《Nature》文章：全球海底动物群的时空连通性研究——深海生物地理格局的系统发育解析

研究背景

在全球海洋生物多样性研究中，深海是最不为人知的环境，因为这个生态系统规模巨大且采样困难。准确理解深海生物的分歧和交换模式对于海洋保护和进化生物学具有重要意义。

研究的重要性体现在三个方面：

首次系统揭示了从沿海边缘到深海平原的全球海底动物群连通性模式;

阐明了深度和纬度梯度对海洋生物地理格局的决定性影响;

为深海生物多样性保护和海洋管理提供了科学依据;

研究方法

研究设计：

数据集构建：分析了来自332次研究考察队收集的2,699个蛇夫总科样本，涵盖多达263 kb的DNA序列数据 。

空间覆盖：跨越地球所有海洋，从赤道到两极、从潮间带到深渊，包含37个空间测深生物群落 。

时间尺度：基于系统发育分析的时间校准生物多样性转变，根部年龄约265百万年。

极端情景模拟：

深度分层：陆架（0-200米）、深海（200-3,500米）和深渊（3,500米以下）三个深度层 ；

地理区域：15个地理区域，包括极地、温带和热带生物群落；

分析范围：由于采样不充分，8个深海生物群落被从分析中删除；

评估指标：

系统多样性指标：独特最近邻距离的几何平均值（GUNN） ；

生物群落转变：使用马尔可夫-k模型估计生物群落间的过渡率；

系统发育分析：基于外显子捕获技术的高分辨率分子系统发育；

方法创新：

 研究团队开发了创新的无分类法方法，通过足够密集的采样计算单个样本而不是物种之间的生物群落间关系。这种方法避免了由于分类学不完善了解而产生的错误，包括神秘物种和错误分类的谱系。同时，采用系统发育方法使用样本而不是物种作为基本单位，包括了许多稀有和丰富物种的代表。

数据分析：

使用RAxML和TreePL构建超度量系统发育树 ；

通过多维尺度排序（NMDS）可视化生物群落关系；

使用CorHMM模型分析离散特征进化；

采用出生-死亡模型评估谱系多样化动态；

研究结果

深度生物地理格局的系统发育证据

研究结果显示，海洋生物群落呈现明显的深度梯度分化。陆架、深海和深渊生物群落形成不同的系统发育分组，反映了这些深度层之间的深度系统发育差异。例外是极地（南极和北极）和亚极地大陆架生物群落与深海生物群落相关。深海和陆架极地动物群之间的密切系统发育关系在两个半球都得到了关注，这种关系主要是深海类群的出现，而不是陆架类群的最近淹没。

浅水区域动物群的地理隔离模式

陆架生物群落关系反映了明显的纬度梯度，包括热带、温带、亚极地和极地生物群落。陆架深度的生物群落，无论是在纬度群之间还是在纬度群内，都具有明显不同的最近邻关系，几乎是深海或深渊深度生物群落之间表观年龄的两倍。热带大陆架生物群落的分化反映了扩散障碍的构造形成，包括特提斯海道和中美洲航道的逐渐关闭。

深海生物群落的全球连通性

深海生物群落形成极地-温带-热带梯度，但在系统发育上明显比陆架深度更相似。印度-太平洋、印度和西大西洋生物群落构成了深海热带动物群的核心。与陆架相比，温带深海生物群落密切相关，这不仅反映了历史生物多样性流动，还反映了物种复合体内的当代扩散。值得注意的是，地球两侧的北大西洋和澳大利亚南部生物群落之间存在许多过渡。

全球海洋环流与生物扩散路径

研究揭示了深海到深海生物群落的转变主导了扩散模式，尤其是在第四纪。跨越印度洋的联系更符合通过印度洋环流的南流而不是强大的南极环极洋流的扩散。这些蛇形复合体存在于南印度洋亚热带辐合点北侧的深海海底，但不存在于南侧的亚极地岛屿周围。生物群落关系的模式表明，深海温带蛇类谱系在新生代反复穿越赤道，特别是在大西洋。

小结

该研究通过分析全球最大规模的海洋无脊椎动物基因组数据集，系统揭示了海底动物群的时空连通性模式。研究发现，深海生物群落之间的连通性显著高于浅水区域，许多深海物种具有全球性分布。南大洋环流和深海环境的相对均质性促进了生物的长距离扩散。虽然强调了深海蛇类动物群的相对连通性，但需要注意这种动物群的分布并不均匀。不同的物种形成、扩散和灭绝速度导致了区域独特性。研究计算的蛇夫总科高灭绝率表明，现代动物群呈现拼凑状分布，存在许多系统发育上孤立的谱系。这一发现不仅加深了对海洋生物地理学的认识，也为深海生物多样性的长期保护提供了重要科学依据。深海生物的连通性应成为海洋养护评估的重要考虑因素。

来源：Nature