Nos últimos 250 milhões de anos, eventos geológicos e climáticos impactaram a região Neotropical, incluindo a vertente atlântica brasileira, que experimentou intensa atividade tectônica. A família Poeciliidae surgiu há mais de 50 milhões de anos no continente sul-americano, e Phalloceros, seu gênero mais diverso, é composto por 21 espécies. Com até oito filogrupos reconhecidos, Phalloceros harpagos possivelmente representa um complexo de espécies e é uma das poucas espécies de peixe de água doce registrada em todo o gradiente longitudinal do rio Macaé, no estado do Rio de Janeiro. Este estudo teve como objetivo explorar a variabilidade genética de P. harpagos e inferir sua história demográfica na bacia hidrográfica do rio Macaé e planície fluvial adjacente. Os exemplares foram amostrados em 10 locais distribuídos em três compartimentos geomorfológicos - Escarpa Serrana (ES), Domínio Colinoso (DC) e Planície Fluvial (PF) - contemplando um gradiente de 600 m de elevação. O gene mitocondrial COI foi sequenciado, e o relacionamento entre haplótipos foi inferido por árvores filogenéticas e redes haplotípicas. Índices de diversidade genética foram estimados e modelos demográficos foram avaliados por computação Bayesiana aproximada para entender a história demográfica e a estruturação genética das populações dentro e entre os três compartimentos geomorfológicos. Foi identificada a ocorrência de duas espécies filogeneticamente distantes no ponto mais a montante e detectada estruturação genética entre os três compartimentos. A identificação de linhagens diferenciadas molecularmente sustenta a hipótese de que P. harpagos reflete as transformações geológicas dos últimos milhões de anos e climáticas dos últimos milhares de anos. Mudanças eustáticas do Quaternário tardio moldaram a história demográfica das populações especialmente da ES e do DC. A colonização de Phalloceros na bacia do rio Macaé foi facilitada por capturas de drenagem e variações do nível do mar.
