在北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院教授王志恒的腦海中，始終縈繞著一幅畫面：西北戈壁，大漠黃沙，守林人一步一棵苗、一步一碗水，造就片片綠意，清晨的陽光穿梭過樹葉間，猛烈地灑在大地上，顯得壯觀且溫暖。

這幅畫面是王志恒兒時不經(jīng)意間看到的一個場景，那是第一次，他對保護(hù)生態(tài)環(huán)境有了意識。

如今，王志恒看到了更大的“責(zé)任”——多個研究表明，我們的地球正經(jīng)歷第六次生物多樣性大滅絕。他知道，要想保護(hù)生物多樣性，必須要先了解它們在何處分布，以及如何進(jìn)化為今天的模樣。

(資料圖片僅供參考)

從博士期間，王志恒從整理中國的單一植物家譜出發(fā)，歷時20年，繪制了全球植物分布與進(jìn)化歷史圖譜。

青藏高原的杜鵑花、澳大利亞的桉樹、南美洲的白菊......全球多樣化的山川形勝，王志恒如數(shù)家珍。5月30日，《自然—通訊》雜志在線發(fā)布了王志恒團(tuán)隊的這一最新研究成果，他們以定量方法確立了全球植物地理區(qū)的劃分，并揭示了晚侏羅紀(jì)以來，植物地理區(qū)的演化歷史，評估了過去氣候和地質(zhì)歷史對不同植物地理區(qū)之間植物區(qū)系分異的相對貢獻(xiàn)。

數(shù)據(jù)積累驅(qū)動圖譜更新

“生物多樣性危機(jī)是當(dāng)前人類面臨的重大挑戰(zhàn)之一。通過生物地理分區(qū)，我們能夠更好地了解生物區(qū)系的進(jìn)化歷史和趨勢，為生物多樣性保護(hù)和政策規(guī)劃提供基礎(chǔ)支撐。”王志恒告訴《中國科學(xué)報》。

植物區(qū)系是指一定時間和空間內(nèi)所有植物的組合。植物區(qū)系區(qū)劃，則是按照物種組成將相似的區(qū)系合并，形成不同層次的植物地理區(qū)。

不同層次的植物地理區(qū)，反映著植物的演化及其對地質(zhì)和氣候變化歷史的響應(yīng)。

王志恒表示，對植物區(qū)系進(jìn)行區(qū)劃，一方面可以為揭示物種多樣性分布格局的形成與維持機(jī)制提供明確的空間框架，另一方面也可為生物地理學(xué)、系統(tǒng)發(fā)育地理學(xué)、生物多樣性保護(hù)地規(guī)劃以及區(qū)域環(huán)境演變等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

從19世紀(jì)初期開始，植物學(xué)家先驅(qū)們根據(jù)他們對植物區(qū)系特有性的理解，開展了一系列世界和區(qū)域性植物區(qū)系區(qū)劃的開創(chuàng)性工作。例如，現(xiàn)在目前最廣泛使用的植物區(qū)系區(qū)劃圖誕生于1986年，由蘇聯(lián)植物學(xué)家塔赫他間主導(dǎo)完成。

“這些經(jīng)典植物地理區(qū)劃分多基于地區(qū)植物特有性，缺乏對地區(qū)內(nèi)所有植物類群的全盤考慮。”王志恒說。

數(shù)十年來，隨著物種分布的變化、大數(shù)據(jù)的積累，越來越多的研究采用定量化的方法，研究基于物種間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，進(jìn)行植物地理區(qū)劃分。

不過，現(xiàn)有研究多關(guān)注區(qū)域尺度或特定類群，仍然缺乏全球被子植物的定量植物地理區(qū)劃分方案，而關(guān)于植物地理區(qū)之間區(qū)系組成差異的驅(qū)動因素，如歷史時期氣候變化和板塊運(yùn)動等過程也仍不清楚。

王志恒希望，在建立全球被子植物屬水平分布和系統(tǒng)發(fā)育樹的基礎(chǔ)上，對全球植物地理區(qū)進(jìn)行重新劃分，并探討植物地理區(qū)之間區(qū)系分異的時空動態(tài)和驅(qū)動機(jī)制。

歷時20年的跨越

繪制全球植物地理區(qū)，非一日之寒。起初，王志恒也沒有想過要做全球尺度的植物多樣性格局研究。

2002年，王志恒讀博士時做的課題是木本植物在中國的分布，那時，他有一個初步的疑問：一個國家是行政單元，而非自然地理單元，這樣形成的結(jié)論在更大的空間尺度上是否具有一般性。

