为什么存在这么多甲虫种类？ | 科学

当卡罗琳·查布 (Caroline Chaboo) 谈到龟甲虫时，她的眼睛会发光。 就像宝石一样，它们有无数鲜艳的颜色：闪亮的蓝色、红色、橙色、叶绿色和透明的金色斑点。 它们是 40,000 种叶甲虫叶甲科的成员，叶甲科是鞘翅目甲虫目中物种最丰富的分支之一。 “有象鼻虫、长角牛和叶甲虫，”她说。 “这确实是主导甲虫多样性的三重奏。”

内布拉斯加大学林肯分校的昆虫学家， 查布 长期以来，人们一直想知道为什么生命王国如此偏向甲虫：这种身体坚韧的生物约占所有动物物种的四分之一。 长期以来，许多生物学家都想知道同样的事情。 “达尔文是一位甲虫收藏家，”查布指出。

在地球上大约 100 万种已命名的昆虫中，大约有 40 万种是甲虫。 这只是到目前为止所描述的甲虫。 科学家通常每年描述数千个新物种。 那么，为什么有这么多甲虫种类呢？ “我们不知道确切的答案，”查布说。 但线索正在浮现。

一种假设是，它们的数量很多，因为它们已经存在了很长时间。 进化生物学家和昆虫学家说：“甲虫已有 3.5 亿年的历史” 杜安·麦肯纳 孟菲斯大学的。 在这段时间内，现有物种可以形成物种，或者分裂成新的、独特的遗传谱系。 相比之下，现代人类仅存在了约30万年。

然而，仅仅因为一群动物很古老并不一定意味着它会有更多的物种。 一些非常古老的团体有 物种很少。 例如，腔棘鱼已经在海洋中游弋了大约 3.6 亿年，最多达到约 90 种，然后减少到目前已知的两种。 同样，类似蜥蜴的爬行动物大蜥蜴是起源于约 2.5 亿年前、曾经在全球范围内多样化的古代爬行动物中唯一现存的成员。

甲虫种类如此丰富的另一个可能解释是，除了年龄大之外，它们还具有不同寻常的持久力。 “它们至少在两次大规模灭绝中幸存下来，”说 克里斯蒂安·贝扎-贝扎，明尼苏达大学博士后研究员。 事实上，2015 年的一项研究利用甲虫化石探索了 2.84 亿年前的二叠纪灭绝事件，得出的结论是： 缺乏灭绝 对于解释甲虫物种丰富度来说，可能至少与多样化一样重要。 作者推测，至少在过去的时代，甲虫已经表现出了改变其活动范围以应对气候变化的惊人能力，这可能解释了它们的灭绝能力。

甲虫家族树的某些分支比其他分支拥有更多的物种，这一事实使甲虫多样性之谜变得更加复杂。 例如，粪甲虫一生都在滚动精心制作的粪便球，它们的多样性有限。 “这个科约有 8,000 个物种，所以并不是一个庞大的群体，”社区生态学家说道 豪尔赫·阿里·诺列加 在哥伦比亚波哥大的埃尔博斯克大学。

相比之下，Chrysomeloidea（包含长角甲虫和叶甲虫的总科）包括 63,000 种，而 Buprestidae 包括约 15,000 种物种，Buprestidae 是一组金属木蛀叶甲虫，也因其耀眼的彩虹色而被称为宝石甲虫。

麦肯纳说，甲虫谱系之间物种丰富度的巨大差异意味着“没有一种解释适用于任何一个群体”。 尽管如此，在约占所有甲虫物种四分之一的食草甲虫中，一种明显的模式正在出现。 基于对不同甲虫谱系的遗传分析，麦肯纳和他的同事发现证据表明，刺激甲虫多样性的一个主要因素是 开花植物多样化 白垩纪时期。

在大约 1.45 亿年前的白垩纪时期，新的开花植物物种在地球表面大量传播，占领了许多不同的栖息地。 如今，植物约占地球生命质量的 80%。 充分利用植物作为食物是一种生态策略，它不仅有助于促进甲虫的辐射，还有助于促进食草动物的辐射 物种包括蚂蚁、蜜蜂、鸟类和哺乳动物。

