跨学科项目拟从时空维度追踪亚马逊地区生态进化

一个跨学科研究小组整合了亚马逊地区的实地调查数据和数字存储信息，以便绘制该地区的时空地图。照片来源:KIKE CALVO

在美国自然历史博物馆(AMNH)的冷标本储藏室里，乔尔·克拉克拉夫特打开一个柜子，慢慢拿出几个托盘。其中两个装满了精致的手掌大小的黄鹂标本。这些黄鹂来自亚马逊雨林。另一个托盘里装满了红头矮鸟。其他盘子里装满了它们的近亲，金头侏儒鸟。

这两只侏儒鸟的区别似乎只是雄性鸟冠的颜色。但是它们从来没有同时在一个地方被发现过。红头侏儒鸟生活在亚马逊的南部，而金头侏儒鸟生活在北部。

AMNH鸟类博物馆馆长克拉夫特说，这个模型是如何形成的仍然是一个谜。科学家们还不知道是什么促使这些鸟长出不同颜色的羽冠，更不用说它们何时开始分离，或者河流将它们分开的确切时间。他们也不知道这些鸟类、沿河生长的植物和动物是如何适应亚马逊气候的。

简而言之，科学家不知道亚马逊雨林及其奇妙的生物多样性是如何形成的。"这从头到尾都是一个大问题。"美国亨氏中心的生态学家托马斯·洛夫乔伊说，洛夫乔伊在亚马逊地区工作了45年多。

现在，一个来自巴西和美国的跨学科研究小组正试图找到答案。这个名为“亚马逊生物多样性维度”的项目旨在创建一个亚马逊“四维进化图谱”。通过从地质学、进化生物学、脱氧核糖核酸分析和气候模型中收集数据，研究小组计划跟踪亚马逊地区的生物多样性和环境条件，从空间和时间的角度了解它们是如何相互作用和进化的。

多变的地区

巴西圣保罗大学的植物学家卢西亚·罗曼(Lucia Lohmann)说，多年来，生物学家认为亚马逊地区丰富的植物和动物物种意味着这里的雨林是一个古老而稳定的生态系统——一个“有更多时间积累更多物种”的生态“博物馆”。

但是罗曼和他的同事说，地质证据表明该地区有非常不稳定的历史。大约1700万到1100万年前，在第三纪中新世中期，亚马逊盆地被湿地分支覆盖。在某个时期，当仍有争议时，湖水开始向东流动，最终流入大西洋，形成亚马逊河。

罗曼说，随着湿地消失在森林中，今天人们看到的亚马逊地区的生物多样性开始形成。DNA测序和其他进化数据表明，该地区不是一个环境博物馆，而是罗曼所说的生物学的“摇篮”，在这里大量物种开始分化。

因此，密苏里植物园的古植物学家艾伦·格雷厄姆说，科学家现在“需要一套完整的新解释”来解释该地区与生物多样性相关的问题。由美国*资助、巴西圣保罗州共同实施、并提供相应支持的新项目始于2012年9月，历时五年，正是为了找到这些解释。

荷兰阿姆斯特丹大学的地质学家卡琳娜·胡恩(Carina Hoorn)说，要理清亚马逊地区复杂的历史，需要来自多个学科的科学家共同努力。Hoorn参与了欧洲和巴西之间的联合项目CLIM-AMAZON，该项目于2011年启动，主要收集当地气候和环境历史数据。"仅仅关注一个领域是不够的，比如地质学或进化生物学."“人们真的需要一个全面的跨学科的方法来检验它，”她说。

过河

Cracraft的侏儒鸟为这种策略的运作提供了一个例子。他说:“如果你在亚马逊地区研究鸟类，你可以通过每个AMNH侏儒鸟标本的位置数据，找到一条清晰的南北分界线，区分金头鸟和红头鸟。如果您将相关数据导入该地区的水景图，您可以清楚地看到是亚马逊河将它们分隔开来。准确地了解这两只侏儒鸟是多久前开始分化的，将会提供一个很好的线索来知道这条河何时会成为主要水道。”

