Amazonka a přilehlé andské svahy v Jižní Americe jsou hostitelem ohromujícího bohatství rostlin a zvířat. Tyto druhy jsou zdrojem potravy, přístřeší a medicíny od příchodu lidí a cílem vědecké zvědavosti od dob nejčasnějších evropských průzkumníků přírodovědců.
Jaké procesy produkují taková horká místa druhového bohatství a proč biologická rozmanitost postupně klesá směrem k vyšším zeměpisným šířkám a suchším klimatům? Vědci navrhli mnoho konkurenčních vysvětlení, ale neexistuje žádný snadný způsob, jak je otestovat. Jako biogeografové, ti z nás, kteří studují geografii života na planetě, nemáme možnost provádět experimenty v reálném světě. Bylo by nepraktické i neetické provádět masivní představování nebo vyhlazování druhů a poté čekat na výsledky století nebo tisíciletí.
Místo toho, jak bylo uvedeno v naší nedávné studii zveřejněné v časopise Science, jsme spojili interdisciplinární tým biogeografů a modelářů v oblasti klimatu, abychom vytvořili virtuální svět - místo, kde lze provádět virtuální experimenty. Svět, který jsme znovu vytvořili, byla časosběrná simulace života na kontinentu Jižní Ameriky, od doby před 800 000 lety až do současnosti, prostřednictvím klimatických podmínek bičů v posledních osmi ledovcových cyklech. Pokud vzorce biologické rozmanitosti vytvořené v tomto simulovaném světě vytvořily přiměřeně realistické vzorce rozmanitosti, pak bychom si mohli být jisti, že ekologické a evoluční procesy zabudované do simulace byly správné.
To, co jsme našli, bylo překvapením nad naše nejúžasnější očekávání. Mapy jihoamerické druhové diverzity, které vyplynuly z našich simulací, vypadaly pozoruhodně podobně jako mapy živých ptáků, savců a rostlin. Simulace navíc potvrdily přerušované migrační koridory mezi Andami a Atlantickým deštným pralesem v jihovýchodní Brazílii. Tyto regiony jsou v současné době izolovány od sebe suchším podnebím, ale vědci již dlouho předpokládali, že existují spojení, založená na přítomnosti blízce příbuzných živých druhů v obou regionech.
Virtuální život ve virtuálním světě
Každá simulace začala jedním imaginárním druhem, který byl umístěn na podrobné topografické mapě Jižní Ameriky. V časových krocích 500 let, celkem 1600 kroků, bylo klima aktualizováno nejmodernějším paleoklimatickým modelem vytvořeným našimi kolegy Neilem Edwardsem a Philem Holdenem na Open University ve Velké Británii
Celkem jsme provedli více než tisíc simulací, každá s jinou kombinací nastavení pouze pro čtyři proměnné:
- Jak dlouho musí být populace izolována, aby se stala novým druhem
- Jak rychle se druhy mohou vyvíjet, aby přežily v reakci na změnu klimatu
- Jak daleko se druh může přesunout přes nevhodné stanoviště
- Jak silně úzce příbuzné druhy spolu soutěží.
Proč byla silná korespondence mezi našimi simulovanými mapami druhového bohatství a mapami skutečného světa pro ptáky, savce a rostliny tak překvapivá? Protože naše simulace pokrývaly jen malou část času v dlouhé historii Jižní Ameriky. Osm set tisíc let se může zdát jako hluboký čas, ale Jižní Amerika se oddělila od Afriky před 130 miliony let a Andy začali svůj vzestup před 25 miliony let. O rostoucím seznamu jihoamerických rostlinných a živočišných skupin je známo, že se během pozdního kvartérního období - zhruba za posledních 800 000 let - diverzifikovaly, ale většina druhů na kontinentu je mnohem starší.
Byli jsme také překvapeni, že naše simulované mapy se tak podobaly skutečným druhovým druhovým vzorcům, protože naše mapy nebyly vedeny žádným konkrétním cílovým vzorcem rozmanitosti. Byly postaveny přísně na základních procesech, jak je chápáno ze základního výzkumu v ekologii a evoluční biologii. Například jsme modelovali evoluční přizpůsobení se klimatickým extrémům pomocí principů a rovnic z populační genetiky.
