“氧气为王”——三叶虫体型大小演化的“密码” | 科技前线

生物的体型会深刻影响其运动方式、捕食策略及生存适应能力。近日，中国科学院南京地质古生物研究所等，建立了目前最综合的寒武纪-奥陶纪三叶虫体型数据库，通过对远古海洋“明星生物”三叶虫的系统研究，为人们打开了一扇观察古无脊椎动物体型演化规律的新窗口。

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为何选择三叶虫？

远古节肢动物三叶虫，不仅数量庞大、形态多样，其体型差异更是惊人，从仅2毫米的迷你个体到超过70厘米的巨型种类应有尽有。

▲体型差异明显的三叶虫化石

这种独特的体型多样性，加上三叶虫在古生代海洋生态中的关键地位，使其成为研究无脊椎动物体型演化的理想样本。

该三叶虫体型数据库涵盖1091个属、4732件成年标本的精确测量数据，时间分辨率达到三百万年级别，为深入分析提供了坚实基础。

▲数据库中136个寒武纪和奥陶纪三叶虫科的体型分布，两侧分别展示微型（左）和大型（右）三叶虫类群的代表。三叶虫线描图来自https://www.trilobites.info，未按实际比例。

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1.2亿年“跳跃式演化”

关于生物体型演化的驱动机制，学界存在诸多理论争鸣。例如，柯普法则认为生物演化中体型会自然增大，伯格曼法则则强调温度等环境因素的关键作用。

为了验证这些假说，研究团队对数据进行了多角度分析。

结果显示，在长达1.2亿年的演化历程中，三叶虫体型呈现出“跳跃式”变化特征，共发生5次显著体型突变事件（3次缩小、2次增大），但整体并未呈现单向增大趋势。这否定了柯普法则在三叶虫演化中的普适性。

▲古生代早期寒武纪与奥陶纪全球三叶虫体型的演化模式，红色箭头为五次重要的体型变化事件，罗马数字为这一时期三叶虫体型演化的六个阶段。

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低氧环境下的生存博弈

更引人注目的是环境因素的影响机制。研究发现，三叶虫体型波动与当时海洋含氧量变化存在精确对应关系，即每次体型缩小事件都恰逢海洋缺氧时期，而体型增大则与海洋氧化增强同步。

研究团队解释，大型三叶虫需要更高氧气维持代谢，因此对氧气变化尤为敏感。这为“氧气驱动论”提供了有力证据。

值得注意的是，虽然现代生物学中普遍观察到“气候变冷促进体型增大”的现象（如大象、鲸类的演化），但发生在三叶虫时代的全球持续变冷却未引发三叶虫相应体型变化。

研究团队推测，这可能是因为当时大气含氧量仅为现代的60%左右。在低氧背景下，温度变化难以产生显著影响，只有当氧气含量突破临界值后，温度效应才会显现。

▲古生代早期三叶虫体型演化（A）与海洋氧化还原状态变化（B）及温度变化（C）的关系。

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环境恶化“预警器”

远古三叶虫的体型“密码”，还对理解当前生态危机具有重要警示意义。

数据显示，在多次环境剧变中，大体型三叶虫的灭绝总是比海洋生物多样性整体下降提前数百万年，说明大型捕食者对环境恶化更为敏感。

这提示我们，现代生态系统中大型动物的异常消失，很可能是环境危机的重要预警信号。

论文链接：

https://doi.org/10.1126/sciadv.adt7572

来源：中国科学院南京地质古生物研究所

责任编辑：王颖