💡这项突破是什么?
三叶虫是古生代早期海洋中最具代表性的动物之一，其体型演化是宏演化研究的重要议题。长期以来，学界对三叶虫体型演化的驱动机制存在争议，特别是氧气和温度在其中扮演的角色尚不明确。中国科学院南京地质古生物研究所早期生命研究团队博士生孙智斌、赵方臣研究员、曾晗副研究员，联合美国史密森学会国家自然历史博物馆Douglas H. Erwin教授和西北大学早期生命与环境创新引智基地（111计划）张兴亮教授团队博士后朱茂炎研究员，对全球寒武纪和奥陶纪三叶虫体型数据进行了系统收集和分析，揭示了海洋氧化还原状态变化是驱动三叶虫体型演化的关键因素。相关成果于2025年5月1日在线发表于《科学进展》（Science Advances）。
研究团队收集了全球寒武纪和奥陶纪超过28000条三叶虫标本的体型数据，涵盖超过1900个物种。通过定量分析，团队识别出三叶虫体型在寒武纪和奥陶纪期间经历了五次显著的幕式变化事件，并据此将这一时期的体型演化划分为六个阶段（图1）。其中三次为小型化事件（阶段II、IV、VI），两次为大型化事件（阶段III、V）。这一演化模式在全球主要地理单元（劳伦、东冈瓦纳、西冈瓦纳、波罗的和阿瓦隆）上基本一致（图2），表明其受全球性因素控制。系统发育分析进一步表明，这些体型变化事件主要由物种替换而非种内演化驱动（图3）。
三叶虫体型的幕式演化与寒武纪和奥陶纪期间的海洋氧化还原波动存在着明显的相关性（图4）：三次小型化事件分别与著名的Sinsk、SPICE和HOAE缺氧事件相吻合，从寒武纪晚期到奥陶纪最早期的长期氧含量动荡与小型化阶段IV相匹配，而几乎贯穿整个奥陶纪的大体型阶段（V）与这一时期海洋的持续氧化一致。这一现象表明海洋氧化还原状态变化是驱动全球三叶虫体型演化的关键机制。这一结论为探究氧气对生物体型的控制提供了一个来自海洋无脊椎动物的典型例子，也为支持氧气在早期动物演化中的重要性提供了一条独立证据。相比之下，尽管奥陶纪期间全球温度发生了明显下降，但三叶虫体型的演化与温度变化几乎没有显示相关性（图4）。结合其他相关研究，团队认为温度对体型的控制可能在含氧量超过某个阈值后才显现出来。另外，缺氧事件中，三叶虫的体型变化比全球生物多样性的变化更加敏感，表明体型的下降可能是环境危机的早期预警信号。因此，在评估当今全球变化的影响时，动物的小型化可能需要引起更多的关注。
随着当前地球科学领域研究范式的转变，基于化石数据、关注较大尺度变化、依赖定量分析的宏演化研究已成为了解生物演化历史的重要手段。本研究再次显示，相关手段在传统门类化石记录中的应用仍存在着巨大潜力，在未来古生物研究中应予以重视。
此项研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金委等项目的支持。
论文相关信息：Sun Z., Zhao F.*, Zeng H., Erwin D. H., Zhu M*. 2025. Episodic body size variations of early Paleozoic trilobites associated with marine redox changes. Science Advances, https://doi.org/10.1126/sciadv.adt7572.
图1：古生代早期寒武纪与奥陶纪全球三叶虫体型的演化模式，红色箭头为五次重要的体型变化事件，罗马数字为这一时期三叶虫体型演化的六个阶段。图中所示各时期代表性大型及小型三叶虫的线描图来自https://www.trilobites.info，未按实际比例。
图2：古生代早期四个主要地理单元（劳伦、东冈瓦纳、西冈瓦纳、波罗的和阿瓦隆）上的三叶虫体型演化模式，1-3为重要体型变化事件。
图3：基于系统发育框架古生代早期三叶虫科一级体型演化（A，B）及模型匹配结果（C）
图4：古生代早期三叶虫体型演化与环境背景的关系，B为海洋氧化还原状态变化，C为温度变化。
