，就像分子化石记录一样。随着 DNA 测序技术的进步，我们对生命之树的了解也在迅速加深。在这项研究中，我们开发了新的基因组技术，通过磁力从每个样本中捕捉数百个基因和数十万个遗传密码，比早期的方法多出几个数量级。Arenaria globilfora.资料来源：RBG Kew该研究小组的方法的一个主要优势是，它能对多种多样的新老植物材料进行测序，即使DNA受到严重破坏也不例外。世界标本馆收藏了近 4 亿份植物科学标本，其中有大量的干燥植物材料，现在可以对它们进行基因研究了。邱园生命之树计划的高级研究负责人贝克说："从很多方面来说，这种新颖的方法使我们能够与过去的植物学家合作，利用历史标本馆标本中的大量数据，其中一些标本早在19世纪初就被收集起来了。我们杰出的前辈，如查尔斯-达尔文或约瑟夫-胡克，不可能预料到这些标本在今天的基因组研究中会如此重要。在他们的有生之年，DNA 甚至还没有被发现。我们的工作表明，这些令人难以置信的植物博物馆对于地球生命的开创性研究有多么重要。谁知道其中还蕴藏着哪些未被发现的科学机遇呢？"在所有 9506 个测序物种中，有 3 400 多个来自 48 个国家 163 个标本馆的材料。马萨诸塞大学名誉研究科学家、马萨诸塞大学标本馆前馆长拉贝勒说："为研究植物关系而对标本馆标本进行采样，使得从世界不同地区进行广泛采样的可行性大大提高，而不需要长途跋涉从野外获取新鲜材料。"在生命之树项目中，拉贝勒帮助核实了标本馆采样标本的身份，并对所得数据进行了分析。仅开花植物就占陆地上所有已知植物生命的 90%，几乎遍布地球的每一个角落从最湿润的热带到南极半岛的岩石露头。然而，我们对这些植物是如何在起源后不久就占据了主导地位的理解，却困惑了包括达尔文在内的几代科学家。开花植物起源于 1.4 亿多年前，之后迅速取代了其他维管植物，包括它们的近亲裸子植物（有裸露种子的非开花植物，如苏铁、针叶树和银杏）。达尔文对化石记录中看似突然出现的这种多样性感到神秘。在 1879 年写给他的密友、邱园皇家植物园园长胡克的信中，他写道："据我们判断，所有高等植物都是在最近的地质年代迅速发展起来的，这是一个令人憎恶的谜。"作者利用 200 块化石，将他们的生命树按时间顺序排列，揭示了开花植物是如何跨越地质年代进化的。他们发现，早期有花植物的多样性确实出现了爆炸性增长，在其起源后不久就产生了今天存在的80%以上的主要品系。然而，在接下来的 1 亿年里，这一趋势逐渐趋于平稳，直到大约 4000 万年前，随着全球气温的下降，物种多样性再次激增。这些新的洞察力会让达尔文着迷，也必将帮助今天的科学家们努力应对了解物种如何以及为什么会多样化的挑战。如果没有邱园科学家与全球众多合作伙伴的通力合作，就不可能形成如此庞大的生命之树。总共有 279 位作者参与了这项研究，他们来自 27 个国家的 138 个组织，代表着不同的国籍。"植物界长期以来一直在合作和协调分子测序工作，以生成更全面、更强大的植物生命树。"马萨诸塞大学的史密斯说："发表这篇论文的努力延续了这一传统，但规模却大大扩大了。"开花植物生命树在生物多样性研究方面具有巨大潜力。这是因为，正如人们可以根据元素在元素周期表中的位置来预测其特性一样，我们也可以根据物种在生命树中的位置来预测其特性。因此，这些新数据对于促进科学及其他许多领域的发展将是非常宝贵的。为实现这一目标，生命之树及其基础数据已通过邱园生命之树资源管理器（KewTree of Life Explorer）等渠道向公众和科学界公开和免费开放。开放访问将有助于科学家充分利用这些数据，例如将其与人工智能相结合，预测哪些植物物种可能含有具有药用潜力的分子。同样，生命之树也可用于更好地了解和预测病虫害在未来将如何影响植物。作者指出，这些数据的应用最终将取决于获取数据的科学家的聪明才智。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

