Der Amazonas und die angrenzenden Andenhänge in Südamerika beherbergen einen erstaunlichen Reichtum an Pflanzen und Tieren. Diese Arten sind seit der Ankunft des Menschen Nahrungsquellen, Obdach und Medizin und seit den Tagen der ersten europäischen Naturforscher ein Ziel wissenschaftlicher Neugier.
Welche Prozesse führen zu solchen Brennpunkten des Artenreichtums, und warum nimmt die Artenvielfalt in höheren Breiten und trockeneren Klimazonen allmählich ab? Wissenschaftler haben viele konkurrierende Erklärungen vorgeschlagen, aber es gibt keine einfache Möglichkeit, sie zu testen. Als Biogeographen, die sich mit der Geographie des Lebens auf dem Planeten befassen, haben wir keine Möglichkeit, Experimente in der realen Welt durchzuführen. Es wäre sowohl unpraktisch als auch unethisch, massive Ein- oder Ausrottungen von Arten vorzunehmen und dann Jahrhunderte oder Jahrtausende auf Ergebnisse zu warten.
Stattdessen haben wir, wie in unserer kürzlich in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Studie berichtet, ein interdisziplinäres Team von Biogeographen und Klimamodellierern zusammengebracht, um eine virtuelle Welt zu schaffen - einen Ort, an dem virtuelle Experimente durchgeführt werden können. Die Welt, die wir erschaffen haben, war eine Zeitraffersimulation des Lebens auf dem südamerikanischen Kontinent von vor 800.000 Jahren bis in die Gegenwart durch das Peitschenklima der letzten acht Eiszyklen. Wenn Muster der Artenvielfalt, die in dieser simulierten Welt erzeugt wurden, einigermaßen realistische Muster der Vielfalt hervorbringen, dann könnten wir zuversichtlich sein, dass die in die Simulation eingebauten ökologischen und evolutionären Prozesse richtig waren.
Was wir fanden, war eine Überraschung, die unsere Erwartungen übertroffen hat. Die Karten der südamerikanischen Artenvielfalt, die aus unseren Simulationen hervorgingen, sahen bemerkenswert ähnlich aus wie Karten von lebenden Vögeln, Säugetieren und Pflanzen. Darüber hinaus bestätigten die Simulationen zeitweise Migrationskorridore zwischen den Anden und dem atlantischen Regenwald im Südosten Brasiliens. Diese Regionen sind derzeit durch ein trockeneres Klima voneinander isoliert. Wissenschaftler vermuten jedoch seit langem, dass Zusammenhänge bestehen, da in beiden Regionen eng verwandte lebende Arten vorkommen.
Virtuelles Leben in einer virtuellen Welt
Jede Simulation begann mit einer einzelnen imaginären Spezies, die irgendwo auf einer detaillierten topografischen Karte von Südamerika angesiedelt war. In Zeitschritten von 500 Jahren mit insgesamt 1.600 Schritten wurde das Klima mit einem hochmodernen Paläoklimamodell aktualisiert, das von unseren Kollegen Neil Edwards und Phil Holden an der The Open University in Großbritannien erstellt wurde
Insgesamt haben wir mehr als tausend Simulationen mit jeweils unterschiedlichen Einstellungskombinationen für nur vier Variablen durchgeführt:
- Wie lange muss eine Population isoliert sein, um eine neue Art zu werden?
- Wie schnell sich Arten entwickeln können, um als Reaktion auf den Klimawandel zu überleben
- Wie weit kann sich eine Art über einen ungeeigneten Lebensraum bewegen?
- Wie stark verwandte Arten miteinander konkurrieren.
Warum war die starke Übereinstimmung zwischen unseren simulierten Karten des Artenreichtums und den realen Karten für Vögel, Säugetiere und Pflanzen so überraschend? Denn unsere Simulationen haben in der langen Geschichte Südamerikas nur einen winzigen Teil der Zeit erfasst. Achthunderttausend Jahre mögen wie eine tiefe Zeit erscheinen, aber Südamerika hat sich vor 130 Millionen Jahren von Afrika getrennt, und die Anden begannen ihren Aufstieg vor 25 Millionen Jahren. Eine wachsende Liste südamerikanischer Pflanzen- und Tiergruppen hat sich im Laufe des späten Quartärs - etwa in den letzten 800.000 Jahren - diversifiziert, aber die meisten Arten auf dem Kontinent sind viel älter.
Wir waren auch überrascht, dass unsere simulierten Karten den tatsächlichen Artenvielfaltmustern so stark ähnelten, da unsere Karten nicht von einem bestimmten Zielmuster der Vielfalt geleitet wurden. Sie basierten ausschließlich auf fundamentalen Prozessen, wie sie aus der Grundlagenforschung in der Ökologie und der Evolutionsbiologie hervorgehen. Zum Beispiel haben wir die evolutionäre Anpassung an Klimaextreme unter Verwendung von Grundsätzen und Gleichungen aus der Populationsgenetik modelliert.
