Amazonka i sąsiednie stoki andyjskie w Ameryce Południowej są pełne zadziwiającego bogactwa roślin i zwierząt. Gatunki te były źródłem pożywienia, schronienia i lekarstw od przybycia ludzi i celem naukowej ciekawości od czasów pierwszych europejskich odkrywców przyrodników.
Jakie procesy wytwarzają takie gorące miejsca bogactwa gatunków i dlaczego różnorodność biologiczna stopniowo zmniejsza się w kierunku wyższych szerokości geograficznych i bardziej suchych klimatów? Naukowcy zaproponowali wiele konkurencyjnych wyjaśnień, ale nie ma łatwego sposobu na ich przetestowanie. Jako biogeografowie, ci z nas, którzy badają geografię życia na planecie, nie mamy możliwości przeprowadzania eksperymentów w świecie rzeczywistym. Byłoby zarówno niepraktyczne, jak i nieetyczne, podejmowanie masowych wprowadzeń lub eksterminacji gatunków, a następnie czekanie stuleci lub tysiącleci na wyniki.
Zamiast tego, jak informowaliśmy w naszym ostatnim badaniu opublikowanym w czasopiśmie Science, zebraliśmy interdyscyplinarny zespół biogeografów i modelarzy klimatu, aby stworzyć wirtualny świat - miejsce do przeprowadzania wirtualnych eksperymentów. Świat, który odtworzyliśmy, był poklatkową symulacją życia na kontynencie Ameryki Południowej, od 800 000 lat temu aż po teraźniejszość, w klimacie biczowym ostatnich ośmiu cykli lodowcowych. Jeśli wzorce różnorodności biologicznej wytwarzane w tym symulowanym świecie wytworzyły dość realistyczne wzorce różnorodności, moglibyśmy być pewni, że procesy ekologiczne i ewolucyjne wbudowane w symulację były prawidłowe.
Znaleźliśmy niespodziankę, która przerosła nasze najśmielsze oczekiwania. Mapy różnorodności gatunków Ameryki Południowej, które powstały z naszych symulacji, wyglądały niezwykle podobnie do map żywych ptaków, ssaków i roślin. Co więcej, symulacje potwierdziły sporadyczne korytarze migracyjne między Andami i lasem deszczowym Atlantyku w południowo-wschodniej Brazylii. Regiony te są obecnie odizolowane od siebie suchszymi klimatami, ale naukowcy od dawna podejrzewają istnienie powiązań w oparciu o obecność blisko spokrewnionych żywych gatunków w obu regionach.
Wirtualne życie w wirtualnym świecie
Każda symulacja rozpoczęła się od jednego wyimaginowanego gatunku, zasianego gdzieś na szczegółowej mapie topograficznej Ameryki Południowej. Po 500 latach, łącznie 1600 kroków, klimat został zaktualizowany dzięki najnowocześniejszemu modelowi paleoklimatu stworzonemu przez naszych kolegów Neila Edwardsa i Phila Holdena z The Open University w Wielkiej Brytanii
Ogółem przeprowadziliśmy ponad tysiąc symulacji, każda z inną kombinacją ustawień tylko czterech zmiennych:
- Jak długo populacja musi być odizolowana, aby stać się nowym gatunkiem
- Jak szybko gatunki mogą ewoluować, aby przetrwać, w odpowiedzi na zmiany klimatu
- Jak daleko gatunek może się przemieszczać w nieodpowiednim środowisku
- Jak blisko spokrewnione gatunki konkurują ze sobą.
Dlaczego silna zgodność między naszymi symulowanymi mapami bogactwa gatunków a rzeczywistymi mapami ptaków, ssaków i roślin była tak zaskakująca? Ponieważ nasze symulacje obejmowały tylko niewielki wycinek czasu w długiej historii Ameryki Południowej. Osiemset tysięcy lat może wydawać się głębokim czasem, ale Ameryka Południowa oddzieliła się od Afryki 130 milionów lat temu, a Andy rozpoczęły swój wzrost 25 milionów lat temu. Rosnąca lista południowoamerykańskich grup roślin i zwierząt jest obecnie zróżnicowana w późnym okresie czwartorzędowym - mniej więcej w ciągu ostatnich 800 000 lat - ale większość gatunków na kontynencie jest znacznie starsza.
Byliśmy również zaskoczeni, że nasze symulowane mapy tak bardzo przypominały rzeczywiste wzorce bogactwa gatunków, ponieważ nasze mapy nie kierowały się żadnym konkretnym docelowym wzorcem różnorodności. Zostały one zbudowane wyłącznie na podstawowych procesach, rozumianych na podstawie podstawowych badań w dziedzinie ekologii i biologii ewolucyjnej. Na przykład modelowaliśmy ewolucyjną adaptację do ekstremów klimatycznych, stosując zasady i równania z genetyki populacji.
