作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2013-7-25 8:46:06
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跨学科项目拟从时空维度追踪亚马逊地区生态进化

一个跨学科研究小组综合了亚马逊地区实地调查研究数据,以及综合数字存贮信息,旨在绘制出该地区的时空地图。图片来源:KIKE CALVO
 
在美国自然历史博物馆(AMNH)一个寒冷的标本储藏室里,Joel Cracraft打开一个柜子,缓慢拉出几只托盘。其中两只装满了精致的、手掌大小的黄莺标本,这些黄莺来自亚马逊雨林。另一只托盘则装满了各种红头侏儒鸟。其他的盘子里装的是它们的近亲,金头侏儒鸟。
 
这两种侏儒鸟之间的差别似乎只是雄鸟冠羽的颜色存在不同。但是它们从未在一个地方被同时发现。红头侏儒鸟生活在亚马逊河以南,而金头侏儒鸟则生活在以北地区。
 
AMNH鸟类馆馆长Cracraft表示,这一模式是如何出现的至今仍是谜。科学家尚不清楚,何种因素促使这些鸟演化出不同颜色的冠羽,更不用说它们是何时开始分离的,或者这条河流将它们分隔开的精确时间是什么。他们也不知道这些鸟、沿河生长的植物以及动物是如何适应亚马逊气候的。
 
总之,科学家不知道亚马逊雨林及其绝妙的生物多样性是如何来的。“自始至终这都是一个大问题。”美国海因茨中心生态学家Thomas Lovejoy说,Lovejoy已经在亚马逊地区工作了超过45年。
 
现在,来自巴西和美国的一个跨学科研究小组试图找出答案。这个被称为“亚马逊生物多样性维度”的项目旨在创建一个亚马逊“四维进化图集”。通过集合来自地质学、进化生物学、DNA分析和气候模型等各领域的数据,该研究团队计划追踪亚马逊地区的生物多样性和环境情况,从时空维度上理解它们是如何相互作用和进化的。
 
反复无常的地区
 
巴西圣保罗大学植物学家Lúcia Lohmann说,多年来,生物学家认为,亚马逊地区丰沛的植物和动物物种意味着这里的雨林是一个古老且稳定的生态系统—— 一座生态“博物馆”,有“更多时间积攒更多物种”。
 
但是Lohmann及其同事称,地质学证据表明,这一地区有一个非常不稳定的历史。大约1700万年~1100万年前,第三纪中新世中期,亚马逊流域覆盖着湿地的分支系统。在某一时期——具体何时还有争议,湖水开始向东流去,最终流入大西洋,形成了亚马逊河。
 
Lohmann表示,随着湿地消失成为森林,人们今天看到的亚马逊地区的生物多样性开始成形。DNA测序和其他进化数据显示,该地区并不是一个环境博物馆,而是被Lohmann所称为的生物“摇篮”,在这里,大量的物种开始分化。
 
这样一来,美国密苏里植物园古植物学家Alan Graham提到,现在科学家“需要一套完整的新解释”来说明该地区的生物多样性的相关问题。由美国政府出资200万美元,与巴西圣保罗州——也提供相应支持——联合实施的启动于2012年9月持续5年的新项目,正是要找出这些解释。
 
荷兰阿姆斯特丹大学地质学家Carina Hoorn表示,要理顺亚马逊地区复杂的历史,需要来自许多学科的科学家共同工作。Hoorn参与了欧洲和巴西联合项目CLIM-AMAZON,该项目启动于2011年,主要收集当地气候和环境历史数据。“仅关注单一领域,例如地质学或进化生物学,是远远不够的。”她说,“人们确实需要一个综合的、跨学科的方法来考察它。”
 
隔河相望
 
Cracraft的侏儒鸟就为此类战略如何工作提供了一个例证。他说:“如果你正在研究亚马逊地区的鸟类,你可能通过每只AMNH侏儒鸟标本的位置数据发现,金头鸟和红头鸟之间有一条明显的南北分割线。如果将相关数据导入该地区的水域地图,你能清晰地看到分离它们的正是亚马逊河。精确了解这两种侏儒鸟在多久前开始分化,将为知晓该河流何时成为主要水道提供很好的线索。”
 
