De Amazone en de aangrenzende Andes-hellingen in Zuid-Amerika herbergen een verbazingwekkende rijkdom aan planten en dieren. Deze soorten zijn sinds de komst van mensen voedsel, onderdak en medicijnen geweest en een doelwit van wetenschappelijke nieuwsgierigheid sinds de dagen van de vroegste Europese natuuronderzoekers.
Welke processen produceren zulke hotspots van soortenrijkdom, en waarom neemt de biodiversiteit geleidelijk af naar hogere breedtegraden en droger klimaat? Wetenschappers hebben veel concurrerende verklaringen voorgesteld, maar er is geen gemakkelijke manier om ze te testen. Als biogeografen, degenen onder ons die de geografie van het leven op de planeet bestuderen, hebben we niet de mogelijkheid om echte experimenten uit te voeren. Het zou zowel onpraktisch als onethisch zijn om massale introducties of uitroeiingen van soorten te ondernemen en vervolgens eeuwen of millennia op resultaten te wachten.
In plaats daarvan, zoals gerapporteerd in onze recente studie gepubliceerd in het tijdschrift Science, hebben we een interdisciplinair team van biogeografen en klimaatmodelbouwers samengebracht om een virtuele wereld te creëren - een plek om virtuele experimenten te doen. De wereld die we hebben nagebouwd, was een time-lapse-simulatie van het leven op het continent van Zuid-Amerika, van 800.000 jaar geleden tot nu, door de zweepklimaten van de laatste acht ijstijden. Als patronen van biodiversiteit die in deze gesimuleerde wereld worden geproduceerd, redelijk realistische patronen van diversiteit produceren, kunnen we erop vertrouwen dat de ecologische en evolutionaire processen die in de simulatie zijn ingebouwd, juist waren.
Wat we vonden was een verrassing die onze meest dierbare verwachtingen overtrof. De kaarten van de Zuid-Amerikaanse soortenrijkdom die uit onze simulaties naar voren kwamen, leken opmerkelijk veel op kaarten van levende vogels, zoogdieren en planten. Bovendien bevestigden de simulaties intermitterende migratiecorridors tussen de Andes en het Atlantisch regenwoud in het zuidoosten van Brazilië. Deze regio's zijn momenteel geïsoleerd van elkaar door een droger klimaat, maar wetenschappers hebben lang vermoed dat er verbindingen bestonden, gebaseerd op de aanwezigheid van nauw verwante levende soorten in beide regio's.
Virtueel leven in een virtuele wereld
Elke simulatie begon met een enkele denkbeeldige soort, ergens op een gedetailleerde topografische kaart van Zuid-Amerika. In tijdsstappen van 500 jaar, met in totaal 1.600 stappen, werd het klimaat bijgewerkt met een ultramodern paleoklimaatmodel gemaakt door onze collega's Neil Edwards en Phil Holden aan de Open University in het VK.
In totaal hebben we meer dan duizend simulaties uitgevoerd, elk met een andere combinatie van instellingen voor slechts vier variabelen:
- Hoe lang een populatie geïsoleerd moet worden om een nieuwe soort te worden
- Hoe snel soorten kunnen evolueren om te overleven, in reactie op klimaatverandering
- Hoe ver een soort zich kan verplaatsen over een ongeschikte habitat
- Hoe sterk nauw verwante soorten concurreren met elkaar.
Waarom was de sterke overeenkomst tussen onze gesimuleerde kaarten van soortenrijkdom en de real-world kaarten voor vogels, zoogdieren en planten zo verrassend? Omdat onze simulaties slechts een heel klein deel van de tijd in de lange geschiedenis van Zuid-Amerika besloegen. Achthonderdduizend jaar lijkt misschien diepe tijd, maar Zuid-Amerika scheidde 130 miljoen jaar geleden van Afrika en de Andes begonnen 25 miljoen jaar geleden te stijgen. Van een groeiende lijst van Zuid-Amerikaanse planten- en dierengroepen is nu bekend dat ze zich hebben gediversifieerd tijdens de late quartaire periode - ruwweg de afgelopen 800.000 jaar - maar de meeste soorten op het continent zijn veel ouder.
We waren ook verrast dat onze gesimuleerde kaarten zo veel leken op werkelijke soortenrijkdomspatronen, omdat onze kaarten niet werden geleid door een specifiek doelpatroon van diversiteit. Ze waren strikt gebaseerd op fundamentele processen, zoals begrepen uit fundamenteel onderzoek in ecologie en evolutionaire biologie. We hebben bijvoorbeeld evolutionaire aanpassing aan klimaatextremen gemodelleerd met behulp van principes en vergelijkingen uit populatiegenetica.
