文摘
您可能已经注意到,有许多不同种类的植物在自己的后院或邻居,甚至你可能听说过进化的概念。但你可曾想过什么部队造成了创建这些植物,具有不同的形状和颜色,世界各地的吗?科学家希望如何理解和解释这么多种类的生活被经过数百万年的吗?使用神秘的外观相似的花生活在海洋的两端,我们将展示的方式拼凑的演化历史的研究人员使用植物DNA和今天的知识植物是什么样子。让我们建立一个科学的时间机器,解开这个谜团!
植物的世界
如果你环顾四周,你会发现到处都是不同种类的植物。工厂每一个生态系统的基础,从冻土带到热带雨林和湿地,甚至沙漠!在这些不同的生态系统,有不同形状和大小的植物。当我们谈论一个工厂的外观或其部件(如一朵花的形状或颜色),我们描述它形态:有机体的身体特征。这令人难以置信的各种形态的植物如何存在?科学家回答这样的问题进化。解释了生物进化是相互关联的,以及他们的古代历史导致了今天在世界各地的许多不同的生物。
今天的植物都是从祖先进化而来的,可能看起来不同,也可能有部分形态学传给一代又一代,就像你怎么可能像你母亲的眼睛或鼻子像你父亲的。植物的形态,在那里他们成长,他们的DNA,甚至植物化石是用来跟踪的历史,现在的工厂是如何进化的。理解植物进化很重要!研究生物的进化增加我们的知识在我们的星球和艾滋病的发现新物种。一个物种是一组类似的生物,我们考虑他们所有相同类型的有机体。狮子和长颈鹿是动物的例子。科学家试图保护地球上的生命使用知识的各种物种的数量和居住地决定如何集中他们的努力。分析如何在不同的地区和气候植物物种进化历史上可以帮助科学家理解植物如何应对气候变化并预测在未来世界将如何看待。
树的基本知识
科学家们用图称为系统发育树(图1),类似于一个家庭树,显示进化祖先(类似于祖父母)之间的关系和他们的后代(类似于儿童)。在种系发生树中,所有的生物是从共同的祖先被分组进化枝。两个或两个以上的生物的共同祖先是台词后发现这些生物向后,直到一度被称为节点。如果一个共同祖先的特征传递给多个后代,这就是所谓的同源性。相比之下,收敛描述了两个生物体之间的共同特征不在他们的共同祖先。在收敛,这些共同特征实际上是单独进化的两个生物(1]。在图1,如果你遵循蜂鸟、太阳鸟、他们的共同祖先,你可以看到,鸟有翅膀的共同祖先。翅膀从共同祖先传给两个鸟,太阳鸟和蜂鸟翅膀的同源性。但是,如果你遵循从蝙蝠,蜂鸟,太阳鸟一路回鸟类和哺乳动物的共同祖先,这位祖先不有翅膀,因此不可能通过翅膀鸟类和蝙蝠。这意味着,蝙蝠的翅膀和鸟类翅膀是收敛的情况下。一条线索,蝙蝠和鸟类的翅膀是一个收敛的情况下是不鸟翅膀羽毛和蝙蝠的翅膀。蝙蝠是一种不同的方式飞行。
- 图1——理解系统树。
- 动物用红色标签(蜂鸟、太阳鸟、蝙蝠)共享特征的翅膀。蜂鸟翅膀,太阳鸟是相同的情况下,因为他们共同的祖先,另一只鸟,也有翅膀和羽毛。共同的祖先进化枝的鸟类和哺乳动物的进化枝,然而,没有翅膀,所以蝙蝠的翅膀和鸟的翅膀是进化的收敛性的一个例子。你可能会想这是因为蝙蝠的翅膀在某些方面类似于鸟的翅膀(它们是用来飞)也不同在某些方面(蝙蝠的翅膀没有羽毛)。
看看闭鞘姜科
