The Innovation Geoscience

海龙科拥有雄性怀孕、育儿袋、可卷曲的尾巴等特征，为其在珊瑚礁、海草床等近岸环境的拓殖奠定了基础，引发了我们对其演化机制的深入思考。我们希望通过系统发育、形态进化与地理扩散的综合分析，厘清其多样性形成的时空轨迹。

导 读

在浩瀚的海洋中，海龙科鱼类（Syngnathidae）堪称演化生物学的“明星物种”。它们不仅拥有动物界罕见的雄性怀孕现象，更演化出令人惊叹的多样性：既有优雅的海马，如拟态柳珊瑚的豆丁海马，也有伪装大师海龙，如隐匿海藻的叶海龙。但这些令人惊奇的形态是如何演化而来的？它们又是如何扩散到全球各大洋区的？本文通过系统分析海龙科物种的线粒体基因组、形态性状与分布数据，重建了其演化历史和扩散路径。研究发现，在气候变化与生态格局转变的背景下，具有闭合育儿袋的类群如海马属和海龙属演化加快，展现出更强的生态适应性与地理扩张能力。这项研究为理解海龙科多样性形成提供了关键线索，也拓展了我们对海洋鱼类全球辐射机制的认识。

图1 图文摘要

1. 海龙科的生命之树：家族谱系结构与“脉冲式”演化

通过基因数据构建的“家族谱系”显示，海马属和海龙属在大约2200万年前和1360万年前分别出现了明显的分化，并快速发展出多个新物种。它们的基因变异速率也明显更快，尤其是依赖漂浮植物传播的种类，演化节奏比其他类群要更快一些。而海龙类的变化相对较慢，属于“稳健型”的演化路线。这些差异很可能和当时的气候、环境有关。比如中新世的气候变暖和海平面上升，让更多区域变成了适合它们生存的新环境，也给了它们演化和扩散的“机会窗口”。

图2 海龙科物种系统发育及分化时间估计

2. 育儿袋：繁殖方式的革命性创新与物种多样化的“加速器”

生殖策略是海龙科演化最显著的特征之一。我们发现封闭式育儿袋（Enclosed Brood Pouch）的类群普遍拥有更高的多样性，尤其以海马属与海龙属为代表。尽管并非所有类群都严格符合该模式，但大部分属的育儿结构的闭合程度与多样性呈正相关趋势。复杂的育儿袋不仅能实现胚胎的氧气交换与渗透压调节，还增强了胚胎的生存概率。这一策略可能为海马属与海龙属适应复杂的近岸环境提供了生理保障。育儿袋结构的演化可能在地理扩散与生态适应中扮演关键角色。

3. 关键形态性状的演化路径

海龙科展现出丰富多样的形态变化，许多特征不仅影响它们的外观，也直接关系到它们的生活方式和生态适应。比如，吻部的长短会影响捕食的方式：吻长的种类多活跃在水体中上层，适合捕捉游动速度较快的小型猎物；而吻短的种类更擅长伏击慢速生物，常出现在近底层环境。头部的弯曲程度也是一项关键特征，像海马这种头部前倾的结构，有助于它们在伏击时更精准地瞄准目标。尾巴的结构同样重要，可卷曲的尾巴不仅能帮助它们固定身体在海草或珊瑚上，还能配合快速“点头”的动作完成捕食。更有趣的是，我们发现这些性状并不是在某一个祖先中统一演化出来的，而是在不同谱系中多次独立出现，也就是说，它们是面对类似生态需求时自然选择出的“最佳解决方案”。这些关键形态特征的变化，既体现了演化的方向性和重复性，也解释了海龙科如何在竞争激烈的近岸生态系统中占据一席之地。

图4 海龙科物种祖先状态估计和系统发育分析

4. 海龙属从哪里来？又是怎么走向全球的？

已有大量研究表明，海龙科鱼类多样性中心位于印太海域，且物种多样性最为丰富的海马属鱼类也是起源于此。其中，最为特别的是，海龙属作为这个家族中种类最多、分布最广的类群之一，祖先地理范围重建的结果显示其最早出现在西大西洋，之后逐步扩散到了东大西洋、印度—太平洋并建立种群。部分种群于约5 Mya扩展至东太平洋，形成当前的全球多样性格局。在这过程中，地理隔离与洋流运动构成扩散路径的重要“门槛”与“桥梁”。这为理解全球性海洋鱼类谱系的扩散与分化提供了关键案例。有些物种能借助漂浮植物漂洋过海，比如 S. louisianae；而像 S. floridae 这样的种类主要生活在海草床，对环境要求高，扩散范围相对有限。还有像 S. schlegeli 这样的种类，分布在中国沿海一带，在不同气候带中都能生存，显示出很强的适应能力。这些扩散过程也受到了洋流、气候变化以及海峡闭合等历史事件的影响，是多个自然因素共同作用的结果。

总结与展望

本研究通过系统整合基因组、性状与地理分布数据，揭示了海龙科中典型类群的演化分化机制，阐明了在适应不同的生态与地理条件过程中，逐步产生性状创新以及育儿袋结构的演化，从而驱动了其快速分化与全球扩张。未来将结合比较基因组与功能实验等方法，进一步揭示关键性状的形成机制及其适应意义。这项研究为我们理解海洋鱼类如何借助结构创新与环境适应实现全球扩张提供了研究基础和新视角。

责任编辑

高 姗   中国科学院青藏高原研究所

孙 杨   长江大学

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