新發(fā)現可以解釋構造安靜地區(qū)的生物多樣性熱點。

如果我們能夠倒帶世界各地的物種進化磁帶，并將其向前播放數億年到今天，我們將看到生物多樣性聚集在構造動蕩地區(qū)周圍。喜馬拉雅山脈和安第斯山脈等構造活躍地區(qū)由于景觀的變化而特別豐富的動植物，隨著時間的推移，這些地區(qū)會分裂和多樣化物種。

但生物多樣性也可以在一些地質上比較安靜的地區(qū)蓬勃發(fā)展，那里的構造已經幾千年沒有撼動過這片土地了。阿巴拉契亞山脈就是一個很好的例子：該山脈在數億年中沒有看到太多的構造活動，但該地區(qū)是淡水生物多樣性的顯著熱點。

現在，麻省理工學院的一項研究確定了可能塑造構造不活躍地區(qū)物種多樣性的地質過程。在今天發(fā)表在《科學》雜志上的一篇論文中，研究人員報告說，在這些更古老，更安靜的環(huán)境中，河流侵蝕可能是生物多樣性的驅動因素。

他們在阿巴拉契亞山脈南部，特別是田納西河流域，該地區(qū)以其淡水魚類的巨大多樣性而聞名。研究小組發(fā)現，隨著河流侵蝕該地區(qū)不同的巖石類型，不斷變化的景觀將一種被稱為綠鰭金槍魚的魚類推入河流網絡的不同支流。隨著時間的推移，這些分離的種群發(fā)展成自己獨特的譜系。

研究小組推測，侵蝕可能驅使綠鰭金槍魚多樣化。盡管分離的種群在外觀上看起來相似，但綠鰭金槍魚特有的綠色鰭，但它們的基因組成存在很大差異。目前，分離的種群被歸類為一個物種。

“給這個侵蝕過程更多的時間，我認為這些獨立的譜系將成為不同的物種，”Maya Stokes博士'21說，他在麻省理工學院地球，大氣和行星科學系（EAPS）擔任研究生。

綠鰭金槍魚可能不是因河流侵蝕而多樣化的物種。研究人員懷疑，侵蝕可能驅使許多其他物種在整個盆地多樣化，可能還有世界上其他構造不活躍的地區(qū)。

“如果我們能夠了解有助于生物多樣性的地質因素，我們就可以更好地保護它，”麻省理工學院地球，大氣和行星科學塞西爾和艾達格林教授泰勒佩倫說。

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和田納西河流域管理局（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。

樹上的魚

這項新研究源于斯托克斯在麻省理工學院的博士工作，她和佩倫正在探索地貌學（研究景觀如何演變）與生物學之間的聯系。他們在耶魯大學遇到了托馬斯·近（Thomas Near）的工作，他研究北美淡水魚的譜系。Near使用從北美各個地區(qū)的淡水魚類收集的DNA序列數據來顯示某些物種如何以及何時進化和分化。

Near給研究小組帶來了一個奇怪的觀察結果：綠鰭金槍魚的棲息地分布圖顯示，這種魚是在田納西河流域發(fā)現的，但只在南半部。更重要的是，Near的線粒體DNA序列數據顯示，這種魚的種群在基因組成上似乎有所不同，這取決于它們被發(fā)現的支流。

為了調查這種模式的原因，斯托克斯從Near在耶魯大學的廣泛收藏中收集了綠鰭金槍魚組織樣本，并在TVA同事的幫助下從現場收集了綠鰭金槍魚組織樣本。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，該團隊根據魚類之間的遺傳相似性創(chuàng)建了綠鰭金槍魚的系統發(fā)育樹。

從這棵樹上，他們觀察到支流內的魚類彼此之間的關系比其他支流中的魚類更相關。更重要的是，鄰近支流內的魚類比來自更遠支流的魚類更相似。

“我們的問題是，隨著時間的推移，是否存在一種地質機制，將這個單一物種分裂成不同的、遺傳上不同的群體？”佩倫說。

不斷變化的景觀

斯托克斯和佩倫開始觀察到綠鰭金槍魚棲息地與發(fā)現它們的巖石類型之間存在“緊密相關性”。特別是，田納西河流域南半部的大部分地區(qū)，該物種比比皆是，由變質巖組成，而北半部由沉積巖組成，在那里找不到魚。

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，這是綠鰭金槍魚似乎更喜歡的特征。研究小組想知道：綠鰭金槍魚棲息地的分布是否是由不斷變化的巖石類型景觀所塑造的，因為河流隨著時間的推移侵蝕到土地上？

為了驗證這一想法，研究人員開發(fā)了一個模型來模擬隨著河流侵蝕各種巖石類型而景觀如何演變。他們提供了有關今天田納西河流域巖石類型的模型信息，然后進行了模擬，以查看數百萬年前同一地區(qū)的外觀，當時暴露了更多的變質巖。

然后，他們向前運行模型，并觀察變質巖的暴露如何隨著時間的推移而縮小。他們特別注意支流之間的連接何時何地進入非變質巖，阻止魚類在這些支流之間通過。他們繪制了這些阻塞事件的簡單時間表，并將其與分化綠鰭飛鏢的系統發(fā)育樹進行了比較。兩者非常相似：魚似乎形成了單獨的譜系，其順序與它們各自的支流與其他支流分離時的順序相同。

斯托克斯說：“這意味著不同巖層的侵蝕可能導致綠鰭金槍魚不同種群之間的隔離，并導致譜系多樣化。

“這項研究非常引人注目，因為它揭示了一種更微妙但更強大的被動邊緣物種形成機制，”俄勒岡大學地球科學教授Josh Roering說，他沒有參與這項研究。“斯托克斯和佩倫揭示了水生物種與地質之間的一些密切聯系，這些聯系可能比我們意識到的要普遍得多。

這項研究得到了mTerra催化劑基金和美國科學基金會通過AGeS地質年代學計劃和研究生研究獎學金計劃的部分支持。在麻省理工學院期間，斯托克斯通過馬丁可持續(xù)發(fā)展獎學金和休漢普頓楊獎學金獲得了支持。