環(huán)境

昆蟲與二疊紀(jì)末大滅絕

昆蟲作為現(xiàn)今地球上多樣性最高的生物，自石炭紀(jì)開始繁盛，至二疊紀(jì)已成為陸地生態(tài)系統(tǒng)中的重要角色。二疊紀(jì)末發(fā)生了地質(zhì)歷史上規(guī)模最大的生物滅絕事件，導(dǎo)致了陸地生態(tài)系統(tǒng)的崩潰。迄今學(xué)界對此時期昆蟲的演化過程爭議頗大，進(jìn)而導(dǎo)致我們對于昆蟲對大滅絕的響應(yīng)機(jī)制知之甚少。近日，我國科學(xué)家建立了全球甲蟲（昆蟲綱：鞘翅目）化石形態(tài)數(shù)據(jù)庫，利用多種數(shù)學(xué)模型對早二疊世至中三疊世甲蟲的分類多樣性、形態(tài)歧異度、系統(tǒng)發(fā)育和生態(tài)習(xí)性進(jìn)行了綜合分析，重建了甲蟲的早期演化歷史。研究發(fā)現(xiàn)大滅絕事件（特別是去森林化）明顯影響了甲蟲的早期演化歷程，為理解昆蟲對大滅絕事件的響應(yīng)過程和機(jī)制提供了新見解。隨著早、中二疊世甲蟲干群的輻射，其多樣性與形態(tài)歧異度同步增加。晚二疊世其多樣性與形態(tài)歧異度解耦，多樣性的增加并未伴隨形態(tài)歧異度而發(fā)生顯著變化。在二疊紀(jì)末大滅絕事件后，早三疊世的甲蟲蛀食性干群近乎完全滅絕，多樣性、形態(tài)歧異度皆明顯降低。早三疊世蛀食性甲蟲化石記錄的空白與森林生態(tài)系統(tǒng)的崩潰時間（即無煤期，“Coal Gap”）大致吻合，表明蛀食性甲蟲的滅絕可能源于去森林化作用所造成的棲息環(huán)境的消失。中三疊世甲蟲類群明顯恢復(fù)，新的蛀食性甲蟲類群再次廣泛出現(xiàn)，這也與森林生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)時間相一致；此時期甲蟲類群也逐漸完成了從古生代類群（基干類群為主）到中生代類群（多食亞目為主）的轉(zhuǎn)換。現(xiàn)代自然界中，昆蟲在陸地碳循環(huán)中扮演著重要的角色。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳儲庫，植食性昆蟲通過分解木質(zhì)組織，將光合作用固定的碳以二氧化碳形式交還給大氣?，F(xiàn)今昆蟲對森林枯木分解貢獻(xiàn)率平均為29%，年排碳量約為3.2±0.9 Pg。甚至在短時間內(nèi)，植食性甲蟲的爆發(fā)足以讓森林從碳匯轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚?。然而，漫長的地質(zhì)歷史時期，昆蟲對全球碳循環(huán)及氣候的影響被長期忽略。古生代陸生植物大輻射伴隨著巨量碳儲存和氧氣釋放，這被認(rèn)為是同期大氣氧含量上升的主導(dǎo)因素，但大氣氧含量在石炭紀(jì)達(dá)到頂峰后下降的原因尚存爭議。近期，新的地球化學(xué)模型表明，二疊紀(jì)陸地植食性動物對碳埋藏的限制可能是大氣氧含量下降的主要驅(qū)動力。在二疊紀(jì)，相對于甲螨、脊椎動物等植食性生物，蛀食性甲蟲成為更重要的木材分解者。這些甲蟲通過與微生物（例如真菌）的相互作用顯著提高了木材的降解速率。因此，二疊紀(jì)蛀食性甲蟲的輻射可能是二疊紀(jì)大氣氧含量下降的一個主要驅(qū)動力。（eLife, doi: 10.7554/eLife.72692）

