Амазонка и прилежащите склонове на Андите в Южна Америка са домакини на изумително богатство от растения и животни. Тези видове са източници на храна, подслон и лекарства от идването на хората и обект на научно любопитство още от дните на най-ранните европейски изследователи на натуралисти.
Какви процеси водят до такива горещи точки с видово богатство и защо биоразнообразието постепенно намалява към по-високи географски ширини и по-сух климат? Учените предложиха много конкурентни обяснения, но няма лесен начин да ги тествате. Като биогеографи, тези от нас, които изучават географията на живота на планетата, нямаме възможност да провеждаме експерименти в реалния свят. Би било непрактично и неетично да се предприемат масови въвеждания или изтребления на видове и след това да се чакат векове или хилядолетия за резултати.
Вместо това, както се съобщава в нашето скорошно проучване, публикувано в списание Science, събрахме интердисциплинарен екип от биогеографи и моделисти на климата, за да създадем виртуален свят - място за провеждане на виртуални експерименти. Светът, който пресъздадохме, представляваше симулация на живот на континента Южна Америка, от преди 800 000 години до наши дни, през климата на камшика от последните осем ледникови цикъла. Ако моделите на биоразнообразие, произведени в този симулиран свят, произвеждат разумно реалистични модели на разнообразие, тогава бихме могли да сме сигурни, че екологичните и еволюционните процеси, вградени в симулацията, са правилни.
Това, което намерихме, беше изненада над нашите най-мили очаквания. Картите на видовото разнообразие в Южна Америка, които се появиха от нашите симулации, изглеждаха забележително подобни на карти на живи птици, бозайници и растения. Нещо повече, симулациите потвърдиха прекъснати миграционни коридори между Андите и Атлантическата тропическа гора в югоизточна Бразилия. Понастоящем тези региони са изолирани един от друг от по-сух климат, но учените отдавна подозират, че съществуват връзки, основаващи се на наличието на тясно свързани живи видове в двата региона.
Виртуален живот във виртуален свят
Всяка симулация започваше с един въображаем вид, засаден някъде на подробна топографска карта на Южна Америка. Във времеви стъпки от 500 години, общо общо 1600 стъпки, климатът беше актуализиран с най-съвременния палео-климатичен модел, създаден от нашите колеги Нийл Едуардс и Фил Холдън от Отворения университет във Великобритания
Общо изпълнихме повече от хиляда симулации, всяка с различна комбинация от настройки за само четири променливи:
- Колко време трябва да бъде изолирана популация, за да се превърне в нов вид
- Колко бързо могат да се развият видове, за да оцелеят, в отговор на климатичните промени
- Доколко един вид може да се премести през неподходящо местообитание
- Колко силно сродни видове се конкурират помежду си.
Защо беше толкова изненадващо силното съответствие между нашите симулирани карти на богатството на видовете и реалните карти за птици, бозайници и растения? Защото нашите симулации покриха само една малка част от времето в дългата история на Южна Америка. Осемстотин хиляди години може да изглеждат като дълбоко време, но Южна Америка се отдели от Африка преди 130 милиона години, а Андите започнаха своя възход преди 25 милиона години. Известно е, че нарастващият списък на южноамериканските растителни и животински групи се диверсифицира през късния кватернер - приблизително през последните 800 000 години - но повечето видове на континента са много по-стари.
Ние също се изненадахме, че нашите симулирани карти приличат на действителните модели на богатство на видове толкова близо, защото нашите карти не се ръководят от конкретен целеви модел на разнообразие. Те са изградени строго върху фундаментални процеси, както се разбира от основни изследвания в екологията и еволюционната биология. Например, ние моделирахме еволюционното адаптиране към климатичните крайности, използвайки принципи и уравнения от популационната генетика.
От люлката до музея до гроба
Живите видове днес са оцелели. Те са горните върхове на еволюционните дървета с много мъртви клони отдолу, които представляват изчезване в миналото. Еволюционните биолози вече са в състояние да направят извод в много случаи, където може би са живели предците на живите видове. Регионите, в които видове, разпространявани в миналото, са били наричани „люлки“ на видовете. Например склоновете на Андите отдавна се смятат за горещо място на спецификацията.
Първата диаграма на Чарлз Дарвин за еволюционно дърво от първата му тетрадка за трансмутация на видове (1837 г.) От бележките му става ясно, че той е разбрал, че изчезването е съществен елемент на еволюцията: „Така ще се формират родове, които имат отношение към древните типове с няколко изчезнали форми“. (Публичен домейн) Регионите, където видовете съществуват особено дълго време, се наричат „музеи“. Всеки регион, като Амазонка, където много древни видове съществуват, може да се счита за биогеографски музей. За разлика от това, смятането къде на картата трябва да се поставят мъртвите клони в еволюционното дърво - „гробовете“ - е практически невъзможно чрез изучаване на географията на живите оцелели.
Чрез нашите симулации проследихме и картографирахме цялата „траектория на живота“ на всеки виртуален вид, от люлката до гроба, в пространството и във времето.
Тъй като климатът се променя от стъпка към стъпка в симулация, географският обхват на един вид (неговото местоположение на картата) може да бъде фрагментиран от неподходящ климат. Ако фрагмент персистира достатъчно дълго, той е обявен за нов вид. Времето на разпокъсаност и местоположението на такъв фрагмент през този период на изолация определя „сегмента на люлката“ на неговата траектория на живота.
Когато и ако виртуален вид изчезне, ние записваме времето и изобразяваме на картата местоположението на упадъка към изчезване, което представлява „гробният сегмент” от траекторията на живота на вида. Времето и мястото, които всеки вид продължава между етапа на люлката и гроба, определят „музейния сегмент” на неговата жизнена траектория.
Нашите симулации създадоха карти на люлки, музеи и за първи път гробове. Картите потвърдиха, че източните склонове на Андите и западната Амазонка са люлки на спецификацията. Гробовете на изчезване съвпадат с люлките в някои региони, като Амазонка и в други, като Андите, са изместени от люлките. Източният склон на тропическите Анди се оказа не само люлка, но и богат музей на биоразнообразието.
Ние също проследихме кога спецификацията и изчезването достигна пика и намаля в хода на симулациите и установихме, че ледниковите цикли задвижват и двата процеса. Върховете на изчезване имаха тенденция да следват върховете на видовете в периоди на бързо затопляне в края на студените ледникови периоди.
Климатичната динамика и топографията движат моделите
Нашето изследване ни кара да вярваме, че моделите на богатство на живите видове, независимо от възрастта на вида, имат своя произход в същите основни процеси, които моделирахме при симулацията. Взаимодействието между бурния климат от последните 800 000 години и драматичните пейзажи на Южна Америка подтикваше към някои по-млади групи от растения и животни, но разбъркваше безразборно разположението на младите и древните видове.
Човешките дейности налагат промени в глобалния климат с безпрецедентен темп, много по-бърз от динамиката на климата в нашия модел. Знаем, че видовете вече са в движение, а ареалът им се измества с тревожни темпове на сушата и в моретата, с дълбоко въздействие върху човешкия живот и поминъка.
Въпреки че нашите симулации не са проектирани да предсказват бъдещето, те ясно разкриват динамичната сила на изменението на климата, за да оформят живота на Земята.
Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation.
Робърт К. Колуел, уважаван професор по научни изследвания от Университета на Кънектикът
Тиаго Ф. Рангел, професор по екология, Universidade Federal de Goias
