作者:任东等 来源:PNAS 发布时间:2010-9-25 10:57:00
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古昆虫与裸子植物存在显著特异性拟态关系

美翼蛉与同时代植物复原图 (美翼蛉与植物的叶片极为相似)

丹氏美翼蛉 (化石标本,四翅展开,翅上具有羽叶状翅斑)

 
蝴蝶模仿枯叶 (现代昆虫)史宗冈/摄
 
自然界到处存在生与死的博弈,在长期的进化过程中,动植物在保护自我和繁衍后代方面形成了一套独特的机制。在遥远的侏罗纪,正是恐龙等大型动物统治世界的时候,作为食物链底层的小昆虫,它们是怎样躲避天敌的呢?
 
在国家自然科学基金、北京市自然科学基金等的持续资助下,首都师范大学昆虫演化与环境变迁重点实验室的王永杰、史宗冈和任东在昆虫与植物的协同演化研究工作中取得了新进展,发现了距今1.65亿年的中侏罗世时期昆虫与当时的裸子植物之间存在着明显的特异性拟态关系。近日,该成果在美国《国家科学院院刊》(PNAS)上在线发表。
 
将自己融入环境的聪明昆虫
 
记得小学生物课本里的变色龙吗?它就是自然界中的“伪装高手”,为了逃避天敌的侵犯和接近自己的猎物,它常随环境变化改变身体颜色,然后一动不动地将自己融入周围的环境之中。
 
这种伪装就是一种拟态,它是一种生物模拟另一种生物或模拟环境中的其他物体从而获得好处的现象,或称生物学拟态。
 
同样,拟态也是昆虫逃避天敌捕食的策略之一,其中叶状拟态对现代昆虫来讲属于较为进化的一种隐藏方式。在特定情况下,昆虫的翅通常产生形态上的特化,模拟各种植物的叶子获得隐藏的目的。如螳螂、角蝉以及蝶类。
 
据了解,昆虫与裸子植物的协同演化关系在现代昆虫中已经消失,在晚侏罗—早白垩世时期被子植物逐步取代裸子植物成为自然界的主导,这类昆虫可能由于缺少了模拟对象而逐步灭绝,而这种特殊的进化关系随着裸子植物的没落而逐渐被生物界淘汰。
 
“化石是我们研究的关键,没有化石什么工作都开展不了。”任东对《科学时报》记者说,“因此只要找到化石,就相当于找到了开启答案的钥匙。”
 
但是,由于目前昆虫化石保存极不完整,科学界对昆虫叶状拟态起源仍然不清楚。
 
2005年,任东的研究团队在中侏罗世道虎沟地层发现了两块极为珍贵的具有羽状翅斑的脉翅目昆虫。
 
“这两块珍贵且保存精美的化石标本为我们提供了一个契机,让我们能有机会了解昆虫进化史上曾经出现的那些精彩动人故事。”任东说。
 
通过分析,任东等认为该类昆虫的翅较为狭长,翅中脉颜色加深,形似羽状复叶的叶轴,中脉两侧均匀分布有叶状翅斑,形似羽状复叶上的小叶片。该类昆虫的翅斑与同时代生活的裸子植物的叶片极为相似,他们推断该类昆虫可能生活在与之相似的植物上或者以该类植物为食。
 
另外他们在研究中还发现该类昆虫可能存在一种特殊的“行为适应性”,它们的翅展开时,整个停留在植物上的虫体形似一片随风摆动的叶片,以更好地逃避各类天敌,如恐龙、鸟类以及哺乳动物等的捕食。
 
寻找开启答案的钥匙
 
任东从1989年研究生毕业开始,就沉迷于对古生物学的研究。20年来已累计从事野外工作80个月以上,先后60余次去西北、华北、东北偏远的山区采集化石。
 
“我个人比较喜欢化石,上大学第一志愿是地质系,考研究生直接就报了古生物。地质学和生物学的知识使我对化石的敏感超过一般人,也就是发现能力强一些。”任东说。
 
目前任东带领的昆虫演化与环境变迁重点实验室已采获燕辽地区各类中生代晚期昆虫化石超过25万件,为研究古代昆虫与植物的协同演化关系提供了大量的可靠证据。
 
走进昆虫演化与环境变迁重点实验室,首先映入眼帘的就是一块块贴着标签的动物、植物化石。古生物学家们就是通过这些古老的化石,给人们展现出一个个精彩的故事。
 
1998年,任东创造性地利用访花虻类昆虫化石证实了被子植物在中国东北晚侏罗—早白垩世已经存在,将被子植物起源时间向前推进了至少2000万年,为解决被子植物的起源时间和地点这一植物学界的重大难题作出了贡献。
 
