在进化生物学中，生命之树上为何有些分支能在较短时间内分化出大量物种，而另一些分支长期保持物种数目有限，一直是自查尔斯·达尔文以来的核心问题之一。

近期，一项聚焦仙人掌花部特征的新研究给出了不同于传统解释的线索。研究显示，仙人掌物种多样化的关键，可能并非花朵对特定传粉者的高度专门化，也不是单纯的干旱环境扩张，而是花形特征本身演化的速度。

仙人掌科：缓慢生长与快速进化并存

仙人掌科被认为是全球物种多样性最高、同时受威胁程度也极高的植物类群之一，为理解不同进化谱系命运迥异提供了鲜明案例。

在个体生长层面，仙人掌以生长缓慢著称。一株高大的巨柱仙人掌可能需要约十年才能长高一英寸，一些佩奥特仙人掌则需数十年才能成熟。然而，从宏观进化尺度看，仙人掌科却是地球上进化速度最快的植物群之一。

研究指出，在过去约2000万至3500万年间，仙人掌科已产生约1850个物种。以地质时间尺度衡量，这一分化速度被认为相当迅速。相比之下，在其他约415个被子植物科中，约四分之一的科仅包含五个或更少物种，这些类群从未出现类似仙人掌那样的大规模快速分支。

传统假说：传粉专门化与沙漠扩张

长期以来，科学界普遍认为，花朵对特定传粉者或特定环境条件的专门化，是推动新物种产生的重要动力。这一思路可追溯至达尔文关于花与传粉者协同进化的经典观点。

围绕仙人掌多样性的成因，主要存在两类解释：

• 一种观点认为，仙人掌花朵对蜜蜂、蛾类、蜂鸟、蝙蝠等不同传粉者的专门化适应，是其物种快速分化的关键。
• 另一种观点则将仙人掌的进化成功与过去约3000万年间沙漠扩展联系起来，认为美洲大部分地区变得更干燥、更开阔，为仙人掌提供了广阔的适生空间。

从表面看，仙人掌与上述假说高度契合。该科植物花型多样，从小而不显眼的花，到夜间开放的大型花朵不等；传粉方式也涵盖蜜蜂、蜂鸟、蛾类和蝙蝠等多种动物。通常，较短的花朵与蜜蜂传粉相关，而较长的管状花则多次独立演化，以适应蝙蝠、蜂鸟和蛾类等传粉者。

新数据挑战传统解释

2024年，一项涵盖物种数量远超以往研究的新分析，对上述两种主流假说提出了质疑。研究团队发现，无论是干旱环境的扩张，还是花朵对特定传粉者的专门化，都不足以单独解释仙人掌科的高多样性。

研究由雷丁大学进化生物学讲师杰米·汤普森及其同事完成。团队构建并发布了仙人掌生态数据库（CactEcoDB），整合了仙人掌的性状数据和系统发育树，用于追踪该科植物的起源与演化历程。

在发表于《生物学快报》（Biology Letters）的一篇论文中，研究人员利用这一数据库，对仙人掌花部特征进行了系统分析。他们汇总了750多个仙人掌物种的花长数据，发现花长范围极为宽广，从约2毫米的小花到相当于大号餐盘大小的花朵均有分布，这一差异被认为反映了对截然不同传粉者的适应。

关键发现：花形变化速度与物种形成

通过将花长数据与系统发育树结合分析，研究团队发现，花朵大小演化的速度，与新物种形成的速率密切相关，这一关系在近期和更久远的进化时间尺度上均有体现。

研究结果显示，自然选择并未持续偏好某一特定花朵大小。相反，在仙人掌进化树上，多次出现花朵大小快速改变的“爆发”阶段，花型向不同方向、不同尺度反复演化。

研究据此提出，一个相对简明的结论：推动仙人掌科快速进化的，并非某一种特定花型或某一类传粉者，而是花型本身演化的速度——无论最终形成的是大花还是小花。只要花部形态在进化过程中变化足够迅速，相关谱系就更有可能在较短时间内分化出更多新物种。

这一结果被认为对达尔文提出的“专门化花朵促进新物种形成”的传统观点构成挑战。研究指出，在仙人掌科中，关键因素似乎不是“是否专门化”，而是“变化得有多快”。

对生物多样性保护的启示

研究还指出，这一发现对当前的生物多样性保护实践具有潜在意义。作者认为，植物在进化上保持变化能力——即在环境改变和灭绝压力下仍能产生新变异和新物种的能力——可能比某一具体适应特征本身更为重要。

从这一角度看，保护生物多样性不仅涉及维持现存物种，还包括维护产生未来新物种的进化潜力。一些目前看似稳定或普通的物种，可能在长期尺度上承载着较大的进化潜能。

研究同时提到，近三分之一的仙人掌物种目前面临灭绝威胁，在所有植物类群中属于比例较高的一类。这意味着，风险不仅在于失去单个物种，还可能导致整个进化支系的消失。

研究作者指出，保护仙人掌及其所处的自然生态系统，实质上也是在维护一个持续进行的进化过程，使生命能够在地球上一些最严酷的环境中继续存续和分化。