闭鞘姜科(cost-ACE-ee),通常被称为螺旋姜,是一组植物约有120种(2]。闭鞘姜科物种生长在热带地区的非洲,亚洲和南美洲。像很多开花植物,物种在闭鞘姜科使用传粉者携带花粉、动物之间的鲜花,来帮助他们繁殖。许多闭鞘姜科物种授粉多面手花授粉,这意味着许多不同的动物。然而,蜜蜂授粉一些物种最好,而别人的鸟类是唯一传粉者(2,3]。同样花授粉的动物往往有一些相同的形态(4]。例如,鲜花授粉苍蝇通常看起来或闻起来像腐烂的肉。的共同形态进化的花朵吸引特定的传粉者被称为传粉综合征。
类似的大洋彼岸的花朵
有bird-pollinated种闭鞘姜科在东南亚和南美洲(热带美洲)。在亚洲,太阳鸟授粉闭鞘姜科花。在热带美洲,蜂鸟授粉一些闭鞘姜科花(3]。尽管这些植物生活远和使用不同的传粉者,他们的花长得很相像,而且有着同样的形态(图2 b, C)。Bird-pollinated花在这两个地方是鲜艳的红色,黄色和橙色。形状像狭窄的管,所以长账单的鸟类可以容纳喝花蜜而身体接和转移花粉(5]。相比之下,bee-pollinated闭鞘姜科物种大花宽开口蜜蜂爬进去(图2一个)。bee-pollinated花通常亮粉红色,黄色和白色和蜜蜂身上的指导中心(6]。花我们选择图2看起来非常类似于其他闭鞘姜科花朵授粉相同的症状。
- 图2,一些种类的闭鞘姜科符号来显示他们的授粉综合症。
- 一个。木香guanaiensisbee-pollinated。你看黄色的机场跑道为蜜蜂吗?B。c . comosushummingbird-pollinated。你看到橙色的管状花吗?C。Tapeinochilos ananassaesunbird-pollinated。你看到黄色状花朵吗?D。Chamaecostus cuspidatus没有一个特定的授粉综合症。它是由许多不同的授粉昆虫,我们称之为多面手授粉。你可以把它像一个大的餐盘,每个人都可以吃。鲜花一个。和B。住在一起。的花B。和C。大洋彼岸的生活。这花看起来最相似?你看到什么相似之处?
色彩鲜艳的和管状的花据说鸟类传粉综合征,而轻色和大花与蜜蜂是中心指导说蜜蜂授粉综合症。我们知道这些传粉综合征匹配其传粉者,因为研究人员关注动物参观鲜花和动物是最好的花粉转移到从这些花6]。
种闭鞘姜科目前进化的奥秘!为什么有些物种生活在热带美洲看起来就像物种生活在东南亚很远吗?在这篇文章中,我们将结合闭鞘姜科物种的进化关系的知识与我们不同的授粉综合症的知识回答的核心问题:在亚洲和美洲热带bird-pollinated物种看起来都因为同源性,还是融合?
形成一个假设
科学家们形成一个假设来指导他们的研究。一个假设是一个可测试的预测基于现有证据。在闭鞘姜科及其传粉综合征,研究人员测试了以下假设:
蜂鸟,sunbird-pollinated物种有相似的花,因为他们继承了他们的共享花卉特点从共同祖先(同源性)。
如果我们的假设是正确的,以下语句必须是真实的:
蜂鸟,sunbird-pollinated物种是密切相关的。
蜂鸟的共同祖先——和sunbird-pollinated物种鸟类传粉综合征。
收集解开这个谜团的线索
让我们来测试我们的假设!
蜂鸟,Sunbird-Pollinated种类密切相关?
