海洋所研究揭示深度介導(dǎo)的全球海膽多樣性格局形成機(jī)制
近日,中國(guó)科學(xué)院海洋研究所甲殼動(dòng)物和棘皮動(dòng)物系統(tǒng)分類(lèi)與進(jìn)化研究組在深度梯度如何塑造全球海洋底棲生物多樣性方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)整合全球海膽分布記錄、環(huán)境數(shù)據(jù)與物種分布模型,系統(tǒng)揭示了海膽在淺水與深水環(huán)境中多樣性分布格局、生物地理分區(qū)及其環(huán)境驅(qū)動(dòng)機(jī)制的深度依賴(lài)性轉(zhuǎn)變。這一發(fā)現(xiàn)為理解深度介導(dǎo)的海洋底棲生物多樣性形成與演化提供了新視角,并為氣候變化下的海洋保護(hù)區(qū)規(guī)劃提供了重要科學(xué)依據(jù)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于Nature旗下地學(xué)領(lǐng)域Top期刊Communications Earth & Environment上。
海洋生物如何沿水深梯度形成全球分布格局,是海洋生物地理學(xué)長(zhǎng)期關(guān)注的重要科學(xué)問(wèn)題。緯度多樣性梯度(Latitudinal Diversity Gradient, LDG)是解釋全球生物多樣性分布的核心框架。然而,海洋生物地理學(xué)大多聚焦于LDG的水平變化,對(duì)“從淺海到深?!边@一垂直梯度上的格局轉(zhuǎn)換與機(jī)制異同,仍缺乏系統(tǒng)性檢驗(yàn)。與此同時(shí),深海物種分布數(shù)據(jù)的嚴(yán)重匱乏,使得傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法難以在深海區(qū)域獲得可靠結(jié)論。針對(duì)這一研究瓶頸,研究團(tuán)隊(duì)以海膽綱(Echinoidea)為模式類(lèi)群。作為全球性分布、跨越全部深度帶、演化歷史復(fù)雜且生活史策略多樣的底棲類(lèi)群,海膽為開(kāi)展深、淺海多樣性格局比較研究提供了理想對(duì)象。研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了涵蓋全球895種海膽、近25萬(wàn)條分布記錄的數(shù)據(jù)庫(kù),首次系統(tǒng)比較了淺水(0~200米)與深水(200~2000米)海膽的多樣性格局、生物地理區(qū)劃及其驅(qū)動(dòng)因素。同時(shí),研究引入小模型集成(Ensembles of Small Models, ESMs)方法,在深海記錄稀缺的情況下提升了潛在分布預(yù)測(cè)的可靠性。
結(jié)果顯示,海膽淺海與深海群落均呈現(xiàn)傳統(tǒng)的“雙峰型”緯度分布格局,物種豐富度峰值集中于南北半球亞熱帶海區(qū)。然而,驅(qū)動(dòng)該格局的環(huán)境機(jī)制隨深度發(fā)生顯著轉(zhuǎn)變:淺水群落以溫度為主導(dǎo)環(huán)境因子,多樣性在24°C附近達(dá)到峰值,超過(guò)閾值后急劇衰減,呈現(xiàn)典型的溫度限制型模式;而深水群落則由溫度、鹽度和溶氧等多因子共同調(diào)控。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)深海多樣性與水深呈顯著的線性負(fù)相關(guān),這限制了多樣性熱點(diǎn)在氣候變暖背景下向更深海域遷移的可能性。

圖1 全球海膽多樣性分布格局(總體vs. 淺水 vs. 深水)
研究進(jìn)一步將深度納入全球海洋生物地理分析框架?;?Jaccard 相異性指數(shù)的層級(jí)聚類(lèi)結(jié)果顯示,淺海海膽形成兩大超區(qū)、8個(gè)生物區(qū),兩大超區(qū)分別與印度-太平洋和美洲大陸板塊相對(duì)應(yīng);而深水海膽區(qū)系則更加碎片化,共劃分為三大超區(qū)、12個(gè)生物區(qū),其分布呈現(xiàn)“寬緯度、窄經(jīng)度”的特征。值得注意的是,在北大西洋,淺水海膽區(qū)系歸屬于印度-太平洋超區(qū),而深水海膽區(qū)系則與美洲超區(qū)密切關(guān)聯(lián)。研究進(jìn)一步結(jié)合系統(tǒng)發(fā)育與化石證據(jù)指出,這一格局可能源于海膽在白堊紀(jì)至晚中新世期間反復(fù)“淺?!詈!獪\?!笨缟疃戎郴膹?fù)雜演化歷史,是板塊構(gòu)造、性狀創(chuàng)新與滅絕事件共同塑造的結(jié)果。

圖2 淺水與深水海膽生物地理分區(qū)對(duì)比
本研究從全球尺度揭示了深度介導(dǎo)的海洋底棲物種多樣性特征、區(qū)系結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)機(jī)制轉(zhuǎn)變,強(qiáng)調(diào)了深海驅(qū)動(dòng)過(guò)程在全球海洋生物多樣性評(píng)估與保護(hù)中的重要性,為優(yōu)化跨深度海洋保護(hù)區(qū)布局提供了新的科學(xué)依據(jù)。同時(shí),研究建議未來(lái)海洋保護(hù)區(qū)規(guī)劃應(yīng)納入潛在物種多樣性評(píng)估,而非僅依賴(lài)已知分布記錄,以提升氣候變化背景下海洋生物多樣性的保護(hù)效能。
論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院海洋研究所博士研究生何霖與程嬌副研究員,通訊作者為沙忠利研究員。本研究得到科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目及聯(lián)合基金項(xiàng)目聯(lián)合資助。
論文信息:
He, L., Cheng, J., Xiao, N., Hui M., Sha Z.L*. Global sea urchin diversity patterns reveal shifts between shallow-water and deep-water benthic assemblages. Communications Earth & Environment (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03579-9
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