Od kolébky po muzeum do hrobu
Dnes žijící druhy přežili. Jsou horními špičkami evolučních stromů s mnoha mrtvými větvemi níže, které v minulosti představovaly zánik. Evoluční biologové jsou nyní schopni vyvozovat, v mnoha případech, kde předci živých druhů mohli žít. Regiony, kde se druhy v minulosti množily, se označovaly jako „kolébky“ speciace. Například andské svahy byly dlouho považovány za horké místo speciace.
První diagram Charlese Darwina evolučního stromu od jeho prvního zápisníku o transmutaci druhů (1837). Jeho poznámky objasňují, že pochopil, že vyhynutí jsou nezbytným prvkem evoluce: „Takto by se vytvořily rody, které by souvisely se starodávnými typy s několika vyhynulými formami.“ (Veřejná doména) Regiony, ve kterých druhy přetrvávají zvláště dlouhou dobu, se nazývají „muzea“. Jakýkoli region, jako je Amazonka, kde přetrvává mnoho starověkých druhů, lze považovat za biogeografické muzeum. Naproti tomu je na základě geografie žijících přeživších prakticky nemožné počítat s umístěním mrtvých větví v evolučním stromu - „hrobů“.
Prostřednictvím našich simulací jsme sledovali a mapovali celou „celoživotní trajektorii“ každého virtuálního druhu, od kolébky po hrob, v prostoru a čase.
Vzhledem k tomu, že se změna klimatu v simulaci mění krok za krokem, může být geografický rozsah druhu (jeho umístění na mapě) roztříštěn nevhodným klimatem. Pokud fragment přetrvává v izolaci dostatečně dlouho, je prohlášen za nový druh. Čas fragmentace a umístění takového fragmentu během tohoto období izolace definuje „segment kolébky“ jeho celoživotní trajektorie.
Když a pokud virtuální druh zanikne, zaznamenáme čas a na mapě vykreslíme polohu úbytku směrem k vyhynutí, což představuje „vážný segment“ celoživotní trajektorie druhu. Čas a místo, kde každý druh přetrvává mezi kolébkou a hrobem, definuje „segment muzea“ jeho celoživotní trajektorie.
Naše simulace vytvořily mapy kolébek, muzeí a poprvé hrobů. Mapy potvrdily, že východní svahy And a západního Amazonie jsou kolébkami speciace. Hroby vyhynutí se shodovaly s kolébkami v některých oblastech, jako je Amazonka, a byly přemístěny z kolébek v jiných, například v Andách. Východní svah tropických And se ukázal být nejen kolébkou, ale také bohatým muzemem biologické rozmanitosti.
Sledovali jsme také, kdy spekulace a zánik vyvrcholily a klesaly během simulací, a zjistili jsme, že oba procesy vedly ledovcové cykly. Vrcholy vyhynutí měly tendenci sledovat vrcholy spekulace v obdobích rychlého oteplování na konci studených ledovcových období.
Vzory ovlivňují dynamika klimatu a topografie
Naše studie nás vede k přesvědčení, že vzorce bohatství živých druhů, bez ohledu na věk druhu, mají svůj původ ve stejných základních procesech, které jsme modelovali v simulaci. Interakce mezi bouřlivými podnebami posledních 800 000 let a dramatickými krajinami Jižní Ameriky vedla spekulace v některých mladších skupinách rostlin a zvířat, ale bez rozdílu změnila polohu mladých i starověkých druhů.
Lidské aktivity nutí změny v globálním klimatu bezprecedentním tempem, mnohem rychleji než dynamika klimatu v našem modelu. Víme, že druhy jsou již v pohybu, jejich rozsahy se mění alarmujícím tempem na souši a na moři, což má hluboký dopad na lidský život a živobytí.
Ačkoli naše simulace nebyly navrženy tak, aby předpovídaly budoucnost, živě odhalují dynamickou sílu změny klimatu a utvářejí život na Zemi.
Tento článek byl původně publikován v The Conversation.
Robert K. Colwell, významný profesor výzkumu, University of Connecticut
Thiago F. Rangel, profesor ekologie, Universidade Federal de Goias
