洲际陆桥书写南北美动物迁徙史 出现时间仍是谜

动物从南北美洲的大迁徙将树懒带到了德克萨斯州的“新家”。资料来源:FLORILIGUS/ALAMY

由于*地峡的形成，北美洲和南美洲的动物开始迁徙并相互交流。一个激进的新假说认为，南北美洲之间的大陆桥比科学家认为的要早几百万年形成。

三百万年前，一座连接南北美洲大陆的狭长大陆桥出现了。从那以后，无数南美生物，包括豪猪、犰狳、袋鼠和受惊的鸟类，在经历了数千万年的隔离之后，通过这条“公路”来到了北美。然而，北美的许多普通物种也通过陆桥迁移到了南美，如马、美洲狮和剑齿虎。

生物地理学的创始人阿尔弗雷德·罗素·华莱士在1876年提出假说，认为由于*地峡的形成，北美和南美的陆地和淡水动物通过中美洲相互迁移和交流，从而导致动物的大规模聚集。这一假设今天被称为南北美洲生物的大迁徙。

更令人好奇的是这种跨越两大洲的生物大迁徙是如何开始的。几十年前，化石研究表明，大迁徙发生在300万到250万年前，大多数科学家认为*地峡也是在那个时候开始形成的。然而，一些研究表明，一些“拓荒者”在大迁徙开始前数百万年就开始了他们的旅程。一些科学家认为，一些物种可以通过分散的沼泽跨越两个大陆，而另一些物种则通过400万到300万年前形成的陆桥迁移到另一个大陆。

哥伦比亚安第斯山大学的卡米洛·蒙特斯、*史密森尼热带研究所(STRI)的卡洛斯·哈拉米略和他们的同事们提出了关于*地峡形成的新观点。在探索了中美洲火山活动引起的大陆上升并分析了地球化学数据后，他们得出结论，*地峡形成于大约1500万年前，而最后两个海洋之间的深海连接在500万年前就已关闭。哈拉米略说:“从那以后，这个地区的大部分土地都出现了。”尽管两大洋之间的浅海连接直到420万到350万年前才完全关闭。

这一新假说遭到了许多质疑，尤其是自从1500万年前*地峡开始形成以来，为什么南北美洲的物种在数百万年后开始迁徙。STRI生态学家、古生物学家、美国斯克里普斯海洋研究所海洋物种多样性和保护中心前主任杰瑞米·杰克森说:“如果那里有一座桥，为什么两大洲的物种不愿意迁徙呢？南北美洲大陆之间的联系和海洋之间的分离是地球系统演化中最重要的事件之一。”如果新的假设成立，它将迫使科学家重新解释许多研究。这让哈拉米略很高兴，他说:“我们正在揭开这个故事的全部真相。”

关于*地峡形成时间的科学辩论已经加剧。今年4月，美国地质调查局的STRI地质学家安东尼·科茨(Anthony Coates)和罗伯特·史泰拉(Robert Stallard)发布了一份关于维护传统理论的在线报告，并对*地峡形成的最后阶段进行了类比:在印度尼西亚的巴厘岛和龙目岛之间还有一个狭窄但很深的海峡(华莱士于19世纪被发现)。虽然距离很短，但大多数物种仍然无法通过。

海洋证据

尽管化石记录第一次支持了传统理论，但*地峡两侧的海洋包含了更有说服力的证据。1982年，伍兹霍尔海洋学研究所的劳埃德·凯温发现，*地峡两侧的氧同位素在400万年前开始出现差异，这表明加勒比海的盐度当时开始上升，可能是*地峡变浅的结果。考虑到碳13的变化，氧同位素数据表明，现代加勒比海和东太平洋的海洋环流模式始于300万年前。

在接下来的25年里，一系列关于古海洋学的研究有力地证实了这个标准模型。例如，研究人员发现，460万年前，碳酸盐开始在加勒比海底部积聚，反映了深海环流的缓慢变化。大约350万年前，化石记录中出现了喜欢碳酸盐环境的有孔虫和珊瑚。分子遗传学数据也表明，在此期间物种多样性的进程开始加速。

