生物的體型會深刻影響其運動方式、捕食策略及生存適應能力。近日，中國科學院南京地質古生物研究所等，建立了目前最綜合的寒武紀-奧陶紀三葉蟲體型數據庫，通過對遠古海洋“明星生物”三葉蟲的系統研究，為人們打開了一扇觀察古無脊椎動物體型演化規律的新窗口。

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為何選擇三葉蟲？

遠古節肢動物三葉蟲，不僅數量龐大、形態多樣，其體型差異更是驚人，從僅2毫米的迷你個體到超過70厘米的巨型種類應有盡有。

▲體型差異明顯的三葉蟲化石

這種獨特的體型多樣性，加上三葉蟲在古生代海洋生態中的關鍵地位，使其成為研究無脊椎動物體型演化的理想樣本。

該三葉蟲體型數據庫涵蓋1091個屬、4732件成年標本的精確測量數據，時間分辨率達到三百萬年級別，為深入分析提供了堅實基礎。

▲數據庫中136個寒武紀和奧陶紀三葉蟲科的體型分布，兩側分別展示微型（左）和大型（右）三葉蟲類群的代表。三葉蟲線描圖來自https://www.trilobites.info，未按實際比例。

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1.2億年“跳躍式演化”

關于生物體型演化的驅動機制，學界存在諸多理論爭鳴。例如，柯普法則認為生物演化中體型會自然增大，伯格曼法則則強調溫度等環境因素的關鍵作用。

為了驗證這些假說，研究團隊對數據進行了多角度分析。

結果顯示，在長達1.2億年的演化歷程中，三葉蟲體型呈現出“跳躍式”變化特征，共發生5次顯著體型突變事件（3次縮小、2次增大），但整體并未呈現單向增大趨勢。這否定了柯普法則在三葉蟲演化中的普適性。

▲古生代早期寒武紀與奧陶紀全球三葉蟲體型的演化模式，紅色箭頭為五次重要的體型變化事件，羅馬數字為這一時期三葉蟲體型演化的六個階段。

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低氧環境下的生存博弈

更引人注目的是環境因素的影響機制。研究發現，三葉蟲體型波動與當時海洋含氧量變化存在精確對應關系，即每次體型縮小事件都恰逢海洋缺氧時期，而體型增大則與海洋氧化增強同步。

研究團隊解釋，大型三葉蟲需要更高氧氣維持代謝，因此對氧氣變化尤為敏感。這為“氧氣驅動論”提供了有力證據。

值得注意的是，雖然現代生物學中普遍觀察到“氣候變冷促進體型增大”的現象（如大象、鯨類的演化），但發生在三葉蟲時代的全球持續變冷卻未引發三葉蟲相應體型變化。

研究團隊推測，這可能是因為當時大氣含氧量僅為現代的60%左右。在低氧背景下，溫度變化難以產生顯著影響，只有當氧氣含量突破臨界值后，溫度效應才會顯現。

▲古生代早期三葉蟲體型演化（A）與海洋氧化還原狀態變化（B）及溫度變化（C）的關系。

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環境惡化“預警器”

遠古三葉蟲的體型“密碼”，還對理解當前生態危機具有重要警示意義。

數據顯示，在多次環境劇變中，大體型三葉蟲的滅絕總是比海洋生物多樣性整體下降提前數百萬年，說明大型捕食者對環境惡化更為敏感。

這提示我們，現代生態系統中大型動物的異常消失，很可能是環境危機的重要預警信號。

論文鏈接：

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

來源：中國科學院南京地質古生物研究所

責任編輯：王穎