作者:红枫 来源:中国科学报 发布时间:2015/11/11 16:15:16
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“生命熔炉”是怎样炼成的?
科学家聚焦西亚马逊物种大爆发之谜

 

我们处于了解这一大规模物种多样性如何发生的研究前沿。

两名研究生正在对秘鲁马努河边的一个距今约900万年的沉积岩露头进行采样。

图片来源:Jason Houston

Catherine Rigsby的膝盖陷入泥沼里,她沿着秘鲁亚马逊森林中一条较浅的溪流费劲地向前挪动着。她沉着地甩掉淤泥,抓起岸边的一根树枝当作手杖。蜜蜂在她的头顶嗡嗡地响着,金刚鹦鹉在密林中发出尖利的叫声,这位沉积学家小心翼翼地继续寻找着她在这片雨林中的探索目标:裸露的岩石。这个地方位于马努河上游,距离当地最近的城镇大致需花费一天的水路,在这个亚马逊森林偏僻的角落周围可能分布着这种岩石。

“我觉得我们运气太好了!”Rigsby的研究生Sage Wagner在不远处的溪流转弯处喊道。Rigsby在东卡罗来纳州立大学和厄瓜多尔Yachay理工大学担任教职,进入她视野的是一块并不高的沉积层。这个沉积层是在大约900万年前一层层沉积下来的,这个露头沉积岩隐藏着解开长久以来一个谜题的线索:是什么产生了亚马逊雨林如此庞大的生物多样性?

加勒比海入侵南美大陆

西亚马逊包括秘鲁、厄瓜多尔、哥伦比亚的部分区域以及巴西西北部地区,“是世界上植物物种最为丰富的地区”。美国密歇根州立大学进化生物学家Christopher Dick说,“在北美北部约有300种树木,而在西亚马逊,每一公顷森林中就有300种植物种类。”事实上,植物物种多样性只是其中的一部分。据了解,亚马逊盆地——从巴西一直延伸到大西洋沿岸的面积达670万平方公里的地区——生活着全世界已知10%的物种。

科学家一直认为,这种丰富的生物多样性来自于西亚马逊曾经历过的巨大地质活动,如造山运动、海岸线变迁、河流改道等。这些地质活动通过分散和改变物种栖息地,形成了物种大爆发。但是科学家们围绕这些地质活动的发生方式以及哪种地质活动对亚马逊物种的形成产生了较大作用产生了激烈的争论。

对于西亚马逊物种形成之谜,一种普遍的观点是加勒比海在1000万年前侵入南美大陆,形成了广袤的湿地,其间星罗棋布着各种大小岛屿。因此微生物必须适应咸水、淡水、水栖、陆生等各种生物群落,从而触发了生物多样性。

为了支撑这一观点,一些研究曾找到了浮游生物、软体动物、海洋鱼类,乃至现存的亚马逊河海豚等强有力的证据。“我百分之百确定,在亚马逊的漫长历史中,加勒比海至少曾有两次入侵南美大陆北海岸线,并涌入到2000公里之外的西亚马逊。”史密森尼热带研究所古生物学家Carlos Jaramillo说。

安第斯山脉抬升

但是,Rigsby发现的露头沉积岩却对上述观点提出了挑战,它表明当时亚马逊的环境和今天如出一辙。在接近溪流表面的地方,这个至今已900万岁的沉积岩颗粒精细度较为粗糙,但是越往上走颗粒越精细。到达溪流上方1米左右的位置时,颗粒再次变得粗糙,而且这种模式反复重复。Rigsby推测,她看到的是像今天一样的河流洪流反复出现的痕迹。当洪水消退时,现代的洪水也会使同一块沉积层原来的粗糙颗粒变得精细。

基于这块露头沉积岩和其他证据,Rigsby和一些研究人员争论称,亚马逊大量生物物种的涌现出现在更早的地质事件中。他们支持的一个选择性观点是:在亚马逊盆地西部边缘曾在更早时期发生过安第斯山脉的抬升,这一事件最晚发生在6500万年前。当物种适应了山体沿线狭窄的生态位置之后,生物多样性飞速发展,新物种从安第斯山脉进入了亚马逊雨林。

