在最近6000年里，人类文明蓬勃兴起。而身为地球“冰箱”的南极洲，生态系统也在这期间悄然发生演变——阿德利企鹅以其独特的生存方式，成为南极的象征之一。
作为武汉华大生命科学研究院、浙江大学生命演化研究中心与阿德莱大学等国内外科研机构共同发起的万种鸟类基因组基因组计划（简称“万鸟计划”）的成果之一，研究团队通过对沉积古DNA的研究，从中窥见了一些这6000年南极企鹅所经历的生态变化。近日，相关成果在《自然-通讯》上发表。
沉积古DNA技术：揭秘南极生态“时光机”
南极大陆位于地球的最南端，在古生代和中生代时期，这里曾植被繁茂。随着地壳运动和板块迁移，大约4000万年前，连接南极和南美的陆桥断裂，南极洲被茫茫大海包围，气候逐渐转冷。到了约3400万年前，南极冰盖形成，随着南极绕极流逐渐增强，南极逐渐变成了一个巨大的“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中的所蕴含的历史信息仍有希望被解读，这也使古DNA技术成为了回溯过去生物多样性变化的“时光机”。
为此，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6000年。
团队对样本进行了古DNA提取，并利用我国国产测序仪DNBSEQ平台进行测序，然后采用一种“最近共同祖先”的方法，来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、真菌等，其中，约76%来自企鹅等后生动物。而且，随着样本从地表层到更深层，真核生物的DNA含量逐渐减少，而来自原核生物的DNA则逐渐占据主导地位。这揭示了古老DNA随着时间的流逝逐渐降解的过程。
团队进一步评估了全新世中晚期罗斯海区域的生物多样性模式，并揭示阿德利企鹅种群的历史及其食物链的变化，确认沉积古DNA技术在重建南部高纬度地区过去生物多样性模式中的潜力。
图：研究地图与距今约5-6千年的沉积物剖面图（Jamie Wood提供）
企鹅生态网：空间分布揭示南极生态变动
在南极的生态系统中，阿德利企鹅并非独居的“居民”，它们与许多其他生物共同构成了一个复杂的生态网络：一方面，企鹅是小型海洋动物的捕食者，如企鹅捕食磷虾和鱼类，后者包括南极银鱼、南极鳕鱼等；另一方面也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，它们常在企鹅群落附近筑巢，是企鹅宝宝的“天敌”。
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，企鹅们会吃更多的鱼，而在北部更偏爱磷虾；在现存企鹅栖息地附近，磷虾的占比比较多；
在过去4000年以来，生活在南极浅水区的博氏南冰鰧（téng）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则有增加等。
由于较难被常规手段观察到，水母等刺胞动物常被传统企鹅食性研究忽略，而本研究则揭示了企鹅在罗斯海地区对水母等刺胞动物的摄食行为的空间分布模式——
相对罗斯海南部地区，在北部（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的组成的影响。
此外，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。它们的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，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的企鹅活跃的地区更常见，而在其它区域则较少见。同时，研究也提到了目前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。
阿德利企鹅与韦德尔氏海豹（摄影：Jamie Wood）
本次研究还发现了另一个发生在南象海豹上的值得注意的变化。目前，南象海豹的繁殖地主要集中在亚南极地区的岛屿上，有时候会与企鹅共享栖息地。但本研究发现，在南象海豹当前栖息地的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——
在距今大约1400年前后的晚全新世海豹最适期，较温暖的气温使海豹能够生活在该地区，但随着气候变冷和海冰的增加，海豹逐渐退出了这里，这里也逐渐被适应寒冷的阿德利企鹅占据。
这表明，全新世海冰变化影响了南极栖息地的可用性，气候变化引起了物种栖息地的收缩和扩张，揭示了过去气候和海冰变化对南极生物分布的影响，也提示了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。
了解南极：感受地球生态系统的脆弱与复杂
南极，这片冰封的大陆，不仅是科学研究的宝库，更是地球生态系统的重要组成部分。研究团队已不是第一次将目光聚焦于此。
两年前，该团队利用古今结合整合了化石、古气候、基因组信息揭示了企鹅六千万年来在大时间尺度上的物种演化历程和对极端环境的适应机制。
这一次，他们则尝试着在更小的时间尺度上发现新的问题，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，使我们得以窥探南极生态的过去，理解生命的顽强与适应，同时也感受到地球生态系统的脆弱与复杂。未来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，对理解南极生态系统至关重要。
在这片遥远的南极大陆上，企鹅的故事还在继续。它们的遗传密码，记录着过去，也指引着未来。通过科学研究，我们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。让我们携手共进，守护这片冰封的奇迹，让南极的企鹅继续在这片冰雪世界中自由翱翔。
阿德莱大学Jamie Wood研究员与武汉华大生命科学研究院周程冉博士是论文共同第一作者，Jamie Wood研究员与浙江大学生命演化研究中心张国捷教授是论文共同通讯作者。
