Амазонка и прилегающие к ней Андские склоны в Южной Америке несут в себе удивительное богатство растений и животных. Эти виды были источниками пищи, крова и лекарств с момента прибытия людей и объектом научного любопытства со времен самых первых европейских исследователей-натуралистов.
Какие процессы создают такие горячие точки видового богатства, и почему биоразнообразие постепенно уменьшается в сторону более высоких широт и более сухого климата? Ученые предложили много конкурирующих объяснений, но нет простого способа проверить их. Как биогеографы, те из нас, кто изучает географию жизни на планете, у нас нет возможности проводить эксперименты в реальном мире. Было бы нецелесообразно и неэтично проводить массовые интродукции или уничтожения видов, а затем ждать результатов столетиями или тысячелетиями.
Вместо этого, как сообщалось в нашем недавнем исследовании, опубликованном в журнале Science, мы собрали междисциплинарную команду биогеографов и специалистов по моделированию климата, чтобы создать виртуальный мир - место для проведения виртуальных экспериментов. Мир, который мы воссоздали, представлял собой замедленную симуляцию жизни на континенте Южной Америки, начиная с 800 000 лет назад и до наших дней, в условиях резкого изменения климата восьми последних ледниковых циклов. Если модели биоразнообразия, созданные в этом моделируемом мире, дают достаточно реалистичные модели разнообразия, то мы можем быть уверены, что экологические и эволюционные процессы, встроенные в моделирование, были правильными.
То, что мы нашли, было неожиданностью, превосходящей наши самые смелые ожидания. Карты видового разнообразия Южной Америки, полученные в результате нашего моделирования, выглядели удивительно похожими на карты живых птиц, млекопитающих и растений. Более того, моделирование подтвердило кратковременные миграционные коридоры между Андами и Атлантическим тропическим лесом на юго-востоке Бразилии. Эти регионы в настоящее время изолированы друг от друга более сухим климатом, но ученые давно подозревали, что связи существовали, основываясь на наличии тесно связанных живых видов в обоих регионах.
Виртуальная жизнь в виртуальном мире
Каждое моделирование начиналось с одного воображаемого вида, посеянного где-то на подробной топографической карте Южной Америки. С шагом в 500 лет, всего 1600 шагов, климат обновлялся с помощью современной палеоклиматической модели, созданной нашими коллегами Нилом Эдвардсом и Филом Холденом в Открытом университете в Великобритании.
Всего мы запустили более тысячи симуляций, каждая из которых имела различную комбинацию настроек только для четырех переменных:
- Как долго популяция должна быть изолирована, чтобы стать новым видом
- Как быстро виды могут эволюционировать, чтобы выжить в ответ на изменение климата
- Как далеко вид может перемещаться по неподходящей среде обитания
- Насколько сильно близкие виды конкурируют между собой.
Почему такое удивительное совпадение между нашими смоделированными картами видового богатства и картами реального мира для птиц, млекопитающих и растений? Потому что наше моделирование охватило лишь крошечный отрезок времени в долгой истории Южной Америки. Восемьсот тысяч лет может показаться глубоким временем, но Южная Америка отделилась от Африки 130 миллионов лет назад, и Анды начали свой подъем 25 миллионов лет назад. В настоящее время известно, что растущий список южноамериканских групп растений и животных диверсифицировался в конце четвертичного периода - примерно за последние 800 000 лет - но большинство видов на континенте намного старше.
Мы также были удивлены, что наши смоделированные карты так близко напоминали фактические образцы богатства видов, потому что наши карты не руководствовались какой-либо конкретной целевой моделью разнообразия. Они были построены строго на фундаментальных процессах, как понятно из фундаментальных исследований в области экологии и эволюционной биологии. Например, мы смоделировали эволюционную адаптацию к экстремальным климатическим условиям, используя принципы и уравнения популяционной генетики.
От колыбели до музея в могилу
Живые сегодня виды - это выжившие. Это верхние вершины эволюционных деревьев со многими мертвыми ветвями внизу, которые представляют вымирание в прошлом. Эволюционные биологи теперь могут сделать вывод, во многих случаях, где жили предки живых видов. Регионы, в которых виды размножались в прошлом, стали называть «колыбелями» видообразования. Например, андские склоны издавна считались горячей точкой видообразования.
Первая диаграмма эволюционного дерева Чарльза Дарвина из его Первой тетради по трансмутации видов (1837). Его записи ясно показывают, что он понимал, что вымирание является существенным элементом эволюции: «Таким образом, роды будут сформированы, имея отношение к древним типам с несколькими вымершими формами». (Всеобщее достояние) Регионы, где виды сохранялись в течение особенно длительных периодов, называются «музеями». Любой регион, например Амазонка, где сохранились многие древние виды, можно считать биогеографическим музеем. Напротив, рассчитывать, где мертвые ветви в эволюционном дереве должны быть размещены на карте - «могилах» - практически невозможно, изучая географию живых выживших.
Посредством нашего моделирования мы следили и наносили на карту всю «жизненную траекторию» каждого виртуального вида, от колыбели до могилы, в пространстве и во времени.
Поскольку в процессе моделирования климат меняется от шага к шагу, географический ареал вида (его местоположение на карте) может быть фрагментирован из-за неподходящего климата. Если фрагмент сохраняется в изоляции достаточно долго, он объявляется новым видом. Время фрагментации и местоположение такого фрагмента в течение этого периода изоляции определяет «сегмент колыбели» его жизненной траектории.
Когда и если вымирает виртуальный вид, мы записываем время и наносим на карту местоположение спада к исчезновению, которое представляет «серьезный сегмент» жизненной траектории вида. Время и место существования каждого вида между колыбелью и могилой определяют «музейный сегмент» его жизненной траектории.
Наши симуляции позволили получить карты колыбелей, музеев и впервые могил. Карты подтвердили, что восточные склоны Анд и западная Амазонка являются колыбелью видообразования. Могилы исчезновения совпали с колыбелями в некоторых регионах, таких как Амазонка, и были вытеснены из колыбелей в других, таких как Анды. Восточный склон тропических Анд оказался не только колыбелью, но и богатым музеем биоразнообразия.
Мы также отслеживали момент, когда видообразование и вымирание достигали максимума и снижались в ходе моделирования, и обнаружили, что ледниковые циклы стимулировали оба процесса. Пики исчезновения имели тенденцию следовать за пиками видообразования в периоды быстрого потепления в конце холодных ледниковых периодов.
Динамика климата и топография определяют модель
Наше исследование приводит нас к убеждению, что закономерности богатства для живых видов, независимо от возраста вида, берут свое начало в тех же базовых процессах, которые мы смоделировали при моделировании. Взаимодействие между бурным климатом последних 800 000 лет и драматическими ландшафтами Южной Америки привело к видообразованию у некоторых более молодых групп растений и животных, но беспорядочно перемешало расположение как молодых, так и древних видов.
Человеческая деятельность форсирует изменения в глобальном климате с беспрецедентной скоростью, намного быстрее, чем динамика климата в нашей модели. Мы знаем, что виды уже находятся в движении, их ареалы перемещаются с угрожающей скоростью на суше и в морях, что оказывает глубокое воздействие на жизнь и средства к существованию людей.
Хотя наши модели не были предназначены для предсказания будущего, они наглядно демонстрируют динамическую силу изменения климата для формирования жизни на Земле.
Эта статья была первоначально опубликована на разговор.
Роберт К. Колвелл, заслуженный профессор исследований, Университет Коннектикута
Тьяго Ф. Рангель, профессор экологии, Федеральный университет Гояс
