Исследователи использовали почти полмиллиона окаменелостей для решения 200-летней научной загадки: почему количество различных видов наиболее велико вблизи экватора и неуклонно уменьшается к полярным регионам. Результаты исследования, опубликованные сегодня в журнале Nature, дают ценное представление о том, как биоразнообразие формируется в течение длительного времени, и как изменение климата может повлиять на глобальное видовое богатство.

Давно известно, что в морских и наземных системах виды (включая животных, растения и одноклеточные организмы) демонстрируют "широтный градиент разнообразия", причем пик биоразнообразия приходится на экватор. Но до сих пор ограниченные ископаемые данные не позволяли исследователям тщательно изучить, как впервые возник этот градиент разнообразия.

В новом исследовании ученые из университетов Оксфорда, Лидса и Бристоля использовали группу одноклеточного морского планктона под названием планктонные фораминиферы. Группа проанализировала 434 113 записей в глобальной базе данных ископаемых, охватывающей последние 40 миллионов лет. Затем они изучили взаимосвязь между количеством видов во времени и пространстве и потенциальными факторами, определяющими широтный градиент разнообразия, такими как температура поверхности моря и уровень солености океана.

Основные выводы:

    Современный широтный градиент разнообразия впервые начал формироваться около 34 миллионов лет назад, когда Земля начала переходить от более теплого к более холодному климату.
    Вначале этот градиент оставался неглубоким, пока примерно 15-10 миллионов лет назад он не стал значительно круче. Это совпадает со значительным усилением глобального похолодания.
    Пик богатства планктонных фораминифер пришелся на более высокие широты 40-20 миллионов лет назад. Однако примерно 18 миллионов лет назад пик богатства сместился на широту от 10° до 20°, что соответствует структуре разнообразия, наблюдаемой сегодня.
    Наблюдалась сильная положительная связь между видовым богатством и температурой поверхности моря - как при моделировании во времени в определенных местах, так и в разных местах в определенное время.
    Также наблюдалась положительная связь между видовым богатством и силой термоклина - температурного градиента, который существует между более теплой смешанной водой на поверхности океана и более холодной глубинной водой внизу.

По словам исследователей, эти результаты показывают, что современное распределение видового богатства планктонных фораминифер можно объяснить крутизной широтного температурного градиента от экватора к полюсам за последние 15 миллионов лет. Это могло открыть больше экологических ниш в тропических регионах в толще воды по сравнению с более высокими широтами, что способствовало более высоким темпам видообразования.

Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи изучили, насколько современные виды планктонных фораминифер обитают на разных глубинах в вертикальной толще воды. Они обнаружили, что в низких широтах, ближе к экватору, современные виды более равномерно распределены по вертикали в толще воды, по сравнению с высокими широтами.

Это позволяет предположить, что ключевым фактором современного градиента разнообразия было значительное увеличение разницы температур поверхности моря между низко- и высокоширотными регионами, а также в толще воды, начиная с 15 миллионов лет. Более теплые воды в тропиках могли поддерживать более широкий спектр различных температурных сред обитания и экологических ниш в вертикальной толще воды, что способствовало эволюции большего числа видов.

Это подтверждается тем, что современные тропики богаче, чем тропики более теплых периодов прошлого (таких как эоцен и миоцен), когда в океанах практически отсутствовал вертикальный температурный градиент.

Кроме того, похолодание температуры моря в высоких широтах, вероятно, привело к вымиранию многих региональных популяций видов, что способствовало появлению современного градиента разнообразия.

Планктонные фораминиферы происходят из раннего и среднего юрского периода (около 170 миллионов лет назад). Они встречаются в океанах по всему миру - от полярных регионов до экватора - и занимают различные экологические ниши в верхних двух километрах океанов. Поскольку они производят твердые внешние оболочки, их можно сохранить в большом количестве. Глобальное изобилие планктонных фораминифер и их исключительная ископаемость за последние 66 миллионов лет сделали их идеальной группой для данного исследования.

Доктор Эрин Сауп (факультет наук о Земле, Оксфордский университет), ведущий автор исследования, сказала: "Выясняя, как пространственные модели биоразнообразия менялись в течение глубокого времени, мы предоставляем ценную информацию, необходимую для понимания того, как биоразнообразие формируется и поддерживается в геологических временных масштабах, что выходит за рамки современных экологических исследований".

Доцент Трейси Эйз (Школа Земли и окружающей среды, Университет Лидса), соавтор исследования, добавила: "Несмотря на то, что они достаточно малы, чтобы уместиться на булавке, планктонные фораминиферы имеют одну из самых полных видовых летописей окаменелостей, известных науке. Наше исследование основано на 60-летнем опыте сбора глубоководных образцов и тщательного подсчета и регистрации сотен тысяч образцов учеными-исследователями. Это фантастика - иметь возможность получить такие важные результаты о движущих силах распространения видов во времени и поступить справедливо с этим замечательным архивом окаменелостей".

Соавтор исследования доктор Алекс Фарнсворт, старший научный сотрудник факультета географических наук Бристольского университета, сказал: "Понимание того, почему в древней истории виды были более разнообразны и обильны ближе к экватору и менее многочисленны ближе к полюсам, может дать важное представление о том, как морские виды, такие как планктон, могут реагировать на это в будущем". Эти крошечные одноклеточные организмы являются жизненно важным звеном в морской пищевой цепи, поэтому изучение их реакции на изменение климата может помочь нам лучше предсказать, как они могут пострадать по мере дальнейшего потепления в связи с нарастающим изменением климата.

"Это потенциально имеет большие последствия для морских пищевых цепей, таких как рыба и водные млекопитающие, например, тюлени и киты, и может быть использовано для обоснования будущих мер по защите морской жизни и сохранению биоразнообразия".