Od kołyski do muzeum po grób
Gatunek żyjący dzisiaj to ocalałe. Są to górne wierzchołki drzew ewolucyjnych z wieloma martwymi gałęziami poniżej, które reprezentują wyginięcie w przeszłości. Biolodzy ewolucyjni są teraz w stanie wywnioskować, w wielu przypadkach, gdzie żyli przodkowie gatunków żywych. Regiony, w których gatunki rozmnażały się w przeszłości, nazwano „kolebkami specjacji”. Na przykład stoki andyjskie od dawna uważane są za miejsce specjacji.
Pierwszy schemat drzewa ewolucyjnego Karola Darwina, z jego pierwszego zeszytu na temat transmutacji gatunków (1837). Z jego notatek jasno wynika, że rozumiał, że wyginięcie jest istotnym elementem ewolucji: „W ten sposób powstawałyby rodzaje mające związek z typami starożytnymi o kilku wymarłych formach”. (Domena publiczna) Regiony, w których gatunki przetrwały wyjątkowo długo, nazywane są „muzeami”. Każdy region, taki jak Amazonka, w którym żyje wiele starożytnych gatunków, można uznać za muzeum biogeograficzne. Przeciwnie, ustalenie, gdzie martwe gałęzie drzewa ewolucyjnego powinny zostać umieszczone na mapie - „groby” - jest praktycznie niemożliwe poprzez badanie geografii żywych ocalałych.
Poprzez nasze symulacje śledziliśmy i mapowaliśmy całą „trajektorię życia” każdego wirtualnego gatunku, od kołyski po grób, w przestrzeni i czasie.
W miarę zmiany klimatu w symulacji krok po kroku zasięg geograficzny gatunku (jego położenie na mapie) może zostać podzielony przez nieodpowiedni klimat. Jeśli fragment utrzymuje się w izolacji wystarczająco długo, zostaje ogłoszony nowym gatunkiem. Czas fragmentacji i lokalizacja takiego fragmentu w tym okresie izolacji określa „segment kolebkowy” jego trajektorii życia.
Kiedy i jeśli gatunek wirtualny wyginie, rejestrujemy czas i wykreślamy na mapie lokalizację spadku w kierunku wyginięcia, który reprezentuje „poważny segment” trajektorii życia gatunku. Czas i miejsce, w których każdy gatunek utrzymuje się między kołyską a grobem, określa „segment muzealny” jego trajektorii życia.
Nasze symulacje stworzyły mapy kolebek, muzeów i po raz pierwszy grobów. Mapy potwierdziły, że wschodnie stoki Andów i zachodnia Amazonka są kolebkami specjacji. Groby wymarcia zbiegły się w czasie z kołyskami w niektórych regionach, takich jak Amazonka, i zostały wyparte z kołysek w innych, takich jak Andy. Wschodnie zbocze tropikalnych Andów okazało się nie tylko kolebką, ale także bogatym muzeum różnorodności biologicznej.
Sprawdziliśmy także, kiedy specjacja i wyginięcie osiągnęły szczyt i spadły w trakcie symulacji, i stwierdziliśmy, że cykle lodowcowe napędzają oba procesy. Szczyty wymierania zwykle podążały za szczytami specjacji w okresach szybkiego ocieplenia pod koniec zimnych okresów lodowcowych.
Dynamika klimatu i topografia kształtują wzorce
Nasze badania prowadzą nas do przekonania, że wzorce bogactwa gatunków żywych, niezależnie od wieku gatunku, mają swoje źródło w tych samych procesach leżących u podstaw modelu, który modelowaliśmy w symulacji. Interakcja między burzliwym klimatem ostatnich 800 000 lat a dramatycznymi krajobrazami Ameryki Południowej spowodowała specjację w niektórych młodszych grupach roślin i zwierząt, ale bezustannie zmieniła położenie zarówno młodych, jak i starożytnych gatunków.
Działalność człowieka wymusza zmiany w globalnym klimacie w niespotykanym dotąd tempie, znacznie szybciej niż dynamika klimatu w naszym modelu. Wiemy, że gatunki już się przemieszczają, a ich zakresy zmieniają się w alarmującym tempie na lądzie i na morzach, co ma ogromny wpływ na ludzkie życie i źródła utrzymania.
Chociaż nasze symulacje nie zostały zaprojektowane do przewidywania przyszłości, pokazują one dynamicznie siłę zmian klimatu w kształtowaniu życia na Ziemi.
Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation.
Robert K. Colwell, Distinguished Research Professor, University of Connecticut
Thiago F. Rangel, profesor ekologii, Universidade Federal de Goias
