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

研究人员使用了将近50万块化石来解开一个200年前的科学谜团：为什么不同物种的数量在赤道附近最多，而向两极地区逐渐减少。今天发表在《自然》杂志上的研究结果为了解生物多样性如何在长期内产生，以及气候变化如何影响全球物种丰富度提供了宝贵的见解。

人们早就知道，在海洋和陆地系统中，物种(包括动物、植物和单细胞生物)都表现出“纬度多样性梯度”，生物多样性在赤道达到顶峰。但直到现在，有限的化石数据使研究人员无法彻底研究这种多样性梯度最初是如何产生的。

在这项新研究中，牛津大学、利兹大学和布里斯托尔大学的研究人员使用了一组称为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，他们研究了物种数量随时间和空间变化与纬度多样性梯度的潜在驱动因素(如海面温度和海洋盐度水平)之间的关系。

根据研究人员的说法，这些结果表明，现代浮游有孔虫物种丰富度的分布可以用过去1500万年来从赤道到两极的纬度温度梯度变陡来解释。与高纬度地区相比，这可能在水柱内的热带地区开辟了更多的生态位，促进了更高的物种形成率。

为了检验这一假设，研究人员检查了现代浮游有孔虫物种在垂直水柱内不同深度的生活程度。他们发现，与高纬度地区相比，在靠近赤道的低纬度地区，今天的物种在水柱内的垂直分布更为均匀。

浮游有孔虫(右下)的光学显微镜图像，周围环绕着延伸到周围环境的细胞质细丝。这个活体标本是最近在GLOWCruise号游轮上从西南印度洋的水中采集到的。图片来源：利兹大学的TracyAze

这表明，从1500万年开始，现代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以及水柱内的海面温度差异显着增加。热带地区较温暖的水域能够在垂直水柱内支持更广泛的不同温度栖息地和生态位，从而鼓励更多物种进化。

这得到以下事实的支持：今天的热带比过去温暖时期(例如始新世和中新世)的热带更丰富，当时海洋中几乎没有或没有垂直温度梯度。

此外，高纬度地区海水温度降低可能导致许多区域物种种群灭绝，从而导致现代多样性梯度。

浮游有孔虫起源于侏罗纪早期至中期(约1.7亿年前)。它们存在于世界各地的海洋中——从极地地区到赤道——并占据了海洋上层两公里的一系列生态位。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及其过去6600万年的特殊化石记录使它们成为这项研究的理想群体。

该研究的主要作者ErinSaupe博士(牛津大学地球科学系)说：“通过解决生物多样性的空间格局如何随着时间的推移而变化，我们提供了对理解生物多样性如何产生和维持至关重要的宝贵信息在地质时间尺度上，超出了现代生态研究的范围。”

该研究的共同作者TracyAze副教授(利兹大学地球与环境学院)补充说：“虽然它们小到可以放在针头上，但浮游有孔虫是最完整的物种之一科学已知的-级化石记录。我们的研究建立在60年的深海样本收集和研究科学家对数十万个标本的勤奋计数和记录的基础上。能够产生关于驱动因素的如此重要的结果真是太棒了物种随时间的分布，并公正地对待这个奇妙的化石档案。”

研究合著者、布里斯托大学地理科学系高级研究员AlexFarnsworth博士说：“了解为什么古代历史上的物种在赤道附近更加多样化和丰富，而在两极附近则更少，可以提供重要的见解海洋物种(例如浮游生物)在未来可能会如何应对。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我们更好地预测它们可能会如何受到温度持续影响随着气候变化的加剧而变暖。

“这对海洋食物网具有潜在的重大影响，例如鱼类和海豹和鲸鱼等水生哺乳动物，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。”