为了找到答案,我们需要知道在闭鞘姜科物种的进化关系。密切相关的物种有更多类似的比物种DNA序列不相关。研究人员可以使用DNA序列来预测生物的进化关系构建系统发育树闭鞘姜科的(图3)。在我们的系统发育树,每个物种都有其名称旁边的传粉者的象征。找到bird-pollinated物种。正如你所看到的,有许多hummingbird-pollinated物种(底部),但只有一个sunbird-pollinated物种在种系发生树(朝上)。所有闭鞘姜科的最近共同祖先的地方行从我们bird-pollinated花Tapeinochilos和木香comosus满足,左边(图3)。在树上有很多分裂自最近的共同祖先,bee-pollinated导致一些物种,一些授粉多面手,一些鸟授粉。注意有多少分歧在我们行导致之间的系统发育树Tapeinochilos和导致c . comosus。系统发育树是否支持我们的假设?蜂鸟,sunbird-pollinated种类密切相关?答案是否定的!这两个物种并不密切相关。
- 图3 -闭鞘姜科物种的系统发育树。
- 所有的物种名称列出,用他们的标记授粉综合症:通才,蜜蜂,或鸟。你可以看到我们两个bird-pollinated物种开始这个神秘的照片他们的名字的权利。首先要注意的是,它们不是相互接近。他们之间有许多其他物种,所以他们不是密切相关!现在,如果你遵循所有的分支树的(行)从我们的两名嫌疑犯,他们相遇的时候,你们都在左侧的树,最后。这可能是所有闭鞘姜科的共同祖先生活在数百万年前!我们的祖先的国家重建显示,这位祖先很可能有一个多面手授粉综合症,这是指出一个多面手标签。所有其他的标签,你看到树节点,位置贴上传粉综合征在历史长河中的进化过程。这意味着有一个祖先生活在很久以前授粉形态。有五个蜜蜂授粉的演进,九演进的蜂鸟授粉,一个进化的太阳鸟授粉。 And we can see that bee pollination evolved before hummingbird pollination.
蜂鸟的共同祖先,Sunbird-Pollinated物种鸟类传粉综合征吗?
预测的传粉综合征共同的祖先,研究人员使用一个方法祖先的国家重建。这种技术使用的数学知识测试和现在的物种的特征来预测特征的祖先可能。祖先的国家重建的结果显示我们的概率,或可能性,一个祖先有某种特质。
祖先的国家重建的结果授粉综合症的闭鞘姜科显示,蜂鸟的共同祖先,sunbird-pollinated物种可能是不鸟授粉,但授粉的多面手Chamaecostus(图2和3)[7]。不仅鸟授粉一般进化不止一次在闭鞘姜科,但蜂鸟授粉本身也多次进化!这些数据不支持我们的假设,共享鸟类传粉综合征是由于同源性。
我们的数据和分析并不支持我们的假设。尽管蜂鸟sunbird-pollinated花朵外观相似,但这并不意味着这些特征从共同ancestor-instead代代相传,他们可能会收敛的结果。这是最有可能的,这些植物独立进化而来的类似的形态来帮助鸟授粉,如管状花朵,鲜艳的颜色。谁能猜得到,这两个非常相似的花朵图2 b, C不是密切相关,是一个进化收敛的例子吗?
让我们深入了解!
您可能已经注意到,我们的祖先的国家重建的结果概率。为什么我们说的共同祖先可能是一个授粉通才而不是说吗是一个多面手吗?因为我们没有一个真正的时间机器,我们只能估计祖先物种的形态。就像侦探人物如何可能发生的犯罪证据,我们拼凑闭鞘姜科物种可能已经进化通过使用我们自己的证据。我们的证据是当今植物的传粉综合征(他们的名字旁边的符号系统发育树)和种系发生树。在闭鞘姜科授粉的情况下,我们的侦探工作并不指向一个共同的祖先鸟类传粉综合征,而是告诉我们,鸟授粉多次独立进化而来的。
是什么导致了进化的收敛闭鞘姜科鸟授粉综合症?所有生物的进化受到他们生活的环境的影响,如气候和/或其他附近的动物和植物。一个物种必须在这些环境条件下生存和繁殖或最终灭绝。新形态的进化可以提高有机体的生存能力环境或提高其DNA复制和传递的机会。在亚洲和美洲热带,有一群鸟类传粉者的工作。也许这些太阳鸟和蜂鸟在寻找花蜜作为食物来源,发现闭鞘姜科花。在历史上这一次,花可能有广泛的蜜蜂授粉的花管。总有一些物种的形态变化。就像人类不能看起来都一样;这些花不都是完全相同的形状。 While birds would have tried to get nectar from all flowers, those with the longest, most narrow tubes would have been the easiest to drink from and were therefore the most likely to be pollinated by birds instead of bees. The widest flowers would be the easiest to crawl into, and therefore the most likely to be pollinated by bees. Over time, birds kept choosing the narrowest, most tubular flowers and bees kept choosing the widest, most open flowers. Because of these choices, pollen no longer got transferred between the wide flowers and the narrow flowers. Wide flowers only reproduced with wide flowers and narrow with narrow. Eventually, two separate species with these different floral traits were formed. In this way, closely related species can live near each other but look very different, like bee- and hummingbird-pollinated species in the Costaceae (图2 a, B)。亚洲和美洲热带鸟被施加压力的环境因素在某些闭鞘姜科植物和它们的进化特征我们称之为鸟授粉综合症。你可以看到这个环境压力可以有效授粉的难以置信的收敛综合症中看到图2 b, C!
