Amazonas og de tilstøtende Andean-bakkene i Sør-Amerika er en forbløffende rikdom av planter og dyr. Disse artene har vært kilder til mat, husly og medisin siden ankomst av mennesker og et mål for vitenskapelig nysgjerrighet siden dagene til de tidligste europeiske naturforskerne.
Hvilke prosesser produserer slike hot spots av artsrikdom, og hvorfor avtar biologisk mangfold gradvis mot høyere breddegrader og tørrere klima? Forskere har foreslått mange konkurrerende forklaringer, men det er ingen enkel måte å teste dem på. Som biogeografer, de av oss som studerer geografien for livet på planeten, har vi ikke muligheten til å gjennomføre virkelige eksperimenter. Det ville være både upraktisk og uetisk å gjennomføre massive introduksjoner eller utryddelser av arter og deretter vente århundrer eller årtusener på resultater.
I stedet, som rapportert i vår nylige studie publisert i tidsskriftet Science, samlet vi et tverrfaglig team av biogeografer og klimamodeller for å skape en virtuell verden - et sted å gjøre virtuelle eksperimenter. Verden vi gjenskapte var en tid-forløpssimulering av livet på kontinentet i Sør-Amerika, fra 800 000 år siden og frem til i dag, gjennom whipsaw-klimaene i de åtte siste iskretsløpene. Hvis mønstre av biologisk mangfold produsert i denne simulerte verdenen produserte rimelig realistiske mønstre av mangfold, kunne vi være sikre på at de økologiske og evolusjonsprosessene som ble bygd inn i simuleringen, stemte.
Det vi fant var en overraskelse over våre kjæreste forventninger. Kartene over søramerikansk artsmangfold som kom frem fra simuleringene våre, så bemerkelsesverdig ut som kart over levende fugler, pattedyr og planter. Dessuten bekreftet simuleringene periodiske migrasjonskorridorer mellom Andesfjellene og Atlanterhavsregnskogen i det sørøstlige Brasil. Disse regionene er for tiden isolert fra hverandre av tørrere klima, men forskere har lenge mistenkt at det eksisterte forbindelser, basert på tilstedeværelsen av nært beslektede levende arter i begge regioner.
Virtuelt liv i en virtuell verden
Hver simulering begynte med en eneste tenkt art, frøset et sted på et detaljert topografisk kart over Sør-Amerika. I tidstrinn på 500 år, totalt 1600 trinn i alt, ble klimaet oppdatert med en topp moderne klimaklimamodell laget av kollegene Neil Edwards og Phil Holden ved The Open University i Storbritannia
I alt kjørte vi mer enn tusen simuleringer, hver med en annen kombinasjon av innstillinger for bare fire variabler:
- Hvor lenge en befolkning må isoleres for å bli en ny art
- Hvor raskt arter kan utvikle seg for å overleve, som svar på klimaendringer
- Hvor langt en art kan bevege seg over uegnet habitat
- Hvor sterkt nært beslektede arter konkurrerer med hverandre.
Hvorfor var den sterke korrespondansen mellom våre simulerte kart over artsrikdom og kart over virkeligheter i verden for fugler, pattedyr og planter så overraskende? Fordi simuleringene våre dekket bare et lite stykke tid i Sør-Amerikas lange historie. Åtte hundre tusen år kan virke som dyp tid, men Sør-Amerika skilte seg fra Afrika for 130 millioner år siden, og Andesfjellene begynte sin oppgang for 25 millioner år siden. En voksende liste over søramerikanske plante- og dyregrupper er nå kjent for å ha diversifisert i løpet av den sene kvartærperioden - omtrent de siste 800 000 årene - men de fleste arter på kontinentet er mye eldre.
Vi var også overrasket over at de simulerte kartene likte de faktiske artsrikdommens mønstre så tett, fordi kartene våre ikke ble styrt av noe spesielt målmønster for mangfold. De ble bygget strengt på grunnleggende prosesser, slik det forstås fra grunnleggende forskning innen økologi og evolusjonsbiologi. For eksempel modellerte vi evolusjonær tilpasning til klimaekstremer ved å bruke prinsipper og ligninger fra populasjonsgenetikk.