麦肯纳发现，就食草甲虫而言，它们物种最丰富的谱系携带着一系列令人着迷的基因，可以消化植物。 其中许多基因编码的酶有助于分解植物细胞壁，从而获得储存在纤维素、半纤维素和果胶等难以消化的化合物中的糖。 “拥有这些基因的谱系非常成功，”麦肯纳说。

这些基因是巧妙的适应，将难以消化的植物部分变成了食物。 它们允许食草甲虫吃更多不同种类的植物，这反过来又使昆虫能够进入新的栖息地并占据新的生态位。 随着食草甲虫在地理上扩散并采用不同的饮食和生活方式，它们之间的遗传差异越来越大，从而产生了新物种。

由于不明原因，一些食草甲虫在进化过程中失去了辅助消化的基因，其中包括编码果胶酶的基因，果胶酶是一种能够分解果胶的酶。 进化生态学家 哈桑·塞勒姆 德国图宾根马克斯·普朗克生物学研究所的研究人员解释说，为了补偿，一些甲虫进化出了一种不同的吃植物的策略：它们与细菌伙伴（称为共生体）建立了关系，这也有助于植物消化。

对于一些甲虫来说，这些特殊的共生微生物成为将植物保留在菜单上的替代工具，扩大了新物种可以进化和繁衍的栖息地数量。 例如，塞勒姆研究小组研究的绝大多数龟叶甲虫物种中，分解果胶的不是基因编码的酶，而是细菌共生体。 甲虫从母亲那里获取细菌：每当雌性产下卵时，她也会留下一个含有微生物的胶囊。 龟甲虫胚胎在卵内发育，然后钻入胶囊中消化共生体，大约在它出现前一天。

“这是它一生中遇到的第一件事……所以这是一种非常亲密的联系，”塞勒姆说。 当塞勒姆和他的团队通过实验从发育中的幼虫中去除微生物囊片时，出现的成年无菌甲虫具有很高的死亡率，因为它们无法获取植物细胞中的果胶。

除了使植物更容易消化之外，一些与植物相关的微生物可能为甲虫的多样化铺平了道路，因为它们为甲虫提供了捕食者保护。 在龟叶甲虫中 交替齿形龟， 例如，一种叫做 镰刀菌—常见于香蕉和红薯等农作物中，在变态过程中生长在甲虫蛹的表面。 “我们已经证明，如果你去除真菌，那么蚂蚁很容易找到它们并以它们为食，”说 艾琳·贝拉萨特吉荷兰阿姆斯特丹生命与环境研究所的进化生物学家。 镰刀菌属换句话说，可能会保护甲虫免受有害捕食者的侵害，进一步扩大甲虫的领地并实现多样化。

贝拉萨特吉补充说，许多树皮甲虫，如豚草甲虫，也受益于 镰刀菌属 真菌，但以不同的方式。 甲虫将真菌从一棵树带到另一棵树，它们的特殊口袋被称为“mycangia”。 一旦树上的真菌感染开始，甲虫就会尽情享受真菌盛宴。

食草甲虫已经进化出其他创新，这些创新可能使它们比其他甲虫类群能够形成更多的物种。 例如，在查布研究的叶甲虫中，化石记录中出现了防御性粪便盾——由甲虫自身的排泄物和脱落的皮肤建造的结构——“与大规模的物种辐射同时发生，”她说。 大多数甲虫盾使用者都是独居物种，但也有一些生活在群体中，排列成队形以保护自己免受捕食者的侵害。 查布说，粪便盾保护可能有助于甲虫进入更开放的栖息地。

无论是吃植物还是吃腐肉等其他食物，所有类别的甲虫都进化出了一系列令人印象深刻的工具来解决许多不同的问题。 麦肯纳说，从这个意义上说，甲虫是生命之树的缩影。

然而，尽管甲虫具有很强的适应能力，但我们不能认为它们的生存是理所当然的。 昆虫数量正在减少 在许多地方——“是的，甲虫是其中的一部分，”贝扎-贝扎说。 他补充说，它们如何在人类的影响下生存是“目前的核心问题之一”，尽管他打赌地球上甲虫的存在时间“比人类存在的时间还要长”。

贝扎-贝扎在他工作的中美洲云林天空岛屿上忙于解决科学难题，他对 奥杰斯抛光，一种以腐烂的原木为食的甲虫。 “这种事只发生在我家乡附近的山里，”他说。 “所以它提醒我我来自哪里……而且到处都有这些珠宝。”

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