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(shí)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(shí)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(shí)間相一致；此時(shí)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?，F(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(chǔ)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(shí)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(shí)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(chǔ)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(dòng)物對碳埋藏的限制可能是大氣氧含量下降的主要驅(qū)動(dòng)力。在二疊紀(jì)，相對于甲螨、脊椎動(dòng)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(gè)主要驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)代分布從晚中新世一直延續(xù)至中更新世。更新世時(shí)期中國的劍齒虎依然繁盛，包括兩個(gè)常見類群：鋸齒虎屬（Homotherium）和巨頦虎屬（Megantereon）。巨頦虎屬的時(shí)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(gè)地點(diǎn)的材料均應(yīng)歸入意外巨頦虎（Megantereon inexpectatus）這個(gè)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(gè)分支從非洲遷徙至歐洲，另一個(gè)分支則遷徙至亞洲。巨頦虎個(gè)體較小，四肢較短，適合于隱藏在樹叢中對獵物發(fā)動(dòng)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(shí)，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(shí)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(huì)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(tái)，基于連續(xù)3年野外觀測、原位養(yǎng)分添加實(shí)驗(yàn)以及同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)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?；陴B(yǎng)分添加實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，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(shí)。（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(dòng)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(dòng)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(gè)大型的生態(tài)因子模擬實(shí)驗(yàn)圍欄，以布氏田鼠為研究對象，選取12個(gè)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(shí)間和強(qiáng)度。研究時(shí)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(shí)驗(yàn)初期（2010—2015年），團(tuán)隊(duì)主要圍繞驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)（2016—2019年），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，降雨增加的時(shí)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(dòng)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(shí)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(xiǎn)入侵物種進(jìn)行早期防控至關(guān)重要。從達(dá)爾文時(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)物在新環(huán)境中識(shí)別和捕獲食物的創(chuàng)新能力會(huì)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(dòng)物行為可塑性和入侵成功的關(guān)系提供了難得的機(jī)會(huì)。以全球247種外來鳥類在199個(gè)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(shí)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(shí)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(dòng)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）