科学家揭示河流侵蚀对鱼类进化的惊人影响

2023-06-29 12:32:54 来源：cnBeta

麻省理工学院的科学家们发现，河流的侵蚀可以在构造活动不多的地区促进生物多样性。这项以田纳西河流域为中心的研究显示，侵蚀使一种鱼的种群多样化，可能表明对其他物种也有类似的影响。这一发现强调了地质学在保护生物多样性方面的作用。

新的研究发现可以解释构造安静地区的生物多样性热点。

(资料图)

如果我们能把世界各地物种进化的磁带倒回去，并向前播放数亿年到今天，我们会看到生物多样性聚集在构造动荡的地区。喜马拉雅山脉和安第斯山脉等构造活跃的地区，由于其地貌的变化，使物种随着时间的推移而分化和多样化，所以动植物资源特别丰富。

但是，生物多样性也可以在一些地质上比较安静的地区蓬勃发展，那里的地质构造几千年来都没有动摇过土地。阿巴拉契亚山脉就是一个最好的例子：数亿年来，该山脉没有发生过什么构造活动，但该地区却是淡水生物多样性的一个明显热点。

现在，麻省理工学院的一项研究确定了一个地质过程，它可能塑造了构造不活跃地区的物种多样性。在最近发表在《科学》杂志上的一篇论文中，研究人员报告说，河流侵蚀可能是这些更古老、更安静的环境中生物多样性的驱动力。

麻省理工学院对淡水绿鳍镖鱼的研究表明，河流侵蚀可以成为构造不活跃地区生物多样性的驱动力。资料来源：Jose-Luis Olivares/MIT，鱼的照片由Isaac Szabo拍摄。

他们在南部阿巴拉契亚山脉，特别是田纳西河流域提出了他们的观点，该地区以淡水鱼类的巨大多样性而闻名。研究小组发现，随着河流侵蚀该地区的不同岩石类型，不断变化的地貌将一种被称为绿鳍镖鱼的鱼类推向河网的不同支流。随着时间的推移，这些分离的种群发展成了它们各自不同的品系。

研究小组推测，侵蚀很可能推动了绿鳍豚的多样化。尽管这些分离的种群在外表上看起来很相似，有绿鳍豚特有的绿色鱼鳍，但它们在基因构成上有很大的不同。目前，这些分离的种群被归类为一个单一物种。

"给这个侵蚀过程更多的时间，我认为这些独立的血统将成为不同的物种，"玛雅-斯托克斯博士21岁时说，他作为麻省理工学院地球、大气和行星科学系（EAPS）的研究生进行了部分工作。

田纳西河流域不断变化的地貌将一种被称为绿鳍镖鱼的鱼类推入河网的不同支流。随着时间的推移，这些分离的种群发展成了它们自己不同的品系。

绿鳍笛鲷可能不是唯一一个因河流侵蚀而多样化的物种。研究人员怀疑，侵蚀可能促使许多其他物种在整个盆地，以及可能在世界其他构造不活跃的地区实现了多样化。

麻省理工学院地球、大气和行星科学的塞西尔和艾达-格林教授泰勒-佩伦说："如果我们能够了解有助于生物多样性的地质因素，我们就能更好地保护它。"

该研究的共同作者包括耶鲁大学、科罗拉多州立大学、田纳西大学、马萨诸塞大学阿默斯特分校以及田纳西流域管理局（TVA）的合作者。斯托克斯目前是佛罗里达州立大学的助理教授。

这项新研究源于斯托克斯在麻省理工学院的博士工作，她和佩伦在那里探索地貌学（研究景观如何演变）和生物学之间的联系。他们遇到了耶鲁大学研究北美淡水鱼类血统的Thomas Near的工作。Near利用从北美不同地区的淡水鱼类中收集的DNA序列数据来显示某些物种是如何以及何时进化和相互分化的。

Near给研究小组带来了一个奇怪的观察结果：绿鳍笛鲷的栖息地分布图显示，这种鱼在田纳西河流域被发现--但只在南半部。更重要的是，Near的线粒体DNA序列数据显示，该鱼的种群似乎因其所在的支流而在基因构成上有所不同。

泰勒-佩伦和玛雅-斯托克斯对溪流沉积物进行采样。"如果我们能了解有助于生物多样性的地质因素，我们就能更好地保护它，"佩伦说。

为了调查这种模式的原因，斯托克斯从Near在耶鲁大学的大量收藏中收集了绿鳍笛鲷的组织样本，以及在TVA同事的帮助下从野外收集的样本。然后她分析了整个基因组的DNA序列，并将每条鱼的基因与数据集中的其他每条鱼进行了比较。然后，该团队根据鱼与鱼之间的遗传相似性，创建了一个绿鳍笛鲷的系统发育树。

从这棵树上，他们观察到一条支流中的鱼比其他支流中的鱼彼此之间的关系更密切。更重要的是，相邻支流内的鱼比来自更远支流的鱼彼此之间更相似。

"我们的问题是，会不会有一种地质机制，随着时间的推移，把这个单一的物种，分裂成不同的、遗传上不同的群体？"佩伦说。

斯托克斯和佩伦开始观察到绿鳍笛鲷的栖息地和它们所处的岩石类型之间的"紧密联系"。特别是，田纳西河流域南半部的大部分地区是由变质岩构成的，而北半部是由沉积岩构成的，在那里没有发现这种鱼。

他们还观察到，流经变质岩的河流更陡峭、更狭窄，这通常会产生更多的湍流，而绿鳍镖客似乎更喜欢这一特性。该小组想知道：绿鳍笛鲷的栖息地分布会不会是由岩石类型的变化形成的，因为河流会随着时间的推移侵蚀到土地上？

aemin Kim和Maya Stokes在为鱼类取样。"斯托克斯说："给这个侵蚀过程更多的时间，我认为这些独立的品系将成为不同的物种。

为了验证这个想法，研究人员开发了一个模型，模拟河流在侵蚀各种岩石类型时景观是如何演变的。他们向模型提供了有关田纳西河流域今天的岩石类型的信息，然后回过头来运行模拟，看看同一地区在数百万年前可能是什么样子，当时有更多的变质岩暴露出来。

然后他们向前运行模型，观察变质岩的暴露是如何随时间推移而缩小的。他们特别注意到支流之间的连接在何时何地跨入了非变质岩，阻碍了鱼类在这些支流之间的通过。他们绘制了这些阻挡事件的简单时间表，并将其与分化的绿鳍豚的系统发育树进行比较。两者非常相似：这些鱼似乎形成了独立的品系，其顺序与它们各自的支流与其他支流分离的时间相同。这意味着通过不同岩层的侵蚀造成绿鳍笛鲷不同种群之间的隔离，并导致品系的多样化，这是合理的。

俄勒冈大学地球科学教授Josh Roering说："这项研究非常有说服力，因为它揭示了被动边缘地区的一个更为微妙但强大的物种形成机制，"他没有参与这项研究。"斯托克斯和佩伦揭示了水生物种和地质学之间的一些密切联系，这种联系可能比我们意识到的要普遍得多。"

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