东非抬升作为中新世中期动物群转变的催化剂：地球系统模拟揭示构造-气候-生态耦合机制

《SCIENCE ADVANCES》：East African uplift as a catalyst for Middle Miocene faunal transitions

　　本研究针对东非抬升如何驱动中新世气候-植被-动物群协同演变这一关键科学问题，通过整合地球系统模型EC-Earth3与动态植被模型LPJ-GUESS，模拟了不同CO2浓度下（500/460/800 ppm）三个关键时期（25/20/15 Ma）的生态系统响应。结果表明构造抬升与CO2下降共同导致森林退缩和草原扩张，为大型哺乳动物（包括冠人猿超科）的扩散和演化创造了新型生态廊道。该研究为理解地球系统过程塑造生物演化提供了多学科交叉范式。

　　

在漫长的地球历史中，中新世（约2300万至530万年前）是一个充满动态变化的时期，它见证了非洲大陆自然环境的剧烈转型和哺乳动物演化的关键阶段。这一时期，东非地区发生了大规模的构造抬升，形成了如今著名的东非大裂谷和埃塞俄比亚高原。与此同时，大气中的二氧化碳浓度也经历了显著波动，从中新世气候适宜期的高浓度水平，逐渐下降到中新世中期气候过渡期的较低水平。这些地球系统的重要变化如何共同塑造了非洲的生态系统？它们又是如何影响包括人类远祖在内的各种动物群的演化和迁徙？这些问题一直是古环境研究和古生物学领域关注的焦点。

传统研究往往依赖于理想化或简化的地形重建，难以准确捕捉东非地区复杂多变的地形演化过程。尽管先前有些研究尝试探讨构造抬升与生态系统变化的关系，但这些研究在模拟地形变化的空间复杂性方面存在局限。因此，东非抬升对中新世气候和植被影响的具体时间线和区域变异性仍然不够明确。正是为了填补这一研究空白，一项发表在《SCIENCE ADVANCES》上的研究通过创新的多学科方法，揭示了地球系统过程如何共同驱动了中新世非洲生物多样性的演变。

为了深入探究这些问题，研究人员开展了一项综合性的模拟研究。他们采用了高分辨率的地球系统模型EC-Earth3，并结合动态植被模型LPJ-GUESS，模拟了中新世三个关键时期（2500万年前、2000万年前和1500万年前）的气候和植被响应。研究团队使用了基于地球动力学模型重建的古地形数据，设置了不同的大气CO₂浓度水平，以代表中新世气候适宜期和中新世中期气候过渡期的不同环境条件。

研究的关键技术方法包括：使用地球系统模型EC-Earth3进行古气候模拟，整合动态植被模型LPJ-GUESS分析植被响应，基于地球动力学模型重建古地形边界条件，通过敏感性实验分析构造抬升与CO₂变化的耦合效应，以及结合化石记录进行模型结果验证。

气候和植被响应

模拟结果显示，在所有中新世模拟中，地表温度随着地形抬升而升高，特别是在800 ppm CO₂的模拟中，温度梯度变得平缓，整体升温更加明显。降水模式也发生了显著变化，中非地区的地形降水在早期中新世模拟中减少，但在高CO₂条件下这种效应得到缓解。例如，代表中新世气候适宜期的高CO₂模拟显示整个区域降雨量增加。这些气候变化直接影响了植被模式，萨赫勒地区和非洲之角等现今干旱地区在中新世条件下植被覆盖度增加，而中非地区由于降水减少，植被覆盖普遍下降。

植被转变和主导模式

植被覆盖度的变化与降水模式密切相关。模拟显示，在仅有地形变化而没有额外CO₂强迫的情景下，植被模式保持稳定，森林主导西中非，草本植物主导中东部非洲。埃塞俄比亚高原随着2500万至1500万年前的海拔升高，支持了更多的森林生长。当加入高CO₂浓度时，植被模式发生显著转变，早期中新世草地扩张，而在800 ppm的中新世气候适宜期情景中，森林覆盖范围向东非部分地区推进。随着中新世中期气候过渡期CO₂下降300 ppm，森林覆盖度略有下降，特别是在图尔卡纳盆地和中非地区。

C₃和C₄草地覆盖

对不同光合作用途径的草地分析显示，仅考虑地形变化的模拟与现今条件相比没有显著增加总植被或草地覆盖。然而，高CO₂浓度显著促进了植被廊道的形成，特别是通过撒哈拉地区的廊道，这可能促进了非洲和欧亚大陆之间的动物迁徙。中新世气候适宜期模拟表明这一时期总植被覆盖度显著更高，西撒哈拉和东撒哈拉的C₄草地明显增加。这些草地廊道随着中新世中期气候过渡期CO₂水平下降而收缩。

东非抬升引起的水文气候变化

研究证实了热带中非地区地形降水的减少，这与早期使用理想化地形重建的研究结果一致。通过更真实的地形边界条件，模拟更好地捕捉了这些变化的时空分布和幅度，特别是南非和中南非以及东非树木覆盖度的增加。结果支持了南部非洲开普地区在中新世经历湿润气候的观点，模拟显示该地区降雨增加和更高的树木比例，强调了地形抬升对区域气候的强烈影响。

从早期中新世森林到中新世中期草地的转变

模拟揭示了从早期中新世森林生态系统到中晚中新世更开放草地的明显转变。这一发现与阿拉伯半岛早中新世大量草花粉的证据一致，也与非洲多个化石地点的古环境重建相吻合。研究强调了个别化石地点生态轨迹与区域气候植被模式之间关系的重要性，为了解塑造动物演化的选择性景观提供了关键信息。

动物迁徙和动物群更替

中新世东非哺乳动物记录为了解快速环境变化时期的动物群更替提供了宝贵见解。模拟表明东非抬升和大气CO₂波动可能共同促成了扩散廊道和生态屏障的形成，介导了这些动物群转变。开放栖息地的扩张可能促进了欧亚食肉动物如鬣狗科、巴比猫科和水獭的迁入，同时也使本地草食类群得以扩展生态位。这些环境变化似乎驱动了哺乳动物群落的系统性转变，重塑了中新世中期东非的营养结构、竞争机制和生物地理分布。

这项研究通过结合地球物理学、古气候模拟和古生物学的多学科框架，强调了东非构造抬升与大气CO₂波动在中新世非洲生态系统重组中的核心作用。模拟揭示的从森林主导景观到更开放林地和草地的大陆尺度转变，改变了众多哺乳动物支系的适应景观，可能促进了扩散事件、生态位扩张和演化更替，特别是在冠人猿超科、食肉动物、牛科和其他大型哺乳动物中。

研究结果突出了中新世非洲的生态异质性，区域偏离模拟模式的情况有助于理解当地化石地点记录的环境背景。未来进一步将构造重建与高分辨率区域气候-植被模型相结合，为了解地球系统变化如何塑造哺乳动物演化提供了前景广阔的研究路径。这些努力对于重建关键支系（如冠人猿超科）出现和多样化的环境背景至关重要，将深化我们对地球生命演化历史的理解。