Cracraft还补充道,“这也正是相关项目的目标之一,试着分层梳理亚马逊地区的历史及其生物区”。
 
该跨学科小组还计划完成亚马逊地区所有的鸟类、灵长类、蝴蝶以及两种植物的类似的映射过程。Lohmann解释道,“首先,我们只是想弄清楚生物多样性的一般格局,并找出它们是如何与环境特征相关联的”。Lovejoy说,这样一个项目是“一种迟到的渴望”。
 
尽管博物馆的标本对维度项目十分重要,但是其包含的很多信息并不容易使用,因为它们并没有在线可用。建设数字档案馆也是该项目的主要目标之一。相关研究小组计划创造一个综合的、能够自由访问的数据库,其中包括样品是何时何地以及如何获得的,任何人都能使用这些数据分析该地区的生物多样性。
 
“关键是使这些数据可以比较,这样我们能够将资料联系起来,并分析更大的数据集。”Cracraft说。Lovejoy预测道,如果这能够成功,“人们将很快能看到之前很难得出的模式和问题答案”。
 
精确坐标
 
在该项目的第一年里,研究人员主要关注于为博物馆和植物标本馆的样本增加精确地理坐标。同样参与该项目的纽约植物园植物标本馆馆长Barbara Thiers提到,地理位置是纵贯从植物到鸟类再到灵长类等各种生物的共性因子。她说,在手持式全球定位装置出现之前,“收藏家无法常规记录标本的(经纬度)信息”。
 
于是维度研究小组尽可能重建了标本地理坐标,试着与收藏家原始记录提及的地点相匹配。他们主要采用查阅地名词典等地理学名录、使用纸质地图,甚至追溯收藏家的路线等方式进行探索。
 
一些模型能够串联成行,例如植物及其授粉者的分布规律,同时也有其他生物出现奇怪的分歧。例如亚马逊鸟类似乎无法飞越河流,这就意味着科学家经常在河流两岸发现非常不同的鸟类物种。但是Lohmann说,一些植物“似乎能够越过河流”。虽然河流的形成可能是亚马逊盆地鸟类进化的背后推手,但研究人员还需要找出,植物是如何被隔绝并进化成彼此不同的物种的。
 
地图集坐标不仅能揭示物种是如何分布的,也能展现收藏家过去的关注方向。亚马逊地区大部分的野外工作都是沿着主要河流或附近城市进行的。但是仅在数个地点采集标本,无论面积多广泛,都不能保证代表性样本的多样性——尤其是因为亚马逊物种对其生活区域非常挑剔。
 
“人们看到的主要是那些精巧、漂亮,与眼睛差不多高的东西,这些也很容易获得。”瑞典哥德堡大学进化生物学家Alexandre Antonelli说。Lohmann也表示,这样能够扭曲结论,以及给正在进行的研究带来偏见。
 
“我们通常会追溯到收集标本最集中的地区,并将其作为生物多样性的中心,这是因为数据集不允许我们充分比较各个地区。”她说。如果维度图集能够揭示已经充分研究的地区和物种,它将帮助科学家找到未采集过样本的地区,以确定未来野外工作的目的地。
 
Lohmann也承认,跨学科项目并不容易。未参与维度项目的Graham也同意,随着项目的推进,研究领袖“与其他专家,尤其是持不同意见的人,能够密切合作”,十分必要。
 
例如维度项目参与者与CLIM-AMAZON的科学家对一些该地区的基本问题,尤其是亚马逊河的年龄,持不同观点。Hoorn表示,她很欢迎彼此讨论。“人们合作得更好,所得结论也会更正确。”她说。
 
尽管维度项目关注亚马逊的历史,但它也可能帮助科学家和政策制定者保护越来越危险的生态系统。例如,地图集会标明新物种可能进化的地区。美国国家科学基金会维度项目经费主管George Gilchrist提到,保护生物多样性热点地区,能够鼓励这些亚马逊“居民”适应气候变化。(张章)
 
《中国科学报》 (2013-07-25 第3版 国际)
 
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