Amazonas og de tilstødende Andes skråninger i Sydamerika er vært for en forbløffende rigdom af planter og dyr. Disse arter har været kilder til mad, husly og medicin siden menneskers ankomst og et mål for videnskabelig nysgerrighed siden dagene for de tidligste europæiske naturforskere.
Hvilke processer producerer sådanne hotspots med artsrigdom, og hvorfor falder biodiversiteten gradvist mod højere breddegrad og tørrere klima? Forskere har foreslået mange konkurrerende forklaringer, men der er ingen let måde at teste dem på. Som biogeografer, de af os, der studerer geografien for livet på planeten, har vi ikke muligheden for at gennemføre virkelige eksperimenter. Det ville være både upraktisk og uetisk at gennemføre massive introduktioner eller udryddelser af arter og derefter vente århundreder eller årtusinder på resultater.
I stedet for, som rapporteret i vores nylige undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Science, samlet vi et tværfagligt team af biogeografer og klimamodeller for at skabe en virtuel verden - et sted at udføre virtuelle eksperimenter. Den verden, vi genskabte, var en time-lapse-simulering af livet på kontinentet i Sydamerika, fra 800.000 år siden og frem til i dag, gennem whipsaw-klimaerne i de sidste otte gletscykler. Hvis mønstre af biologisk mangfoldighed produceret i denne simulerede verden producerede rimeligt realistiske mønstre af mangfoldighed, kunne vi være sikre på, at de økologiske og evolutionære processer, der blev indbygget i simuleringen, var rigtige.
Det, vi fandt, var en overraskelse ud over vores dybtgående forventninger. Kortene over den sydamerikanske artsmangfoldighed, der fremkom i vores simuleringer, lignede bemærkelsesværdigt ligner kort over levende fugle, pattedyr og planter. Hvad mere er, simuleringerne bekræftede intermitterende migrationskorridorer mellem Andesbjergene og den Atlantiske regnskov i det sydøstlige Brasilien. Disse regioner er i øjeblikket isoleret fra hinanden ved tørre klima, men forskere har længe mistænkt, at der eksisterede forbindelser, baseret på tilstedeværelsen af tæt beslægtede levende arter i begge regioner.
Virtuelt liv i en virtuel verden
Hver simulering begyndte med en enkelt imaginær art, podet et sted på et detaljeret topografisk kort over Sydamerika. I tidstrin på 500 år, i alt 1.600 trin i alt, blev klimaet opdateret med en avanceret paleoklimamodel oprettet af vores kolleger Neil Edwards og Phil Holden ved The Open University i England
I alt kørte vi mere end tusind simuleringer, hver med en anden kombination af indstillinger for kun fire variabler:
- Hvor længe en befolkning skal isoleres for at blive en ny art
- Hvor hurtigt arter kan udvikle sig for at overleve, som svar på klimaændringer
- Hvor langt en art kan bevæge sig hen over uegnede levesteder
- Hvor stærkt nært beslægtede arter konkurrerer med hinanden.
Hvorfor var den stærke korrespondance mellem vores simulerede kort over artsrigdom og kortene i den virkelige verden for fugle, pattedyr og planter så overraskende? Fordi vores simuleringer kun dækkede et lille stykke tid i Sydamerikas lange historie. Otte hundrede tusinde år kan virke som en dyb tid, men Sydamerika adskiltes for Afrika for 130 millioner år siden, og Andesfjernerne begyndte deres stigning for 25 millioner år siden. En voksende liste over sydamerikanske plante- og dyregrupper vides nu at have diversificeret sig i den sene kvartære periode - omtrent de sidste 800.000 år - men de fleste arter på kontinentet er meget ældre.
Vi var også overraskede over, at vores simulerede kort lignede de faktiske artsrigdommer så tæt, fordi vores kort ikke var styret af et bestemt målmønster for mangfoldighed. De blev grundigt bygget på grundlæggende processer, som det forstås af grundlæggende forskning i økologi og evolutionær biologi. For eksempel modellerede vi evolutionær tilpasning til klimakstremer ved hjælp af principper og ligninger fra befolkningsgenetik.
