陸地植物起源之謎

2020-09-04 外面的精彩

大約5億年前，那時候的地球已經是一個40多億歲的成熟青年，最早的綠色植物開始出現於陸地。

但植物到底是如何登陸，仍然是生物進化上的一大謎團，在此之前，陸地只是微生物生活的家園。最早脫離水面的綠色植物不是高聳的樹木，甚至不是我們當今世界的小灌木叢。它們很可能柔軟生苔，根部較淺，很少有適應性的變化，但它們後來進化成能在乾燥的土地上生存並繁衍生息的植物。 儘管科學家們贊同這些植物是從某種海藻中進化出來的，但是我們對這些綠色藻類祖先了解卻很少。

但是，最近的幾篇論文（兩篇基於分子生物學，另一篇基於十億年前的稀有珍貴化石）正在幫助填補我們對這些古老藻類以及最終使它們過渡到陸地的認識的空白。 。

儘管陸地植物的化石很豐富，但古代的藻類化石卻很少。為了在水中生存，植物形成了堅固的養分運輸系統和堅固的細胞壁。這些相同的特性使它們在化石中易於保存。 「大多數藻類都是糊狀的東西，他們沒有形成骨架。最初的陸地植物必須具有某種機械支撐，」維吉尼亞理工學院地球生物學教授肖書海說。 「總體而言，它們的骨架比海藻堅固得多。」

最近出土的微體化石，比一粒稻米還小，似乎是世界上已知最古老的綠藻標本：將這些藻類確認存在的時間提前了2億年。

該實驗室的一名博士後，致力於在全球範圍內尋找具有數十億年歷史的巖石。他對複雜生命進化中的關鍵步驟之一感興趣：細胞如何變成真核細胞，具有不同的內部區室而不是自由漂浮的細胞內容物。他從中國北方的大連市附近的地層中挖出了一些巖石，那裡的地質圖顯示，他很可能會從那個遙遠的時代找到化石。但是直到他回到實驗室並在電子顯微鏡下對其進行觀察後，他才明白這項研究的價值：「當我看到第一片綠色海藻時，我感到非常興奮。」 「這些化石對科學來說是全新的。

它們就像化石藻一樣古老，似乎具有許多後來的綠色海藻也具有的特徵。不僅僅是它們具有明顯的光合作用和多細胞特性，這些特性有助於定義海藻，但進化過程還比較模糊。

這項研究之前，最古老的已知綠藻化石大約有8億年的歷史。由於該化石是零散分布並且保存不佳，因此並非所有的科學家都同意這是真正的綠藻。這種不確定性使海藻的早期歷史受到懷疑。來自大連的新化石對科學界來說具有更大的說服力。

但質疑依然存在。馬裡蘭大學的生物學家查爾斯·德爾維奇（Charles Delwiche）說，化石很可能是綠藻，但他並不完全相信。他說：「化石記錄很難解釋。」哈佛大學自然歷史學教授安德魯·諾爾（Andrew Knoll）也表達了類似的保留意見。他在一封電子郵件中說：「化石很可能反映了一個滅絕的早期分支群體。」

在這件化石中看到進化上的創新可能幫助藻類走上了一條最終將其推向岸上的道路，這一過程大約在4.7億年前就已經出現。但是向陸地生命的過渡可能早在數億年前就已經開始，綠藻可以適應在潮溼或暫時乾燥的沙土中生存。進化生物學家普遍認為，這種轉變可能與更複雜的多細胞結構的出現平行，其中一些結構使其自身適應了新的環境。

但是，進化並不總是穩步向前。 「從歷史上看，人們一直認為進化是一個線性過程-它不斷變得越來越複雜。」艾伯塔大學的生物學家Gane Ka-Shu Wong說。

Wong，德國杜伊斯堡大學埃森分校的麥可·邁爾科尼安（Michael Melkonian）及其同事在最近發表的一篇論文中，通過基因分析揭示，最接近陸地植物的近親是苔蘚類淡水物種，被稱為溼生植物。儘管這些綠藻通常是單細胞的，但它們必須與陸地植物有共同的祖先：它們具有許多共同的基因，這些基因對於在陸地上生存至關重要，包括一些賦予抗乾燥性的基因和一些對合成細胞壁具有抵抗力的基因。這些共性不僅表明在植物移到岸上之前已經獲得了許多對旱地的適應性，而且當池塘物種不再有用時，它們會隨著時間的流逝失去一些複雜的祖先特徵。 Wong說：「進化可以向前兩步，向後一步，而並不一定是一直向前。」

布裡斯託大學的Philip Donoghue和Jordi Paps在對Wong和Melkonian的《當前生物學》的一篇論文的評論中，提出了這樣一個論點，即許多看起來像適應陸地生物的植物基因似乎具有更深的歷史，並且可能已經起作用。

實際上，其中一些遺傳歷史可能超出了藻類：《細胞》論文表明，能夠承受乾旱壓力的基因可能最初來自土壤細菌，並通過水平轉移給了Zygnematophyceae（或其祖先）。

在上個月發表在《當代生物學》上的另一項研究中，帕普斯與埃塞克斯大學的亞歷山大·鮑爾斯和烏爾裡克·貝克特爾德一起，對200多種現生植物的基因組進行了比較，並用它們構建了其深遠祖先的進化樹。在繪製樹圖時，他們指出了各種基因的出現時間，並在此過程中確定了兩次非同尋常的基因組爆發事件。

第二次似乎是在藻類開始向陸地生物過渡時發生的，產生了具有適應性特徵的基因，例如紫外線防護和形成根系並與陸地微生物相互作用的能力。當藻類仍完全浸沒在水下並從單細胞性向多細胞性過渡時，發生了更早的爆發。

對於肖書海教授來說，化石的物理特徵表明該物種是一種綠藻，這是綠藻的兩個主要譜系之一，但不是大多數科學家認為的那種植物。因此，古老的藻類標本似乎較早地進化出了其多細胞，複雜的結構，而與研究中推斷出的遺傳基因的爆發無關。

這並不完全令人驚訝，因為多細胞性在不同譜系中已經進化了許多次。 實際上，大多數專家都認為，早期綠藻中的許多特徵本可以在一種稱為會聚進化的現象中多次獨立進化。

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