| 1300個物種、2400個基因帶來生物學「悖論」 |
| 多樣性「冷點」竟成新物種「熱點」 |
斑眼霸鶲 圖片來源：C. Albano
■本報記者 唐鳳
從安第斯山脈到地中海盆地，與其他地區相比，地球上的一些地區擁有大量的物種。像亞馬遜雨林這樣的動植物多樣性「熱點」地區，新物種也會選擇在這裡形成嗎？
為了尋找答案，科研人員正在缺氧的高山、炙熱的沙漠，分析新生物在地球上這些看似嚴酷荒涼的地區茁壯成長的可能性。
12月11日發表在《科學》上的一份報告，否定了這樣一個假設，即新物種往往會在亞馬遜雨林等生物多樣性豐富的地區進化。研究人員提出了多樣性新悖論——新物種在「冷點」地區的形成速度比在「熱點」地區更快。
「該研究為最大的新熱帶鳥類群——亞鳴禽亞目，裝配了一個令人印象深刻的系統基因組數據集。」未參與該研究的法國巴黎文理研究大學的Hélène Morlon 在同期的評論文章中寫道。
「該研究加強了我們對世界是如何相互聯繫的認識，不僅是植物和動物，也包括對這個星球的看法。」美國德克薩斯大學埃爾帕索分校理學院院長Robert Kirken說。
生命在哪兒進化
目前，有多種生態假說試圖解釋生物多樣性緯度格局和產生速度。
根據進化時間假說，熱帶更古老，因此有更多的時間積累物種，即使在熱帶和溫帶物種多樣化形成速率沒有任何差別的情況下也是如此。
然而分化速率假說假設熱帶地區物種積累速度更快，要麼因為它們是生物多樣性的「搖籃」，具有較高的物種形成率；要麼因為它們是生物多樣性的「博物館」，具有較低的物種滅絕率。
Morlon 指出，最近，系統發育學和古生物學數據普遍支持分化速率假說，甚至有證據表明，在多樣性達到頂峰的熱帶地區，物種形成率更高。
繪製進化相關性圖譜是理解物種豐富度梯度起源生態和進化過程的關鍵，然而Morlon告訴記者，對於物種豐富的群體，即使是像鳥類這樣被研究得最多的生物，這方面的信息仍然不完整。
直到路易斯安那州立大學、德克薩斯大學埃爾帕索分校及哈佛大學等機構的研究人員，對亞鳴禽亞目綜合基因組數據進行了彙編和分析，發現像沙漠和山頂這樣物種不豐富的地方卻提供了更多快速多樣化的機會。
這種物種形成率和豐富度之間的負相關性與前述假說相悖，也呼應了最近對不同海拔的鳥類以及魚類和開花植物的緯度研究。
8年研究「始於」40年前
該項目始於2012年，當時來自北美和南美的研究機構聯合起來，試圖利用基因組數據建立亞鳴禽亞目物種層次系統發育數據集。這種鳥類包含了美洲熱帶地區1/3的鳥類，其特徵和棲息地差異很大——從安第斯雪線到亞馬遜低地，從雲霧森林到沙漠。
現就職於哈佛大學的Gustavo Bravo和德克薩斯大學埃爾帕索分校的Michael Harvey是這個項目的博士後研究員。
Bravo和 Harvey等人收集和分析了1940個亞鳴禽亞目基因樣本的大數據集，這代表了1306個亞鳴禽亞目物種中的1287個（98.5%），來自24個國家。這些樣本來自世界各地21家博物館。博物館的科學家從大約40年前就開始收集基因樣本。
「該研究使用的這些卓越的樣本，來自博物館員、學生和研究人員等幾十年的田野調查，他們花了大量的時間和金錢，並冒著健康風險，從世界各地收集了這些標本。」論文合作者、路易斯安那州立大學生物科學系教授Fred Sheldon說。
例如，路易斯安那州立大學自然科學博物館是世界上最古老、規模最大的自然科學博物館之一，提供了本次研究涉及的1287種鳥類中747種的組織樣本。
Bravo、Harvey和同事也曾花費幾個月的時間，拖著裝滿液氮的重型低溫存儲設備，保存從亞馬遜地區偏遠溪流和安第斯山崎嶇山脈中採集的組織樣本。
Harvey說：「多樣性悖論之所以被揭示出來，是因為博物館研究人員在艱苦條件下工作了幾十年，在有限的預算下記錄了熱帶地區迅速消失的多樣性。」
Bravo也告訴《中國科學報》，「我們之所以能做這個項目，是因為當地許多科學家的辛勤工作，他們畢生致力於研究和保護這種多樣性。其中一些樣本可以追溯到18世紀末和19世紀初，包括稀有的、瀕臨滅絕的和已經滅絕的物種。」
改變的不只有認識
通過分析這些組織樣本的DNA，研究人員能夠繪製出亞鳴禽亞目的主要種群遺傳關係，描述物種進化史，並為進一步探究驅動物種多樣性的機制建立一個框架。
研究人員發現，儘管寒冷地區可能極端乾燥、不穩定，但它們也相對空曠，這給了新物種進化的空間。相比之下，像亞馬遜雨林這樣的生物多樣性熱點地區是物種隨著時間推移逐漸積累的結果。
「我們的研究結果揭示了一個模型，在這個模型中，物種在極端環境下的形成速度更快，而在中等環境下的積累則形成了熱帶生物多樣性熱點地區。」該論文資深作者、路易斯安那州立大學生物科學系教授Robb Brumfield說。
Morlon也認為，他們對這些數據的分析表明，在亞鳴禽亞目多樣性的熱點地區，物種起源並不快，時間而非物種形成率，解釋了其多樣性的梯度。
此外，Brumfield指出，保護迅速變化的熱帶景觀的努力，不僅需要關注物種豐富的亞馬遜地區，還需要關注那些物種多樣性較低但對新物種產生做出不成比例貢獻的地區，例如高冷肅殺的安第斯山脈。
值得注意的是，參與這項研究的許多鳥類學家都來自歷史上在科學界代表性不足的群體，包括拉丁裔和女性研究人員。例如許多研究人員來自拉丁美洲（哥倫比亞、巴西、烏拉圭和委內瑞拉），路易斯安那州立大學自然科學博物館派出了一些團隊獲取類似的樣本，這些團隊都是由女性領導的。
「這篇論文不僅標誌著我們對熱帶物種進化理解的改變，而且體現了對鳥類學領域中文化、專業知識和觀點的多樣性的承認和評價。」論文資深作者、田納西大學副教授Liz Derryberry說。
最後，Morlon認為，這些發現提出了一個亟待解決的新問題：多樣性熱點是物種形成的冷點，還是隨著多樣性的積累從熱點變成了冷點？
相關論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.aaz6970
https://doi.org/10.1126/science.abf0830
《中國科學報》 (2020-12-16 第2版 國際)