4月10日《科学》杂志精选—新闻—科学网

2020-04-01 11:31 来源:未知

涌向新大陆 洲际陆桥书写南北美动物迁徙史 出现时间仍是谜

来源:中国科学报 发布时间:2015/4/21 8:51:00 选择字号:小 中 大 4月10日《科学》杂志精选

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同位素解释地球最大规模物种灭绝事件

南北美洲生物大迁徙,地懒来到得克萨斯州的“新家”。图片来源:FLORILEGIUS/ALAMY

研究人员说,一个初期为二氧化碳向大气中的缓慢渗漏、以及接着发生的二氧化碳大规模、快速的注入给予地球接二连三的打击,使得地球海洋酸化,并引起地球历史上最大规模的物种灭绝。大约2.52亿年前的从二叠纪至三叠纪的过渡该事件被称作二叠三叠纪界线与持续了大约6万年的物种大灭绝有关,它包括了两波不同的海洋生物死亡。有关这一PTB物种灭绝事件背后的机制多年来一直存在激辩。但Matthew Clarkson和同事如今用硼同位素创建了一个该时段海水pH值的高分辨率记录。研究人员用复杂的模型显示,与西伯利亚地盾形成有关的火山作用可能在晚二叠纪向大气中注入了两波的二氧化碳。他们提出,地球当时高度碱性的海洋使其缓冲了第一波二氧化碳,但更大的第二波二氧化碳则引发了海洋的广泛酸化。他们说,可能是第二波二氧化碳后的这一海水pH值的突然改变消灭了海洋中绝大多数高度钙化的海洋生物。这些发现对PTB物种大灭绝做了新的阐释,该物种大灭绝导致海洋和陆地物种数量锐减,并给现代生态系统的演化铺设了舞台。它们或许还能帮助研究人员预测我们的地球在未来会如何对海洋酸化做出反应。

因巴拿马地峡的形成,北美洲及南美洲的动物群开始互相迁徙交换。一个激进的新假说认为:南北美洲间大陆桥的形成时间,比科学家所认为的要早数百万年。

南北美洲相连的时间比专家认为的更早

300万年前,一条连接南北美洲大陆的狭长大陆桥出现。自那时起,无数南美洲的生物在经过了数千万年的隔绝后,通过这条“公路”迁往北美洲,包括豪猪、犰狳、袋鼠以及骇鸟等。而北美洲许多常见的物种也通过大陆桥迁往南美洲,例如马、美洲狮以及剑齿虎等。

据一项新的研究披露,中美洲海道可能比研究人员认为的演变成路桥的时间早约1000万年。这一海道的关闭及巴拿马地峡的形成对海洋环流模式、全球气候及物种从一个大陆向另一大陆的迁徙都造成了重大影响。某些研究提出,该分隔南、北美洲的深海海峡是在约300万年前消失的。但Camilo Montes和同事证明,中美洲海道干涸的时间要早得多。研究人员从安第斯山脉北面位置采集的钻孔和地层剖面发现了巴拿马特有的矿物质。他们提出,这些巴拿马岩石是被远古河道系统所运送的,该系统在1300万年前就已经开始从巴拿马弧流入南美北部的浅海流域。研究人员的结果意味着中美洲海道在那时应该已经关闭。如果他们的结果得到确认,那么研究人员可能需要更新许多目前流行的模型。

生物地理学的奠基者Alfred Russel Wallace在1876年提出了假设:北美洲及南美洲陆地及淡水的动物群因巴拿马地峡的形成,而经中美洲互相迁徙交换,从而出现了动物区系大融合。这一假设在今日被称为:南北美洲生物大迁徙。

对濒危山地大猩猩进行全基因组测序

更令人好奇的是,这场横跨两大洲的生物大迁徙是如何开始的。数十年前,化石研究显示,这场大迁徙发生于300万到250万年之前,大多数科学家据此认为巴拿马地峡也是在那时开始形成。但是一些研究显示:在大迁徙开始的几百万年前,一些“先驱者”便已然踏上了征程。有科学家认为,一些物种可以通过零散的沼泽横跨两洲,而还有一些物种则是通过形成于400万到300万年前的大陆桥迁往另一洲。

