Come i mondi virtuali possono ricreare la storia geografica della vita

L'Amazzonia e le pendici andine adiacenti in Sud America ospitano una ricchezza sorprendente di piante e animali. Queste specie sono state fonti di cibo, riparo e medicine sin dall'arrivo degli umani e un bersaglio di curiosità scientifica sin dai tempi dei primi esploratori naturalisti europei .

Quali processi producono tali punti caldi della ricchezza delle specie e perché la biodiversità diminuisce gradualmente verso latitudini più elevate e climi più secchi? Gli scienziati hanno proposto molte spiegazioni contrastanti, ma non esiste un modo semplice per testarle. Come biogeografi , quelli di noi che studiano la geografia della vita sul pianeta, non abbiamo la possibilità di effettuare esperimenti nel mondo reale. Sarebbe poco pratico e non etico intraprendere massicce presentazioni o sterminio di specie e quindi attendere secoli o millenni per ottenere risultati.

Invece, come riportato nel nostro recente studio pubblicato sulla rivista Science, abbiamo riunito un team interdisciplinare di biogeografi e modellisti climatici per creare un mondo virtuale – un posto dove fare esperimenti virtuali. Il mondo che abbiamo ricreato era una simulazione time-lapse della vita nel continente del Sud America, dagli 800.000 anni fa ai giorni nostri, attraverso i climi frustati degli ultimi otto cicli glaciali. Se i modelli di biodiversità prodotti in questo mondo simulato producevano modelli di diversità ragionevolmente realistici, allora potremmo essere sicuri che i processi ecologici ed evolutivi integrati nella simulazione fossero giusti.

Ciò che abbiamo trovato è stata una sorpresa oltre le nostre aspettative più affettuose. Le mappe della diversità delle specie sudamericane emerse dalle nostre simulazioni sembravano molto simili alle mappe di uccelli, mammiferi e piante viventi. Inoltre, le simulazioni hanno confermato corridoi migratori intermittenti tra le Ande e la foresta pluviale atlantica nel sud-est del Brasile. Queste regioni sono attualmente isolate l'una dall'altra da climi più asciutti, ma gli scienziati hanno da tempo sospettato che esistessero connessioni, basate sulla presenza di specie viventi strettamente correlate in entrambe le regioni.

Vita virtuale in un mondo virtuale

Ogni simulazione è iniziata con una singola specie immaginaria, seminata da qualche parte su una mappa topografica dettagliata del Sud America. In intervalli di 500 anni, per un totale di 1.600 passi in tutto, il clima è stato aggiornato con un modello paleo-climatico all'avanguardia creato dai nostri colleghi Neil Edwards e Phil Holden presso The Open University nel Regno Unito

In tutto abbiamo eseguito più di mille simulazioni, ognuna con una diversa combinazione di impostazioni per solo quattro variabili:

  • Per quanto tempo una popolazione deve essere isolata per diventare una nuova specie.
  • La velocità con cui le specie possono evolversi per sopravvivere, in risposta ai cambiamenti climatici.
  • Fino a che punto una specie può spostarsi attraverso l'habitat inadatto.
  • Come le specie strettamente correlate sono in concorrenza tra loro.

Perché la forte corrispondenza tra le nostre mappe simulate della ricchezza delle specie e le mappe del mondo reale per uccelli, mammiferi e piante era così sorprendente? Perché le nostre simulazioni hanno coperto solo una piccola parte del tempo nella lunga storia del Sud America. Ottocentomila anni possono sembrare tempi profondi, ma il Sud America si è separato dall'Africa 130 milioni di anni fa e le Ande hanno iniziato la loro ascesa 25 milioni di anni fa. È noto che un crescente elenco di gruppi animali e vegetali sudamericani si è diversificato nel tardo periodo quaternario – all'incirca negli ultimi 800.000 anni – ma la maggior parte delle specie nel continente è molto più antica.

Siamo anche rimasti sorpresi dal fatto che le nostre mappe simulate assomigliassero così da vicino ai modelli di ricchezza delle specie reali, perché le nostre mappe non erano guidate da nessun particolare modello target di diversità. Sono stati costruiti rigorosamente su processi fondamentali, come capito dalla ricerca di base in ecologia e biologia evolutiva. Ad esempio, abbiamo modellato l'adattamento evolutivo agli estremi climatici usando i principi e le equazioni della genetica delle popolazioni.

