Amazon dan cerun Andes yang bersebelahan di Amerika Selatan menjadi tuan rumah yang kaya dengan tumbuhan dan haiwan. Spesies ini merupakan sumber makanan, tempat tinggal dan ubat-ubatan sejak ketibaan manusia dan sasaran keingintahuan saintifik sejak zaman penjelajah alam semula jadi terawal.
Apakah proses yang menghasilkan spesis kekayaan spesies seperti ini, dan mengapa biodiversiti secara beransur-ansur menurun ke arah latitud dan iklim yang lebih kering? Para saintis telah mencadangkan banyak penjelasan bersaing, tetapi tidak ada cara mudah untuk mengujinya. Sebagai biogeografi, kita yang mempelajari geografi kehidupan di planet ini, kita tidak mempunyai pilihan untuk menjalankan eksperimen dunia sebenar. Ia akan menjadi tidak praktikal dan tidak beretika untuk melakukan pengenalan besar-besaran atau pemusnahan spesies dan kemudian menunggu berabad-abad atau ribuan tahun untuk hasil.
Sebaliknya, seperti yang dilaporkan dalam kajian baru-baru ini yang diterbitkan dalam jurnal Sains, kami membawakan satu pasukan penyelidik biogeografi dan pemodelan iklim untuk mewujudkan dunia maya - tempat untuk melakukan eksperimen maya. Dunia yang kami dicipta adalah simulasi kehidupan sepanjang hayat di benua Amerika Selatan, dari 800, 000 tahun yang lalu hingga sekarang, melalui iklim rawa-rawa dari lapan siklus glasial terakhir. Sekiranya pola biodiversiti yang dihasilkan dalam dunia simulasi ini menghasilkan corak kepelbagaian yang agak realistik, maka kita yakin bahawa proses ekologi dan evolusi yang dibina dalam simulasi adalah betul.
Apa yang kami dapati adalah satu kejutan yang luar jangkaan kami yang paling mengagumkan. Peta kepelbagaian spesies Amerika Selatan yang muncul dari simulasi kami kelihatan sangat mirip dengan peta burung, mamalia dan tumbuhan yang hidup. Apa lagi, simulasi mengesahkan koridor penghijrahan antara Andes dan Hutan Hujan Atlantik di tenggara Brazil. Kawasan-kawasan ini kini terpencil dari satu sama lain oleh iklim kering, tetapi para saintis telah lama mengesyaki bahawa sambungan wujud, berdasarkan kehadiran spesies hidup yang berkait rapat di kedua-dua wilayah.
Kehidupan maya di dunia maya
Setiap simulasi bermula dengan satu spesies khayalan, di mana-mana di peta topografi terperinci di Amerika Selatan. Dalam jangka masa 500 tahun, berjumlah 1, 600 langkah dalam semua, iklim dikemas kini dengan model iklim paleo-terkini yang dicipta oleh rakan-rakan Neil Edwards dan Phil Holden di The Open University di UK.
Dalam semua kami berlari lebih daripada seribu simulasi, masing-masing dengan kombinasi tetapan yang berbeza untuk hanya empat pembolehubah:
- Berapa lama penduduk terpencil untuk menjadi spesies baru?
- Bagaimana spesies yang cepat boleh berubah untuk bertahan, sebagai tindak balas terhadap perubahan iklim
- Sejauh mana spesies boleh bergerak di habitat yang tidak sesuai
- Bagaimana spesies yang berkaitan erat bersaing dengan satu sama lain.
Mengapa korespondensi yang kuat antara peta simulasi kami tentang spesies kekayaan dan peta dunia nyata untuk burung, mamalia dan tumbuhan sangat mengejutkan? Kerana simulasi kami hanya meliputi sedikit masa dalam sejarah panjang Amerika Selatan. Lapan ratus ribu tahun mungkin kelihatan seperti masa yang mendalam, tetapi Amerika Selatan berpisah dari Afrika 130 juta tahun yang lalu, dan Andes mula naik 25 juta tahun yang lalu. Senarai tumbuh tumbuhan dan kumpulan haiwan Amerika Selatan kini dikenali sebagai kepelbagaian sepanjang Tempoh Kuartera Lewat - kira-kira 800, 000 tahun yang lalu - tetapi kebanyakan spesies di benua lebih tua.
Kami juga terkejut bahawa peta simulasi kami menyerupai corak kekayaan spesies sebenar dengan begitu rapat, kerana peta kami tidak dipandu oleh sebarang pola sasaran khusus kepelbagaian. Mereka dibina dengan ketat pada proses asas, seperti yang difahami dari penyelidikan asas dalam ekologi dan biologi evolusi. Contohnya, kita menyesuaikan adaptasi evolusi kepada ekstrim iklim menggunakan prinsip dan persamaan dari genetik populasi.
