# 进化史与生物多样性

> IB 生物 SL · 主题D：延续与变化
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u4-evolutionary-history-and-biodiversity/

本模块探讨我们如何重建生物之间的进化关系，将化石证据与现代生物多样性联系起来，使用反映共同祖先的分类系统。你将学习构建和解读系统发育树。

**先修:** [自然选择进化论的基本原理](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u3-evolution-by-natural-selection/)

## 学习目标

- 使用支序分类法重建并解读进化关系
- 评估来自化石记录和比较形态学的进化证据
- 区分不同使用场景下的物种概念
- 解释现代分类如何反映进化史

## 来自化石与形态学的证据

**化石记录** — 所有已发现化石的集合，保存了过去地质时期生物的遗体或痕迹

*例:* 早期人科动物*南方古猿阿法种*的化石化骨骼

化石记录提供了进化改变的直接时间序列证据，展示了生物如何在数百万年间多样化。过渡化石（如*始祖鸟*）提供了主要类群（恐龙和鸟类）之间的关键联系。比较形态学也揭示了共同祖先：同源结构具有相同的基本结构，但在不同类群中适应不同功能。

**例题:** 解释五趾型附肢如何为哺乳动物的共同祖先提供证据。

1. 1. 定义五趾型附肢：它是大多数四足类（哺乳动物、鸟类、两栖动物、爬行动物）都保留的五趾附肢结构。
2. 2. 注意该结构在不同类群中适应完全不同的功能：人类抓握、蝙蝠飞行、鲸游泳、马奔跑，但基础骨骼排列几乎完全相同。
3. 3. 这种相似性无法用趋同进化解释，因为功能完全不同。最简约的解释是所有这些哺乳动物都从共同祖先那里遗传了五趾型附肢。

## 支序分类学与进化枝识别

**进化枝** — 由共同祖先及其所有现存和已灭绝后代组成的生物类群

*例:* 所有现代鸟类都属于同一个进化枝，源自共同的恐龙祖先

支序分类学基于共享衍生性状对生物进行分组：衍生性状是一个进化枝产生的新性状，由所有后代继承。最初支序分类学基于形态学数据，现代支序分类学现在使用分子数据（DNA/氨基酸序列）来获得更准确的亲缘关系估计。分子数据经常修正仅基于形态学建立的旧分类类群。

**例题:** 根据下方性状表，找出哪两个类群亲缘关系最近：  
| Group | Vascular tissue | Seeds | Flowers |
|-------|-----------------|-------|---------|
| Moss  | No              | No    | No      |
| Fern  | Yes             | No    | No      |
| Pine  | Yes             | Yes   | No      |
| Rose  | Yes             | Yes   | Yes     |

1. 1. 计算每对类群之间共享的衍生性状数量。衍生性状是在进化枝形成的支系中演化出的新性状。
2. 2. 玫瑰和松树共享两个在苔藓和蕨类中不存在的衍生性状（维管组织、种子）。玫瑰和蕨类仅共享一个衍生性状（维管组织），和苔藓共享0个。松树和蕨类也仅共享一个衍生性状。
3. 3. 共享衍生性状数量越多，表明共同祖先出现的时间越近，因此玫瑰和松树是亲缘关系最近的一对。

> **note**
>
> 传统分类类群并不都是进化枝。例如，传统分类中的‘爬行纲’不包含鸟类，尽管鸟类和其他爬行动物源自同一个共同祖先。

## 解读系统发育树

**系统发育树** — 表示类群之间假设进化关系的分支图。支序图是一种支长不代表时间的系统发育树；其他类型的系统发育树用支长表示进化时间或突变率。

有根树的基部是单一共同祖先，每个分支节点代表一次物种形成事件。两个类群之间的亲缘关系由它们的最近共同祖先（MRCA）出现的时间远近决定，而非性状相似性或末端的排列顺序。

