用“时光机”，打开南极冰雪尘封的生态记忆
用“时光机”，打开南极冰雪尘封的生态记忆
近6000年来，南极的生态系统在悄然演变。气候变化如何影响南极物种栖息地的收缩和扩张，对生态系统又有何影响？在这段时光中，阿德利企鹅的生活经历了哪些变化？
3月5日，武汉华大生命科学研究院、浙江大学生命演化研究中心、阿德莱德大学等国内外科研机构组成的研究团队，在《自然-通讯》发表重要研究成果《沉积物DNA揭示全新世南极罗斯海阿德利企鹅的种群动态与生态变迁》。
阿德利企鹅与韦德尔氏海豹（摄影：Jamie Wood）
沉积古DNA技术——揭秘南极生态的“时光机”
南极大陆位于地球最南端，在古生代和中生代时期曾植被繁茂。但随着地壳运动和板块迁移，这里逐渐变为一个巨大的“冰箱”。有研究表明，DNA在这样寒冷环境中的降解速度较慢。因此，古DNA中所蕴含的历史信息仍有希望被解读，这也使得古DNA技术成为回溯过去生物多样性变化的“时光机”。
研究团队在南极洲罗斯海沿岸收集了来自不同采样点的156份地层沉积物样本，并结合地质定年法确定样品的年代。结果显示，这些样本的时间跨度大约为6000年。团队对样本进行古DNA提取，并利用我国国产测序仪DNBSEQ平台测序，然后采用最近共同祖先方法识别基因片段属于哪类生物。超过500万条的序列被确认来自真核生物，包括动物、植物和真菌等。其中，约76%的序列来自企鹅等后生动物。
随着样本从地表层进入更深层，真核生物的DNA含量逐渐减少，而来自原核生物的DNA逐渐占据主导地位——这揭示出古老DNA随着时间流逝逐渐降解的过程。团队进一步评估全新世中晚期罗斯海区域的生物多样性模式，揭示阿德利企鹅种群的历史及其食物链变化，确认沉积古DNA技术在重建南部高纬度地区过往生物多样性模式的潜力。
企鹅摄食行为的空间分布意味着什么
在南极的生态系统中，阿德利企鹅并非独居“居民”，它们与许多其他生物共同构成了复杂的生态网络：一方面，企鹅是小型海洋动物的捕食者，如磷虾和鱼类；另一方面，企鹅也被其他脊椎动物捕食或干扰，如贼鸥是企鹅幼鸟的主要捕食者。
全新世中晚期南极罗斯海区域生物复原图（绘图：白鲸）
研究发现，在不同时间或地点，企鹅食物类群占比存在变化：在罗斯海南部地区，企鹅会吃更多的鱼，而在北部则更偏爱磷虾；在现存企鹅栖息地附近，磷虾的占比比较多；过去4000年以来，生活在南极浅水区的博氏南冰鰧的丰度逐渐减少，而生活在中上层水域的侧纹南极鱼的丰度有所增加等。
由于较难用常规手段观察到，水母等刺胞动物常被传统企鹅食性研究忽略，本研究则揭示了企鹅在罗斯海地区摄食刺胞动物行为的空间分布模式——相对罗斯海南部地区，北部（如阿德尔角区域）和中部（如北阿德利湾）地区刺胞动物的丰度更高。这些信息表明了气候生态变化对南极生态系统组成的影响。
作为罗斯海海洋食物链的基础，浮游生物可能会通过自下而上的营养传递影响大型捕食者的数量，故其变化可以记录南极过往的气候变化和生态演替。这次研究发现了包括硅藻、绿藻、红藻、纤毛虫和尾藻等在内的浮游生物痕迹，同时存在明显的时空变化，比如纤毛虫在罗斯海中部和南部企鹅活跃的地区更常见，而在其他区域则较少见。此外，研究提到，南极洲可参考数据集的不完整也会影响完整食物网的构建。
研究还注意到，目前南象海豹的繁殖地主要集中在亚南极地区的岛屿，有时候会与企鹅共享栖息地。在南象海豹当前栖息地更南边的哈利特角地区，历史上南象海豹与企鹅存在过演替现象。大约1400年前，较温暖的气温吸引海豹前来该地区生活，但随着气候变冷和海冰增加，海豹逐渐退出，该地区被阿德利企鹅占据。可见，全新世海冰变化影响南极栖息地的可用性，气候变化引起物种栖息地的收缩和扩张——这在揭示过去气候和海冰变化对南极生物分布影响的同时，也提示南极生态系统对气候变化的敏感性，为未来极地生物分布的预测提供了依据。
两年前，研究团队利用跨学科技术整合化石、古气候、基因组信息，揭示出企鹅6000万年来的物种演化历程和对极端环境的适应机制，见证了企鹅在大时间尺度上的物种演化。“这一次，我们尝试在更小时间尺度上发现新问题，展示了利用南极沉积物中的DNA来研究南极高纬度地区陆地和海洋生物多样性时空动态的巨大潜力，使人们得以窥探南极生态的过去，并感受到地球生态系统的脆弱与复杂。”
在团队成员、华大生命科学研究院研究员李启业看来，通过科学研究，不仅能够更好地了解企鹅，还能深入理解整个南极生态系统的运作机制，“希望通过更多国内外合作填补南极生物多样性数据资源的空白，这对理解南极生态系统至关重要”。
本文原文来自光明日报