Amazonissa ja sen vieressä olevissa Andien rinteissä Etelä-Amerikassa on hämmästyttävä rikas kasveja ja eläimiä. Nämä lajit ovat olleet ravintolähteitä, suojaa ja lääkkeitä ihmisten saapumisesta lähtien ja tieteellisen uteliaisuuden kohde jo varhaisimpien eurooppalaisten luonnontieteilijöiden ajoista lähtien.
Mitkä prosessit tuottavat tällaisen lajien rikkauden kuumia kohtia, ja miksi biologinen monimuotoisuus vähenee vähitellen kohti korkeampia leveysasteita ja kuivempaa ilmastoa? Tutkijat ovat ehdottaneet monia kilpailevia selityksiä, mutta niiden testaamiseen ei ole helppoa tapaa. Biogeograafina, meistä, jotka opiskelevat planeetan elämän maantiedettä, meillä ei ole mahdollisuutta suorittaa reaalimaailman kokeita. Olisi epäkäytännöllistä ja epäeettistä toteuttaa lajien massiivinen tuominen tai tuhoaminen ja sitten odottaa tuloksia vuosisatojen tai vuosituhansien ajan.
Sen sijaan, kuten Science- lehdessä julkaistussa äskettäisessä tutkimuksessamme raportoitiin, kootimme biogeografien ja ilmastomallinnustajien poikkitieteellisen ryhmän luomaan virtuaalimaailman - paikan tehdä virtuaalisia kokeita. Maailma, jonka luomme uudelleen, oli ajan mittainen elämän simulointi Etelä-Amerikan mantereella, 800 000 vuotta sitten nykypäivään, kahdeksan viimeisen jäätikön syklin piikkisahan ilmastossa. Jos tässä simuloidussa maailmassa tuotetut biologisen monimuotoisuuden mallit tuottavat kohtuullisen realistisia monimuotoisuuden malleja, voisimme olla varmoja, että simulaatioon rakennetut ekologiset ja evoluutioprosessit olivat oikeat.
Se mitä löysimme, oli yllätys, joka ylitti rakkaimmat odotuksemme. Simulaatioista syntyneet Etelä-Amerikan lajien monimuotoisuuden kartat näyttivät huomattavasti samanlaisilta kuin elävien lintujen, nisäkkäiden ja kasvien kartat. Lisäksi simulaatiot vahvistivat ajoittaisia muuttoliikennekäytäviä Andien ja Atlantin sademetsien välillä Kaakkois-Brasiliassa. Nämä alueet ovat tällä hetkellä eristyksissä toisistaan kuivemman ilmaston avulla, mutta tutkijat ovat pitkään epäilleet yhteyksien olemassaoloa, joka perustuu läheisesti sukua oleviin eläviin lajeihin molemmilla alueilla.
Virtuaalielämä virtuaalimaailmassa
Jokainen simulaatio alkoi yhdellä kuvitteellisella lajilla, joka kylvettiin jonnekin yksityiskohtaiselle Etelä-Amerikan topografiselle kartalle. 500 vuoden jaksoissa, yhteensä 1600 askelmassa, ilmasto päivitettiin huipputeknisellä paleo-ilmasemallilla, jonka ovat luoneet kollegamme Neil Edwards ja Phil Holden Yhdistyneen kuningaskunnan avoimessa yliopistossa.
Kaiken kaikkiaan meillä oli yli tuhat simulaatiota, jokaisella oli erilainen asetusyhdistelmä vain neljälle muuttujalle:
- Kuinka kauan populaation on oltava eristetty, jotta siitä voi tulla uusi laji
- Kuinka nopeasti lajit voivat kehittyä selviytyäkseen vastauksena ilmastonmuutokseen
- Kuinka pitkälle laji voi siirtyä sopimaton elinympäristö
- Kuinka vahvasti läheisesti sukulaiset lajit kilpailevat keskenään.
Miksi simuloitujen lajien rikkauskarttojen ja lintujen, nisäkkäiden ja kasvien reaalimaailman karttojen välinen vahva vastaavuus oli niin yllättävää? Koska simulaatiomme kattoivat vain pienen ajanjakson Etelä-Amerikan pitkässä historiassa. Kahdeksansataatuhatta vuotta saattaa tuntua syvältä ajalta, mutta Etelä-Amerikka erottui Afrikasta 130 miljoonaa vuotta sitten, ja Andit alkoivat nousta 25 miljoonaa vuotta sitten. Yhä kasvavan luettelon eteläamerikkalaisista kasvi- ja eläinryhmistä tiedetään nyt monimuotoistuvan myöhään kvaternäärikaudella - suunnilleen viimeisen 800 000 vuoden aikana -, mutta suurin osa mantereen lajeista on paljon vanhempia.
Olimme myös yllättyneitä siitä, että simuloidut karttamme muistuttivat todellisia lajien rikkauskuvioita niin läheisesti, koska karttojamme ei ohjannut mikään erityinen monimuotoisuuden tavoitekuvio. Ne rakennettiin tiukasti perustavanlaatuisiin prosesseihin, kuten ymmärretään ekologian ja evoluutiobiologian perustutkimuksista. Esimerkiksi mallinnimme evoluutiosopeutumisen ilmaston äärioloihin käyttämällä populaatiogenetiikan periaatteita ja yhtälöitä.
