科学家通过对40多万块化石的分析解开困惑人们200年的生物多样性之谜

　　今天，物种丰富度在赤道地区达到顶峰，但直到现在还没有明确的解释。通过分析化石记录，研究人员发现，现代生物多样性梯度的一个关键驱动因素是1500万年前发生的全球冷却事件。这在低纬度和高纬度之间以及水体内部产生了更陡峭的温度梯度，导致热带地区支持更多的生态位供物种栖息。
　　研究人员利用近50万块化石解决了一个有200年历史的科学之谜：为什么不同物种的数量在赤道附近最多，而向极地地区稳步减少。这一结果--今天（2023年2月15日）发表在《自然》杂志上--对生物多样性是如何在漫长的时间尺度上产生的，以及气候变化如何影响全球物种的丰富性给出了宝贵的见解。
　　人们早就知道，在海洋和陆地系统中，物种（包括动物、植物和单细胞生物）显示出一个＂纬度多样性梯度＂，生物多样性在赤道达到顶峰。但是直到现在，有限的化石数据使研究人员无法彻底调查这种多样性梯度最初是如何产生的。
　　在这项新的研究中，牛津大学、利兹大学和布里斯托尔大学的研究人员使用了一组叫做浮游有孔虫的单细胞海洋浮游生物。该小组分析了全球化石数据库中的434113个条目，涵盖了过去的4000万年。然后他们调查了物种数量在时间和空间上的关系，以及纬度多样性梯度的潜在驱动因素，如海面温度和海洋盐度水平。
　　主要发现有：
　　现代的纬度多样性梯度大约在3400万年前首次开始出现，因为地球开始从一个较温暖的气候过渡到较冷的气候。
　　这个梯度最初仍然很浅，直到大约1500-1000万年前，它才明显变陡。这与全球降温的显著增加相吻合。
　　浮游有孔虫的丰富度高峰出现在4000-2000万年前的高纬度地区。然而，到大约1800万年前，丰富度的峰值转移到纬度10°到20°之间，与今天观察到的多样性模式一致。
　　物种丰富度与海面温度之间存在着强烈的正相关关系--无论是在特定地点的时间模型，还是在特定时间的不同地点。
　　物种丰富度与温跃层的强度之间也有正相关关系：温跃层是存在于海洋表面较暖的混合水和下面较冷的深水之间的温度梯度。
　　据研究人员说，这些结果表明，现代浮游有孔虫的物种丰富度分布可以用过去1500万年中从赤道到两极的纬度温度梯度变陡来解释。与高纬度地区相比，这可能在热带地区的水体中开辟了更多的生态位，促进了更大的物种进化率。
　　为了验证这一假设，研究人员调查了现代浮游有孔虫物种在垂直水柱中不同深度的生活状况。他们发现，在靠近赤道的低纬度地区，与高纬度地区相比，今天的物种在水柱中的垂直分布更为均匀。
　　浮游有孔虫物种Globigerinella adaMSI的外壳的扫描电子显微镜图像。这个标本是在GLOW巡航中从西南印度洋的海底沉积物中收集的
　　这表明，现代多样性梯度的一个关键驱动因素是，从1500万年开始，低纬度和高纬度地区之间以及水体内部的海面温度差异明显增加。热带地区较温暖的水域能够支持更广泛的不同温度的生境和垂直水柱内的生态位，鼓励更多的物种进化。
　　今天的热带地区比过去温暖时期（如始新世和中新世）的热带地区更丰富，当时海洋中几乎没有垂直的温度梯度，这一事实就证明了这一点。
　　此外，高纬度地区海水温度的降低可能导致许多地区的物种种群灭绝，从而造成了现代的多样性梯度。
　　图表显示在地球历史的不同时期，不同的浮游有孔虫物种的数量是如何随纬度变化的。资料来源：Fenton等人，《自然》2023年
　　浮游有孔虫起源于早至中侏罗纪时期（大约1.7亿年前）。它们在世界各地的海洋中被发现--从极地到赤道--并在海洋的上层两公里处占据一系列的生态位。由于它们产生坚硬的外壳，因此可以大量保存下来。浮游有孔虫在全球范围内的丰富数量和它们在过去6600万年的特殊化石记录使它们成为这项研究的理想群体。
　　该研究的主要作者Erin Saupe博士（牛津大学地球科学系）说。＂通过解决生物多样性的空间模式如何在深层时间中变化，我们提供了宝贵的信息，对于理解生物多样性如何在地质时间尺度上产生和维持至关重要，这超出了现代生态学研究的范围。＂
　　浮游有孔虫（右下）的光镜图像，它被延伸到周围环境中的细胞质细线所包围。这个活标本是最近在GLOW巡航中从西南印度洋的水中采集的。资料来源：Tracy Aze, 利兹大学
　　该研究的共同作者Tracy Aze副教授（利兹大学地球与环境学院）补充说：＂尽管它们小到可以装在针头上，但浮游有孔虫拥有科学上已知的最完整的物种级化石记录。我们的研究建立在60年的深海样本收集和研究科学家对数十万个标本的辛勤计数和记录之上。能够产生关于物种分布的驱动因素的如此重要的结果，并为这个美妙的化石档案伸张正义，真是太棒了＂。
　　研究报告的共同作者、布里斯托尔大学地理科学系的高级研究助理Alex Farnsworth博士说。＂了解为什么在古代历史中，靠近赤道的物种更加多样和丰富，而靠近两极的物种则较少，这可以让人们了解海洋物种，如浮游生物，在未来可能做出的反应。这些微小的单细胞生物是海洋食物链中的一个重要环节，因此研究它们对不断变化的气候的反应可能有助于我们更好地预测随着气候变化的不断发生，温度继续变暖，它们将可能受到怎样的影响。这对海洋食物网，如鱼类和水生哺乳动物，如海豹和鲸鱼，有潜在的巨大影响，并可用于告知未来保护海洋生物和保护生物多样性的措施。＂