Fra vugge til museum til grav
Arter der lever i dag er overlevende. De er de øverste spidser af evolutionære træer med mange døde grene nedenfor, som repræsenterer udryddelser i fortiden. Evolutionsbiologer kan nu i mange tilfælde udlede, hvor forfædrene til levende arter kan have levet. Regioner, hvor arter spredt sig i fortiden er kommet til at blive kaldt "vugge" af speciation. For eksempel har Andes skråninger længe været betragtet som et hotspot af speciation.
Charles Darwins første diagram over et evolutionært træ fra hans første notesbog om transmission af arter (1837). Hans noter gør det klart, at han forstod, at udryddelser er et væsentligt element i evolutionen: 'Således ville der dannes slægter med relation til gamle typer med flere uddøde former.' (Public Domain) Regioner, hvor arter har varet i særlig lange perioder, kaldes ”museer”. Enhver region, såsom Amazonas, hvor mange gamle arter vedvarer, kan betragtes som et biogeografisk museum. I modsætning hertil er det praktisk taget umuligt at undersøge, hvor de døde grene i det evolutionære træ skal placeres på kortet - ”grave” - ved at studere levende overlevendes geografi.
Gennem vores simuleringer fulgte vi og kortlagde hele ”levetidens bane” for hver virtuel art, fra vugge til grav, i rummet og i tiden.
Når klimaet ændrer sig fra trin til trin i en simulering, kan den geografiske rækkevidde af en art (dens placering på kortet) være fragmenteret af uegnet klima. Hvis et fragment vedvarer isoleret længe, erklæres det som en ny art. Fragmenteringstiden og placeringen af et sådant fragment i denne isolationsperiode definerer "vuggesegmentet" i dets levetid bane.
Når og hvis en virtuel art bliver udryddet, registrerer vi tid og plot på kortet placeringen af tilbageganget mod udryddelse, som repræsenterer det ”alvorlige segment” i artens levetid bane. Den tid og sted, som hver art vedvarer mellem vuggestadiet og gravfasen, definerer ”museumssegmentet” i sin levetidsbane.
Vores simuleringer producerede kort over vugger, museer og for første gang grave. Kortene bekræftede, at de østlige skråninger af Andesbjergene og den vestlige Amazonas er vugge af speciation. Udryddelsesgraver faldt sammen med vugger i nogle regioner, såsom Amazonas, og blev forskudt fra vugge i andre, såsom Andesbjergene. Den tropiske Andes østhældning viste sig ikke kun at være en vugge, men også et rigt museum for biodiversitet.
Vi holdt også styr på, når speciation og udryddelse toppede og faldt i løbet af simuleringerne, og fandt, at gletscyklusser kørte begge processer. Ekstinktionstoppe var tilbøjelige til at følge spidsbelastningstider i perioder med hurtig opvarmning ved afslutningen af de kolde gletscherperioder.
Klimadynamik og topografi driver mønstre
Vores undersøgelse får os til at tro, at mønstre om rigdom for levende arter, uanset en arts alder, har deres oprindelse i de samme underliggende processer, som vi modellerede i simuleringen. Samspillet mellem de turbulente klimaer i de sidste 800.000 år og det dramatiske landskab i Sydamerika drev speciation i nogle yngre grupper af planter og dyr, men blandede placering af både unge og gamle arter sammen, ubetinget.
Menneskelige aktiviteter tvinger ændringer i det globale klima til en hidtil uset hastighed, meget hurtigere end klimadynamikken i vores model. Vi ved, at arter allerede er på farten, og deres intervaller skifter i alarmerende hastigheder på land og hav, med dybe effekter på menneskers liv og levebrød.
Selvom vores simuleringer ikke var designet til at forudsige fremtiden, afslører de levende den dynamiske kraft af klimaforandringer til at forme livet på Jorden.
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation.
Robert K. Colwell, fremtrædende forskningsprofessor, University of Connecticut
Thiago F. Rangel, professor i økologi, Universidade Federal de Goias
