研究表明河流侵蚀可以塑造鱼类的进化

如果我们能够倒带世界各地的物种进化磁带，并将其向前播放数亿年到今天，我们将看到生物多样性聚集在构造动荡地区周围。喜马拉雅山脉和安第斯山脉等构造活跃地区由于景观的变化而特别丰富的动植物，随着时间的推移，这些地区会分裂和多样化物种。

但生物多样性也可以在一些地质上比较安静的地区蓬勃发展，那里的构造已经几千年没有撼动过这片土地了。阿巴拉契亚山脉就是一个很好的例子：该山脉在数亿年中没有看到太多的构造活动，但该地区是淡水生物多样性的显着热点。

现在，麻省理工学院的一项研究确定了可能塑造构造不活跃地区物种多样性的地质过程。在发表在《科学》杂志上的一篇论文中，研究人员报告说，在这些更古老，更安静的环境中，河流侵蚀可能是生物多样性的驱动因素。

他们在阿巴拉契亚山脉南部，特别是田纳西河流域，该地区以其淡水鱼类的巨大多样性而闻名。研究小组发现，随着河流侵蚀该地区不同的岩石类型，不断变化的景观将一种被称为绿鳍金枪鱼的鱼类推入河流网络的不同支流。随着时间的推移，这些分离的种群发展成自己独特的谱系。

研究小组推测，侵蚀可能驱使绿鳍金枪鱼多样化。尽管分离的种群在外观上看起来相似，但绿鳍金枪鱼特有的绿色鳍，但它们的基因组成存在很大差异。目前，分离的种群被归类为一个物种。

“给这个侵蚀过程更多的时间，我认为这些独立的谱系将成为不同的物种，”Maya Stokes博士'21说，他在麻省理工学院地球，大气和行星科学系(EAPS)作为研究生进行了部分工作。

绿鳍金枪鱼可能不是唯一因河流侵蚀而多样化的物种。研究人员怀疑，侵蚀可能驱使许多其他物种在整个盆地多样化，可能还有世界上其他构造不活跃的地区。

“如果我们能够了解有助于生物多样性的地质因素，我们就可以更好地保护它，”麻省理工学院地球，大气和行星科学塞西尔和艾达格林教授泰勒佩伦说。

该研究的共同作者包括耶鲁大学，科罗拉多州立大学，田纳西大学，马萨诸塞大学阿默斯特分校和田纳西河流域管理局(TVA)的合作者。斯托克斯目前是佛罗里达州立大学的助理教授。

树上的鱼

这项新研究源于斯托克斯在麻省理工学院的博士工作，她和佩伦正在探索地貌学(研究景观如何演变)与生物学之间的联系。他们在耶鲁大学遇到了托马斯·近(Thomas Near)的工作，他研究北美淡水鱼的谱系。Near使用从北美各个地区的淡水鱼类收集的DNA序列数据来显示某些物种如何以及何时进化和分化。

Near给研究小组带来了一个奇怪的观察结果：绿鳍金枪鱼的栖息地分布图显示，这种鱼是在田纳西河流域发现的，但只在南半部。更重要的是，Near的线粒体DNA序列数据显示，这种鱼的种群在基因组成上似乎有所不同，这取决于它们被发现的支流。

为了调查这种模式的原因，斯托克斯从Near在耶鲁大学的广泛收藏中收集了绿鳍金枪鱼组织样本，并在TVA同事的帮助下从现场收集了绿鳍金枪鱼组织样本。然后，她分析了整个基因组的DNA序列，并将每条鱼的基因与数据集中的其他每条鱼进行了比较。然后，该团队根据鱼类之间的遗传相似性创建了绿鳍金枪鱼的系统发育树。

从这棵树上，他们观察到支流内的鱼类彼此之间的关系比其他支流中的鱼类更相关。更重要的是，邻近支流内的鱼类比来自更远支流的鱼类更相似。

“我们的问题是，随着时间的推移，是否存在一种地质机制，将这个单一物种分裂成不同的、遗传上不同的群体?”佩伦说。

不断变化的景观

斯托克斯和佩伦开始观察到绿鳍金枪鱼栖息地与发现它们的岩石类型之间存在“紧密相关性”。特别是，田纳西河流域南半部的大部分地区，该物种比比皆是，由变质岩组成，而北半部由沉积岩组成，在那里找不到鱼。

他们还观察到，流经变质岩的河流更陡峭，更狭窄，这通常会产生更多的湍流，这是绿鳍金枪鱼似乎更喜欢的特征。研究小组想知道：绿鳍金枪鱼栖息地的分布是否是由不断变化的岩石类型景观所塑造的，因为河流随着时间的推移侵蚀到土地上?

为了验证这一想法，研究人员开发了一个模型来模拟随着河流侵蚀各种岩石类型而景观如何演变。他们提供了有关今天田纳西河流域岩石类型的模型信息，然后进行了模拟，以查看数百万年前同一地区的外观，当时暴露了更多的变质岩。

然后，他们向前运行模型，并观察变质岩的暴露如何随着时间的推移而缩小。他们特别注意支流之间的连接何时何地进入非变质岩，阻止鱼类在这些支流之间通过。

他们绘制了这些阻塞事件的简单时间表，并将其与分化绿鳍飞镖的系统发育树进行了比较。两者非常相似：鱼似乎形成了单独的谱系，其顺序与它们各自的支流与其他支流分离时的顺序相同。

斯托克斯说：“这意味着不同岩层的侵蚀可能导致绿鳍金枪鱼不同种群之间的隔离，并导致谱系多样化。

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