对山地大猩猩的全基因组测序揭示了一个数量不断减少的种群和同系繁殖会如何影响这些大猩猩的基因多元性及如何对其生存造成影响;现在的估计认为,全世界山地大猩猩数目不超过800只。作为一个濒危大型类人猿亚种,山地大猩猩是全球性的动物保护标志,然而,研究人员对其基因组多元性所知甚少。为了对其作进一步的研究,Yali Xue及同事对采自13只东部大猩猩的血样本进行了测序。在将这些大猩猩的基因组与所有4个大猩猩亚种的基因组进行比较之后,研究人员发现,在东部大猩猩亚种中的基因多元性要少得多,尤其是那些对免疫系统功能重要的基因多元性。此外,基于他们的结果,研究人员得出结论,这些山地大猩猩与其他东部大猩猩亚种至少在基因上部分隔离,并且其基因变异率极端低下,后者可能反映了同系繁殖。在通常情况下,同系繁殖会增加来自疾病和环境变化的威胁,但Xue等人显示,对山地大猩猩而言,同系繁殖还引起了有问题基因突变的消除。这种现象可能代表了在一个持续萎缩种群中的为生存而出现的适应性改变。

哥伦比亚安第斯大学的Camilo Montes、巴拿马史密森尼热带研究所的Carlos Jaramillo以及他们的同事经过研究,对巴拿马地峡的形成提出了全新的设想。他们在探索了中美洲火山活动造成的大陆块上升,分析了地球化学等资料之后得出结论:巴拿马地峡大体上形成于1500万年前,而最后一处海洋间的深海连接于500万年前关闭。Jaramillo说:“自那时起,该地区绝大部分的陆地已然出现。”尽管两大洋之间的浅层海水连接直到420万至350万年前才完全关闭。

母体染色体非整倍态与普遍突变有关

这一新假说遭遇到了很多质疑,尤其是,既然巴拿马地峡早在1500万年前便开始形成,那么南北美洲的物种为何经过长达数百万年的时间之后才开始迁徙。STRI生态学家、古生物学家、美国斯克里普斯海洋研究所海洋物种多样性和保护中心前任主任Jeremy Jackson说:“如果那里有一座桥的话,两大洲的物种为何迟迟不肯迁徙?南北美洲大陆的相连,以及海洋之间联系的切断是地球系统进化最重要的大事件之一。”如果新假说成立的话,将迫使科学家重新诠释许多研究。这使得Jaramillo感到喜悦,他说:“我们正在解开故事的所有真相。”

必威体育官网,研究人员发现了在一个特定基因上的一个突变,该突变与母体染色体非整倍态相关;他们提出,这种情况可能在人群中惊人地常见。已知染色体非整倍态是流产的主要原因,但在受孕后第三天的人类胚胎中大约有75%可查出染色体非整倍态。Rajiv McCoy和同事在一个体外受精周期中对这些第三天的胚胎及其双亲的基因组进行了测序,并发现了基因组的一个似乎与母亲染色体数目缺陷相关的特别区域。已知该基因组区域含有一个被称作Polo样蛋白激酶4的基因,而该基因可直接影响染色体分离,因此研究人员检测了PLK4并发现了一个可增加母体染色体非整倍态比率的特别突变。进一步的基因筛检揭示,这种基因变异株普遍存在于许多现代人群中,且它近来可能经历了正向选择。

围绕巴拿马地峡的形成时间,科学界的争论愈加白热化。4月,STRI地质学家Anthony Coates和来自美国地质调查局的Robert Stallard在线发布了一篇维护传统学说的报告,并为巴拿马地峡形成的最后阶段举出了类比的案例:印度尼西亚群岛中的巴厘岛和龙目岛之间也存在着一条狭窄但却极深的海峡(Wallace于19世纪发现),虽然距离很短,但绝大部分物种仍然无法通过。

《中国科学报》 (2015-04-21 第2版 国际)

尽管化石记录最早为传统学说提供了支持,但巴拿马地峡两岸的海洋蕴涵着更令人信服的证据。1982年,美国伍兹霍尔海洋研究所的Lloyd Keigwin发现巴拿马地峡两岸的氧同位素于400万年前开始出现分叉,这暗示着加勒比海的盐度在那时开始上升,这有可能是巴拿马地峡变浅的结果。综合考虑碳13的变化之后,氧同位素的数据暗示,现代加勒比海与东太平洋的大洋环流模式始于300万年前。

在接下来的25年里,一系列关于古海洋学的研究有力地印证了标准模型。例如研究者发现在460万年前,加勒比海底的碳酸盐开始堆积,反映出深海环流的缓慢变化。然后在大约350万年前,喜碳酸盐环境的有孔虫类和珊瑚出现在化石记录中。分子遗传学数据也显示,物种的多样化进程在这一时期开始加速。

巴拿马地峡关闭的另一个影响便是:加勒比海的上升流开始衰竭(来自寒冷深海的海水向上流动,并将营养物质带到浅海)。受上升流衰竭影响,海底生物开始灭绝。而在该海域栖息的物种种类也从发育快速的物种转变为生长缓慢的物种。

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