科學(xué)家揭示河流侵蝕對(duì)魚類進(jìn)化的驚人影響

麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，河流的侵蝕可以在構(gòu)造活動(dòng)不多的地區(qū)促進(jìn)生物多樣性。這項(xiàng)以田納西河流域?yàn)橹行牡难芯匡@示，侵蝕使一種魚的種群多樣化，可能表明對(duì)其他物種也有類似的影響。這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了地質(zhì)學(xué)在保護(hù)生物多樣性方面的作用。

新的研究發(fā)現(xiàn)可以解釋構(gòu)造安靜地區(qū)的生物多樣性熱點(diǎn)。

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

但是，生物多樣性也可以在一些地質(zhì)上比較安靜的地區(qū)蓬勃發(fā)展，那里的地質(zhì)構(gòu)造幾千年來都沒有動(dòng)搖過土地。阿巴拉契亞山脈就是一個(gè)最好的例子： 數(shù)億年來，該山脈沒有發(fā)生過什么構(gòu)造活動(dòng)，但該地區(qū)卻是淡水生物多樣性的一個(gè)明顯熱點(diǎn)。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的一項(xiàng)研究確定了一個(gè)地質(zhì)過程，它可能塑造了構(gòu)造不活躍地區(qū)的物種多樣性。在最近發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇論文中，研究人員報(bào)告說，河流侵蝕可能是這些更古老、更安靜的環(huán)境中生物多樣性的驅(qū)動(dòng)力。

麻省理工學(xué)院對(duì)淡水綠鰭鏢魚的研究表明，河流侵蝕可以成為構(gòu)造不活躍地區(qū)生物多樣性的驅(qū)動(dòng)力。資料來源：Jose-Luis Olivares/MIT，魚的照片由Isaac Szabo拍攝。

他們?cè)谀喜堪屠鮼喩矫}，特別是田納西河流域提出了他們的觀點(diǎn)，該地區(qū)以淡水魚類的巨大多樣性而聞名。研究小組發(fā)現(xiàn)，隨著河流侵蝕該地區(qū)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(wǎng)的不同支流。隨著時(shí)間的推移，這些分離的種群發(fā)展成了它們各自不同的品系。

研究小組推測(cè)，侵蝕很可能推動(dòng)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?cè)诨驑?gòu)成上有很大的不同。目前，這些分離的種群被歸類為一個(gè)單一物種。

"給這個(gè)侵蝕過程更多的時(shí)間，我認(rèn)為這些獨(dú)立的血統(tǒng)將成為不同的物種，"瑪雅-斯托克斯博士21歲時(shí)說，他作為麻省理工學(xué)院地球、大氣和行星科學(xué)系（EAPS）的研究生進(jìn)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(wǎng)的不同支流。隨著時(shí)間的推移，這些分離的種群發(fā)展成了它們自己不同的品系。

綠鰭笛鯛可能不是唯一一個(gè)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(gè)盆地，以及可能在世界其他構(gòu)造不活躍的地區(qū)實(shí)現(xiàn)了多樣化。

麻省理工學(xué)院地球、大氣和行星科學(xué)的塞西爾和艾達(dá)-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(zhì)因素，我們就能更好地保護(hù)它。"

該研究的共同作者包括耶魯大學(xué)、科羅拉多州立大學(xué)、田納西大學(xué)、馬薩諸塞大學(xué)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(dá)州立大學(xué)的助理教授。

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

Near給研究小組帶來了一個(gè)奇怪的觀察結(jié)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(fā)現(xiàn)--但只在南半部。更重要的是，Near的線粒體DNA序列數(shù)據(jù)顯示，該魚的種群似乎因其所在的支流而在基因構(gòu)成上有所不同。

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

為了調(diào)查這種模式的原因，斯托克斯從Near在耶魯大學(xué)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(gè)基因組的DNA序列，并將每條魚的基因與數(shù)據(jù)集中的其他每條魚進(jìn)行了比較。然后，該團(tuán)隊(duì)根據(jù)魚與魚之間的遺傳相似性，創(chuàng)建了一個(gè)綠鰭笛鯛的系統(tǒng)發(fā)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(guān)系更密切。更重要的是，相鄰支流內(nèi)的魚比來自更遠(yuǎn)支流的魚彼此之間更相似。

"我們的問題是，會(huì)不會(huì)有一種地質(zhì)機(jī)制，隨著時(shí)間的推移，把這個(gè)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(lián)系"。特別是，田納西河流域南半部的大部分地區(qū)是由變質(zhì)巖構(gòu)成的，而北半部是由沉積巖構(gòu)成的，在那里沒有發(fā)現(xiàn)這種魚。

他們還觀察到，流經(jīng)變質(zhì)巖的河流更陡峭、更狹窄，這通常會(huì)產(chǎn)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(huì)不會(huì)是由巖石類型的變化形成的，因?yàn)楹恿鲿?huì)隨著時(shí)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(gè)侵蝕過程更多的時(shí)間，我認(rèn)為這些獨(dú)立的品系將成為不同的物種。

為了驗(yàn)證這個(gè)想法，研究人員開發(fā)了一個(gè)模型，模擬河流在侵蝕各種巖石類型時(shí)景觀是如何演變的。他們向模型提供了有關(guān)田納西河流域今天的巖石類型的信息，然后回過頭來運(yùn)行模擬，看看同一地區(qū)在數(shù)百萬年前可能是什么樣子，當(dāng)時(shí)有更多的變質(zhì)巖暴露出來。

然后他們向前運(yùn)行模型，觀察變質(zhì)巖的暴露是如何隨時(shí)間推移而縮小的。他們特別注意到支流之間的連接在何時(shí)何地跨入了非變質(zhì)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(jiǎn)單時(shí)間表，并將其與分化的綠鰭豚的系統(tǒng)發(fā)育樹進(jìn)行比較。兩者非常相似：這些魚似乎形成了獨(dú)立的品系，其順序與它們各自的支流與其他支流分離的時(shí)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(dǎo)致品系的多樣化，這是合理的。

俄勒岡大學(xué)地球科學(xué)教授Josh Roering說："這項(xiàng)研究非常有說服力，因?yàn)樗沂玖吮粍?dòng)邊緣地區(qū)的一個(gè)更為微妙但強(qiáng)大的物種形成機(jī)制，"他沒有參與這項(xiàng)研究。"斯托克斯和佩倫揭示了水生物種和地質(zhì)學(xué)之間的一些密切聯(lián)系，這種聯(lián)系可能比我們意識(shí)到的要普遍得多。"