Dalla culla al museo alla tomba

Le specie vive oggi sono sopravvissute. Sono le punte superiori degli alberi evolutivi con molti rami morti sotto, che rappresentano estinzioni in passato. I biologi evoluzionisti sono ora in grado di dedurre, in molti casi, dove potrebbero essere vissuti gli antenati delle specie viventi. Le regioni in cui le specie proliferavano in passato sono diventate le ‘culle’ della speciazione. Ad esempio, le pendici andine sono state a lungo considerate un punto caldo della speciazione.

Le regioni in cui le specie sono persistite per periodi particolarmente lunghi sono chiamate ‘musei’. Qualsiasi regione, come l'Amazzonia, dove persistono molte specie antiche, può essere considerata un museo biogeografico. Al contrario, calcolare dove i rami morti dell'albero evolutivo dovrebbero essere collocati sulla mappa – le ‘tombe’ – è praticamente impossibile studiando la geografia dei sopravvissuti viventi.

Attraverso le nostre simulazioni, abbiamo seguito e mappato l'intera ‘traiettoria di vita’ di ogni specie virtuale, dalla culla alla tomba, nello spazio e nel tempo.

Poiché il clima cambia da una fase all'altra in una simulazione, l'intervallo geografico di una specie (la sua posizione sulla mappa) può essere frammentato da un clima inadatto. Se un frammento persiste nell'isolamento abbastanza a lungo, viene dichiarato una nuova specie. Il tempo di frammentazione e la posizione di tale frammento durante questo periodo di isolamento definisce il ‘segmento della culla’ della sua traiettoria di vita.

Quando e se una specie virtuale si estingue, registriamo il tempo e tracciamo sulla mappa la posizione del declino verso l'estinzione, che rappresenta il ‘segmento grave’ della traiettoria di vita della specie. Il tempo e il luogo in cui ciascuna specie persiste tra la fase della culla e la fase grave definisce il ‘segmento museale’ della sua traiettoria di vita.

Le nostre simulazioni hanno prodotto mappe di culle, musei e, per la prima volta, tombe. Le mappe hanno confermato che le pendici orientali delle Ande e l'Amazzonia occidentale sono culle di speciazione. Le tombe di estinzione coincisero con le culle in alcune regioni, come l'Amazzonia, e furono spostate dalle culle in altre, come le Ande. Il versante orientale delle Ande tropicali si è rivelato non solo una culla, ma anche un ricco museo della biodiversità.

Abbiamo anche tenuto traccia di quando la speciazione e l'estinzione hanno raggiunto il picco e il declino nel corso delle simulazioni, e abbiamo scoperto che i cicli glaciali hanno guidato entrambi i processi. I picchi di estinzione tendevano a seguire i picchi di speciazione nei periodi di rapido riscaldamento alla fine dei freddi periodi glaciali.

Le dinamiche climatiche e la topografia guidano i modelli

Il nostro studio ci porta a credere che i modelli di ricchezza per le specie viventi, indipendentemente dall'età di una specie, abbiano le loro origini negli stessi processi sottostanti che abbiamo modellato nella simulazione. L'interazione tra i climi turbolenti degli ultimi 800.000 anni e i drammatici paesaggi del Sud America ha guidato la speciazione in alcuni gruppi più giovani di piante e animali, ma ha mescolato indiscriminatamente la posizione di specie giovani e antiche.

Le attività umane stanno forzando i cambiamenti nel clima globale a un ritmo senza precedenti, molto più veloce delle dinamiche climatiche nel nostro modello. Sappiamo che le specie sono già in movimento , le loro gamme si spostano a tassi allarmanti sulla terra e nei mari, con effetti profondi sulla vita umana e sui mezzi di sussistenza.

Sebbene le nostre simulazioni non siano state progettate per prevedere il futuro, rivelano vividamente il potere dinamico del cambiamento climatico per modellare la vita sulla Terra.

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