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科學家揭示河流侵蝕對魚類進化的驚人影響

2023-06-29 12:32:54 來源：cnBeta

麻省理工學院的科學家們發現，河流的侵蝕可以在構造活動不多的地區促進生物多樣性。這項以田納西河流域為中心的研究顯示，侵蝕使一種魚的種群多樣化，可能表明對其他物種也有類似的影響。這一發現強調了地質學在保護生物多樣性方面的作用。

新的研究發現可以解釋構造安靜地區的生物多樣性熱點。

(資料圖)

如果我們能把世界各地物種進化的磁帶倒回去，并向前播放數億年到今天，我們會看到生物多樣性聚集在構造動蕩的地區。喜馬拉雅山脈和安第斯山脈等構造活躍的地區，由于其地貌的變化，使物種隨著時間的推移而分化和多樣化，所以動植物資源特別豐富。

但是，生物多樣性也可以在一些地質上比較安靜的地區蓬勃發展，那里的地質構造幾千年來都沒有動搖過土地。阿巴拉契亞山脈就是一個最好的例子：數億年來，該山脈沒有發生過什么構造活動，但該地區卻是淡水生物多樣性的一個明顯熱點。

現在，麻省理工學院的一項研究確定了一個地質過程，它可能塑造了構造不活躍地區的物種多樣性。在最近發表在《科學》雜志上的一篇論文中，研究人員報告說，河流侵蝕可能是這些更古老、更安靜的環境中生物多樣性的驅動力。

麻省理工學院對淡水綠鰭鏢魚的研究表明，河流侵蝕可以成為構造不活躍地區生物多樣性的驅動力。資料來源：Jose-Luis Olivares/MIT，魚的照片由Isaac Szabo拍攝。

他們在南部阿巴拉契亞山脈，特別是田納西河流域提出了他們的觀點，該地區以淡水魚類的巨大多樣性而聞名。研究小組發現，隨著河流侵蝕該地區的不同巖石類型，不斷變化的地貌將一種被稱為綠鰭鏢魚的魚類推向河網的不同支流。隨著時間的推移，這些分離的種群發展成了它們各自不同的品系。

研究小組推測，侵蝕很可能推動了綠鰭豚的多樣化。盡管這些分離的種群在外表上看起來很相似，有綠鰭豚特有的綠色魚鰭，但它們在基因構成上有很大的不同。目前，這些分離的種群被歸類為一個單一物種。

"給這個侵蝕過程更多的時間，我認為這些獨立的血統將成為不同的物種，"瑪雅-斯托克斯博士21歲時說，他作為麻省理工學院地球、大氣和行星科學系（EAPS）的研究生進行了部分工作。

田納西河流域不斷變化的地貌將一種被稱為綠鰭鏢魚的魚類推入河網的不同支流。隨著時間的推移，這些分離的種群發展成了它們自己不同的品系。

綠鰭笛鯛可能不是唯一一個因河流侵蝕而多樣化的物種。研究人員懷疑，侵蝕可能促使許多其他物種在整個盆地，以及可能在世界其他構造不活躍的地區實現了多樣化。

麻省理工學院地球、大氣和行星科學的塞西爾和艾達-格林教授泰勒-佩倫說："如果我們能夠了解有助于生物多樣性的地質因素，我們就能更好地保護它。"

該研究的共同作者包括耶魯大學、科羅拉多州立大學、田納西大學、馬薩諸塞大學阿默斯特分校以及田納西流域管理局（TVA）的合作者。斯托克斯目前是佛羅里達州立大學的助理教授。

這項新研究源于斯托克斯在麻省理工學院的博士工作，她和佩倫在那里探索地貌學（研究景觀如何演變）和生物學之間的聯系。他們遇到了耶魯大學研究北美淡水魚類血統的Thomas Near的工作。Near利用從北美不同地區的淡水魚類中收集的DNA序列數據來顯示某些物種是如何以及何時進化和相互分化的。

Near給研究小組帶來了一個奇怪的觀察結果：綠鰭笛鯛的棲息地分布圖顯示，這種魚在田納西河流域被發現--但只在南半部。更重要的是，Near的線粒體DNA序列數據顯示，該魚的種群似乎因其所在的支流而在基因構成上有所不同。

泰勒-佩倫和瑪雅-斯托克斯對溪流沉積物進行采樣。"如果我們能了解有助于生物多樣性的地質因素，我們就能更好地保護它，"佩倫說。

為了調查這種模式的原因，斯托克斯從Near在耶魯大學的大量收藏中收集了綠鰭笛鯛的組織樣本，以及在TVA同事的幫助下從野外收集的樣本。然后她分析了整個基因組的DNA序列，并將每條魚的基因與數據集中的其他每條魚進行了比較。然后，該團隊根據魚與魚之間的遺傳相似性，創建了一個綠鰭笛鯛的系統發育樹。

從這棵樹上，他們觀察到一條支流中的魚比其他支流中的魚彼此之間的關系更密切。更重要的是，相鄰支流內的魚比來自更遠支流的魚彼此之間更相似。

"我們的問題是，會不會有一種地質機制，隨著時間的推移，把這個單一的物種，分裂成不同的、遺傳上不同的群體？"佩倫說。

斯托克斯和佩倫開始觀察到綠鰭笛鯛的棲息地和它們所處的巖石類型之間的"緊密聯系"。特別是，田納西河流域南半部的大部分地區是由變質巖構成的，而北半部是由沉積巖構成的，在那里沒有發現這種魚。

他們還觀察到，流經變質巖的河流更陡峭、更狹窄，這通常會產生更多的湍流，而綠鰭鏢客似乎更喜歡這一特性。該小組想知道：綠鰭笛鯛的棲息地分布會不會是由巖石類型的變化形成的，因為河流會隨著時間的推移侵蝕到土地上？

aemin Kim和Maya Stokes在為魚類取樣。"斯托克斯說："給這個侵蝕過程更多的時間，我認為這些獨立的品系將成為不同的物種。

為了驗證這個想法，研究人員開發了一個模型，模擬河流在侵蝕各種巖石類型時景觀是如何演變的。他們向模型提供了有關田納西河流域今天的巖石類型的信息，然后回過頭來運行模擬，看看同一地區在數百萬年前可能是什么樣子，當時有更多的變質巖暴露出來。

然后他們向前運行模型，觀察變質巖的暴露是如何隨時間推移而縮小的。他們特別注意到支流之間的連接在何時何地跨入了非變質巖，阻礙了魚類在這些支流之間的通過。他們繪制了這些阻擋事件的簡單時間表，并將其與分化的綠鰭豚的系統發育樹進行比較。兩者非常相似：這些魚似乎形成了獨立的品系，其順序與它們各自的支流與其他支流分離的時間相同。這意味著通過不同巖層的侵蝕造成綠鰭笛鯛不同種群之間的隔離，并導致品系的多樣化，這是合理的。

俄勒岡大學地球科學教授Josh Roering說："這項研究非常有說服力，因為它揭示了被動邊緣地區的一個更為微妙但強大的物種形成機制，"他沒有參與這項研究。"斯托克斯和佩倫揭示了水生物種和地質學之間的一些密切聯系，這種聯系可能比我們意識到的要普遍得多。"

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