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日志樣式

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甲蟲在進(jìn)化上取得了顯著的成功,這在很大程度上歸功于它們獨(dú)特的腺體結(jié)構(gòu),這些腺體能合成防御性的化學(xué)物質(zhì)。

經(jīng)過數(shù)百萬年的演化,這種適應(yīng)性使甲蟲能夠占據(jù)多種生態(tài)位,突出了細(xì)胞變化對物種進(jìn)化的影響進(jìn)化之謎與甲蟲多樣性隨著地球上生命的不斷演化,一些生物群體變得極其多樣化,而另一些則相對有限甚至完全消失理解為什么某些群體比其他群體更容易進(jìn)化一直是科學(xué)家研究生命史的關(guān)鍵問題之一。

甲蟲就是這樣一個(gè)成功的進(jìn)化案例已知約有40萬種甲蟲物種,約占所有已描述生命形式的四分之一,加上可能尚未被發(fā)現(xiàn)的種類,其多樣性無與倫比這種美麗和多樣性吸引了年輕的查爾斯·達(dá)爾文和阿爾弗雷德·拉塞爾·華萊士,他們都是自然選擇理論的共同發(fā)現(xiàn)者。

但究竟是什么讓甲蟲如此多產(chǎn)呢?一種流行的解釋是,甲蟲進(jìn)化出了硬化的鞘翅結(jié)構(gòu)來保護(hù)它們脆弱的飛行翅膀,這使得甲蟲能夠在許多其他昆蟲無法進(jìn)入的環(huán)境中生存下來另一種理論認(rèn)為,甲蟲與開花植物共同進(jìn)化,在適應(yīng)以開花植物為食的過程中,甲蟲與開花植物一起多樣化。

喬·帕克(Joe Parker)對蟲子和甲蟲長達(dá)數(shù)十年的癡迷使他最近被任命為加州理工學(xué)院的助理教授作為一名昆蟲學(xué)家,他專注于研究特定種類的甲蟲,這有助于我們解答一些關(guān)于進(jìn)化的基本問題甲蟲的獨(dú)特特征然而,上述兩種觀點(diǎn)都不足以解釋最大的一類甲蟲——隱翅蟲科(超過66,000個(gè)物種),不僅是最大的甲蟲家族,也是整個(gè)動(dòng)物王國中最大的家族之一。

隱翅蟲是一個(gè)謎:它們似乎放棄了強(qiáng)有力的鞘翅保護(hù),并且大多是掠食性的而非植食性的然而,在過去的2億年里,它們在地球生物圈中爆發(fā)式增長,侵入了每一個(gè)可以想象到的陸地生態(tài)位推動(dòng)這一顯著成功的是喬·帕克實(shí)驗(yàn)室研究人員的一項(xiàng)新研究的重點(diǎn)。

該研究由前博士后學(xué)者希拉·基奇(Sheila Kitchen)領(lǐng)導(dǎo),并于6月17日發(fā)表在《細(xì)胞》雜志網(wǎng)絡(luò)版上這項(xiàng)研究表明,在這些甲蟲體內(nèi)形成的兩種細(xì)胞類型負(fù)責(zé)化學(xué)防御腺的進(jìn)化,這是它們?nèi)驍U(kuò)散背后的催化劑。

腺體的力量2021年,帕克實(shí)驗(yàn)室的研究人員研究了一種被稱為“三角腺”的腺體,這是甲蟲靈活腹部尖端的一種結(jié)構(gòu)研究小組展示了甲腺是如何由兩種獨(dú)特的細(xì)胞類型組成的:一種是產(chǎn)生苯醌這種有毒化合物的細(xì)胞,另一種是產(chǎn)生一種液體混合物(或溶劑),苯醌溶解在其中,形成一種強(qiáng)有力的雞尾酒,甲蟲會(huì)向捕食者釋放。

在這項(xiàng)新研究中,基奇、帕克及其合作者從甲蟲進(jìn)化樹上的不同物種中收集了整個(gè)基因組,并分析了腺體兩種細(xì)胞類型表達(dá)的基因這樣做使他們能夠發(fā)現(xiàn)1億多年前進(jìn)化的古老基因工具包,使這些昆蟲具有強(qiáng)大的化學(xué)防御能力“在拼湊基因組的過程中,我們驚訝地發(fā)現(xiàn),在這個(gè)龐大的甲蟲群體中,腺體的遺傳結(jié)構(gòu)是如此相似,”現(xiàn)在是德克薩斯農(nóng)工大學(xué)助理教授的基欽說。

