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，要想保護生物多樣性，必須要先了解它們在何處分布，以及如何進化為今天的模樣。

(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。

數(shù)據(jù)積累驅(qū)動圖譜更新

“生物多樣性危機是當(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)系的進化歷史和趨勢，為生物多樣性保護和政策規(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理論進行驗證，無論證實還是推翻，都是對植物多樣性更深入的認識。”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，研究團隊花費2年多的時間處理分析。在高性能計算機上，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)系差異在古近紀差異較大，此后逐步縮小，但進入第四紀后又有增大趨勢。

為什么呈如此演化趨勢？

科研人員結(jié)合現(xiàn)代氣候以及白堊紀以來的板塊運動和氣候變化數(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，板塊運動造成的地理隔離對植物地理區(qū)之間的分異貢獻更高。

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

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、全球變化等領(lǐng)域的研究中有重要應(yīng)用價值。

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全球植物地理區(qū)（受訪者供圖）