顏值即正義：有花植物的進化之謎

一談到進化，比如新物種的產生或者分化，大家總會想到特定基因突變帶來的新的適應性特徵，比如長頸鹿的脖子。但是，越來越多的研究表明，在一些物種中，決定性的因素卻在基因組的大小上。研究人員通過研究有花植物，即有花植物，發現它們基因組的大小成了進化的限制因素。

達爾文的「討厭之謎」

長久以來，有花植物的進化是生物學家的一個謎題。達爾文在《物種起源》中提出了一種漸變主義的進化路線，認為自然選擇只能通過輕微的、連續的、有益的變異而發生作用，所以「自然界沒有飛躍」。

但是，當時的化石紀錄顯示，有花植物各主要門類化石在距今約1.1億年的白堊紀「突然」出現。在隨後的很短時間內，有花植物用自己的「美貌」征服了世界。它們似乎經歷了一次結構和功能的爆炸式的發展，其多樣性和擴張速度遠超裸子植物和蕨類。有花植物在不到500萬年的時間內發生了不可思議的分化，產生了現生有花植物的所有5個主要類群，這是多麼令人震驚的事情！

李氏果化石，中國最古老的有花植物

但是，再往前追溯，卻找不到這些會開花的植物。如果找不到它們演化的證據，達爾文基於自然選擇的物種逐漸進化的理論似乎受到威脅！達爾文向整個人類揭示了生命的進化歷程，但誰會想到，他竟會因為小小的花朵而產生無盡的煩惱。有花植物帶來了鳥語花香，卻將自己的出身，神秘的掩藏起來。於是，他把這個無法解釋的現象稱為「討厭之謎」（abominable mystery）。

如今，地球上有約350000種有花植物，幾乎遍布地球每個角落，占陸地植物組成的90%以上。自「討厭之謎」開始，生物學家們也一直在試圖解釋一個重大科學問題：地球上的有花植物是如何起源和快速分化並佔領地球的？或者說，有花植物為何如此成功？

基因組「瘦身」

互葉梅（Amborella）是有花植物進化樹最早分支里唯一現存的植物，它和現在所有的花朵的關係就如同鴨嘴獸和現在的哺乳動物之間的關係。2013年，互葉梅基因組計劃（Amborella Genome Project）揭開了其基因的秘密。互葉梅基因組顯示，第一個有花植物可能出現於2億年前，彼時裸子植物的先祖們出現了全基因組加倍（whole genome doubling）。

互葉梅

基因組加倍給物種多樣化打開了大門，因為多餘拷貝的基因會進化併產生新的結構和功能，比如花朵。但是，攜帶這麼多的遺傳物質也是個「力氣活」，於是緊隨其後的自然選擇過程便把不需要的基因給去除了。這一基因組「瘦身」過程，通常會使有花植物比它們的父輩們擁有更少的DNA。通過進化樹不斷追本溯源，科學家們確信最開始的有花植物的基因組已經「瘦身」成功。

更少的DNA意味著有花植物可以用更小的細胞來構建樹葉，那麼相同大小的樹葉中就更多的細胞。於是，樹葉上可以有更多的氣孔來促進CO2的吸收和水蒸氣的釋放，更多的細胞用於光合作用。此外，有花植物的氣體交換能力的提高和白堊紀大氣CO2水平的降低周期吻合，這進一步加強了它們的競爭優勢。系統進化證據顯示，有花植物的基因組大小的變化與相關生理特性的改變是一起發生的。

儘管有花植物的基因組變小了，但是並不是所有的基因都會變小；相反，有花植物基因組存在巨大差異，它們最小的基因組和最大的相差2400倍，而蕨類相差196倍，裸子植物更是只相差16倍。這種基因差異性能夠使有花植在進化過程中更具靈活性和可塑性，從而更好的適應環境和在不同的氣候條件下生長，從而成功「佔領」地球。

基因組「瘦身」雖然是有花植物佔領地球的關鍵，但是仍然有謎題需要解答，比如，究竟是哪一部分DNA在基因「瘦身」的過程中丟失？為何只有有花植物會把它們的基因組變小？又有哪些優勢是直接來自於基因大小的？對這一機制的更好理解，或許有助於未來的科學家們研製出更高產的糧食！

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