2009年11月,经过10年不懈的努力,任东及其团队发现了距今1.6亿年的中侏罗世时期传粉昆虫与当时的虫媒裸子植物之间存在着一种新的传粉模式,用充分的事实证明了在中生代具有细长吸受式口器的长翅目昆虫可以在已灭绝的裸子植物上取食传粉滴,同时起到了传粉的作用。这是目前为止最早的关于传粉昆虫和虫媒植物之间协同演化的例子,并以《欧亚大陆长喙蝎蛉指示被子植物大发生之前一种新的传粉模式》为题发表在美国《科学》杂志上。
 
2010年8月30日,距上一篇论文发表不到一年的时间,他们又发现了世界上最古老的叶状拟态昆虫化石,将昆虫叶状拟态的历史向前推进了1.2年,同时证明了在中生代时期,昆虫与裸子植物间已经出现了特异性的协同进化关系,并在美国《国家科学院院刊》在线发表了该成果。
 
“研究化石是个厚积薄发的过程,前期有了足够的积累,最后才能水到渠成。”任东说,“我们实验室在科学基金的持续资助下,重点研究昆虫与植物的协同演化关系,取得了一系列成果。”
 
拓展古昆虫学研究的深度和广度
 
据任东介绍,科学界对古昆虫的研究已经有两百多年的历史,多年来收集了很多化石、聚集了很多专家,也有一些重要成果发表。但是限于化石的发掘难度,近来国外对古昆虫的研究也举步维艰。
 
我国对古昆虫的研究起步虽晚,但是我国燕辽地区有大量的中生代昆虫化石资源,而且保存得比较完美,这是我国的先天优势。
 
“我们这个实验室就收集了25万件古昆虫化石,比俄罗斯、大英博物馆等都多。”任东说,“今年8月21日在首都师范大学举办了第五届化石昆虫、节肢动物及琥珀国际大会,这个大会在古生物界的地位,就相当于奥林匹克在体育界的地位一样。会上,大会主席统计近两年来国际共发表相关论文200多篇,中国发的论文就有100多篇。中国人发表的数量在国际同行中就占到1/3,同时论文的质量也非常高,很多在《科学》、《自然》和美国《国家科学院院刊》上发表过。”
 
谈到古昆虫学科未来的发展,任东认为人才、资金和研究方法还是学科发展必须考虑的因素。
 
“我从1994年承担国家自然科学基金青年科学基金项目开始,就陆续受到科学基金的资助。科学基金虽然钱不多,但它就像及时雨,往往在我们最需要的时候给予帮助。这也让科学基金的每一分钱都很能用到刀刃上,对我的研究有很大的鼓励和帮助。”任东说,“目前研究古昆虫人员的数量和知识结构还不尽完美,学科研究的方法还属于传统的描述性的科学。现在我们实验室在传统的描述性科学即经典的研究方法基础上,拓展研究的深度和广度,用新的理论和方法发现、测量和分析化石,争取把化石里的信息量全部挖掘出来。”
 
任东
 
首都师范大学生命科学学院教授,北京市昆虫学会常务理事、古昆虫学科组组长,《昆虫学报》编委,Insect Science(英文刊)编委,国际古昆虫学会理事、亚洲召集人,教育部科技委员会生命科学二部委员。
 
研究领域
 
以地史时期生命的进化为主要研究内容,以古昆虫学,尤其是重要经济昆虫的起源演化研究作为主攻目标。研究各种生境中昆虫群落的组成和时空分布规律,探索昆虫演化模式对现今地理分布格局形成的作用。对包括昆虫在内的生物群的兴起、演化、灭绝和复苏有一个全面了解,更好地了解现在主要经济昆虫区系状态形成的历史背景,从而对今后的发展趋势有科学的预测,更好地认识当前环境的形成过程和未来发展趋势。
 
近年来主持的科学基金项目
 
国家自然科学基金项目“辽宁西部侏罗—白垩纪昆虫化石组合序列与生态演变”。
 
国家自然科学基金项目“侏罗纪喜花昆虫分类演化与被子植物起源”。
 
国家自然科学基金项目“北方中生代昆虫群演替及古生态演变”。
 
国家自然科学基金杰出青年基金“中生代昆虫分类演化及与植物相互作用的关系”。
 
国家自然科学基金项目“中国东北中生代脉翅目化石分类及其在昆虫系统演化上的意义”。
 
国家自然科学基金重点项目“中生代晚期昆虫化石系统分类及其在昆虫起源和早期演化上的意义”。(来源:科学时报 王亚楠)
 
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