哈佛大学研究人员发现爬行动物的快速进化是由近6000万年的全球变暖和气候变化引发的。研究人员可以通过研究地质深处的气候变化引起的大规模灭绝来探索环境危机对生物体进化的影响。一个主要的例子是二叠纪-三叠纪的气候危机。这一系列的气候变化是由发生在中二叠纪(2.65亿年前)和中三叠纪(2.3亿年前)之间的全球变暖驱动的。
这些气候变化在二叠纪末期造成了生命史上最大的两次大规模灭绝，第一次发生在2.61亿年前，另一次发生在2.52亿年前，后者消灭了全世界86%的动物物种。
除了其规模，二叠纪末期的灭绝也很重要，因为它们标志着地球历史上一个新时代的开始，即爬行动物成为生活在陆地上的脊椎动物的主要群体。哺乳动物的祖先合弓纲(Synapsids)在整个二叠纪主导了陆生脊椎动物群。在二叠纪灭绝后的三叠纪(2.52-2亿年前)，爬行动物快速进化，创造了爬行动物多样性的爆炸。这种扩张对现代生态系统和许多灭绝的生态系统的构建至关重要。大多数古生物学家认为这些快速的进化和多样化是由于竞争者的灭绝使得爬行动物能够接管新的栖息地和食物资源，而这些栖息地和食物资源在灭绝前是由几个合弓纲群体主导的。
然而，在2022年8月19日发表在《科学进展》杂志上的一项新研究中，哈佛大学有机和进化生物学系和比较动物学博物馆的研究人员和合作者揭示，爬行动物的快速进化和辐射开始得更早，在二叠纪结束之前。这与全球温度的稳步上升有关，通过一系列漫长的气候变化，在地质记录中跨越了近6000万年。
爬行动物对全球变暖和快速气候变化的进化反应。爬行动物的进化率(适应性解剖变化)在二叠纪早期开始增加(大约2.94亿年前)，这也标志着地质记录中最长的连续快速气候转变时期的开始。从2.61亿年前到2.35亿年前，大规模火山爆发导致的全球变暖进一步推动了气候变化，并导致了地球历史上最热的时期。这导致了两次大规模的物种灭绝和陆地上的爬行动物竞争者(哺乳动物的祖先)的消亡。全球变暖最密集的时期恰好是爬行动物进化速度最快的时期，标志着爬行动物身体结构的多样化和现代爬行动物群体的起源。资料来源：Tiago Simões
"我们发现，爬行动物的这些快速进化期与温度的上升密切相关。一些群体的变化非常快，一些则不那么快，但几乎所有的爬行动物的进化速度都比以前快得多，"主要作者，博士后Tiago R Simões说。
以前对这些变化的影响的研究，由于数据有限，往往忽略了陆生脊椎动物，而主要关注海洋动物的反应。
在这项研究中，Simões和资深作者Stephanie E. Pierce教授(均在哈佛任教)与合作者Michael Caldwell教授(加拿大阿尔伯塔大学)和Christian Kammerer博士(北卡罗来纳州自然科学博物馆)一起研究早期羊膜动物。它们代表了所有现代哺乳动物、爬行动物、鸟类以及它们最接近的灭绝亲属的前身，处于进化的初始阶段。在这个时间点上，第一批爬行动物和哺乳动物的祖先正在相互分裂，并沿着各自独立的进化道路进行进化。
Simões说："爬行动物代表了研究这一问题的理想和罕见的陆地系统，因为它们有相对良好的化石记录，并经历了一系列的气候危机，包括导致复杂生命历史上最大灭绝的危机，即二叠纪-三叠纪大灭绝。"
与哺乳动物的祖先相比，爬行动物在二叠纪时相对罕见。然而，事情在三叠纪发生了重大转变，当时爬行动物在物种数量和形态多样性方面经历了一个巨大的爆炸。这导致了大多数现存的主要爬行动物群体(鳄鱼、蜥蜴、龟类)的出现，以及一些现在已经完全灭绝的群体。
科学家们根据对二叠纪-三叠纪灭绝前后约1.4亿年期间125种爬行动物、合弓纲及其近亲的1000多件化石标本的大量第一手数据收集，创建了一个数据集。然后他们分析了这些数据，利用最先进的分析技术，如贝叶斯演化分析，检测这些物种何时首次起源，以及它们的演化速度如何，贝叶斯演化分析也被用于理解SARS-COVID 19等病毒的演化。然后，研究人员将新的数据集与地质记录中横跨几百万年的全球温度数据结合起来，以提供一个动物对气候转变的主要适应性反应的广泛概述。
Pierce说："我们的结果显示，在大多数爬行动物群体中，快速的气候变化和全球变暖时期与异常高的解剖学变化率有关，因为它们适应了新的环境条件，而且这个过程早在二叠纪-三叠纪大灭绝之前就开始了，至少在2.7亿年前，表明爬行动物身体计划的多样化并不像以前认为的那样是由P-T大灭绝事件引发的，而实际上是在几千万年前就开始了。"
Simões说："有一个爬行动物品系，即产生了第一批蜥蜴和楔齿蜥的鳞龙，与大多数爬行动物群体的方向相反，经历了一个整体解剖学变化速度非常缓慢的阶段，基本上，它们的身体计划受到了自然选择的制约，而不是像当时大多数其他爬行动物那样流氓地彻底改变。"研究人员认为，这是由于它们的身体尺寸预先适应了高温，以更好地应对高温。
Simões说："生物体的生理学确实取决于它们的身体大小，小体型的爬行动物可以更好地与周围环境交换热量。最早的蜥蜴和tuataras比其他种类的爬行动物小得多，与它们的现代亲属没有什么不同，因此它们能更好地应对剧烈的温度变化。鳄鱼、海龟和恐龙的更大的祖先不能那么容易失去热量，不得不迅速改变它们的身体，以适应新的环境条件"。
研究人员们还绘制了在这一时间框架内不同地理区域的身体尺寸变化。他们发现，气候对身体尺寸的压力是如此之大，在这个时期的致命高温期，爬行动物在热带地区基本上采取两条路线来应对这些气候变化，他们要么迁移到靠近温带地区，要么侵入水生世界，在那里他们不需要担心过热，因为水可以吸收热量并保持其温度比空气好得多。
Simões说："地质学上的温度上升与急剧不同的爬行动物群体的生物反应之间的这种强烈联系表明，气候变化是解释最近的二叠纪和三叠纪期间新的爬行动物身体计划的起源和爆发的一个关键因素。"
