https://frosthead.com

Această simulare mapează creșterea și căderea speciilor de peste 800.000 de ani

Amazonul și pârtiile andine adiacente din America de Sud găzduiesc o uimitoare bogăție de plante și animale. Aceste specii au fost surse de hrană, adăpost și medicamente de la sosirea oamenilor și o țintă a curiozității științifice încă din zilele primilor exploratori naturaliști europeni.

Ce procese produc astfel de puncte fierbinți de bogăție de specii și de ce biodiversitatea scade treptat către latitudini mai mari și cu climat mai uscat? Oamenii de știință au propus multe explicații concurente, dar nu există o modalitate ușoară de a le testa. Ca biogeografi, cei care studiem geografia vieții de pe planetă, nu avem opțiunea de a efectua experimente din lumea reală. Ar fi atât nepractic, cât și lipsit de etică să întreprindem introduceri masive sau exterminări de specii și apoi să așteptăm secole sau milenii pentru rezultate.

În schimb, așa cum se arată în studiul nostru recent publicat în revista Science, am reunit o echipă interdisciplinară de biogeografi și modelatori de climă pentru a crea o lume virtuală - un loc unde să facă experimente virtuale. Lumea pe care am recreat-o a fost o simulare în timp în viața de pe continentul Americii de Sud, de la 800.000 de ani în urmă până în prezent, prin climaturile din ultimele opt cicluri glaciare. Dacă tiparele de biodiversitate produse în această lume simulată ar produce modele de diversitate rezonabil de realiste, atunci am putea fi siguri că procesele ecologice și evolutive construite în simulare ar fi corecte.

Ceea ce am găsit a fost o surpriză dincolo de așteptările noastre cele mai amabile. Hărțile diversității speciilor din America de Sud care au rezultat din simulările noastre arătau în mod remarcabil cu hărțile păsărilor vii, mamiferelor și plantelor. Mai mult, simulările au confirmat coridoarele de migrație intermitentă dintre Anzi și Pădurea Ploaică Atlantică din sud-estul Braziliei. În prezent, aceste regiuni sunt izolate între ele de climele mai uscate, dar oamenii de știință au bănuit de multă vreme că există conexiuni, bazate pe prezența unor specii vii înrudite în ambele regiuni.

Viața virtuală într-o lume virtuală

Fiecare simulare a început cu o singură specie imaginară, însămânțată undeva pe o hartă topografică detaliată a Americii de Sud. În pași de timp de 500 de ani, totalizând 1.600 de pași în total, climatul a fost actualizat cu un model paleo-climatic de ultimă generație creat de colegii noștri Neil Edwards și Phil Holden la Universitatea Open din Marea Britanie

În total am efectuat mai mult de o mie de simulări, fiecare cu o combinație diferită de setări pentru doar patru variabile:

  • Cât timp trebuie izolată o populație pentru a deveni o specie nouă
  • Cât de rapidă poate evolua speciile pentru a supraviețui, ca răspuns la schimbările climatice
  • Cât de departe se poate deplasa o specie într-un habitat nepotrivit
  • Cât de puternice sunt speciile strâns legate între ele.

De ce a fost atât de surprinzătoare puternica corespondență între hărțile noastre simulate de bogăția speciilor și hărțile din lumea reală pentru păsări, mamifere și plante? Pentru că simulările noastre au acoperit doar o porțiune minusculă de timp din istoria lungă a Americii de Sud. Opt sute de mii de ani pot părea ca timp adânc, dar America de Sud s-a separat de Africa în urmă cu 130 de milioane de ani, iar Anzii și-au început ascensiunea în urmă cu 25 de milioane de ani. Se știe că o listă în creștere a grupurilor de plante și animale din America de Sud s-a diversificat în perioada cuaternară târzie - aproximativ 800.000 de ani în urmă - dar majoritatea speciilor de pe continent sunt mult mai vechi.

De asemenea, am fost surprinși că hărțile noastre simulate semănau atât de îndeaproape cu modelele de bogăție ale speciilor, deoarece hărțile noastre nu au fost ghidate de niciun tipar țintă de diversitate. Au fost construite strict pe procese fundamentale, așa cum se înțelege din cercetările de bază în ecologie și biologie evolutivă. De exemplu, am modelat adaptarea evolutivă la extremele climatice folosind principii și ecuații din genetica populației.

