被子植物の多様性のダイナミクス

被子植物、つまり花が咲く植物は、今のところ最も多様な緑の植物のグループで、約30万種もあるんだ。多くの人がその多様性を評価しているけど、被子植物の中のさまざまなグループ間での種の数の違いについては、あまり話題にされてないよ。たとえば、ヒナギクはサクラソウの約10倍の種があるし、草はカヤツリグサの9倍も多い。この種の数の違いは、さまざまな分類レベルに存在していて、直接の祖先を共有していて同じくらいの時間をかけて新しい種を発展させてきたグループ間でも見られるんだ。

研究者たちは、なぜいくつかの被子植物グループが他よりもずっと多くの種を持っているのかを説明しようと試みている。多くの研究者は、新しい種の形成や既存の種の絶滅に影響を与える新しい特性やユニークな環境条件を探すことに注目してきたよ。そういう条件は、集団が孤立し、時間をかけて変化するチャンスを提供したり、絶滅に対して抵抗力を持つことを助けたりするかもしれない。

過去10年間で、多くの研究が特定の被子植物グループやその全体を調べて、種の数の違いを説明するための特性や環境を探してきた。多くの研究が、特定の特性や環境と新種の形成や絶滅の速度のバリエーションとの関連を見つけた。ただ、最近の批評ではこれらの発見の信頼性に疑問が投げかけられているんだ。たとえば、これらの速度を研究するために使われる一般的なモデルは、実際の生物学的な違いではなく、セットアップのエラーによって重要な革新についての考えを支持しているように見えることが多い。植物の系統樹のさまざまな部分での速度の違いを認識する新しいモデルは、特定の特性と新しい種の形成との直接的な関連性はあまり見出していない。

さらに、研究がさまざまなグループの結果を組み合わせると、しばしば矛盾した結論が見つかる。これは、関連のない植物グループ間での種形成や絶滅の違いの主要な原因となる単一の要因、つまり重要な革新が存在しないことを示唆している。これまで、被子植物の種の数のバリエーションの一貫した理由を探すことは成功していない。

よく出てくるアイデアの一つは、新種の形成の速度と絶滅の速度が、これらの植物の特性の変化の頻度にリンクしているかもしれないってことだ。有名な植物学者は、被子植物が周囲の変化に適応する高い能力が、その広大な多様性にとって重要だと提案した。彼は、気候の変化が異なる気候帯の位置を頻繁に変えることにつながると信じていた。その不安定な地域にいる植物の系統にとって、絶え間ない変化は、集団が孤立し、ユニークな特性を発展させたり、絶滅に直面したりするチャンスを生むんだ。

この理論は、植物の系統が異なる環境間を移動する際、種が迅速に適応し、時間とともに新種の形成や可能な絶滅が起きるかもしれないことを示唆している。このアイデアは、異なる気候タイプ間のシフトが進化の変化の可能性を高めるってこと。

植物が異なる環境間でどのようにシフトするかのダイナミクスは、特にそれらのシフトがどれくらいの頻度で起こるか、またはどの方向に進むかについて、熱い議論のトピックになってきた。この研究では、オープンキャノピー環境とクローズキャノピー環境間の移動が、さまざまな被子植物グループの種形成と絶滅の速度にポジティブに関連しているっていうアイデアをテストしようとしているんだ。

そのために、私たちは異なる技術を組み合わせたモデルを使って、植物のグループ内での生物群系のタイプと種のダイナミクスの変化を推定しながら、種形成や絶滅の速度の違いを考慮に入れて分析した。49の花の植物グループを調べたので、約18,617種の変異があったよ。

私たちの発見は、異なる環境間を素早く移行したグループが、種形成と絶滅の速度も高い傾向があることを示している。具体的には、統計的な分析がこの2つの要因の間に重要な正の関係を明らかにした。移行速度が上がるごとに、新種が形成されたり、既存の種が絶滅する回転速度も増加したんだ。

重要なのは、種が多いからといって新しい種の形成や絶滅イベントの速度が高いわけではないこと。私たちは、時間の経過に伴うイベントの数を見ているので、ただの種の総数ではないから、大きなグループが必ずしも速い速度を意味するわけではない。本当にユニークな歴史を持つ少数の種のグループが、逆に高い速度を示すこともあるんだ。

