讨厌的冰川和不同的地理环境迫使北半球针叶树更快进化

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


北半球和南半球的针叶树:加利福尼亚的黄松(我一直以来的最爱,以及一些较小的云杉和冷杉)和巴西的巴西松。M. Simmonson,美国林务局;维基用户 Mariense。两张图片均为公共领域。

在过去的 6500 万年里,南半球的针叶树物种过得很轻松——尤其是与它们饱经风霜的北方亲戚相比。

与南半球的同类不同,南半球的同类所在的北方漂流大陆继续拥有稳定的栖息地,条件舒适,如地中海俱乐部般,类似于这些针叶树进化的环境,而北半球的针叶树物种则被迫应对更冷、更干燥、更具季节性的条件,同时与脉动的冰川进行纬度伦巴舞。


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结果,北方新物种取代旧物种的频率更高,北半球针叶树物种的平均年龄比南半球年轻数百万年,根据十月份发表在 PNAS 上的一篇论文

在这项由耶鲁大学、犹他州立大学和哈佛大学阿诺德植物园的科学家进行的研究中,科学家们比较了这些树木的基因序列,构建了一个系统发育树或家谱树,显示了每个物种的大概进化时间。他们将其与针叶树化石记录进行了比较,这有助于我们了解某些植物特征进化的实际日期,并且化石记录相对丰富,因为坚硬的植物部分保存完好。

他们发现北半球针叶树的发散时间比南半球的针叶树更近。北半球群体的中值“节点年龄”或群体发散年龄为 520 万年,而南方群体的中值“节点年龄”为 870 万年。大多数北半球物种是在过去五百万年内进化而来的,许多群体的中值节点年龄约为 350 万年前。未发现物种年龄较小的针叶树群体与纬度或特定栖息地相关。相反,半球关联性最强。

为什么?

在大部分中生代或恐龙时代,现代针叶树的主要谱系大多是在这个时代进化的,当时的气候大多温暖潮湿。在导致那个时代结束的陨石撞击之后,北半球的气候变得更加寒冷和干燥。仅此一点就可能有利于更能耐受新条件的物种的进化。

与此同时,南半球的大陆正向北漂移向赤道。由于地理上的偶然性,它们的大部分陆地并没有位于靠近极地的冰川带(南极洲是明显的例外),许多温暖潮湿的森林(南半球针叶树在其中进化)甚至持续到了今天。

过去 5.42 亿年(自寒武纪生命大爆发以来)地球上的相对温度。(地球有 45 亿年的历史)。知识共享 Gary Fergus。单击图像以获取许可证和链接。从原图修改(剪切),以便您仍然可以阅读此内容。

与此同时,大约在 260 万年前,地球陷入了由地球倾斜和轨道引起的冰期和短暂的间冰期循环的精神分裂症(著名的米兰科维奇循环)。我们目前正处于科学家称之为“间冰期”的短暂的间冰期之一。上次冰期持续了约 11 万年,大约在 1 万年前结束;文明在 5 千年前进化而来。如果我们设法在当前与二氧化碳引起的变暖的胆小鬼游戏中幸存下来,我们将在可能 1 万到 5 万年后迎来另一次 10 万年的大寒潮。一次解决一个问题。

除了气候变化的不同之外,两个半球地理环境的重大差异也导致了这两个半球针叶树进化的差异。您可以在以下两张图中看到这些差异,图中以灰色显示了上次冰期期间冰川的最大范围。

这是北半球

上次冰河时代期间北半球冰川的最大范围。请注意亚洲和北美之间突出的陆桥。那是大多数美洲原住民用来到达北美的陆桥。另请注意,包括纽约和波士顿在内的整个西藏和东海岸一半都在冰下。长岛和科德角是这些冰川的终碛。令人惊讶的是,请注意阿拉斯加和西伯利亚的大部分地区 *没有* 冰川覆盖。知识共享 Hannes Grobe/AWI。单击图像以获取许可证和链接。

这是南半球

上次冰河时代期间南半球冰川的最大范围。除了智利尖端和新西兰部分地区外,在已经寒冷的南极洲以外,没有发生太多的冰川活动。知识共享 Hannes Grobe/AWI。单击图像以获取许可证和链接。

正如您所看到的,生活在加拿大的针叶树需要长途跋涉才能摆脱困境。这些树木反复的南北移动——以及随之而来的范围扩张和收缩——以应对蔓延的冰川,可能导致树木种群被隔离在山谷或其他与其同类分离的区域。

这种隔离是进化的经典孵化器。最著名的例子见于岛屿上,在那里,与大陆隔离的种群可以在相对较短的时间内以全新的方式进化。此外,北半球的许多针叶树居住在山脉中,那里海拔高度的急剧差异也选择了更多生活在水平方向接近(但不一定在海拔高度上)的物种。

与此同时,南半球的树木*随着它们的大陆向北漂移到玛格丽塔维尔,通常生活在受海洋调节的气候中,并且由于陆地 Chance 的排列,基本上不在冰川的路径上。虽然南半球在过去 6500 万年里也经历了向更开放、干燥环境的气候变化(参见澳大利亚大陆),但支持较古老针叶树谱系的温带雨林和阔叶常绿林在那里比北半球更常见地持续存在。

地理环境,而不仅仅是气候变化,会对同一星球不同半球的进化轨迹产生重大影响,这是一个非常有趣的发现。现在各种冰川似乎都成为了濒危物种,南北半球的针叶树可能都将面临再次进化的压力,尽管半球之间的地理差异是否会影响它们未来的进化,这只能由任何人来猜测。

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* 在北方,松树、冷杉、云杉、落叶松、铁杉、冷杉、杜松和柏树是从两个主要群体进化而来的:柏科(Cupressaceae——杜松和柏树)和松科(Pinaceae——其他所有)。

南方针叶树属于南洋杉科罗汉松科以及柏科内的 Callitroideae 亚科。它们是南极植物区系的成员,我在这里讨论过——这些植物进化于以前的南方超级大陆冈瓦纳大陆,冈瓦纳大陆分裂形成了孕育南方半球针叶树的大陆。



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