大规模化石研究揭示了1500万年前现代生物多样性梯度的起源

研究人员使用了近50万块化石来解开一个200年的科学谜团:为什么不同物种的数量在赤道附近最多，而在极地地区稳步减少. 研究结果发表在今天的杂志上 自然 -为生物多样性如何在长时间内产生提供了有价值的见解, 以及气候变化如何影响全球物种丰富度.

长期以来，人们都知道，在海洋和陆地系统中，物种(包括动物), 植物, 单细胞生物)显示出“纬度多样性梯度”, 随着生物多样性在赤道达到顶峰. 但直到现在, 有限的化石数据阻止了研究人员彻底调查这种多样性梯度最初是如何产生的.

在这项新研究中, CQ9电子游戏的研究人员说, 利兹和布里斯托尔, 利用了一组叫做浮游有孔虫的单细胞海洋浮游生物. 该团队分析了全球化石数据库中的434,113个条目，涵盖了过去4000万年. 然后，他们调查了物种数量随时间和空间的关系, 以及纬度多样性梯度的潜在驱动因素, 比如海面温度和海洋盐度.

主要结论:

• 现代的纬度多样性梯度最早出现在大约3400万年前, 地球开始从温暖的气候过渡到寒冷的气候.
• 这个梯度最初是浅的, 直到1500万到1000万年前, 当它明显变陡时. 这与全球变冷的显著增加同时发生.
• 浮游有孔虫丰富度的高峰出现在4000万至2000万年前的高纬度地区. 大约1800万年前, 然而, 丰度峰值在纬度10°至20°之间, 与今天观察到的多样性模式一致.
• 物种丰富度和海洋表面温度之间存在很强的正相关关系——两者都是在特定地点随时间推移建模的, 或者在特定时间的不同地点.
• 物种丰富度和温跃层的强度之间也存在正相关关系:温跃层是存在于海洋表面较温暖的混合水和下面较冷的深水之间的温度梯度.
  

  扫描电子显微镜图像的浮游有孔虫物种的壳的adamsi. 这个标本是在GLOW游轮上从西南印度洋的海底沉积物中采集的. 图片来源:特雷西Aze，利兹大学

根据研究人员, 这些结果表明，浮游有孔虫物种丰富度的现代分布可以用过去1500万年间从赤道到两极的纬度温度梯度的陡增来解释. 这可能在水柱内的热带地区开辟了更多的生态位, 与高纬度地区相比, 促进更大的物种形成率.

为了验证这个假设, 研究人员调查了现代浮游有孔虫物种在垂直水柱中不同深度的生活程度. 他们发现，在靠近赤道的低纬度地区, 今天的物种在水柱中垂直分布得更加均匀, 与高纬度地区相比.

这表明，现代生物多样性梯度的一个关键驱动因素是低纬度地区和高纬度地区之间海洋表面温度差异的显著增加, 在水柱内, 从1500万年前开始. 热带地区较温暖的海水能够在垂直水柱内支持更广泛的不同温度的栖息地和生态位, 鼓励更多的物种进化.

图表显示不同浮游有孔虫物种的数量在地球历史上不同时间点随纬度的变化. 图片来源:Fenton等. 大自然2023年.

今天的热带地区比过去温暖时期(如始新世和中新世)的热带地区更丰富，这一事实支持了这一观点，当时海洋中几乎没有垂直温度梯度. 除了, 高纬度地区海水温度的降低可能导致许多区域物种灭绝, 为现代多样性梯度做出贡献.

浮游有孔虫起源于侏罗纪早期至中期(约1.7亿年前). 从极地到赤道，它们在世界各地的海洋中都有发现，并在海洋上部两公里的范围内占据了一系列生态位. 因为它们有坚硬的外壳，所以可以大量保存. 全球丰富的浮游有孔虫和它们过去6600万年的特殊化石记录使它们成为这项研究的理想群体.

浮游有孔虫(右下)的光学显微镜图像，被延伸到周围环境的薄薄的细胞质束包围. 这个活的标本是最近在西南印度洋的GLOW游轮上采集到的. 图片来源:特雷西Aze，利兹大学

艾琳·索普博士(CQ9电子游戏, CQ9电子游戏, 该研究的主要作者, 他说:“通过研究生物多样性的空间模式在很长时间内是如何变化的, CQ9游戏为理解生物多样性如何在地质时间尺度上产生和维持提供了至关重要的有价值的信息, 超出了现代生态学研究的范围.’

副教授特雷西·阿泽(地球与环境学院, 利兹大学, 该研究的合著者, 他补充道:“尽管它们小到可以装在一根针尖上, 浮游有孔虫拥有科学界已知的最完整的物种级化石记录之一. CQ9游戏的研究建立在60年的深海样本收集和研究科学家对数十万个样本的勤奋统计和记录的基础上. 能够得出如此重要的CQ9电子游戏物种随时间分布的驱动因素的结果，并公正地处理这些奇妙的化石档案，真是太棒了.’

研究合著者亚历克斯·法恩斯沃斯博士, 地理科学系高级助理研究员, 布里斯托大学, 他说:“理解为什么在古代历史中，靠近赤道的物种更加多样化和丰富，而靠近两极的物种则较少，这可以帮助CQ9游戏深入了解海洋物种是如何进化的。, 比如浮游生物, 以后可能会回复. 这些微小的单细胞生物是海洋食物链中的重要一环, 因此，研究它们对气候变化的反应可能有助于CQ9游戏更好地预测随着气候变化的加剧，温度继续变暖，它们可能会受到怎样的影响. 这对海洋食物网有潜在的重大影响, 比如鱼类和水生哺乳动物，比如海豹和鲸鱼, 并可用于为未来保护海洋生物和保护生物多样性的措施提供信息.’

这篇论文“1500万年前现代多样性梯度的起源”已经发表在 自然. 布里斯托尔大学和利兹大学的研究人员也参与了这项研究.