更新世非洲劍齒虎因人類影響遷至歐亞大陸

劍齒虎亞科（Machairodontinae）的動物是歐亞大陸晚新生代最具代表性的大型食肉類。該亞科在中國的時代分布從晚中新世一直延續(xù)至中更新世。更新世時期中國的劍齒虎依然繁盛，包括兩個常見類群：鋸齒虎屬（Homotherium）和巨頦虎屬（Megantereon）。巨頦虎屬的時代延續(xù)200萬年以上，地理分布范圍廣，從遼寧地區(qū)至廣西地區(qū)均有發(fā)現(xiàn)。因此，巨頦虎屬在劍齒虎晚期演化和生物地層學(xué)方面均具有極大的潛在研究意義。對比產(chǎn)自山西臨猗潘侯村和產(chǎn)自陜西藍(lán)田公王嶺的巨頦虎屬材料可知，兩個地點的材料均應(yīng)歸入意外巨頦虎（Megantereon inexpectatus）這個物種。舊大陸范圍內(nèi)與意外巨頦虎最為接近的是生活在非洲和歐洲的懷氏巨頦虎（Megantereon whitei），二者都具有明顯退縮的P4原尖和大幅退縮的P3。二者可能屬于同一支系，最有可能的發(fā)源地為非洲，其中一個分支從非洲遷徙至歐洲，另一個分支則遷徙至亞洲。巨頦虎個體較小，四肢較短，適合于隱藏在樹叢中對獵物發(fā)動突襲，森林或是灌叢環(huán)境對其生存更加有利。而最新的環(huán)境數(shù)據(jù)表明，在懷氏巨頦虎走出非洲和意外巨頦虎出現(xiàn)時，歐亞大陸上的森林有明顯的衰退趨勢。因此非洲巨頦虎支系如此大規(guī)模的遷徙和當(dāng)時的環(huán)境變化關(guān)聯(lián)性不大，更有可能是受到古人類發(fā)展的壓力所致。（Quaternary International, doi.org/10.1016/j.quaint.2021.09.008）

凍土融化背景下的生態(tài)系統(tǒng)碳-磷交互作用

作為植物生長的限制因素，土壤養(yǎng)分可利用性會調(diào)控陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對全球變化的響應(yīng)。特別是在凍土融化背景下，土壤養(yǎng)分可利用性對生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)關(guān)鍵過程的調(diào)節(jié)作用在很大程度上決定著生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對氣候變暖反饋關(guān)系的方向與強(qiáng)度。因此，凍土生態(tài)系統(tǒng)碳-氮-磷交互作用近年來逐漸引起學(xué)術(shù)界重視。然而，以往的研究主要關(guān)注土壤氮有效性對生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響，尚不清楚凍土融化后土壤磷有效性的變化及其對碳循環(huán)關(guān)鍵過程的調(diào)控作用。近日，科學(xué)家依托在青藏高原典型凍土分布區(qū)建立的熱融塌陷觀測平臺，基于連續(xù)3年野外觀測、原位養(yǎng)分添加實驗以及同位素標(biāo)記實驗相結(jié)合的手段，揭示了土壤養(yǎng)分可利用性在調(diào)控沼澤化草甸生態(tài)系統(tǒng)碳通量對凍土融化響應(yīng)中的關(guān)鍵作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，土壤磷有效性（而非氮有效性）決定著該生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力和凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換沿凍土融化序列的變化。基于養(yǎng)分添加實驗的結(jié)果進(jìn)一步證實，磷添加對植物生長的影響比氮添加更為顯著。上述發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了土壤磷有效性對凍土碳循環(huán)的關(guān)鍵調(diào)控作用，拓展了學(xué)術(shù)界對凍土融化背景下生態(tài)系統(tǒng)碳-氮-磷交互作用的認(rèn)識。（Global Change Biology, 2021, 27(22): 5818-5830）

