研究表明河流侵蚀可以影响鱼类的进化

如果我们能够倒带世界各地物种进化的磁带并将其向前播放数亿年到现在，我们将看到生物多样性聚集在构造动荡的区域周围。喜马拉雅山和安第斯山脉等构造活跃的地区由于不断变化的地貌而拥有特别丰富的动植物群，随着时间的推移，这些地区会导致物种分化和多样化。

但生物多样性也可以在一些地质较为安静的地区蓬勃发展，这些地区的地质构造几千年来都没有动摇过这片土地。阿巴拉契亚山脉就是一个典型的例子：数亿年来该山脉没有发生太多构造活动，但该地区是淡水生物多样性的一个显着热点。

现在，麻省理工学院的一项研究确定了一个地质过程，该过程可能会影响构造不活跃地区的物种多样性。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，以淡水鱼种类繁多而闻名。该团队发现，随着河流侵蚀该地区不同类型的岩石，不断变化的地貌将一种被称为绿鳍镖鱼的鱼类推向了河网的不同支流。随着时间的推移，这些分离的种群发展成自己独特的血统。

该团队推测，侵蚀可能促使绿鳍镖鱼多样化。虽然分开的种群在外表上看起来相似，具有绿鳍镖鱼特有的绿色鳍，但它们的基因构成却大不相同。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，我认为这些不同的谱系将变成不同的物种，”21 年的 Maya Stokes 博士说，她作为麻省理工学院地球、大气和行星科学系的研究生开展了部分工作( EAPS)。

绿鳍镖鲈可能不是唯一因河流侵蚀而多样化的物种。研究人员怀疑，侵蚀可能已促使许多其他物种在整个盆地以及世界上其他构造不活跃的地区实现多样化。

“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。

该研究的合著者包括耶鲁大学、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谷管理局 (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 Stokes 在麻省理工学院的博士工作，当时她和 Perron 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·尼尔 (Thomas Near) 的工作，后者研究北美淡水鱼的谱系。Near 使用从北美不同地区的淡水鱼收集的 DNA 序列数据来显示某些物种如何以及何时进化和相互分化。

Near 给团队带来了一个奇怪的观察：一张绿鳍镖鲈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，根据发现它们的支流，鱼类种群的基因构成似乎有所不同。

为了调查这种模式的原因，Stokes 从 Near 在耶鲁大学的广泛收藏中收集了绿鳍镖鱼组织样本，并在 TVA 同事的帮助下从该领域收集了样本。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的基因进行了比较。然后，该团队根据鱼类之间的遗传相似性，创建了绿鳍镖鲈的系统发育树。

从这棵树上，他们观察到与其他支流中的鱼相比，一条支流中的鱼彼此之间的关系更为密切。更重要的是，相邻支流中的鱼比来自更远支流中的鱼更相似。

“我们的问题是，是否存在一种地质机制，随着时间的推移，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

Stokes 和 Perron 开始观察到绿鳍镖鱼的栖息地与发现它们的岩石类型之间的“紧密相关性”。特别是，该物种盛产的田纳西河流域南半部大部分由变质岩构成，而北半部则由沉积岩构成，那里没有鱼类。

他们还观察到，穿过变质岩的河流更陡峭、更狭窄，这通常会产生更多的湍流，这是绿鳍镖鱼似乎更喜欢的特征。该团队想知道：随着河流逐渐侵蚀土地，绿鳍镖鲈栖息地的分布是否会受到岩石类型景观变化的影响?

为了验证这个想法，研究人员开发了一个模型来模拟景观如何随着河流侵蚀各种岩石类型而演变。他们将田纳西河流域岩石类型的信息输入模型，然后运行模拟以查看同一地区在数百万年前的样子，当时更多的变质岩暴露在外。

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减少。他们特别注意支流之间的连接在何时何地穿过非变质岩，阻止鱼类在这些支流之间通过。他们为这些阻塞事件制定了一个简单的时间表，并将其与分化的绿鳍镖鱼的系统发育树进行了比较。两者非常相似：这些鱼似乎以与它们各自的支流与其他支流分离时相同的顺序形成了不同的谱系。

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