Kehdosta museoon hautaan
Nykyään elossa olevat lajit ovat eloonjääneitä. Ne ovat evoluutiopuiden ylempiä kärkiä, joiden alla on monia kuolleita oksia, jotka edustavat sukupuuttoa aikaisemmin. Evoluutiobiologit kykenevät nyt monissa tapauksissa päättelemään, missä elävien lajien esi-isät ovat saattaneet asua. Alueita, joilla lajeja on levinnyt aiemmin, on tullut kutsua erikoistumisalueiksi. Esimerkiksi Andien rinteitä on pitkään pidetty erikoistumisen kuumana pisteenä.
Charles Darwinin ensimmäinen kaavio evoluutiopuusta hänen ensimmäisestä lajien transmutaatiota koskevasta muistikirjastaan (1837). Hänen muistiinpanoistaan tehdään selväksi, että hän ymmärsi, että sukupuutot ovat evoluution olennainen osa: "Siten sukupolvet muodostuisivat pitäen suhteessa muinaisiin tyyppeihin, joilla on useita sukupuuttoon kuolleita muotoja." (Julkinen) Alueita, joilla lajit ovat pysyneet erityisen pitkään, kutsutaan ”museoiksi”. Mitä tahansa aluetta, kuten Amazon, jossa monet muinaiset lajit ovat edelleen olemassa, voidaan pitää biogeografisena museona. Sitä vastoin laskenta siitä, mihin evoluutiopuun kuolleet oksat tulisi sijoittaa kartalle - "haudoille" - on käytännössä mahdotonta tutkimalla elävien eloonjääneiden maantiedettä.
Olemme seuranneet ja kartoittaneet simulaatioiden avulla kunkin virtuaalisen lajin koko eliniän suuntauksen kehästä hautaan, avaruudessa ja ajassa.
Koska ilmasto muuttuu askel askeleelta simulaatiossa, sopimaton ilmasto voi pilata lajin maantieteellisen alueen (sen sijainnin kartalla). Jos fragmentti jatkuu eristyksessä riittävän kauan, se julistetaan uudeksi lajeksi. Hajaantumisaika ja tällaisen fragmentin sijainti tällä eristysaikana määrittelevät sen kehon segmentin "kehto-segmentin".
Kun ja jos jokin virtuaalilaji sukupuuttoon sukupuuttoon, kirjaamme ajan ja piirrämme kartalle sukupuuttoon suuntautuvan laskun sijainnin, joka edustaa lajin elinajan trajektorin ”hautaosaa”. Aika ja paikka, jonka jokainen laji pysyy kehtoasteen ja hautavaiheen välillä, määrittelee sen "elinikäisen suuntauksen" museosegmentin.
Simulaatiomme tuottivat kehtojen, museoiden ja ensimmäistä kertaa hauttojen karttoja. Kartat vahvistivat, että Andien itäiset rinteet ja Länsi-Amazonin ovat erikoistumisen kehtoja. Kuolleiden sukupuuttoon haudat tulivat samaan aikaan joidenkin alueiden, kuten Amazonin, kehtoihin, ja toisissa, kuten Andien alueella, ne siirrettiin kehtoista. Trooppisten Andien itäinen rinne osoittautui paitsi kehtoksi, myös rikkaana biologisen monimuotoisuuden museona.
Pysyimme myös ajankohtana, jolloin spesifikaatio ja sukupuutto huippusivat ja laskivat simulaatioiden aikana, ja havaitsimme, että jäätiköt veivät molemmat prosessit. Sukupuuton huiput seurasivat erikoistumisen huippuja nopean lämpenemisen aikoina kylmien jääkausien lopussa.
Ilmastodynamiikka ja topografia ohjaavat kuvioita
Tutkimuksemme saa meidät uskomaan, että elävien lajien rikkausmallit, riippumatta lajin iästä, ovat peräisin samoista taustalla olevista prosesseista, joita mallinnimme simulaatiossa. Kuluneen 800 000 vuoden turbulenttien ilmastojen ja Etelä-Amerikan dramaattisten maisemien vuorovaikutus herätti eräitä nuoria kasvi- ja eläinryhmiä, mutta sekoitti nuorten ja muinaisten lajien sijaintia valinnanvaraisesti yhdessä.
Ihmisen toiminta pakottaa muutokset globaalissa ilmastossa ennennäkemätöntä vauhtia, paljon nopeammin kuin mallimme ilmasto dynamiikka. Tiedämme, että lajit ovat jo liikkeellä, niiden alueet muuttuvat hälyttävillä nopeuksilla maalla ja merellä, ja tällä on huomattavia vaikutuksia ihmisten elämään ja toimeentuloon.
Vaikka simulaatioidemme ei ollut suunniteltu ennustamaan tulevaisuutta, ne paljastavat elävästi ilmastomuutoksen dynaamisen voiman elämän muokkaamiseksi maapallolla.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa.
Robert K. Colwell, arvostettu tutkimusprofessori, Connecticutin yliopisto
Thiago F. Rangel, ekologian professori, Goiasin yliopiston yliopisto