已知最早的皮肤化石令古生物学家感到震惊

已知最早的皮肤化石令古生物学家感到震惊 研究人员发现了一块三维皮肤化石碎片，它比之前描述的皮肤化石至少要早 2100 万年。这种皮肤属于古生代爬行动物的一个早期物种，表面呈鹅卵石状，与鳄鱼皮最为相似。表皮是陆生爬行动物、鸟类和哺乳动物皮肤的最外层，是过渡到陆地生活的重要进化适应。最近，《当代生物学》（Current Biology）杂志对这块化石以及从俄克拉荷马州理查兹斯普尔石灰岩洞穴系统采集的其他几块标本进行了描述。第一作者伊桑-穆尼（Ethan Mooney）是多伦多大学的一名古生物学研究生，本科时曾与多伦多大学的古生物学家罗伯特-雷兹（Robert Reisz）一起参与该项目，他说："这类发现可以真正丰富我们对这些先驱动物的理解和认识。"皮肤和其他软组织很少会成为化石，但研究人员认为，在这种情况下，皮肤有可能保存下来，因为洞穴系统具有独特的特征，其中包括减缓分解的细粘土沉积物、渗油以及可能是无氧环境的洞穴环境。皮肤化石 图片来源：《当代生物学》/Mooney 等人穆尼说："在二叠纪早期，动物会掉进这个洞穴系统，被埋在非常细的粘土沉积物中，从而延缓了腐烂过程。但最重要的是，这个洞穴系统在二叠纪期间也是一个活跃的石油渗漏点，石油中的碳氢化合物和焦油之间的相互作用很可能使这种皮肤得以保存下来。"发掘细节这块皮肤化石非常小，比指甲还小。多伦多大学密西沙加分校的 Tea Maho 是这块化石的合著者，她对化石进行了显微镜检查，发现了表皮组织，这是羊膜动物皮肤的标志，羊膜动物是陆生脊椎动物，包括爬行动物、鸟类和哺乳动物，在石炭纪由两栖类祖先进化而来。穆尼说："我们完全被眼前的景象震惊了，因为它完全不同于我们的想象。发现如此古老的皮肤化石是一次难得的机会，我们可以窥探过去，看看这些最早的动物的皮肤可能是什么样子的。"爬行动物的特征和进化意义这种皮肤具有古代和现存爬行动物的共同特征，包括与鳄鱼皮相似的鹅卵石表面，以及表皮鳞片之间的铰链区域，与蛇类和蠕虫蜥蜴的皮肤结构相似。不过，由于这块皮肤化石没有与骨骼或任何其他遗骸联系在一起，因此无法确定这块皮肤属于哪种动物或哪个身体区域。这种远古皮肤与今天的爬行动物皮肤相似，这表明这些结构对于在陆地环境中生存是多么重要。表皮是脊椎动物在陆地上生存的关键特征，它是身体内部过程和严酷外部环境之间的重要屏障。潜在的祖先联系和保护研究人员说，这种皮肤可能代表了早期羊膜动物中陆生脊椎动物的祖先皮肤结构，使鸟类的羽毛和哺乳动物的毛囊最终得以进化。这块皮肤化石和其他标本是由终身古生物学爱好者比尔和朱莉-梅在俄克拉荷马州的理查兹斯普尔收集的，这是一个石灰岩洞穴系统，也是一个活跃的采石场。理查兹斯普尔的独特条件保存了许多最古老的早期陆生动物标本。这些标本现存于安大略皇家博物馆。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

生物学家将鲸鱼的击鳍频率与蚊子联系起来

生物学家将鲸鱼的击鳍频率与蚊子联系起来 在研究中，研究人员使用维度分析法计算出一个方程，这个方程可以描述飞鸟、昆虫和蝙蝠的振翅频率，以及企鹅和鲸鱼等潜水动物的击鳍频率。研究人员发现，飞行和潜水动物拍打翅膀或鳍的频率与其体重除以翅膀面积的平方根成正比。他们将该方程的预测结果与已公布的蜜蜂、飞蛾、蜻蜓、甲虫、蚊子、蝙蝠以及从蜂鸟到天鹅等各种鸟类的拍翅频率数据进行了对比，从而检验了该方程的准确性。各种飞行动物的拍翅频率数据与动物质量除以翅/鳍面积的平方根的对比。资料来源：Jensen 等人，2024 年，PLOS ONE，CC-BY 4.0 ()他们还将该方程的预测结果与企鹅和几种鲸类（包括座头鲸和北方瓶鼻鲸）的鳍冲频率的公开数据进行了比较。尽管飞行动物和潜水动物在体型、翅膀形状和进化历史上存在巨大差异，但它们的体重、翅膀面积和拍翅频率之间的关系几乎没有变化。此外，研究人员还展示了他们的方程式如何能让人们了解已灭绝物种的拍翅频率。利用他们的方程，研究人员估计已灭绝的翼龙 Quetzalcoatlus northropi（已知最大的飞行动物）以 0.7 赫兹的频率拍打其 10 米见方的翅膀。研究表明，尽管存在巨大的身体差异，但蝴蝶和蝙蝠等不同动物的身体质量、翅膀面积和拍翅频率之间的关系相对稳定。研究人员指出，对于游泳动物，他们没有找到包含所有必要信息的出版物；不同出版物中的数据被拼凑在一起进行比较，在某些情况下，动物密度是根据其他信息估算的。此外，极小的动物比目前发现的任何动物都要小很可能不符合等式，因为流体动力学的物理原理在如此小的尺度上也会发生变化。这可能会对未来的飞行纳米机器人产生影响。作者说，这个方程是最简单的数学解释，它准确地描述了整个动物王国的翅膀拍打和鳍的划动。作者补充说："从蓝鲸到蚊子，414 种动物的翼/鳍搏动频率几乎相差 10000 倍，但它们的数据却在同一条线上。作为物理学家，我们惊讶地发现，我们对翅膀跳动公式的简单预测竟然适用于如此多样的动物。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：