克拉克拉夫特补充道，“这也是相关项目的目标之一，试图分层梳理亚马逊地区及其生物群的历史。”

跨学科团队还计划完成亚马逊地区所有鸟类、灵长类动物、蝴蝶和两种植物的类似绘图过程。罗曼解释道:“首先，我们只想了解生物多样性的一般模式，并找出它们与环境特征的关系。”洛夫乔伊说，这样的项目是“一种迟到的欲望”。

尽管博物馆标本对于维度项目很重要，但是它们包含的许多信息并不容易使用，因为它们不能在网上获得。数字档案馆的建设也是该项目的主要目标之一。相关研究团队计划创建一个全面且可*访问的数据库，包括何时、何地以及如何获取样本，任何人都可以使用该数据库来分析该地区的生物多样性。

“关键是要让这些数据具有可比性，这样我们才能将数据联系起来，并分析更大的数据集。”克拉夫特说。洛夫乔伊预测，如果这成功，“人们很快就能看到以前很少发现的模式和问题的答案。”

精确坐标

在项目的第一年，研究人员专注于给博物馆和植物标本室的样本添加精确的地理坐标。纽约植物园植物博物馆的主任芭芭拉·泰尔斯也参与了这个项目，她提到地理位置是贯穿各种生物的一个共同因素，从植物到鸟类再到灵长类动物。她说，在手持全球定位设备出现之前，“收集者不能例行记录标本的(经度和纬度)信息。”

因此维度研究小组尽可能地重建了标本的地理坐标，并试图匹配收藏家原始记录中提到的位置。他们主要使用地理目录，如地名录、纸质地图，甚至追踪收藏家的路线进行探索。

有些模型可以串联起来，比如植物及其传粉者的分布，而其他生物则有奇怪的差异。例如，亚马逊的鸟类似乎不能飞越河流，这意味着科学家经常在河流两岸发现非常不同的鸟类。但是罗曼说，一些植物“似乎能够穿越河流”尽管河流的形成可能是亚马逊盆地鸟类进化的背后原因，但研究人员仍需要找出植物是如何被隔离并进化成不同物种的。

地图集坐标不仅能揭示物种是如何分布的，而且能显示出过去收藏家的注意力。亚马逊地区的大部分野外工作是沿着主要河流或附近城市进行的。然而，代表性样本的多样性并不能保证，不管样本在几个地方收集的范围有多广——尤其是因为亚马逊物种对它们的生活区域非常挑剔。

“人们看到的主要是那些精致、美丽、几乎和眼睛一样高的东西，这些东西也很容易获得。”瑞典哥德堡大学的进化生物学家亚历山大·安东内里说。罗曼还说，这将扭曲结论，并对正在进行的研究产生偏见。

“我们通常会回到标本采集最集中的地区，并将其视为生物多样性的中心，因为数据集不允许我们对不同地区进行全面比较。”她说。如果空间图谱能够揭示已经被充分研究过的区域和物种，它将帮助科学家找到尚未采集样本的区域，以确定未来实地工作的目的地。

罗曼也承认跨学科项目并不容易。没有参与维度项目的格雷厄姆也认为，随着项目的进展，研究负责人有必要“与其他专家密切合作，尤其是有不同意见的人”

例如，维度项目参与者和CLIM-AMAZON科学家对该地区的一些基本问题持有不同的观点，尤其是亚马逊河的年龄。胡恩说她欢迎彼此讨论。"人们合作得越好，结论就会越正确."她说。

尽管维度项目关注亚马逊的历史，它也可能帮助科学家和政策制定者保护日益危险的生态系统。例如，地图显示了新物种可能进化的区域。美国国家科学基金会维度项目主任乔治·吉尔克里斯特提到，保护生物多样性热点可以鼓励这些亚马逊“居民”适应气候变化。(张张)

《中国科学报》(2013-07-25，第三版国际版)