“當(dāng)我們開始研究特定的基因家族時(shí),我們發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)在腺體中發(fā)現(xiàn)了新功能的古老基因,以及一組小但必不可少的進(jìn)化新基因這些新基因是甲蟲進(jìn)化出神奇化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵這個(gè)故事是由我們優(yōu)秀的跨學(xué)科進(jìn)化生物學(xué)家、化學(xué)生態(tài)學(xué)家、蛋白質(zhì)生化學(xué)家和顯微鏡學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)講述的。

”進(jìn)化創(chuàng)新與物種輻射追溯腺體進(jìn)化的分子步驟,研究小組發(fā)現(xiàn)了甲蟲進(jìn)化到安全生產(chǎn)有毒苯醌的方式的重大進(jìn)化創(chuàng)新他們發(fā)現(xiàn),甲蟲偶然發(fā)現(xiàn)了一種毒素分泌機(jī)制,這種機(jī)制與植物控制化合物釋放以阻止食草動(dòng)物的機(jī)制驚人地相似。

它們將毒素與糖分子結(jié)合,使其失去活性,然后只有當(dāng)化學(xué)物質(zhì)在甲蟲自身細(xì)胞外安全分泌時(shí),才將毒素從糖中分離出來帕克說:“非常了不起的是,具有化學(xué)防御能力的甲蟲將與植物幾乎相同的細(xì)胞機(jī)制結(jié)合在一起,從而不會(huì)讓自己的有害化學(xué)物質(zhì)毒害自己。

”這種機(jī)制在早白堊紀(jì)演化;在它們進(jìn)化之后,甲蟲開始擴(kuò)散成數(shù)萬甚至數(shù)十萬種“這是典型的關(guān)鍵創(chuàng)新一旦他們找到了這個(gè)解決方案,從進(jìn)化的角度來看,它真的占據(jù)了他們的位置,”帕克說缺少腺體的相關(guān)甲蟲譜系沒有同樣的進(jìn)化多樣化,只有幾十到幾百種。

化學(xué)進(jìn)化與生態(tài)適應(yīng)通過探索不同物種的化學(xué)物質(zhì),研究人員發(fā)現(xiàn),雖然組成腺體的兩種細(xì)胞類型基本保持不變,但它們產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)可以發(fā)生戲劇性的進(jìn)化,使甲蟲適應(yīng)不同的生態(tài)位這種腺體可以被看作是一種化學(xué)實(shí)驗(yàn)室,在那里,甲蟲可以合成在新環(huán)境中生存所需的化合物。

例如,一組甲蟲進(jìn)化成捕食螨蟲,并改變腺體分泌螨蟲性信息素;另一種生活在蟻群中,并產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)來安撫其他極具攻擊性的工蟻,使甲蟲與螞蟻共生,甚至捕食它們“隱翅蟲的腺體是一種不可思議的、可重新編程的裝置,它可以產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì),進(jìn)化出新的相互作用,”帕克說。

“這使這些甲蟲能夠?qū)崿F(xiàn)極端形式的生態(tài)專業(yè)化如果沒有腺體,就不可能進(jìn)入這些甲蟲找到的奇怪而奇妙的生態(tài)位”進(jìn)化適應(yīng)的諷刺具有諷刺意味的是,研究小組發(fā)現(xiàn),在一個(gè)甲蟲群體中,腺體是多余的根據(jù)基欽的說法,“很明顯,一旦你在一個(gè)由數(shù)百萬具攻擊性的螞蟻組成的蟻群中生活了足夠長的時(shí)間,你就不再需要這個(gè)腺體了。

我們發(fā)現(xiàn),那些設(shè)法誘騙螞蟻接受它們進(jìn)入社會(huì)的甲蟲在進(jìn)化過程中失去了腺體它們的腺體工具包基因積累了許多失活突變蟻群對大多數(shù)物種來說都是一個(gè)可怕的地方,但對這些甲蟲來說,它是一個(gè)沒有危險(xiǎn)的堡壘 —— 它們誘使螞蟻保護(hù)它們。

”這項(xiàng)新研究強(qiáng)調(diào)了細(xì)胞水平上的進(jìn)化變化如何對生態(tài)和進(jìn)化多樣化產(chǎn)生重大的、長期的影響。在這種情況下,導(dǎo)致了大自然對甲蟲的過分喜愛。