PNAS:大灭绝导致扁平化的生物多样性纬度梯度
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生物大灭绝是地球生命演化过程中极为特殊的地质事件,对生物多样性产生重大影响,例如,2.5亿年前的二叠纪-三叠纪生物大灭绝导致90%以上的物种灭绝。大灭绝事件对生物圈的影响远远不止这些。

北京时间77日,《美国科学院院刊》(PNAS)在线发表了中国地质大学(武汉)宋海军课题组的最新研究论文。这项研究发现史上最大规模的灭绝事件不仅导致生物多样性骤降,还促使生物古地理格局发生巨变。

生物多样性纬度梯度,即地球物种多样性具有从两极向赤道增加的特征,这一生物地理分布特征在陆地和海洋生物中广泛存在,被认为是当今生物多样性最普遍、最具全球性的特征之一。当今地球显著的生物多样性纬度梯度是多种因素共同作用的结果,包括地理条件、气候环境、生态特征等。但是,地质历史时期生物多样性纬度格局变化规律及其原因并不清楚。

有观点认为生物多样性纬度梯度主要存在于地球处于较冷的气候背景下,例如晚古生代冰期、晚新生代(包括现代)。因为较冷的时期,地表气候沿纬度方向的变化更为明显,气候的纬度梯度显著,进而导致生物的地理分布也随之变化。


晚二叠世到中三叠世多样性纬度梯度曲线的变化


宋海军课题组基于二叠纪-三叠纪海洋生物数据库5万多条化石数据,采用多种化石重采样分析方法,发现无论是在气候较冷的晚二叠世,还是气候较温暖的中-晚三叠世,海洋生物多样性纬度梯度都十分显著。这表明显著的多样性纬度梯度在地球的寒冷期和温暖期均可存在。相对而言,地表稳定的环境(无重大地质事件发生),可能对维持热带地区的生物多样性高峰具有重要作用。


生物多样性时空变化规律

二叠纪-三叠纪之交的生物大灭绝(约2.5亿年前),导致生物古地理格局发生巨大变化,多样性纬度梯度逐渐减弱,热带地区显著的生物多样性高峰消失,生物多样性从两极向赤道没有显著区别。这种扁平的纬度多样性梯度持续了整个早三叠世(约 5 百万年),到中三叠世逐渐恢复到一个类似于现代的多样性纬度梯度。


不同纬度带的生物灭绝率、新生率和迁移率

研究结果表明大灭绝后显著的多样性纬度梯度消失,主要因为低纬度地区生物灭绝率较高,而新生率和迁移率较低。选择性的灭绝和新生导致低纬度地区的生物多样性下降幅度明显高于高纬度地区,减弱了生物多样性在纬度方向的差异。而低纬度地区的生物向高纬度地区迁移,进一步减弱这种差异,最终导致生物多样性从两极向赤道差别不大。

晚二叠世到中三叠世生物和环境变化

早三叠世极端的环境条件也是导致扁平化的多样性纬度梯度的重要原因。西伯利亚大规模的火山喷发,导致了全球温度快速升高,同时伴随着长期的异常环境事件,例如陆地风化作用加强、陆源物质大量输入海洋、海洋缺氧等。这些环境事件一方面导致纬度方向的温度梯度减弱,另一方面导致全球范围的环境异常,不仅造成生物多样性急剧下降,还影响了海洋生物古地理格局。

早三叠世扁平化生物多样性纬度梯度的形成原因。

确定全球生物地理格局的驱动机制是预测未来生物多样性如何响应环境变化的关键一步。宋海军课题组的研究结果表明,地质历史时期的极端环境事件在生物地理格局演变中的作用巨大。这对当今海洋生态保护具有指示意义:尽管在未来出现类似早三叠世的极端环境的可能性并不大,但我们已经知道,现代珊瑚礁正承受着巨大的压力,它们似乎是气候变暖的第一个主要受害者。珊瑚礁是海洋生物多样性的热点(最高点),是形成显著多样性纬度梯度的重要支撑。如果不加以保护,这将导致现代海洋多样性纬度梯度减弱,对海洋生态系统带来严重后果。

该研究得到国家自然科学基金创新群体项目、国家重点研发计划、中科院先导项目等资助。

论文信息Song, H.*, Huang, S., Jia, E., Dai, X., Wignall, P.B., and Dunhill, A.M., 2020. Flat latitudinal diversity gradient caused by the Permian–Triassic mass extinction. PNAS, www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1918953117.