这样的研究让我们一窥过去,揭示新物种进化的过程以及如何出现。为了及时回顾,我们需要结合植物的DNA和形态的理解以及数学的知识。使用这种科学时间机器,我们可以探索古老的生物可能会是什么样子,以及他们如何促成了今天的生物多样性。
术语表
形态学(more-FALL-uh-gee):↑有机体的身体特征,如颜色或形状。
进化(ehv-oh-LOO-shun):↑如何生活的研究发展和多样化。
物种(SPEE-sees):↑一群相似的生物,被认为是所有相同类型的。
系统发育树(FIE-loh-gen-eh-tick):↑图科学家用来显示进化生物之间的关系。
同源性(home-ALL-uh-gee):↑当多个生物共享特征,因为特征从一个共同祖先传下来的。
收敛(cuhn-VERGE-ence):↑当一个特征之间共享生物并不是出现在他们的共同祖先。在收敛,这个共享特征独立进化而来的。
传粉者(PAUL-in-ate-er):↑之间的一种动物,携带花粉的花,帮助植物繁殖。
授粉多面手(JEN-er-ah-list):↑植物的花是由许多不同的授粉动物。
传粉综合征(SIN-drohm):↑的共同形态进化的花朵吸引特定的传粉者。
假设(hi-POTH-eh-sis):↑基于现有证据的预测,可以通过实验测试。
祖先(an-SEST-ral)国家重建(ree-cahn-STRUKT-shun):↑这种技术使用的数学知识测试和现在的物种的特征来预测特点他们的祖先可能是什么。
利益冲突声明
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
引用
[1]↑理解进化。2016。加州大学古生物学博物馆。可以在:http://evolution.berkeley.edu/
[2]↑Specht, c, d . 2006。热带单子叶植物分类学和进化的家庭闭鞘姜科(姜目):多个数据集的方法。系统。机器人。31 (1):89 - 106。doi: 10.1600 / 036364406775971840
[3]↑萨尔兹曼是S。,Driscoll, H. E., Renner, T., André, T., Shen, S., and Specht, C. D. 2015. Spiraling into history: a molecular phylogeny and investigation of biogeographic origins and floral evolution for the genus木香。系统。机器人。40(1):104 - 15所示。doi: 10.1600 / 036364415 x686404
[4]↑窗口,c, B。,一个rmbruster, W. S., Wilson, P., Dudash, M. R., and Thomson, J. D. 2004. Pollination and floral syndromes. Annu. Rev. Ecol. Evol. Syst. 35:375–403. doi:10.2307/annurev.ecolsys.34.011802.30000015
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[7]↑Specht, c, D。,Yockteng, R., Almeida, A. M., Kirchoff, B. K., and Kress, W. J. 2012. Homoplasy, pollination, and emerging complexity during the evolution of floral development in the tropical gingers (Zingiberales). Bot. Rev. 78(4):440–62. doi:10.1007/s12229-012-9111-6