研究揭示了古代鱼类如何殖民深海

深海含有我们海洋中90%以上的水，但仅占所有鱼类的三分之一。长期以来，科学家们一直认为对此的解释很直观——浅海水域温暖且资源丰富，使其成为新物种进化和繁衍的主要场所。但华盛顿大学的一项新研究发表在《美国国家科学院院刊》上，由伊丽莎白·米勒领导，报告称，在整个地球的古代历史中，有好几个时期，许多鱼实际上喜欢地球寒冷、黑暗、贫瘠的水域。深海。

“很容易看到像珊瑚礁这样的浅层栖息地，它们非常多样化和令人兴奋，并假设它们一直都是这样的，”米勒说，他以博士后研究员的身份在威斯康星大学水产和渔业学院完成了这项研究。科学，现在是俄克拉荷马大学的博士后研究员。“这些结果确实挑战了这一假设，并帮助我们了解鱼类如何适应气候的重大变化。”

深海通常被定义为低于约650英尺的深度，在该深度不再有足够的阳光进行光合作用。这意味着那里的食物和温暖远不如浅水区，这使它成为一个难以居住的地方。但是，通过使用可追溯到2亿年前的遗传记录分析鱼类之间的关系，米勒能够确定一种令人惊讶的进化模式：物种形成率——即新物种进化的速度——随着时间的推移发生了翻天覆地的变化。曾有数千万年的时期，新物种在深海的进化速度比在浅海区域的进化速度要快。

在某些方面，这一发现提出的问题多于它所回答的问题。是什么导致鱼类更喜欢一个栖息地而不是另一个栖息地?是什么让一些鱼比其他鱼更容易进入深海?这些古老的转变如何帮助创造了我们今天拥有的物种多样性?

当米勒将这些翻转的物种形成率映射到地球历史的时间轴上时，她能够确定可能发挥作用的三个主要事件。

“第一个是盘古大陆的解体，发生在200到1.5亿年前，”米勒说。“这创造了新的海岸线和新的海洋，这意味着鱼类有更多的机会从浅水移动到深水。突然间有了更多的接入点。”

接下来是白垩纪热温室时期，它发生在大约1亿年前，标志着地球历史上最温暖的时期之一。在此期间，由于海平面上升，许多大陆被洪水淹没，在地球上形成了大量新的浅水区。

“正是在这个时期，我们真正看到了浅水鱼类的起飞和多样化，”米勒说。“我们可以追溯到今天在浅水区看到的许多物种多样性。”

第三个事件是大约1500万年前的又一次重大气候变化，称为中新世中期气候转变。这是由于大陆的进一步移动造成的，这导致了海洋环流的重大变化并冷却了地球——一直到深海。

“大约在这个时候，我们看到深海物种形成的速度真的加快了，”米勒说。“这尤其是由冷水鱼驱动的。你今天在华盛顿和阿拉斯加海岸看到的许多物种在这段时间里变得多样化。”

Gonostomatidae中的一种鬃毛鱼，每天进行垂直迁徙的中层鱼类。图片来源：StevenHaddock/蒙特利湾水族馆研究所

但仅凭气候变化并不能解释鱼类最初是如何在深海定居的。并非每个物种都具有正确的特征组合，可以在更深的水中生存并利用阳光照射不到的相对有限的资源。

“要在深海进化成一个新物种，首先你必须到达那里，”米勒说。“我们发现，不仅物种形成率随着时间的推移而变化，而且深海鱼类的样子也是如此。”

能够过渡到深海的最早的鱼往往有大颚。这些可能给了他们更多捕捉食物的机会，而这些食物在深度上可能是稀缺的。研究人员发现，在历史的很久以后，尾巴较长、呈锥形的鱼在向深水过渡方面往往最为成功。这使他们能够通过沿着海底滑行而不是在水柱中游泳来节省能量。

“如果你看看今天生活在深海中的人，有些物种的身体呈锥形，而另一些物种的下巴又大又可怕，有牙齿，”米勒说。“这两个身体计划代表了相隔数百万年在深海殖民的祖先。”

虽然这些事件看起来像是古老的历史，但它们或许能够让我们了解当今不断变化的气候将如何影响我们海洋中的生命。米勒希望未来的研究能够以这些发现为基础，调查现代深海鱼类将如何应对气候变化，并可能为保护工作提供信息。

“我们从这项研究中了解到，当海洋较冷时，深海鱼类往往表现良好，但随着气候变化，海洋正在变暖，”她说。“我们可以预期，这将在未来几年真正影响深海中的鱼类。”

合著者是UW的LukeTornabene;加州大学欧文分校的克里斯托弗·马丁内斯;美国国家海洋和大气管理局阿拉斯加渔业科学中心的SarahFriedman;加州大学戴维斯分校的PeterWainwright;和克莱姆森大学的萨曼莎·普莱斯。