Lõuna-Ameerikas asuvatel Amazonase ja sellega külgnevatel Andide nõlvadel on hämmastav taimede ja loomade rikkalikkus. Need liigid on olnud inimeste saabumisest alates toidu, varjualuse ja meditsiini allikad ning teadusliku uudishimu sihtmärk juba varasemate Euroopa looduseuurijate päevilt.
Millised protsessid tekitavad selliseid liigirikkuse kuumaid kohti ja miks väheneb bioloogiline mitmekesisus järk-järgult kõrgemate laiuskraadide ja kuivema kliima suunas? Teadlased on pakkunud välja palju konkureerivaid selgitusi, kuid nende testimiseks pole lihtsat viisi. Biogeograafidena, kes meist uurivad planeedi elu geograafiat, pole meil reaalainete katsete tegemise võimalust. Oleks ebapraktiline ja ebaeetiline asuda liikide massilisele tutvustamisele või hävitamisele ja oodata siis tulemusi sajandeid või aastatuhandeid.
Nagu värskes ajakirjas Science avaldatud uuringus teatati, viisime kokku biogeograafide ja kliimamudelite interdistsiplinaarse meeskonna, et luua virtuaalne maailm - koht virtuaalsete katsete tegemiseks. Maailm, mille me taasloome, oli elu aeglane simulatsioon Lõuna-Ameerika mandril, alates 800 000 aastat tagasi kuni tänapäevani, viimase kaheksa liustikutsükli piitsakujulises kliimas. Kui selles simuleeritud maailmas toodetud elurikkuse mustrid tekitaksid mõistlikult realistlikud mitmekesisuse mustrid, siis võiksime olla kindlad, et simulatsiooni sisseehitatud ökoloogilised ja evolutsiooniprotsessid olid õiged.
See, mille leidsime, oli üllatus, mis ületas meie kõige kindlamad ootused. Meie simulatsioonidest tekkinud Lõuna-Ameerika liikide mitmekesisuse kaardid nägid silmapaistvalt sarnased eluslindude, imetajate ja taimede kaartidega. Veelgi enam, simulatsioonid kinnitasid vahelduvaid rändekoridore Andide ja Atlandi ookeani vihmametsade vahel Brasiilia kaguosas. Need piirkonnad on praegu kuivema kliimaga üksteisest eraldatud, kuid teadlased on juba pikka aega kahtlustanud, et ühendused on olemas, tuginedes mõlemas piirkonnas tihedalt seotud elusate liikide olemasolule.
Virtuaalne elu virtuaalses maailmas
Iga simulatsioon algas ühe kujuteldava liigiga, mis oli külvatud Lõuna-Ameerika üksikasjalikule topograafilisele kaardile. 500 aasta pikkuste sammudena, kokku 1600 sammu, ajakohastati kliimat kõrgtasemelise paleokliima mudeli abil, mille lõid meie kolleegid Neil Edwards ja Phil Holden Suurbritannia avatud ülikoolist
Kokku läbisime rohkem kui tuhat simulatsiooni, millest igaühel oli erinev sätete kombinatsioon vaid nelja muutuja jaoks:
- Kui kaua peab populatsioon olema isoleeritud, et saada uueks liigiks
- Kui kiiresti võivad liigid ellu jääda, reageerides kliimamuutustele
- Kui kaugele võib liik liikuda ebasobivas elupaigas
- Kui tihedalt lähedased liigid omavahel konkureerivad.
Miks oli meie simuleeritud liigirikkuse kaartide ja lindude, imetajate ja taimede reaalainete kaartide tugev vastavus nii üllatav? Sest meie simulatsioonid hõlmasid Lõuna-Ameerika pika ajaloo jooksul vaid pisikest ajapilu. Kaheksa sada tuhat aastat võib tunduda sügav aeg, kuid Lõuna-Ameerika eraldus Aafrikast 130 miljonit aastat tagasi ja Andid hakkasid tõusma 25 miljonit aastat tagasi. Lõuna-Ameerika taime- ja loomarühmade järjest kasvav loetelu on nüüd teada, et hilise kvartali jooksul - umbes viimase 800 000 aasta jooksul - on mitmekesistunud, kuid enamik mandri liike on palju vanemad.
Samuti olime üllatunud, et meie simuleeritud kaardid meenutasid nii lähedalt tegelikku liigirikkuse mustrit, sest meie kaardid ei juhindunud ühestki konkreetsest mitmekesisuse sihtmustrist. Need olid üles ehitatud rangelt põhiprotsessidele, nagu mõista ökoloogia ja evolutsioonibioloogia alusuuringutest. Näiteks modelleerisime evolutsioonilise kohanemise äärmuslike kliimamuutustega, kasutades populatsioonigeneetika põhimõtteid ja võrrandit.
