中科院华南植物园破解热带雨林演化密码 棕榈科研究揭示亿年气候变迁轨迹

在全球气候变化加速、生物多样性保护压力持续加大的背景下,如何从更长时间尺度认识生态系统的形成与更替,成为生态学与进化生物学共同关注的关键议题。

生物群系作为受特定气候条件约束、具有稳定外貌与功能特征的自然群落,是理解地球生命演化的重要“宏观单元”。

此前,科研界围绕北极植物区系、东亚常绿阔叶林、非洲稀树草原、温带高山植物及全球干旱植物等开展了大量研究,揭示多次古气候事件对群系扩张、收缩与物种更替的影响。

然而,这些群系多起源于渐新世或中新世,时间窗口相对较近,难以充分映射更久远时期气候剧烈波动与生物群系演化之间的因果链条。

热带雨林提供了突破这一限制的切入点。

作为陆地上起源最为古老的生物群系之一,热带雨林可能在白垩纪中期已开始出现。

其分布面积不足全球陆地的7%,却承载近半数陆地物种,并在调节气候、维持水循环与生态平衡中发挥基础性作用。

要重建热带雨林的深时演化史,需要选取能够代表雨林长期生态过程、且在系统发育上具有可追溯性的关键类群。

棕榈科正具备这一特征:该科约184属、2500种,超过九成分布在热带雨林地区,既是雨林生态结构的重要组成,也对温度与水分条件变化较为敏感,可作为观察雨林长期演变的“窗口类群”。

基于这一认识,中国科学院华南植物园葛学军研究员联合国内外多家单位合作,在前期棕榈科属级系统发育框架基础上,进一步扩大物种水平取样与序列数据规模。

研究团队整合公开数据库及多来源测序数据,汇集叶绿体序列信息,共覆盖181属、604种,在此基础上开展系统发育重建、分子时间标定与物种多样化过程分析,聚焦中新世之前的关键地质时期,尝试回答“气候如何牵引雨林代表类群的分化与灭绝”这一核心问题。

研究结果在多个层面提供了新证据。

其一,随着物种层面取样扩充与序列数据累积,棕榈科系统发育框架更加稳固,一些关键节点的支持度较以往属级研究明显提升,有助于降低由取样不足带来的不确定性。

其二,研究推断棕榈科在白垩纪中期约1.083亿年前开始分化,且多个分支可能经历过辐射式分化,提示在远古暖湿条件与生态位扩展背景下,该类群可能出现了快速多样化过程。

其三,更为引人关注的是,棕榈科在白垩纪中期至中新世之前的漫长时期,其物种分化速率随全球平均气温起伏呈现明显对应关系:整体上,气温下降阶段分化速率降低,气温回升阶段分化速率上升。

其四,物种灭绝速率自渐新世起显著增加,与同时期全球平均气温处于较低水平在时间尺度上相吻合,反映降温背景下热带类群面临更强的生境收缩与生态压力。

从原因层面看,上述关联性为理解“热带类群对温度变化更敏感”的机制提供了可检验线索:气温长期下降可能导致适宜热带森林的面积缩小、分布破碎化加剧,进而减少种群交流并抬升局地灭绝风险;而在气温较高、降水更充沛的阶段,热带森林扩张为物种扩散与生态位分化创造条件,有利于新种形成。

这种“气候—栖息地—多样化”的链条,也为解释热带雨林为何能在长期尺度上孕育极高多样性提供了时间序列证据。

从影响层面看,该研究一方面加深了对棕榈科系统演化关系与多样化历史的认识,另一方面为理解热带雨林作为古老生物群系的动态演化提供了可量化的参照系。

更重要的是,它将深时古气候事件与现存类群多样化过程联系起来,为评估当代气候变化可能引发的生物多样性风险提供了新的对照框架:如果温度变化在地质尺度上曾显著影响分化与灭绝,那么在更短时间内发生的快速变暖与极端气候增多,可能以不同机制重塑物种分布与生态网络稳定性。

从对策层面看,相关发现提示热带雨林保护不仅要关注“面积是否减少”,还需更加重视“连通性与气候适宜度”的系统维护。

对棕榈科等关键类群而言,加强典型雨林区域的长期监测、建立跨区域的样地网络、完善种质资源与遗传多样性保存体系,将有助于提升应对气候波动的韧性。

同时,在科研层面推动多数据源整合、拓展化石证据与多基因组尺度研究,也将进一步提高对演化时间与多样化速率推断的精度。

从前景判断看,随着测序技术与生物信息学方法发展,热带雨林演化研究正从“描述分布与分类”走向“重建过程与预测趋势”。

以棕榈科为代表的系统发育与多样化研究,有望与气候模拟、生态位模型、遥感监测等手段形成合力,更完整揭示雨林在不同气候情景下的扩张、收缩与物种更替路径,为热带地区生态安全、生物多样性保护与碳汇管理提供更具时间深度的科学支撑。

当棕榈叶片的脉络与地球气候的年轮在科学视野中重叠,人类得以窥见自然演化的深邃智慧。

这项研究不仅改写了人们对热带雨林认知的时间尺度,更警示我们:保护这片孕育了上亿年生命的绿色宝库,就是守护地球生命共同体的未来。

在气候变化挑战日益严峻的今天,中国科学家贡献的这份"古气候密码",正为全球生态治理提供着东方智慧。