三葉蟲是繁盛于古生代早期海洋中的代表性動物，是無脊椎動物化石類群中的明星。近日，中國科學院南京地質古生物研究所科研人員與美國科研人員合作，建立了迄今數據最全面的寒武紀和奧陶紀三葉蟲體型數據庫，對三葉蟲的體型演化開展綜合研究。最新成果于北京時間5月3日2時在線發表于《科學進展》上。

三葉蟲體型數據庫創建

數據最全、時間分辨率最高

體型一直是人類了解生物的重要特征，它不僅決定了生物的運動、捕食和生存策略，也深刻影響著生物與生態系統的互動。因此，科學家們一直致力于探尋生物體型演化背后的奧秘，這不僅關乎生命演化，更能為理解當下生物與環境的關系提供重要線索。

針對體型演化的模式和驅動力，學界已經存在許多不同的理論。但是，這些工作多聚焦于脊椎動物類群，對無脊椎動物化石類群的體型研究相對缺乏。

而三葉蟲演化速度快、物種多樣性高，且體型差異也很大，最小的體長約2毫米、最大的超過70厘米，是開展無脊椎動物化石體型演化研究的絕佳素材。

中國科學院南京地質古生物研究所“地球-生命系統早期演化團隊”孫智新博士在研究員趙方臣和研究員朱茂炎的指導下，與副研究員曾晗及美國科研人員合作，圍繞三葉蟲開展無脊椎動物化石體型演化研究。

本次科研人員測量來自1091個三葉蟲屬的4732個成年背殼的體型值，耗時5年創建了目前數據最全、時間分辨率最高的全球寒武紀和奧陶紀三葉蟲的體型數據庫。

經過對體型數據庫的全面分析，研究人員認為，全球尺度上寒武紀和奧陶紀三葉蟲體型演化呈現階段性（幕式演化），即體型在某些事件中發生快速變化，之后長期停滯，直到下一次變化事件。在寒武紀和奧陶紀期間，共發生了5次明顯的體型變化事件（包括3次小型化事件、2次大型化事件），并可以據此將這一時期三葉蟲的體型演化分為3個大型化階段和3個小型化階段。

三葉蟲體型大小的演化

與海洋氧含量有關

經過數據分析，研究發現，無論是將三葉蟲作為一個整體，還是具體分析更小的演化單元，三葉蟲的體型演化均沒有展示趨勢性，這說明認為生物的體型會隨著演化自然自行增大的柯普法則在三葉蟲中不適用。

在排除生物自身的演化驅動力后，科研人員將目光轉向環境因素。有趣的是，幾次三葉蟲體型變化事件與當時海洋中的氧化狀態變化在時間上非常一致：體型變小事件恰好與幾次海洋缺氧事件相吻合，小型化階段對應著海洋氧含量動蕩或較低的時期，而體型變大事件和大型化階段則與缺氧的結束和氧化程度的增加有關。

簡而言之，海洋缺氧時期三葉蟲體型較小，而氧氣含量較為充分時期三葉蟲的體型也較大。這種相關性再次為氧氣對生物演化的控制提供了重要實證。考慮到大型三葉蟲基本都是捕食者，耗氧量高，氧氣可能主要通過新陳代謝限制控制了三葉蟲的體型。

大型動物的滅絕

可能是環境惡化的警鐘

伯格曼法則是另一個生物體型演化的理論。該法則強調環境因素如溫度對生物體型塑造的重要作用。氣候變冷被認為能夠促進體型的增大，這一法則在新生代冰期中表現得尤為明顯。

然而，生活在奧陶紀冰期中的三葉蟲卻未顯示出伯格曼法則的影響。相比新生代冰期，奧陶紀冰期是在含氧量很低的背景下發生的。這或許說明，在低氧背景下，溫度變化難以對體型演化產生明顯影響，只有當氧含量上升到一定高度后，氣候對體型的影響才逐漸顯現出來。換句話說，相比溫度，氧含量是更基礎的生物體型控制因素。當氧含量上升到一定高度后，氣候對體型的影響才逐漸顯現出來。

不同體型的生物在面對環境變化時的敏感程度是不同的。本研究顯示，環境惡化導致的三葉蟲體型減小會比海洋生物多樣性的整體減少早數個百萬年，這說明大型三葉蟲面對環境變化更為敏感。

三葉蟲的例子再次說明大型動物的滅絕可能是環境惡化的警鐘，這為理解今天的生物多樣性危機提供了參考。

現代快報/現代+記者 李鳴

（圖片來源：中國科學院南京地質古生物研究所）