Hällist muuseumini hauani
Tänapäeval elavad liigid on ellujääjad. Need on evolutsioonipuude tipud, mille all on palju surnud oksi, mis tähistavad minevikus väljasuremist. Evolutsioonibioloogid suudavad nüüd paljudel juhtudel järeldada, kus võisid elada elusate liikide esivanemad. Piirkondi, kus liigid on varem vohanud, on hakatud nimetama hällideks. Näiteks Andide nõlvu on pikka aega peetud eriliseks kuumaks kohaks.
Charles Darwini evolutsioonipuu esimene diagramm tema esimesest märkmikust liikide transmutatsiooni kohta (1837). Tema märkmetest selgub, et ta mõistis, et väljasuremine on evolutsiooni oluline element: "Nii moodustuksid suguvõsad iidsete tüüpide suhtes, millel on mitu väljasurnud vormi." (Üldkasutatav) Piirkondi, kus liigid on püsinud eriti pikka aega, nimetatakse muuseumideks. Biogeograafiliseks muuseumiks võib pidada kõiki piirkondi, näiteks Amazonet, kus püsivad paljud iidsed liigid. Seevastu on elusate ellujäänute geograafia uurimisel praktiliselt võimatu arvestada, kuhu evolutsioonipuu surnud oksad tuleks kaardile paigutada - “hauad”.
Meie simulatsioonide abil jälgisime ja kaardistasime ruumis ja ajas iga virtuaalse liigi kogu "eluaja trajektoori", hällist hauani.
Kuna kliima muutub simulatsioonis samm-sammult, võib liigi geograafiline levila (selle asukoht kaardil) killustada sobimatu kliima poolt. Kui fragment püsib isolatsioonis piisavalt kaua, kuulutatakse see uueks liigiks. Killunemisaeg ja sellise fragmendi asukoht sel eraldamisperioodil määratlevad selle hälli segmendi selle eluea trajektooril.
Kui ja kui virtuaalne liik kustub, siis registreerime aja ja joonestame kaardil väljasuremise suunas languse asukoha, mis tähistab liigi eluea trajektoori “haua segmenti”. Aeg ja koht, kus iga liik püsib hälli ja hauatapi vahel, määratleb tema eluea trajektoori “muuseumi segmendi”.
Meie simulatsioonid koostasid hällide, muuseumide ja esmakordselt haudade kaardid. Kaardid kinnitasid, et Andide ida nõlvad ja Amazonase lääneosa on eripära hällid. Väljasuremishauad langesid mõnes piirkonnas, näiteks Amazonases, hällidega kokku ja teistes, näiteks Andide piirkonnas, tõsteti hällid välja. Troopiliste Andide idanõlv osutus mitte ainult hälliks, vaid ka rikkalikuks bioloogilise mitmekesisuse muuseumiks.
Jälgisime ka seda, millal eristamine ja väljasuremine simulatsioonide käigus saavutasid haripunkti ja languse, ning leidsime, et jääajatsüklid juhtisid mõlemat protsessi. Väljasuremise tipud järgisid kiire kliima soojenemise perioodidel külma liustikuperioodi lõpus erisuse tippe.
Kliimadünaamika ja topograafia mõjutavad mustreid
Meie uuring viib meid uskuma, et elusate liikide rikkuse mustrid, olenemata liigi vanusest, pärinevad samadest protsessidest, mida me modelleerisime. Viimase 800 000 aasta turbulentse kliima ja Lõuna-Ameerika dramaatiliste maastike vastastikune mõju ajendas mõnes nooremas taime- ja loomarühmas eristama, kuid ajas valimatult segamini nii noorte kui ka iidsete liikide paiknemise.
Inimtegevus sunnib muutusi globaalses kliimas enneolematu kiirusega, palju kiiremini kui meie mudeli kliimadünaamika. Me teame, et liigid on juba liikvel, nende levikuala muutuvad murettekitava kiirusega nii maal kui ka meredel, avaldades sügavat mõju inimeste elule ja toimetulekule.
Ehkki meie simulatsioonid polnud kavandatud tuleviku ennustamiseks, paljastavad need ilmekalt kliimamuutuste dünaamilise jõu Maa elu kujundamiseks.
See artikkel avaldati algselt lehel The Conversation.
Connecticuti ülikooli austatud teadusuuringute professor Robert K. Colwell
Thiago F. Rangel, Goias 'ülikoolide ökoloogiaprofessor