De la leagăn la muzeu în mormânt

Speciile vii astăzi sunt supraviețuitori. Ele sunt vârfurile superioare ale copacilor evolutivi cu multe ramuri moarte mai jos, care reprezintă dispariții în trecut. Biologii evolutivi sunt acum capabili să deduce, în multe cazuri, unde ar fi putut trăi strămoșii speciilor vii. Regiunile în care speciile au proliferat în trecut au fost numite „leagăn” de speciație. De exemplu, versanții andini au fost considerați de mult timp un punct fierbinte de specializare.

Prima diagrama a lui Charles Darwin Prima diagramă a unui arbore evolutiv, de Charles Darwin, din Primul său Caiet cu privire la transmutarea speciilor (1837). Notele sale arată clar că a înțeles că extincțiile sunt un element esențial al evoluției: „Astfel, genurile ar fi formate în raport cu tipurile antice cu mai multe forme dispărute”. (Domeniu public)

Regiunile în care speciile au persistat timp îndelungat sunt numite „muzee”. Orice regiune, cum ar fi Amazonul, unde persistă multe specii antice poate fi considerată un muzeu biogeografic. În schimb, a considera că ramurile moarte din arborele evoluției ar trebui să fie plasate pe hartă - „mormintele” - este practic imposibil prin studierea geografiei supraviețuitorilor vii.

Prin simulările noastre, am urmărit și cartografiat întreaga „traiectorie de viață” a fiecărei specii virtuale, de la leagăn la mormânt, în spațiu și în timp.

Pe măsură ce climatul se schimbă de la un pas la altul într-o simulare, intervalul geografic al unei specii (locația sa pe hartă) poate fi fragmentat de un climat impropriu. Dacă un fragment persistă suficient de mult, este declarat o nouă specie. Timpul de fragmentare și localizarea unui astfel de fragment în această perioadă de izolare definesc „segmentul de leagăn” al traiectoriei sale de viață.

Când și dacă o specie virtuală se stinge, înregistrăm timpul și graficul de pe hartă a locației declinului spre dispariție, care reprezintă „segmentul grav” al traiectoriei pe durata vieții speciei. Timpul și locul pe care fiecare specie persistă între stadiul de leagăn și stadiul de mormânt definește „segmentul muzeal” al traiectoriei sale de viață.

Simulările noastre au produs hărți de leagăne, muzee și, pentru prima dată, morminte. Hărțile au confirmat că versanții estici ai Anzilor și Amazonul vestic sunt leagă de specializare. Mormintele de dispariție au coincis cu leagănele din unele regiuni, cum ar fi Amazonul, și au fost strămutate de la leagăn în altele, precum Anzi. Panta de est a Anzilor tropicali s-a dovedit a fi nu numai un leagăn, ci și un bogat muzeu al biodiversității.

Am urmărit, de asemenea, când speciația și extincția au atins și au scăzut pe parcursul simulărilor și am constatat că ciclurile glaciare au condus ambele procese. Vârfurile de extincție tind să urmărească vârfurile de specii în perioadele de încălzire rapidă la sfârșitul perioadelor glaciare reci.

Dinamica climei și topografia determină tiparele

Studiul nostru ne duce să credem că tiparele de bogăție pentru speciile vii, indiferent de vârsta unei specii, își au originea în aceleași procese care le-am modelat în simulare. Interacțiunea dintre climatul turbulent din ultimii 800.000 de ani și peisajele dramatice din America de Sud a determinat specializarea unor grupuri mai tinere de plante și animale, dar a zguduit locația atât a speciilor tinere, cât și a celor antice în concert, fără discriminare.

Activitățile umane forțează schimbările climatului global într-un ritm fără precedent, mult mai rapid decât dinamica climei din modelul nostru. Știm că speciile sunt deja în mișcare, intervalele lor schimbându-se cu rate alarmante pe uscat și pe mări, cu efecte profunde asupra vieții umane și a mijloacelor de trai.

Deși simulările noastre nu au fost concepute pentru a prezice viitorul, ele dezvăluie în mod viu puterea dinamică a schimbărilor climatice de a modela viața pe Pământ.


Acest articol a fost publicat inițial pe The Conversation. Conversatia

Robert K. Colwell, profesor de cercetare distins, Universitatea din Connecticut

Thiago F. Rangel, profesor de ecologie, Universidade Federal de Goias

Această simulare mapează creșterea și căderea speciilor de peste 800.000 de ani