斯坦福大學領導的一項研究顯示，陸地植物不是在數億年中逐漸進化，而是在相隔2.5億年的兩次戲劇性的爆發中經歷了重大的多樣化。 第一次發生在植物歷史的早期，引起了種子的發展，第二次發生在開花植物的多樣化期間。

這項研究使用了一種新穎而簡單的衡量標準，根據植物生殖結構中基本部分的排列和數量對植物的複雜性進行分類。 雖然科學家們長期以來一直認為植物隨著種子和花朵的出現而變得更加複雜，但2021年9月17日發表在《科學》雜誌上的新發現為這些變化的時間和程度提供了深入瞭解。

“最令人驚訝的是這種停滯不前的情況，在種子最初的進化之後，複雜性出現了高原，然後在開花植物開始多樣化時發生了全面的變化，”研究的主要作者、斯坦福大學地球、能源與環境科學學院（Stanford Earth）地質科學助理教授安德魯-萊斯利說。 “所有這些植物的生殖結構看起來都不一樣，但是在那個停滯期，它們都有大約相同數量的部件。”

一個不尋常的比較

花卉比其他每一類植物都更加多樣化，產生的顏色、氣味和形狀滋養著動物，使人們的感官愉悅。 它們也很複雜：花瓣、花藥和雌蕊以精確的排列方式交織在一起，引誘授粉者，誘使它們將花粉從一朵花傳播到另一朵花。

這種複雜性使科學家難以將有花植物與生殖系統較簡單的植物，如蕨類或一些針葉植物進行比較。 因此，植物學家長期以來一直專注於科組內的特徵，通常將不開花植物的進化與其更複雜的開花親屬分開研究。

萊斯利和他的合作者通過設計一個系統來克服這些差異，該系統僅根據觀察對生殖結構中不同種類的部件數量進行分類。 每個物種都根據它有多少種部件以及這些部件的聚集程度來評分。 他們對大約4.2億年前到現在的1300個陸地植物物種進行了分類。

“這在形式和功能方面講述了一個關於植物生殖進化的相當簡單的故事。 植物的功能越多，越具體，它們的部件就越多，「萊斯利說」。 “這是一種思考涵蓋整個植物歷史的大尺度變化的有用方法。”

從灌木到開花

當陸地植物在大約4.2億至3.6億年前的泥盆紀早期首次出現多樣化時，地球是一個沒有樹木或陸生脊椎動物的溫暖世界。 像蠍子和蟎蟲這樣的蛛形綱動物在矮小、斑駁的植物中游蕩，最高的陸地生物是一種20英尺高的真菌，相當於現在的喬木樹幹。 泥盆紀之後，動物界發生了巨大的變化。 陸地動物進化為具有大的身體尺寸和，食量也更大，昆蟲多樣化，恐龍出現–但植物直到發展出花朵才看到生殖複雜性的重大變化。

“昆蟲授粉和動物散播種子可能早在3億年前就已經出現了，但是直到最近1億年，這些與授粉者真正錯綜複雜的互動才推動了開花植物的這種超高複雜性，”萊斯利說。 “有這麼長的一段時間，植物可以以現在開花植物的方式與昆蟲互動，但它們沒有達到同樣的複雜程度。”

在白堊紀晚期，大約1億至6600萬年前，地球更接近於我們今天所知的星球–有點像沒有開花樹木和灌木的優勝美地國家公園。 萊斯利說，第二次複雜性的爆發比第一次更有戲劇性，強調了開花植物的獨特性質。 那個時期產生了像西番蓮這樣的植物，它可以有20種不同的部分，比非開花植物中發現的數量多一倍。

研究人員對472個活體物種進行了分類，其中一部分是萊斯利在斯坦福大學校園內和周圍進行的，方法是簡單地將當地的植物拉開並計算其生殖器官。 該分析包括維管束陸地植物–除了苔蘚和一些缺乏傳導水和礦物質的支援性組織的早期植物之外的所有植物。

“我們在這篇論文中論證的一件事是，這種分類僅僅反映了它們的功能多樣性，”萊斯利說。 “他們基本上分工合作，以便更有效地做他們需要做的事情。”