科学家利用鲨鱼鳞片化石来重建数百万年前的群落 以了解人类活动的影响

自从20世纪中期开始有记录以来，人类活动已经导致全世界的鲨鱼数量急剧下降。然而，科学家们担心，这些基线数据本身可能反映了已经经历了显著下降的鲨鱼群落。Dillon将7000年前巴拿马珊瑚礁的鲨鱼鳞片的丰度和种类与今天珊瑚礁沉积物中的鲨鱼鳞片进行了比较，以辨别自人类开始使用该地区的海洋资源以来与珊瑚礁相关的鲨鱼群落是如何变化的。

发表在《美国国家科学院院刊》上的研究结果表明，该地区目前的鲨鱼数量只有史前时代鲨鱼数量的1/3，其中游得更快的物种受到了更大的打击。这种减少大部分在历史记录中得到了呼应，表明加勒比海巴拿马的鲨鱼在过去的一个世纪中受到了最严重的影响。

“这些结果让我们对人类开发之前珊瑚礁上的‘健康’鲨鱼群落可能是什么样子有了新的认识，”生态学、进化和海洋生物学系的博士生Dillon说。“它们可以帮助我们为管理和保护设定更合适的和特定地点的基线。”

鲨鱼的骨骼是软骨的，不容易化石化。通常情况下，古老的鲨鱼似乎只剩下了它坚硬的牙齿。但在适当的条件下，仔细观察周围的沉积物会发现数百个微小的鲨鱼鳞片，其厚度仅比人类的头发粗几倍。就像动物的牙齿一样，鲨鱼鳞片由牙本质组成，表面是坚硬的珐琅质。研究人员称它们为真皮齿，意思是 "皮肤的牙齿"，并认为两者本质上是相同的结构–只是在身体的不同部位。

科学家们经常依靠微化石来重建古代生态系统。像鳞片、花粉粒和浮游生物壳这样的物品可以提供大量关于过去生态系统的条件和居民的信息，这些信息并没有保存在大型化石中。更重要的是，鲨鱼在其一生中脱落的鳞片比牙齿多得多，因此皮肤齿状物可以为古生态学家提供比牙齿多得多的材料进行分析。

Dillon和她的团队很幸运地获得了位于巴拿马加勒比海岸的博卡斯-德尔托罗的化石珊瑚礁。通常情况下，古老的珊瑚礁被埋藏在活的珊瑚下，但建筑工程暴露了这个地方，使科学家们能够在它被填埋之前的几年内收集样本。

他们收集了在化石珊瑚礁内积累的沉积物。沉淀在分支珊瑚手指间的碎片被保护起来，避免与不同年龄的沉积物广泛混合。这基本上保存了一个古代珊瑚礁的材料的时间胶囊，因为它在不断增加。

研究小组使用放射性测定法来估计该珊瑚礁的年龄。珊瑚在生长过程中会将微量的铀，但不是钍，纳入它们的骨架。科学家们可以利用铀衰变为钍的可预测速度来确定珊瑚样本的年龄。利用这种方法，作者将化石礁上的珊瑚测定到大约7000年前。接下来是将齿状物从沉积物中分离出来的艰巨过程。使用醋酸溶液，她繁琐地将大约300公斤的碳酸盐沙子–足够装满两个浴缸–溶解成容易处理的400克残余物质，然后她在显微镜下进行分类，找到鳞片。

不同的齿状物形状对应不同的功能。例如，带点和脊的薄鳞片可以减少阻力，在大锤头鲨和丝鲨等快速游动的鲨鱼身上发现。脊的间距也很重要，达到快速爆发速度的动物倾向于采用较窄的脊。同时，像护士鲨和斑马鲨这样的动物，它们经常在坚硬的底层附近活动，往往有厚厚的、板状的鳞片，提供磨损保护。"它们有点像盔甲，"Dillon解释说。对不同鳞片的形式和丰度进行核算，使研究小组了解到哪些类型的鲨鱼栖息在古代珊瑚礁中，以及它们的相对数量。

也就是说，就像嘴巴的不同部位有不同形状的牙齿一样，鳞片的形态在鲨鱼的身体上也是不同的。鉴于这种差异性，几乎不可能将一个孤立的鳞片与一个特定的物种相匹配，就像通常可以用牙齿来做一样。这就是Dillon和她的同事在他们的论文中坚持对鲨鱼进行广泛的生态学分类的原因。

该团队艰苦的分析最终得到了回报。Dillon说："我们表明，微小的鲨鱼鳞片可以很好地保存下来，并以足够高的丰度发现，以便在很长的生态时间尺度上重建鲨鱼的基线。我们发现在全新世中期–在我们研究地区受到人类重大影响之前–和现在之间，鲨鱼的总丰度下降了大约71%。" 她补充说，这些史前珊瑚礁的环境条件与今天相似，主要的区别是它们比人类在巴拿马这一地区占领的最早证据早。

作者还发现，在这些珊瑚礁上发现的鲨鱼的类型在史前时代和今天之间发生了变化。中层水的“游泳者”（如牛鲨和双髻鲨）比底栖物种（如护士鲨）下降得更多。她说：“如果你在几千年前在这些珊瑚礁上浮潜，不仅鲨鱼会是一个更常见的景象，而且会有相对更多快速游泳的中上层鲨鱼。”

然而，Dillon对所有类型的鲨鱼在这一时期下降的事实感到震惊。她说：“如果捕鱼是唯一的驱动力，那么我们不会期望看到护士鲨随着时间的推移出现如此大的下降，因为它们的商业价值很低，很少成为该地区渔业的目标。但是我们做到了。这表明，观察到的鲨鱼数量下降并不仅仅是对这些动物的直接影响的结果，如过度捕捞，也可能来自间接因素，如珊瑚礁栖息地或可用猎物的损失。”

Dillon和她的合作者们还研究了鲨鱼丰度的历史记录。她说：“我们发现，根据这些记录，鲨鱼丰度的最大下降发生在20世纪的后半期。在这些记载和来自化石记录的结果之间，证据表明，这个地方的大多数鲨鱼下降发生在过去的100年内。”

这项研究的结果提供了对鲨鱼生态学的深入了解，以及对今天在珊瑚礁上观察到的鲨鱼数量的重要背景。大多数现代鲨鱼丰度的时间序列数据来自于有良好研究的商业性渔业的地方，而且通常数据收集是在渔业开始后很久才开始的。这使得我们很难确定在人类活动开始影响海洋之前，有多少鲨鱼存在，以及鲨鱼减少的长期生态后果。

Dillon计划继续调查皮肤齿状物。她目前正在太平洋水族馆研究不同鲨鱼物种脱落鳞片的速度变化。如果一个物种的脱落速度比另一个快得多，那么这个物种将留下更多的鳞片，即使这两个种群的大小相同。

她和她的同事们还从具有不同人类和生态历史的地区收集沉积物芯，以跟踪过去几千年来鳞片类型和丰度的高分辨率趋势。

使用鲨鱼鳞片来重建过去的丰度和多样性是一种相对较新的方法，这是第一次将其应用于与鲨鱼管理和保护有关的问题。Dillon说：“在这之前，我们真的不知道如何回答在人类影响之前鲨鱼在完整的珊瑚礁上的丰度问题。”她补充说，她希望其他研究人员利用这一强大的技术并将其应用于世界其他地方。