为此,今年7月,Rigsby和Dick以及其他18名同事来到秘鲁,开始寻找可以证明这种观点的地质学和生物学资料。他们不仅检查了岩石和化石,还检查了现存的一些植物,这些可能会含有让他们摸清亚马逊森林演化的线索。“我们能够从这些收集物品中获得大量的(基因)数据,如果我们可以很好地过滤这些数据,就能够获得大量关于环境历史、地质历史和气候历史的资料。”该项目负责人之一、Yachay科技大学和杜克大学地质学家Paul Baker说。

扑朔迷离的谜底

“这个想法不坏。”Dick说。但是当1990年一篇发表于《自然》的研究成果出现后,Haffer的假设被推翻了。这篇文章表明,生物多样性热点实属错觉,这是科学家在容易到达的雨林区域反复收集样本的结果。“事实上,南美雨林在冰河时代处于湿润地带。”内布拉斯加大学古气候学家、Baker项目共同负责人之一Sherilyn Fritz说,“简言之,Haffer假设是错误的。”

因此,科学家重新开始绞尽脑汁,希望拨云见日,解开亚马逊雨林生物多样性之谜。

这时年轻的地质学和孢粉学家Carina Hoorn走进了西亚马逊,建立了该地区在更新世之前的模型。数百万年前,即在距今2300万年前至500万年前的中新世时期,“那里已经存在着高度密集的雨林。”她说。

Hoorn知道,一个多世纪以来,科学家一直在西亚马逊寻找软体动物贝壳化石,但是一直以来她并不相信加勒比海可以深入到如此遥远的内陆。然而,随后她却在秘鲁、哥伦比亚和巴西西北地区的雨林中发现了越来越多的有孔虫(绝大多数生活在海洋中的一种单细胞微生物)化石残骸。“这样我才相信了这种观点。”Hoorn回忆说,她现在是荷兰阿姆斯特丹大学的一名研究人员以及CLIM-AMAZON项目的负责人。

现在,她已经绘制出一幅中新世时期西亚马逊的图景:当时那里属于受到海水入侵的海口区域,当海水入侵后使雨林隔绝形成岛屿,分裂开了陆生物种并促进了物种形成。同时,今天在亚马逊流域发现的若干种河流物种其祖先也来自于海洋,如海豚和黄貂鱼等,加拿大多伦多大学进化生物学家Nathan Lovejoy说。

然而,与此同时,其他潜在的亚马逊物种形成假说也在酝酿着。安第斯山脉在断断续续地向上抬升,而且一旦这道“万里长城”形成之后,南美洲从此将是另一种景象。

揭开面纱尚需更多研究

在马努国家公园偏僻的雨林中,Christopher Dick从一种叫作Poulsenia armata的古树上摘下了一些叶子,他希望从中发现它的基因中蕴含的古地质学变化资料。此外,Dick还收集了厄瓜多尔同种树的基因样本,他发现两种树木在大约900万年前拥有共同的祖先,这一时间即为安第斯山脉正在进行剧烈抬升的时期。正如Baker所说的那样,这种“地理基因”在诸如亚马逊雨林这样的地方可以成为一种有价值的研究对象,因为那里的露头岩石非常少。

其他一些团队也在研究这项极富挑战性的生物地理学难题。例如,由欧盟和巴西合作开展的一项叫作CLIM-AMAZON的项目,正在尝试解开亚马逊盆地的沉积历史,从而追踪古水体走向。由纽约美国自然历史博物馆鸟类学家Joel Cracraft和巴西圣保罗大学植物学家Lúcia Lohmann合作的一项研究正在绘制亚马逊鸟类、蝶类、灵长类以及两个植物群落的分布范围,以此了解亚马逊盆地的历史在如何影响其生物地理分布。上述3个研究团队均在近日于马里兰州巴尔的摩市举行的美国地质学会年会上作了报告。

多学科协同工作的目的是“加速我们对亚马逊雨林的了解”。Cracraft说:“我们处于了解这一大规模物种多样性如何发生的研究前沿。”

接下来,对于Baker来说,他将和同事分析此次亚马逊雨林之行采集的珍贵样本:带有“盔甲”的树叶、罕见的沉积岩露头、一棵石化树。不过现在,他们正在沿着马努河走出雨林,并心满意足地欣赏着这片雨林的景色——这片地质活动曾活跃异常、现在看起来却仿如永恒不变的雨林的景色。(红枫)

《中国科学报》 (2015-11-10 第3版 国际)
 
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