甲虫在进化上是成功的，甲虫的多样化很大程度上是由于它们独特的腺体，可以合成防御性的化学物质。

这种适应，经过数百万年的进化，使它们能够占据不同的生态位，强调细胞变化对物种进化的影响。

进化之谜和甲虫多样性

随着地球上生命的进化，一些生物群体变得非常多样化，而另一些则相对有限，甚至完全消失了。理解为什么进化倾向于某些群体而不是其他群体，一直是研究生命史的科学家的一个关键问题。

甲虫是进化成功的典型例子。大约有40万种已知物种 —— 大约占所有已描述生命形式的四分之一 —— 以及无数可能未被发现的物种，它们的多样性是无与伦比的。它们的美丽和多样性吸引了年轻的查尔斯·达尔文和阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士，他们都是自然选择的共同发现者。

但是是什么让甲虫如此多产呢？一种流行的解释是，它们进化出了鞘翅硬化的盾状结构，以保护它们脆弱的飞行翅膀。这种适应性使甲虫能够在许多其他昆虫无法进入的环境中茁壮成长。另一种理论认为，甲虫与开花植物共同进化，在适应以开花植物为食的过程中，甲虫与开花植物一起多样化。

乔·帕克（Joe Parker）数十年来对虫子和甲虫的痴迷，使他最近被任命为加州理工学院的助理教授。作为一名昆虫学家，他研究特定种类的甲虫，这可以帮助我们回答一些进化的基本问题。

甲虫的独特特征

然而，这两种观点都不足以解释所有甲虫中最大的一群 —— 隐翅虫（隐翅虫科），一个超过66000个物种的庞大群体 —— 不仅是最大的甲虫家族，而且是整个动物王国中最大的家族。隐翅虫是一个谜：它们似乎已经放弃了强有力的鞘翅保护，而且大多是掠食性的，而不是以植物为食。然而，在过去的2亿年里，它们在地球生物圈中爆发，入侵了每一个可以想象到的陆地生态位。

推动这一显著成功的是乔·帕克实验室研究人员的一项新研究的焦点，乔·帕克是生物学和生物工程助理教授、陈学者和加州理工学院进化科学中心主任。由前博士后学者希拉·基奇（Sheila Kitchen）领导的这项研究发表在6月17日的《细胞》（Cell）杂志网络版上，指出了两种细胞类型的进化，这两种细胞在这些甲虫体内形成化学防御腺，是它们全球扩散背后的催化剂。

腺体的力量

2021年，帕克实验室的研究人员研究了甲虫体内一种被称为“三角腺”的腺体，这是它们灵活腹部尖端的一种结构。研究小组展示了甲腺是如何由两种独特的细胞类型组成的：一种是产生被称为苯醌的有毒化合物，另一种是产生一种液体混合物（或溶剂），苯醌溶解在其中，形成一种强有力的鸡尾酒，甲虫会向捕食者释放。

在这项新研究中，基奇、帕克和他们的合作者从甲虫进化树上的不同物种中收集了整个基因组，并分析了腺体两种细胞类型表达的基因。这样做使他们能够发现1亿多年前进化的古老基因工具包，使这些昆虫具有强大的化学防御能力。

“在拼凑基因组的过程中，我们惊讶地发现，在这个庞大的甲虫群体中，腺体的遗传结构是如此相似，”现在是德克萨斯农工大学助理教授的基钦说。“当我们开始研究特定的基因家族时，我们发现了数百个在腺体中发现了新功能的古老基因，以及一组小但必不可少的进化新基因。这些新基因是甲虫进化出神奇化学反应的关键。这个故事是由我们优秀的跨学科进化生物学家、化学生态学家、蛋白质生化学家和显微镜学家组成的团队讲述的。”

进化创新与物种辐射

追溯腺体进化的分子步骤，研究小组发现了甲虫进化到安全生产有毒苯醌的方式的重大进化创新。他们发现，甲虫偶然发现了一种毒素分泌机制，这种机制与植物控制化合物释放以阻止食草动物的机制惊人地相似。它们将毒素与糖分子结合，使其失去活性，然后只有当化学物质在甲虫自身细胞外安全分泌时，才将毒素从糖中分离出来。

帕克说：“非常了不起的是，具有化学防御能力的甲虫将与植物几乎相同的细胞机制结合在一起，从而不会让自己的有害化学物质毒害自己。”

这种机制在早白垩纪演化；在它们进化之后，甲虫开始扩散成数万甚至数十万种。“这是典型的关键创新。一旦他们找到了这个解决方案，从进化的角度来看，它真的占据了他们的位置，”帕克说。缺少腺体的相关甲虫谱系没有同样的进化多样化，只有几十到几百种。

化学进化与生态适应

通过探索不同物种的化学物质，研究人员发现，虽然组成腺体的两种细胞类型基本保持不变，但它们产生的化学物质可以发生戏剧性的进化，使甲虫适应不同的生态位。这种腺体可以被看作是一种化学实验室，在那里，甲虫可以合成在新环境中生存所需的化合物。例如，一组甲虫进化成捕食螨虫，并改变腺体分泌螨虫性信息素；另一种生活在蚁群中，并产生化学物质来安抚其他极具攻击性的工蚁，使甲虫与蚂蚁共生，甚至捕食它们。

“隐翅虫的腺体是一种不可思议的、可重新编程的装置，它可以产生新的化学物质，进化出新的相互作用，”帕克说。“这使这些甲虫能够实现极端形式的生态专业化。如果没有腺体，就不可能进入这些甲虫找到的奇怪而奇妙的生态位。”

进化适应的讽刺

具有讽刺意味的是，研究小组发现，在一个甲虫群体中，腺体是多余的。根据基钦的说法，“很明显，一旦你在一个由数百万具攻击性的蚂蚁组成的蚁群中生活了足够长的时间，你就不再需要这个腺体了。我们发现，那些设法诱骗蚂蚁接受它们进入社会的甲虫在进化过程中失去了腺体。它们的腺体工具包基因积累了许多失活突变。蚁群对大多数物种来说都是一个可怕的地方，但对这些甲虫来说，它是一个没有危险的堡垒 —— 它们诱使蚂蚁保护它们。”

这项新研究强调了细胞水平上的进化变化如何对生态和进化多样化产生重大的、长期的影响。在这种情况下，导致了大自然对甲虫的过分喜爱。

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