Fra vugge til museum til grav
Arter som lever i dag er overlevende. De er de øvre spissene av evolusjonære trær med mange døde grener nedenfor, som representerer utryddelser tidligere. Evolusjonære biologer kan nå i mange tilfeller utlede hvor forfedrene til levende arter kan ha bodd. Regioner hvor arter spredt seg i det siste har kommet til å bli kalt "spesielle vugger". For eksempel har Andesbakkene lenge vært ansett som et hotspot av spesiasjon.
Charles Darwins første diagram over et evolusjonært tre, fra hans første notisbok om overføring av arter (1837). Hans notater gjør det klart at han forsto at utryddelser er et essensielt element i evolusjonen: 'Dermed ville det bli dannet slekter som bærer forhold til gamle typer med flere utdødde former.' (Offentlig domene) Regioner hvor arter har vedvart i særlig lange perioder kalles "museer." Enhver region, for eksempel Amazonas, der mange gamle arter vedvarer, kan betraktes som et biogeografisk museum. I kontrast til det, er det praktisk talt umulig å regne hvor de døde grenene i det evolusjonære treet skal plasseres på kartet - "gravene" - ved å studere geografien til levende overlevende.
Gjennom simuleringene våre fulgte og kartla vi hele "levetidsbanen" for hver virtuelle art, fra vugge til grav, i rom og i tid.
Når klimaet endres fra trinn til trinn i en simulering, kan det geografiske området for en art (dens beliggenhet på kartet) bli fragmentert av uegnet klima. Hvis et fragment vedvarer i isolasjon lenge nok, blir det erklært en ny art. Fragmenteringstiden og plasseringen av et slikt fragment i denne isolasjonsperioden definerer “vuggesegmentet” i dens levetid bane.
Når og hvis en virtuell art blir utryddet, registrerer vi tiden og plottet på kartet plasseringen av tilbakegangen mot utryddelse, som representerer det "gravste segmentet" i artenes levetidsbane. Tid og sted som hver art vedvarer mellom vuggescenen og gravetappen, definerer ”museumssegmentet” i sin levetidsbane.
Simuleringene våre produserte kart over vugger, museer og for første gang graver. Kartene bekreftet at de østlige skråningene av Andesfjellene og den vestlige Amazonas er spesielle vugger. Utryddelsesgraver falt sammen med vugger i noen regioner, for eksempel Amazonas, og ble fortrengt fra vugger i andre, for eksempel Andesfjellene. Den østlige skråningen til den tropiske Andesfjellene viste seg å ikke bare være en vugge, men også et rikt biologisk mangfold.
Vi holdt også oversikt over når spesiasjon og utryddelse toppet seg og avtok i løpet av simuleringene, og fant ut at isbreer som drev begge prosesser. Ekstinksjonstopper hadde en tendens til å følge spesiasjonstoppene i perioder med hurtig oppvarming på slutten av kalde isperioder.
Klimadynamikk og topografi driver mønstrene
Studien vår fører til at vi tror at rikhetsmønstre for levende arter, uavhengig av en arts alder, har sitt opphav i de samme underliggende prosessene som vi modellerte i simuleringen. Samspillet mellom det turbulente klimaet de siste 800 000 årene og det dramatiske landskapet i Sør-Amerika drev spesiasjon i noen yngre grupper av planter og dyr, men blandet lokkingen til både unge og eldgamle arter på en samvittighetsløs måte.
Menneskelige aktiviteter tvinger frem endringer i det globale klimaet med enestående hastighet, mye raskere enn klimadynamikken i modellen vår. Vi vet at arter allerede er på farten, og områdene deres skifter i urovekkende tempo på land og i sjøene, med dyptgripende effekter på menneskers liv og levebrød.
Selv om simuleringene våre ikke var designet for å forutsi fremtiden, avslører de levende den dynamiske kraften til klimaendringer til å forme livet på jorden.
Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation.
Robert K. Colwell, Distinguished Research Professor, University of Connecticut
Thiago F. Rangel, professor i økologi, Universidade Federal de Goias
