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日志樣式

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甲蟲在進(jìn)化歷程中取得了顯著成功,其多樣性在很大程度上歸因于它們獨(dú)特的腺體結(jié)構(gòu),這些腺體能合成防御性化學(xué)物質(zhì)。

經(jīng)過數(shù)百萬年的進(jìn)化,這種適應(yīng)能力使甲蟲能夠占據(jù)不同的生態(tài)位,凸顯了細(xì)胞變化對(duì)物種進(jìn)化的影響**甲蟲與進(jìn)化之謎**隨著地球生命的不斷演化,有些生物群體變得極其多樣化,而另一些則相對(duì)有限甚至完全消失為什么某些群體在進(jìn)化過程中更加成功,一直是研究生命史的科學(xué)家們關(guān)注的核心問題。

甲蟲是這一現(xiàn)象的典型代表目前已知約有40萬種甲蟲種類,大約占所有已描述生命形式的四分之一,此外還有無數(shù)可能尚未被發(fā)現(xiàn)的物種甲蟲的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·華萊士等自然選擇理論的共同發(fā)現(xiàn)者。

那么,是什么讓甲蟲如此多產(chǎn)呢?一種流行的解釋是,它們進(jìn)化出了硬化的鞘翅來保護(hù)脆弱的飛行翅膀,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實(shí)現(xiàn)了多樣化。

喬·帕克(Joe Parker)對(duì)蟲子和甲蟲的研究熱情持續(xù)了數(shù)十年,這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,他專注于特定種類的甲蟲,幫助我們解答一些基本的進(jìn)化問題**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甲蟲群體之一——隱翅蟲(隱翅蟲科),這是一個(gè)超過66,000個(gè)物種的龐大家族,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。

盡管如此,在過去的2億年里,它們?cè)诘厍蛏锶χ斜l(fā),占據(jù)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)新研究焦點(diǎn)該研究由前博士后學(xué)者希拉·基奇(Sheila Kitchen)領(lǐng)導(dǎo),并發(fā)表在6月17日的《細(xì)胞》(Cell)雜志網(wǎng)絡(luò)版上。

這項(xiàng)研究指出了兩種細(xì)胞類型的進(jìn)化,這兩種細(xì)胞在這些甲蟲體內(nèi)形成化學(xué)防御腺,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,這是位于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:一種產(chǎn)生苯醌這種有毒化合物,另一種則生成一種液體混合物(或溶劑),苯醌在其中溶解后形成一種強(qiáng)效雞尾酒,當(dāng)遇到捕食者時(shí)會(huì)被釋放出來。

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)一個(gè)1億多年前進(jìn)化出來的古老基因工具包,使這些昆蟲具備了強(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)我們深入研究特定的基因家族時(shí),發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)在新功能中發(fā)現(xiàn)的新古老基因以及一組小但必不可少的進(jìn)化新基因。

這些新基因正是甲蟲進(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)科團(tuán)隊(duì)講述的,包括進(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”**進(jìn)化創(chuàng)新與物種輻射**通過追溯腺體進(jìn)化的分子步驟,研究小組發(fā)現(xiàn)了甲蟲如何安全地生產(chǎn)有毒苯醌的重要進(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,與植物控制化合物釋放以防止食草動(dòng)物的方式驚人地相似它們將毒素與糖分子結(jié)合使其失去活性,然后只在化學(xué)物質(zhì)在甲蟲自身細(xì)胞外安全分泌時(shí)才將其從糖中分離出來帕克表示:“非常了不起的是,具有化學(xué)防御能力的甲蟲采用了幾乎與植物相同的細(xì)胞機(jī)制,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;在此之后,甲蟲開始分化成數(shù)萬甚至數(shù)十萬種“這是一個(gè)典型的關(guān)鍵創(chuàng)新案例一旦找到了解決方案,從進(jìn)化角度來看,它確實(shí)占據(jù)了優(yōu)勢(shì)地位”帕克說道缺少相關(guān)腺體的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)盡管構(gòu)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)生戲劇性的變化,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,并改變了腺體分泌的信息素;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,從而實(shí)現(xiàn)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。

“這使得這些甲蟲能夠?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**令人諷刺的是,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大量的失活突變對(duì)于大多數(shù)物種來說,蟻群是一個(gè)可怕的地方,但對(duì)于這些甲蟲來說,它是一個(gè)沒有任何威脅的堡壘——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)化變化對(duì)生態(tài)和進(jìn)化多樣化產(chǎn)生的重大且長期的影響。在這種情況下,導(dǎo)致了大自然對(duì)甲蟲的偏愛。