*地峡关闭的另一个影响是加勒比海的上升流开始减弱(来自寒冷深海的海水向上流动，给浅海带来营养)。受上升流失败的影响，底栖生物开始灭绝。居住在该海域的物种也从快速生长的物种变成了缓慢生长的物种。

杰克逊认为，直到大约400万年前，加勒比海深海的环境与东太平洋深海的环境是一样的。他说:“海域的核心数据使新的假设站不住脚。从地球化学的角度来看，如果中间有一个大陆，加勒比海和太平洋的深海数据怎么可能没有差异呢？”

s型特征

Jaramillo和Montes建立了一个新的假设，从一项100万美元的旨在拓宽运河渠道的研究开始。哈拉米略用地质研究方法调查了*运河沿岸的岩石，同时还研究了如何保护成千上万的当地物种。

他们用放射性同位素、地球化学和古地磁来确定岩石的年代，并确定它们之间的关系。蒙特说:“起初，我们相信*地峡形成于300万年前的传统理论。”

研究铀-235和铀-238的放射性衰变是追溯岩石圈时代的黄金法则。海水中的锆石晶体是一种碳酸盐矿物，含有大量的铀同位素和铅钍衰变产物。通过测量锆石晶体中铀同位素的含量，研究人员可以确定矿石和围岩的冷却和凝固时间，也可以确定地质变化过程中矿石的形成时间。

该团队修复了*运河西部的阿祖罗半岛和东部的圣布拉斯山脉(熔岩冷却时形成)的锆石晶体。结果显示，大约7000万年前，南北美洲大陆之间开始形成火山弧，三次大规模火山爆发分别发生在4700万年前、2500万年前和1100万年前。通过测量火山岩中古代磁场冷却的方向，研究人员能够确认地质结构的强度如何影响火山弧的形成。

在综合考虑所有证据后，包括美国塔拉哈西佛罗里达大学的地质学家大卫·法里斯在内的研究人员认为，南美洲安第斯山板块和中美洲火山弧的碰撞始于2500万年前。蒙特斯指出，由于巨大的拉力，*的“S”形地理特征与这个地方应该形成的形状不一致。在那段时期，火山弧与剩余的中美洲陆地融合，形成了一个北美生物迁徙的半岛。在那之后，物种跨大陆迁移的最后障碍可能是今天在半岛和哥伦比亚海岸之间的一个深海峡。

杰克逊认为蒙特斯和哈拉米略的研究非常出色。但是杰克逊和其他研究人员没有接受他们的结论，即东太平洋和加勒比海之间的深海连接早在1000万年前就被切断了。

学术辩论

关于*地峡形成的初始阶段，科茨赞同蒙特和哈拉米略的结论。但他说:“至于地峡形成的最后阶段，他们的研究数据无法解释火山弧是否仍被海水淹没。他们对数据的空间研究也不够充分。”

Coates和Stallard以印度尼西亚群岛为例来比较*地峡的情况。尽管物种通常以跳跃或漂流的形式在巽他海峡的岛屿上迁移，但这种物种的迁移在巴厘岛和龙目岛之间停止。虽然这两个岛屿只有35公里的距离，但是物种不能迁移，因为海峡有几百米深，而且海水流动很快。

此外，科学家在600万年前*运河流域沉积物中发现的鲨鱼牙齿和鱼类化石(如耳石)也是一项重大发现。这些耳石属于马林鱼和鲭鱼，这些物种通常不栖息在浅水中。STRI的卡洛斯·德·细川玉子和他的同事认为，这些化石表明当时海水有100到700米深。科茨称这些化石的发现是深海海峡存在的确凿证据(比Jaramillo和Montes提出的新假说晚了数百万年)。

然而，还有其他与传统理论相矛盾的证据，尤其是那些物种迁徙的“先驱”。大约900万年前，早在大迁徙之前，两种起源于南美洲的树懒就出现在美国的佛罗里达州和得克萨斯州。北美最早的“移民”是730万年前出现在阿根廷的浣熊。科学家经常称这些早期物种迁移为岛屿跳跃或漂移。杰克逊指出，现代树懒和浣熊非常擅长游泳。然而，一些科学家不同意这种说法。

(段鑫)

中国科学新闻(2013-07-22第三版国际版)