Dari buaian ke muzium ke kubur
Spesies yang masih hidup hari ini masih hidup. Mereka adalah tip atas pokok evolusi dengan banyak cabang mati di bawah, yang mewakili kepupusan di masa lalu. Ahli biologi evolusi kini dapat menyimpulkan, dalam banyak kes, di mana nenek moyang spesies hidup mungkin hidup. Kawasan di mana spesis berkembang pada masa lalu telah dipanggil "buaian" spesiasi. Contohnya, lereng Andes telah lama dianggap sebagai titik spek panas.
Rajah pertama Charles Darwin mengenai pokok evolusi, dari Notebook Pertama tentang Transmutasi Spesies (1837). Nota beliau menjelaskan bahawa dia memahami kepupusan adalah elemen penting dalam evolusi: 'Oleh itu, genera akan dibentuk berkaitan hubungan dengan jenis kuno dengan beberapa bentuk punah.' (Domain awam) Kawasan di mana spesies telah bertahan untuk tempoh yang lama dipanggil "muzium." Sebarang wilayah, seperti Amazon, di mana banyak spesies purba dapat dianggap sebagai muzium biogeografi. Sebaliknya, perhitungan di mana cawangan-cawangan yang mati dalam pokok evolusi itu harus diletakkan di atas peta - "kuburan" - adalah mustahil dengan mengkaji geografi hidup yang selamat.
Melalui simulasi kami, kami mengikuti dan memetakan keseluruhan "trajektori seumur hidup" setiap spesies maya, dari buaian hingga ke kubur, di angkasa dan dalam masa.
Apabila perubahan iklim dari langkah ke langkah dalam simulasi, pelbagai geografi spesies (lokasinya di peta) mungkin dipecahkan oleh iklim yang tidak sesuai. Sekiranya serpihan berlanjutan secara berasingan, ia diisytiharkan sebagai spesies baru. Masa pemecahan dan lokasi serpihan sebegini dalam tempoh pengasingan ini mentakrifkan "segmen buaian" dalam lintasan seumur hidupnya.
Apabila dan jika spesies maya pergi pupus, kita merakam masa dan plot pada peta lokasi penurunan ke arah kepupusan, yang mewakili "segmen kubur" trajektori seumur hidup spesies. Masa dan tempat yang setiap spesies berterusan di antara peringkat buaian dan peringkat kubur mentakrifkan "segmen muzium" dalam lintasan seumur hidupnya.
Simulasi kami menghasilkan peta buaian, muzium, dan untuk pertama kalinya, kuburan. Peta-peta mengesahkan bahawa lereng timur Andes dan Amazon barat adalah bayang-bayang spesiasi. Graves of extinction coincided with cradles in some regions, such as Amazon, and displaced from cradles to others, such as Andes. Kemiringan timur dari Andes tropika terbukti bukan sahaja buaian, tetapi juga muzium kepelbagaian biologi yang kaya.
Kami juga menjejaki apabila spekulasi dan kepupusan memuncak dan merosot sepanjang simulasi, dan mendapati kitaran glasier memandu kedua-dua proses. Puncak kepupusan cenderung mengikuti puncak spesiasi dalam tempoh pemanasan pesat pada akhir tempoh glasier sejuk.
Dinamik dan topografi iklim memacu corak
Kajian kami membawa kita untuk mempercayai bahawa corak kekayaan untuk spesies hidup, tanpa mengira umur spesies, mempunyai asal-usul mereka dalam proses asas yang sama yang kita dimodelkan dalam simulasi. Interaksi antara iklim bergelora 800, 000 tahun yang lalu dan landskap dramatik Amerika Selatan mendorong spesiasi dalam beberapa kumpulan tumbuhan dan haiwan yang lebih muda, tetapi menggeledah lokasi kedua-dua spesies muda dan purba secara konsisten, tanpa pandang bulu.
Aktiviti manusia memaksa perubahan iklim global pada kadar yang tidak pernah berlaku, lebih cepat daripada dinamik iklim dalam model kami. Kami tahu bahawa spesies sudah bergerak, rangkaian mereka beralih pada kadar yang membimbangkan di darat dan di lautan, dengan kesan yang mendalam terhadap kehidupan manusia dan mata pencaharian.
Walaupun simulasi kami tidak dirancang untuk meramalkan masa depan, mereka dengan jelas mendedahkan kuasa dinamik perubahan iklim untuk membentuk kehidupan di Bumi.
Artikel ini pada asalnya diterbitkan di The Conversation.
Robert K. Colwell, Profesor Penyelidikan Cemerlang, University of Connecticut
Thiago F. Rangel, Profesor Ekologi, Universidade Federal de Goias