Van wieg tot museum tot graf
Soorten die vandaag leven zijn overlevenden. Het zijn de bovenste uiteinden van evolutionaire bomen met veel dode takken eronder, die in het verleden uitsterven vertegenwoordigen. Evolutionaire biologen kunnen nu in veel gevallen afleiden waar de voorouders van levende soorten hebben gewoond. Regio's waar soorten in het verleden vermenigvuldigden, worden 'wiegjes' van soortvorming genoemd. De Andes-hellingen worden bijvoorbeeld al lang beschouwd als een hotspot van soortvorming.
Charles Darwin's eerste diagram van een evolutionaire boom, uit zijn First Notebook on Transmutation of Species (1837). Zijn aantekeningen maken duidelijk dat hij begreep dat uitsterven een essentieel element van evolutie zijn: 'Aldus zouden geslachten worden gevormd in relatie tot oude typen met verschillende uitgestorven vormen.' (Publiek domein) Regio's waar soorten bijzonder lang hebben bestaan, worden 'musea' genoemd. Elke regio, zoals de Amazone, waar veel oude soorten bestaan, kan worden beschouwd als een biogeografisch museum. Het berekenen van de plek waar de dode takken in de evolutionaire boom op de kaart moeten worden geplaatst - de 'graven' - is daarentegen vrijwel onmogelijk door de geografie van levende overlevenden te bestuderen.
Door onze simulaties volgden en brachten we het hele 'levenspad' van elke virtuele soort, van wieg tot graf, in de ruimte en in de tijd in kaart.
Aangezien het klimaat van stap tot stap in een simulatie verandert, kan het geografische bereik van een soort (zijn locatie op de kaart) worden gefragmenteerd door een ongeschikt klimaat. Als een fragment lang genoeg geïsoleerd blijft, wordt het tot een nieuwe soort verklaard. Het tijdstip van fragmentatie en de locatie van een dergelijk fragment tijdens deze periode van isolatie definieert het "wiegsegment" van zijn levenslooptraject.
Wanneer en als een virtuele soort uitgestorven is, registreren we de tijd en plotten we op de kaart de locatie van de achteruitgang naar uitsterven, die het 'ernstige segment' van het levenslooptraject van de soort vertegenwoordigt. De tijd en plaats die elke soort tussen het wiegstadium en het grafstadium aanhoudt, bepaalt het "museale segment" van zijn levenslooptraject.
Onze simulaties produceerden kaarten van wiegen, musea en voor het eerst graven. De kaarten bevestigden dat de oostelijke hellingen van de Andes en de westelijke Amazone wieg van speciatie zijn. Graven van uitsterven vielen samen met wiegjes in sommige regio's, zoals de Amazone, en werden verplaatst van wiegjes in andere, zoals de Andes. De oostelijke helling van het tropische Andesgebergte bleek niet alleen een wieg, maar ook een rijk museum voor biodiversiteit.
We hielden ook bij wanneer speciatie en uitsterven piekten en daalden in de loop van de simulaties, en ontdekten dat glaciale cycli beide processen aandreven. Pieken van uitsterven hadden de neiging om speciatiepieken te volgen in perioden van snelle opwarming aan het einde van koude ijstijden.
Klimaatdynamiek en topografie bepalen de patronen
Onze studie laat ons geloven dat patronen van rijkdom voor levende soorten, ongeacht de leeftijd van een soort, hun oorsprong hebben in dezelfde onderliggende processen die we in de simulatie hebben gemodelleerd. De interactie tussen de turbulente klimaten van de afgelopen 800.000 jaar en de dramatische landschappen van Zuid-Amerika zorgde voor speciatie in enkele jongere groepen planten en dieren, maar bracht de locatie van zowel jonge als oude soorten in onderling overleg willekeurig door elkaar.
Menselijke activiteiten dwingen veranderingen in het wereldwijde klimaat met een ongekend tempo, veel sneller dan de klimaatdynamiek in ons model. We weten dat soorten al in beweging zijn, hun verspreidingsgebieden verschuiven met alarmerende snelheden op het land en in de zeeën, met ingrijpende gevolgen voor het menselijk leven en levensonderhoud.
Hoewel onze simulaties niet zijn ontworpen om de toekomst te voorspellen, onthullen ze levendig de dynamische kracht van klimaatverandering om het leven op aarde vorm te geven.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation.
Robert K. Colwell, Distinguished Research Professor, University of Connecticut
Thiago F. Rangel, hoogleraar ecologie, Universidade Federal de Goias