クローズキャノピー環境の種を特に見てみると、それらはオープンキャノピー環境のものと比べて回転率が低い傾向があった。これはいくつかの要因によるかもしれない。クローズキャノピー地域の種は寿命が長くて適応の速度が遅いのかもしれないし、これらの環境はオープンな生息地に比べて時間が経つにつれてより安定している可能性があるんだ。

興味深いことに、データは種がオープンキャノピー環境からクローズキャノピー地域に移動することが多いことを示している。この発見は、より多くの資源を提供するクローズキャノピー環境に向かう移動が、オープンなものに向かう移動よりも頻繁であるというアイデアを支持している。

このパターンは、種がオープンキャノピー環境からクローズキャノピー環境に進化したという逆方向の進化を示唆する以前の研究に挑戦している。多くのこれらの早期の研究が、種が形成されて絶滅する過程のバリエーションを考慮していないことを認識するのが重要だ、これは結論に大きな影響を与えるから。

これらのダイナミクスに関する別の視点では、生息地のシフトと種のダイナミクスの関係を研究するために使用されたモデルが、バイアスがかかっていると批判されることがある。これらのモデルは、構造の仕方によって本当に関連がない接続を見出すことが多いんだ。異なる特性が種のダイナミクスに与える影響のバリエーションを許容する新しいモデルは、より信頼性が高く、これらのプロセスを理解するための良い基盤を提供するよ。

私たちの研究では、異なる生息地間での種のシフトの頻度と新種形成および絶滅の速度の間に重要な関連があることを見つけた。このことは、動的な進化プロセスが植物の多様性を形成する重要性を強調している。結果は、被子植物がさまざまな環境間を移動する能力が、彼らの全体的な多様性において重要な役割を果たしていることを示唆している。

最後に、私たちの発見は、今後の研究が特性の進化の仕方や、それらのプロセスが生物多様性に与える影響に焦点を当てる必要があることを強調している。特定の特性を単に研究するのではなく、これによりこれらの美しくて多様な花の植物が歴史を通じてさまざまな環境に適応し、繁栄してきたメカニズムについて、より豊かな理解が得られるかもしれない。

#データセットの構築

この研究のためのデータセットを構成するにあたり、少なくとも80種を持ち、種の多様性の少なくとも10％が代表される植物グループ49を選びました。この閾値はランダムに見えるかもしれないけど、研究によればそれ以下だと種のダイナミクスの研究において不正確な推定が生じることが分かっているんだ。

また、私たちは、植物学者が慎重に種を特定し、適切な遺伝子マーカーを選んだ木を使用して精度を目指しました。不均等なサンプリングや不正確さの問題を避けるために、単にオンラインデータベースから情報を集めた大規模なデータセットは避けるようにしました。

私たちが調べた植物グループの年齢は、400万年未満から1億1700万年以上と広範囲にわたり、合計で約26,232種、つまり約8％のすべての花の植物の多様性を含んでいます。

各種の主な生息地を特定するために、私たちは既存の分類体系を使用して種の名前を標準化し、それらの好ましい環境に焦点を当てました。調査した種に関連する標本の出現データを、さまざまなデータベースから収集し、信頼できるネイティブなデータにフィルタリングしました。

注意深い努力を通じて、信頼できる情報をもつ種の数を18,617に減少させました。これらの種は出現ポイントに基づいて異なるバイオームで分類し、降雨量に基づいてクローズキャノピーまたはオープンキャノピー環境に分けました。両方のタイプで見つかった種は広範囲とラベル付けしました。

#多様化と隠れた状態モデル

この研究では、異なる生息地タイプ間の移行率が植物群内での種形成と絶滅のダイナミクスにどのように関連しているかを理解するために、隠れたモデルを利用しました。バイオームのシフトと種の変化の速度の関係を調査することによって、より迅速な移行がより大きな回転率と相関することを期待していました。

分析には、種のダイナミクスと生息地の移行との相関を評価するためにさまざまなモデルを適合させることが含まれ、私たちが調べた花の植物グループの間でこれらのパターンがどのように維持されるかに焦点を当てました。これらのプロセスの相互関連性を推定する方法を使用し、進化の重要なパターンを明らかにすることができました。

私たちの発見は、異なるバイオームのシフトの速度と種の回転率との間に強い関連性があることを示しています。この洞察は、花の植物の多様性を駆動する要因を理解するための進化的適応性の重要性を示しています。これは、植物進化がどのように生じるかに関する新しい視点を提供します。