现生两栖爬行动物区系演化历史揭示喜马拉雅山脉隆升过程

据中国科学院昆明动物研究所(两栖爬行类多样性与进化学科组 作者:徐伟):中国科学院昆明动物研究所车静课题组基于对喜马拉雅地区的长期考察研究,重建了该地区现生大部分两栖爬行动物类群的时空演化动态历史,并由此探讨了喜马拉雅山脉隆升及南亚季风发育等重要地质历史事件的假说,揭示了这些事件对生物分化、迁移的影响。相关成果以“Herpetological Phylogeographic Analyses Support a Miocene Focal Point of Himalayan Uplift and Biological Diversification”发表于《国家科学评论》(National Science Review,NSR)。

一、喜山两栖爬行动物的演化史 

喜马拉雅山脉位于青藏高原南部,是全球平均海拔最高的山脉,8000米以上的高峰有10座,其中珠穆朗玛峰是世界第一高峰,海拔8848.43米。喜马拉雅也是全球34个生物多样性热点地区之一,其特殊的环境、巨大的海拔落差孕育了丰富的植被梯度和独一无二的动物类群。

基于该团队收集的一手数据,同时整合GenBank上已经发表的物种序列数据,最终收集到了14个科,1628个两栖爬行动物的多基因序列片段数据,其中涉及到182个喜马拉雅山区物种,占该地区记录物种的60%左右。通过构建物种演化树,并结合时间校正点以及物种分布信息,研究者探讨了喜马拉雅地区分布的两栖爬行动物的时空动态演化格局。

喜马拉雅地区现生两栖爬行动物的多样性最早从古新世(Paleocene)就已经开始积累。总体上就地成种事件和区域间扩散事件的变化趋势基本一致,在早期较为缓慢,而到了渐新世(Oligocene)末到中新世(Miocene)早期,物种累积速率加快。大约到了中新世中期,约1500万年前左右,喜马拉雅地区物种累积速率达到最高峰,之后开始呈现下降趋势。

喜马拉雅山区及代表两栖爬行动物示意图

二、动物演化支持“渐进式隆升假说”   

作为地球上最年轻、最高的山脉,喜马拉雅山脉是由印度次大陆与欧亚板块碰撞形成的。然而对于喜马拉雅山的隆升历史及机制,目前仍然存在争议。早期研究曾将喜马拉雅山和高原面作为一个整体,提出“喜马拉雅早期隆升假说”,即喜马拉雅在新生代早期就已经形成。然而考虑到高原面与喜马拉雅山在地质隆升历史上的明显不同,目前的地质学证据已普遍拒绝了该假说。

目前,关于喜马拉雅山脉隆升历史的主要假说有两个:一是近期隆升假说(Late Orogeny Hypothesis),该假说得到了水文学和热学证据的支持,认为喜马拉雅直到上新世(Pliocene)中期才达到现有高度;二是渐进式隆升假说(Stepwise Hypothesis),该假说认为喜马拉雅山在古新世晚期就已经开始隆升,但前期抬升较为缓慢,直到中新世(Miocene)才开始快速隆升继而达到现在的高度。

一个地区生物区系的演变过程和地质气候变化紧密相关,在山脉隆升期间,地貌的异质性增加会产生大量的地理隔离机会和生态位分化,从而促进本地物种的大量形成。所以,对应这两种地质假说,我们可以预测出两种截然不同的生物演化模式:(1)如果近期隆升假说成立,喜马拉雅地区两栖爬行动物物种的累积加速时间会在上新世中期或之后发生。(2)如果渐进式隆升假说成立,我们将看到当地物种累积从古新世晚期开始,并在中新世加速。

很明显,该研究中重建的喜山地区两栖爬行动物的演化动态模式更支持 “渐进式隆升假说”。 

该研究首次对喜马拉雅山区两栖爬行动物区系的演化历史进行了整合和解析,并对不同的地质假说进行了探讨。在生物多样性保护角度,该研究也具有重要意义,其结果强烈支持喜马拉雅山地区是重要的物种形成、分化摇篮。喜马拉雅山脉在面积如此小的地区集中了如此多的特有物种,是世界级的生物基因宝库。我们理应加强对该地区生态环境及栖息地的保护,从而保护这些珍贵而独特的生物资源。

中国科学院昆明动物研究所博士研究生徐伟为该论文第一作者,中国科学院昆明动物研究所车静研究员和美国得克萨斯大学奥斯汀分校David M. Hillis教授为共同通讯作者。该研究得到“第二次青藏高原综合科学考察研究”(2019QZKK0501)、中科院A类战略性先导科技专项“泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设”(XDA20050201)、中国西南野生生物种质资源库动物分库(国家重大科技基础设施专项)的支持。车静获得中国科学院公派出国留学计划项目支持,David M. Hillis获中国科学院国际访问学者计划资助。

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