**例题:** 在一棵有根树中：[七鳃鳗（外类群）] → 节点 → [鲨鱼] → 节点 → [蝾螈] → 节点 → [蜥蜴] → 节点 → [山羊，人类]。人类和其他类群的关系是什么？

1. 1. 要确定亲缘关系，从末端沿每个支系回溯，直到找到共享节点（最近共同祖先）。
2. 2. 人类和山羊的最近共同祖先是人类支系上最近的节点，这意味着人类与山羊的共同祖先比与树中其他任何类群都更近。
3. 3. 结论：人类与山羊亲缘关系最近，其次是蜥蜴，然后是蝾螈，最后是鲨鱼。

**概念自测**

测试你对亲缘关系的理解

1. 两个拥有更近共同祖先的物种一定：

   - A. 比古老支系在形态上更相似
   - B. 比拥有更古老最近共同祖先的类群亲缘关系更近
   - C. 一定属于同一个属
   - D. 都是现存物种

   *解析:* 系统发育学中，亲缘关系明确由共同祖先的出现时间远近定义，与形态学、分类阶元或两个物种是否现存无关。

## 分类与物种概念

现代分类与进化关系一致，因此分类单元对应进化枝。双名法（属名+种名）给每个物种一个唯一的通用名称，方便科学家清晰交流生物多样性信息。根据研究背景不同，会使用多种物种概念。

**例题:** 为什么生物学物种概念不能用于对已灭绝的化石生物进行分类？

1. 1. 回顾生物学物种概念：物种是一组可以相互交配产生可育存活后代的生物。
2. 2. 应用这个定义需要观察繁殖过程并检测后代育性，这对于已经无法繁殖的灭绝化石生物来说是不可能的。
3. 3. 古生物学家转而使用形态学物种概念（基于共享物理性状）或系统发育物种概念（基于进化亲缘关系）来对化石物种进行分类。

## 常见错误

- **错误做法:** 认为支序图末端的排列顺序代表亲缘关系
  - 原因: 任意节点都可以旋转改变末端顺序，不会改变进化关系。只有节点位置才重要。
  - 正确做法: 始终从末端回溯寻找最近共同祖先来确定亲缘关系。
- **错误做法:** 使用同功结构将生物分组到进化枝中
  - 原因: 同功结构是通过趋同进化产生的，并非来自共同祖先，因此无法反映亲缘关系。
  - 正确做法: 仅使用同源衍生性状或分子序列数据来构建和解读支序图。
- **错误做法:** 认为所有传统分类类群都是真正的进化枝
  - 原因: 许多传统类群是并系群：它们排除了共同祖先的部分后代。
  - 正确做法: 现代支序分类学仅承认单系群（真正的进化枝）是有效的分类单元。
- **错误做法:** 声称化石记录不完整，因此不是可靠的进化证据
  - 原因: 化石记录本来就应该是不完整的，因为化石形成需要非常特殊的稀有条件。
  - 正确做法: 我们承认化石记录不完整，但它仍然提供了一致、可验证的随时间进化改变的证据。

## 速查表

| 核心概念 | 定义 | 考试提示 |
| --- | --- | --- |
| 进化枝 | 共同祖先 + 所有后代 | 必须为单系群 |
| 衍生性状 | 支系所有成员都继承的新性状 | 用于构建支序图 |
| 同源 | 起源相同，功能不同 | 指示共同祖先 |
| 同功 | 起源不同，功能相同 | 趋同进化产物，支序分类中不使用 |
| MRCA | 最近共同祖先 | 决定亲缘关系程度 |
| 生物学物种概念 | 可相互交配产生可育后代 | 不适用于化石/无性生殖生物 |

## 下一步

理解进化史和分类是研究整个生物多样性的基础，它直接连接IB生物SL的其他核心主题。这个子主题建立在你对自然选择进化论的理解之上，为学习特定生物类群及其进化适应提供框架。掌握系统发育树解读是考试中高频、高分值的考点，需要应用你在这里学到的核心概念。接下来，你可以加深对新物种形成方式的理解，探索所有生物界的完整分类，或将这些概念与分子遗传学联系起来。

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