Von der Wiege zum Museum zum Grab
Heute lebende Arten sind Überlebende. Sie sind die oberen Spitzen von Evolutionsbäumen mit vielen toten Ästen darunter, die das Aussterben in der Vergangenheit darstellen. Evolutionsbiologen können nun in vielen Fällen darauf schließen, wo die Vorfahren lebender Arten gelebt haben könnten. Regionen, in denen sich in der Vergangenheit Arten vermehrt haben, werden als „Wiegen“ der Artenbildung bezeichnet. Beispielsweise galten die Andenhänge lange Zeit als Brennpunkt der Artenbildung.
Charles Darwins erstes Diagramm eines Evolutionsbaums aus seinem ersten Notizbuch zur Transmutation von Arten (1837). Seine Notizen machen deutlich, dass er verstand, dass Aussterben ein wesentliches Element der Evolution ist: "So würden Gattungen gebildet, die in Beziehung zu alten Typen mit mehreren ausgestorbenen Formen stehen." (Public Domain) Regionen, in denen Arten besonders lange bestehen geblieben sind, werden als „Museen“ bezeichnet. Jede Region wie der Amazonas, in der viele alte Arten existieren, kann als biogeografisches Museum betrachtet werden. Im Gegensatz dazu ist es durch die Untersuchung der Geographie lebender Überlebender praktisch unmöglich zu berechnen, wo die toten Zweige des Evolutionsbaums auf der Karte platziert werden sollen - die „Gräber“.
Durch unsere Simulationen verfolgten wir die gesamte „Lebensspanne“ jeder virtuellen Spezies, von der Wiege bis zum Grab, räumlich und zeitlich.
Während sich das Klima in einer Simulation von Schritt zu Schritt ändert, kann die geografische Reichweite einer Art (ihre Position auf der Karte) durch ein ungeeignetes Klima fragmentiert werden. Wenn ein Fragment lange genug isoliert bleibt, wird es als neue Art deklariert. Die Zeit der Fragmentierung und der Ort eines solchen Fragments während dieser Zeit der Isolation definiert das „Wiegensegment“ seiner Lebensspanne.
Wann und wenn eine virtuelle Art ausgestorben ist, zeichnen wir die Zeit auf und zeichnen den Ort des Aussterbens auf der Karte auf, der das „Grabensegment“ der Lebensspanne der Art darstellt. Die Zeit und der Ort, an dem jede Art zwischen der Wiegenphase und der Grabphase verbleibt, definieren das „Museumssegment“ ihres Lebensweges.
Unsere Simulationen ergaben Karten von Wiegen, Museen und zum ersten Mal Gräbern. Die Karten bestätigten, dass die Osthänge der Anden und der westliche Amazonas Wiegen der Speziation sind. Die vom Aussterben bedrohten Gräber fielen in einigen Regionen wie dem Amazonas mit den Wiegen zusammen und wurden in anderen Regionen wie den Anden von den Wiegen verdrängt. Der Osthang der tropischen Anden erwies sich nicht nur als Wiege, sondern auch als reichhaltiges Museum für biologische Vielfalt.
Wir haben auch nachverfolgt, wann Speziation und Aussterben im Laufe der Simulationen ihren Höhepunkt erreicht und abgenommen haben, und festgestellt, dass Eiszyklen beide Prozesse antreiben. Aussterbungspeaks folgten in der Regel den Speziationspeaks in Zeiten schneller Erwärmung am Ende der kalten Gletscherperioden.
Klimadynamik und Topographie bestimmen das Bild
Unsere Studie lässt uns glauben, dass Reichhaltigkeitsmuster für lebende Arten unabhängig vom Alter einer Art ihren Ursprung in denselben zugrunde liegenden Prozessen haben, die wir in der Simulation modelliert haben. Die Wechselwirkung zwischen den turbulenten Klimazonen der letzten 800.000 Jahre und den dramatischen Landschaften Südamerikas führte bei einigen jüngeren Gruppen von Pflanzen und Tieren zu einer Speziation, vermischte jedoch wahllos die Lage sowohl junger als auch alter Arten.
Menschliche Aktivitäten zwingen zu einer beispiellosen Veränderung des globalen Klimas, viel schneller als die Klimadynamik in unserem Modell. Wir wissen, dass Arten bereits in Bewegung sind und sich ihre Reichweite zu Land und zu Wasser mit alarmierenden Folgen für das Leben und den Lebensunterhalt der Menschen verschiebt.
Obwohl unsere Simulationen nicht darauf ausgelegt waren, die Zukunft vorherzusagen, enthüllen sie anschaulich die dynamische Kraft des Klimawandels, der das Leben auf der Erde prägt.
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht.
Robert K. Colwell, angesehener Forschungsprofessor, University of Connecticut
Thiago F. Rangel, Professor für Ökologie, Universidade Federal de Goias