后來，他將地理范圍拓展到了整個東亞，研究東亞范圍內(nèi)所有植物。再到如今，繪制全球尺度下的植物多樣性圖譜。

“在更大的地理和環(huán)境梯度下，能夠?qū)ξ覀兿惹疤岢龅募僬f理論進(jìn)行驗證，無論證實還是推翻，都是對植物多樣性更深入的認(rèn)識。”王志恒說。

在他看來，最難的在于數(shù)據(jù)的整合與處理。數(shù)據(jù)一方面來自團(tuán)隊野外調(diào)查，另一方面來自前人和積累與合作者的支持。

論文共同第一作者、四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授徐曉婷告訴《中國科學(xué)報》，此次研究，團(tuán)隊開發(fā)了從公共基因數(shù)據(jù)庫中提取基因片段的新方法，獲取到超過10萬余物種的60多萬條基因序列。最終篩選出了8個葉綠體和1個核基因片段，建立了全球被子植物屬級系統(tǒng)發(fā)育樹。

同時，研究團(tuán)隊還收集整理了主要國家和地區(qū)的植物分布資料，克服了多語言、多源數(shù)據(jù)融合等難點，建立了全球被子植物分布數(shù)據(jù)庫。

面對龐大的數(shù)據(jù)源，研究團(tuán)隊花費(fèi)2年多的時間處理分析。在高性能計算機(jī)上，一次分析至少3個月，中間稍有差錯，便要從頭再來。

在王志恒看來，這也是宏觀生態(tài)學(xué)的特點之一，基于宏觀尺度上的大數(shù)據(jù)分析，能幫助科研人員站得更高，更清楚地看清地球表面生物的分布規(guī)律，從而規(guī)劃并制定保護(hù)區(qū)的政策。

基于大數(shù)據(jù)，科研人員分析了不同地區(qū)間的系統(tǒng)發(fā)育生境間多樣性，然后利用層次聚類方法對全球被子植物進(jìn)行了定量區(qū)系區(qū)劃。

論文第一作者、北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院博士劉云鵬介紹，研究將全球劃分為8個植物區(qū)，以及細(xì)分為16個植物亞區(qū)。與廣泛使用的塔赫他間植物地理區(qū)相比，該研究新提出了撒哈拉—阿拉伯區(qū)，將舊熱帶區(qū)劃分為了非洲區(qū)和印度—馬來區(qū)，將南極區(qū)劃分為了智利—巴塔哥尼亞區(qū)和新西蘭區(qū)，并將開普區(qū)并入了非洲區(qū)。

探索分區(qū)背后的演化奧秘

認(rèn)識全球植物分布格局是第一步，更重要的是揭示其背后的形成原因。

科研人員重建了全球被子植物區(qū)的演化歷史，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的主要植物地理區(qū)在約6000萬年前的新生代早期就已經(jīng)基本形成，不同植物地理區(qū)之間的區(qū)系差異整體上呈隨時間逐漸變大的趨勢。其中，非洲區(qū)和印度-馬來區(qū)在新生代經(jīng)歷了融合并再次分離，最終在全新世后形成當(dāng)前地理格局。與此對應(yīng)地，非洲區(qū)和印度-馬來區(qū)的區(qū)系差異在古近紀(jì)差異較大，此后逐步縮小，但進(jìn)入第四紀(jì)后又有增大趨勢。

為什么呈如此演化趨勢？

科研人員結(jié)合現(xiàn)代氣候以及白堊紀(jì)以來的板塊運(yùn)動和氣候變化數(shù)據(jù)，確定了主導(dǎo)植物地理區(qū)間分異的植物類群。他們發(fā)現(xiàn)，比起歷史氣候的因素，板塊運(yùn)動造成的地理隔離對植物地理區(qū)之間的分異貢獻(xiàn)更高。

這說明植物地理區(qū)間的區(qū)系差異，主要在于板塊運(yùn)動影響，而對植物地理區(qū)內(nèi)區(qū)系獨(dú)特性貢獻(xiàn)較大的分支大多起源于板塊運(yùn)動劇烈的時期。

王志恒介紹，在地質(zhì)歷史上地理隔離相對較弱的地區(qū)，如新熱帶區(qū)和智利—巴塔哥尼亞區(qū)，歷史氣候則占主要因素。現(xiàn)代氣候的空間差異對植物地理區(qū)分化沒有顯著影響。總的來說，該研究發(fā)現(xiàn)植物區(qū)系隨時間的演化，基本上反映了地質(zhì)歷史過程對宏觀進(jìn)化過程的塑造。

該研究得到了審稿人的高度評價：這是一項在全球尺度上開展的非常有影響力的工作，是對前人工作的重要更新，對大尺度生物多樣性研究具有重要影響，未來在生態(tài)保護(hù)、全球變化等領(lǐng)域的研究中有重要應(yīng)用價值。

?

全球植物地理區(qū)（受訪者供圖）