NUS研究发现 | 海黾历史与所生存洋流的历史紧密相连

编者按

NUS和加州大学圣地亚哥分校合作，对海黾基因进行研究，显示海黾历史与海洋历史紧密相连，并且种群遗传多样性和种群数量的变化与气候，洋流变化同步进行。

海黾——海洋滑行者

开阔的海洋环境恶劣，在那里昆虫可能不会茁壮成长。事实上，只有一个昆虫群体，即海黾（Halobates or sea skaters），已经适应了那里的生活。然而，这些昆虫是如何进化以征服海洋的，却不得而知。

现在，一项对海黾的遗传学研究提供了一条线索，答案与东太平洋的主要洋流出现时间有关，每个种类的海黾都在进化，以适应这些洋流的独特条件。

来自新加坡国立大学（NUS）和加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所的科学家们对在夏威夷和秘鲁之间的东太平洋上用浸网收集的三类海黾的基因进行了研究。研究结果显示，当这些海流变化时，它们也将针对不同的海流系统进行变化，以适应环境。

雄性海黾标本，来源：NUS

这些发现可能会揭开每个海黾物种如何占据与其他昆虫截然不同的栖息地的神秘面纱，也会加深我们对气候变化如何影响海栖生物的理解。

海黾的神秘面纱

研究负责人、新加坡国立大学李光前自然历史博物馆的昆虫学家Wendy Wang博士说："令人惊讶的是，海黾的遗传历史与我们海洋的遗传历史紧密相连。"开阔的海洋是一个极其恶劣的环境，白天阳光直射，强风和有限的食物。它们的身体覆盖物或角质层能够保护其内部器官不受热量和紫外线的伤害，并在猛烈的风暴中生存下来，在这片独特的栖息地找到食物。在这里，其他昆虫无法在海洋中展示它们独特的生态作用。这些特征使它们成为材料科学和极端生物适应性的迷人的研究对象"。

NUS 李光前自然历史博物馆 来源：CulturalHeritageOnline

该研究小组于2021年9月5日在《海洋生物学》杂志上首次报告了他们的发现。

遗传数据与气候变化

海黾一生都在海洋的表层薄膜上奔跑，经受着猛烈的风暴，以被困在海面上或下面的微小猎物为食。目前，海黾Halobates属有五个已知的海洋物种。虽然关于它们在哪里可以被发现的信息已经确定，但关于它们的遗传变异，以及洋流、温度和风等物理因素如何影响它们的分布却知之甚少。

研究小组对从墨西哥近海到秘鲁，以及远至夏威夷收集到的其中三种海黾物种进行了基因研究。大多数标本是由斯克里普斯海洋学的海洋生物、该研究报告的合著者Lanna Cheng博士从海面上用浸网捞起的。郑博士是一位致力于研究Halobates的世界级专家，她已经研究海黾属（Halobates）近50年了。

Dr Lanna Cheng在Cook’s Bay入口处用浸网收集标本 来源：NUS

王博士团队对这三个物种近400个样本进行基因测序和遗传分析，发现了明显的遗传变异，这些变异诉说了与古代该物种数量增长和发展截然不同的故事。

其中最古老的物种，Halobates splendens，被发现在近一百万年前扩大了其种群。另外两个较年轻的物种，Halobates micans和Halobates sobrinus，被发现在10万到12万年前大量增加。

这些变化出现的日期与过去的气候事件相吻合。如今，在源自南美海岸的秘鲁洋流——冷舌的富饶水域发现了H. splendens。气候学数据显示，这个冷水表层的物理特征是在一百万年前出现的，正好与H. splendens.的遗传多样性和种群的增长期相同。

另外两个物种H. sobrinus和H. micans被确定为在中美洲温暖的、相对贫瘠的水域中实现了多样化。当厄尔尼诺气候模式（El Niño）导致温暖的海水进入东太平洋时，这两个物种的种群数量增加。大约10万年前，厄尔尼诺效应在H. micans和H. sobrinus的栖息地尤其强烈，与这些物种形成现代基因模式和种群规模的时间相吻合。

郑博士说："由于开阔海洋中没有明显的物理边界来阻止它们，Halobates实际上可以从加利福尼亚海岸滑过整个太平洋到日本甚至更远。"然而，本文研究的两个物种，H. sobrinus和H. splendens从未被发现在东太平洋之外，我们不知道原因。这篇论文从它们的祖先那里给我们提供了线索"。

海黾与洋流

斯克里普斯海洋学的理查德-诺里斯教授(Richard Norris)是一位古生物学家，他在这项研究中将海黾种群的扩张与化石记录表明现代洋流最初形成的时期相匹配。

诺里斯教授说："遗传学表明，我们研究的三个物种都有一个种群增长时期，与它们生活的洋流系统出现的地质学证据非常吻合。"也许我不应该感到惊讶，因为海洋生物通常会专门适应特定的海洋条件，但是这些海黾生活在海洋表层。显然，即使是海浪和水面薄膜的特性在不同的洋流中也非常不同，对这些生物来说是很重要的。"

Richard Norris教授，来源：UC San Diego

研究展望

王博士阐述说："我们的研究结果强调了气候条件对海洋种群的深远影响。随着未来几十年持续的气候变化加速，这些结果也有助于理解海洋生物的命运。”

为了扩大他们的知识，研究人员将继续通过研究它们的基因组来研究这种神秘的海洋昆虫的种群动态。

来自NUS生物科学系的海洋生物学家、合著者以及斯克里普斯海洋学的校友黄丹威助理教授说："利用这项研究的关键见解，加上我们正在进行的工作，我们的目标是将各种Halobates物种的进化起源联系起来，并揭示它们是如何在今天占据海洋表面和沿海栖息地的。

研究小组成员研究海黾标本 来源：NUS