布氏田鼠暴發(fā)成災(zāi)機(jī)制研究取得新成果

鼠類廣布于我國內(nèi)蒙古草原，對氣候變化十分敏感。受氣候變化等因素影響，鼠類種群數(shù)量頻繁暴發(fā)，其取食和挖洞活動可嚴(yán)重破壞草場，并傳播鼠疫等人畜共患病，對當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)生產(chǎn)、衛(wèi)生防疫和生態(tài)環(huán)境建設(shè)造成嚴(yán)重威脅。但正常年份，它們作為生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵物種，在維持生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)、能量循環(huán)等方面發(fā)揮著重要作用。研究其對氣候變化的響應(yīng)和適應(yīng)機(jī)制，對于闡明鼠類種群暴發(fā)成災(zāi)機(jī)制、提出鼠害防控和草原保護(hù)對策均具有十分重要的意義。中國科學(xué)院動物研究所的科學(xué)家在內(nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市毛登牧場建立了24個大型的生態(tài)因子模擬實驗圍欄，以布氏田鼠為研究對象，選取12個圍欄用以研究氣候變化下降水模式改變對布氏田鼠種群暴發(fā)的影響。該研究設(shè)施排除了其他因素的干擾作用，采用泵壓噴灌控制降水時間和強(qiáng)度。研究時間長達(dá)10年，標(biāo)記和重捕布氏田鼠18452只，調(diào)查植物樣方3000塊。實驗初期（2010—2015年），團(tuán)隊主要圍繞驗證“降水是干旱區(qū)鼠類種群暴發(fā)的關(guān)鍵因子”這一傳統(tǒng)理論展開，發(fā)現(xiàn)5—9月均勻增雨未能顯著增加布氏田鼠的種群數(shù)量。于是，科研團(tuán)隊調(diào)整研究思路和方案，側(cè)重探索降雨季節(jié)模式變化對種群的影響，又經(jīng)過4年的實驗（2016—2019年），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，降雨增加的時機(jī)對鼠類種群暴發(fā)至關(guān)重要。春季（5—6月）的增雨可顯著促進(jìn)布氏田鼠喜食植物的返青，使其發(fā)芽提前，讓生物量增加，進(jìn)而促進(jìn)布氏田鼠的生長和繁殖；但夏季（7—9月）增雨的正作用響應(yīng)不明顯。如果降雨增加過多，則因雨水灌洞導(dǎo)致田鼠溺亡，不利于種群增長。該研究揭示了布氏田鼠種群暴發(fā)的氣候驅(qū)動因子和機(jī)制，發(fā)現(xiàn)氣候?qū)κ箢惙N群的影響具有依賴時間和強(qiáng)度的復(fù)雜性特征。（PNAS, 2021, 118(42), e2023691118）

捕食行為創(chuàng)新性對入侵物種的助力作用

外來物種入侵嚴(yán)重影響全球生物多樣性和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，了解影響外來物種入侵成功的因素，進(jìn)而對高風(fēng)險入侵物種進(jìn)行早期防控至關(guān)重要。從達(dá)爾文時代起，科學(xué)家就在“引種事件水平”（如繁殖體壓力、引種方式、定居時間）、“入侵地水平”（如氣候等棲息地適宜性、種間互作如歷史入侵的熔斷效應(yīng)、地理異質(zhì)性）和“物種特征水平”（如外來種的生活史對策、原產(chǎn)地分布區(qū)大?。┑确矫姘l(fā)展了大量理論假說。然而，從動物行為學(xué)角度和控制上述因素基礎(chǔ)上深入探討外來動物行為可塑性在入侵過程中作用的研究卻一直稀缺。在眾多動物行為類型中，捕（覓）食行為是反映物種生存能力的基礎(chǔ)性指標(biāo)。理論上，外來動物在新環(huán)境中識別和捕獲食物的創(chuàng)新能力會直接影響它們對新環(huán)境的快速適應(yīng)過程，進(jìn)而影響其入侵能否成功。鳥類物種豐富的捕食行為和全球廣泛的入侵種群為我們探索動物行為可塑性和入侵成功的關(guān)系提供了難得的機(jī)會。以全球247種外來鳥類在199個國家或地區(qū)的9899次成功建群事件和2370次失敗建群事件為研究對象，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一些建群成功率較高的鳥類也普遍具有較強(qiáng)的捕食行為創(chuàng)新性；在綜合控制繁殖體壓力、氣候匹配、歷史入侵熔斷、種群增長潛力、以及不同鳥類譜系發(fā)育關(guān)系基礎(chǔ)上，研究人員發(fā)現(xiàn)捕食行為的創(chuàng)新性對外來鳥類在新地區(qū)成功建群發(fā)揮了重要作用；進(jìn)一步將捕食行為創(chuàng)新性分解為對新環(huán)境中不同于原產(chǎn)地的新食物的識別和利用能力（即“捕食對象創(chuàng)新性”），以及不區(qū)分新/舊食物、但在面對難以獲取的食物時的搜尋和處理能力（即“捕食技能創(chuàng)新性”）后，研究人員發(fā)現(xiàn)相對于“捕食對象創(chuàng)新性”，“捕食技能創(chuàng)新性”對外來鳥類建群成功更加重要。這意味著成功建群的鳥類具有從不同技能上擴(kuò)展其食譜的潛力，如何獲取食物比具體選擇哪些食物對外來鳥類在新地區(qū)能否成功建群更為關(guān)鍵。該研究有助于更加深入地理解動物行為可塑性對外來物種成功入侵的影響，并為預(yù)測外來物種以及本土物種在當(dāng)今“人類世”環(huán)境加速變化下的快速響應(yīng)提供了新的視角。（The Innovation, 2021, 2(4): 100167）