アマゾンと南アメリカのアンデス山脈の斜面には、驚くほど豊かな動植物が生息しています。 これらの種は、人間が到着して以来、食物、避難所、薬の供給源であり、ヨーロッパの初期の自然主義者探検家の時代から科学的好奇心の標的でした。
このような種の豊富さのホットスポットを生成するプロセスは何ですか？また、なぜ生物多様性が高緯度と乾燥した気候に向かって徐々に低下するのですか？ 科学者は多くの競合する説明を提案していますが、それらをテストする簡単な方法はありません。 地球上の生命の地理を研究する生物地理学者として、現実世界の実験を行う選択肢はありません。 種の大量導入または絶滅を実施し、結果を数世紀または数千年待つことは、非現実的かつ非倫理的です。
代わりに、ジャーナルScienceに掲載された最近の研究で報告されているように、生物地理学者と気候モデラーの学際的チームを結集して、仮想実験を行う場所である仮想世界を作成しました。 私たちが再現した世界は、80万年前から現在まで、最後の8つの氷河サイクルの鞭のような気候を経て、南アメリカ大陸でのタイムラプスシミュレーションでした。 このシミュレートされた世界で生成された生物多様性のパターンが合理的に現実的な多様性のパターンを生成した場合、シミュレーションに組み込まれた生態学的および進化的プロセスが正しいと確信できます。
私たちが見つけたのは、私たちの一番の期待を超えた驚きでした。 シミュレーションから明らかになった南アメリカの種の多様性のマップは、生きている鳥、哺乳類、植物のマップと非常によく似ていました。 さらに、シミュレーションにより、ブラジル南東部のアンデス山脈と大西洋の熱帯雨林の間の断続的な移動廊下が確認されました。 これらの地域は現在、乾燥した気候によって互いに隔離されていますが、科学者は、両地域に密接に関連する生物種の存在に基づいて、つながりが存在することを長い間疑っていました。
仮想世界での仮想生活
各シミュレーションは、南アメリカの詳細な地形図のどこかにシードされた単一の想像上の種から始まりました。 合計で1, 600ステップの500年の時間ステップで、気候は英国のオープン大学の同僚であるニール・エドワーズとフィル・ホールデンによって作成された最新の古気候モデルで更新されました。
合計で、それぞれ4つの変数の設定の異なる組み合わせで、1000を超えるシミュレーションを実行しました。
- 個体群が新種になるためにどれだけ隔離されなければならないか
- 気候変動に対応して、どのように速く種が進化して生き残ることができるか
- 種が不適切な生息地をどの程度移動できるか
- 密接に関連する種が互いに競合する度合い。
シミュレーションされた種の豊富さのマップと鳥、哺乳類、植物の現実世界のマップの間の強い対応がなぜ驚くべきものでしたか？ なぜなら私たちのシミュレーションは南アメリカの長い歴史のほんのわずかな時間しかカバーしていなかったからです。 80万年は深い時間のように思えるかもしれませんが、南アメリカは1億3千万年前にアフリカから分離し、アンデスは2500万年前に上昇を始めました。 現在、南アメリカの動植物グループのリストは、第四紀後期（およそ過去80万年）にわたって多様化していることが知られていますが、大陸のほとんどの種ははるかに古くなっています。
また、マップが特定の多様性のターゲットパターンによって導かれていないため、シミュレーションマップが実際の種の豊富さのパターンに非常に似ていることにも驚きました。 生態学と進化生物学の基礎研究から理解されるように、それらは厳密に基本的なプロセスに基づいて構築されました。 たとえば、人口遺伝学の原理と方程式を使用して、極端な気候への進化的適応をモデル化しました。
ゆりかごから博物館、墓まで
今日生きている種は生存者です。 それらは、過去の絶滅を表す多くの枯れ枝の下にある進化樹の上部の先端です。 進化生物学者は現在、多くの場合、生きている種の祖先が住んでいた場所を推測することができます。 過去に種が増殖した地域は、種分化の「ゆりかご」と呼ばれるようになりました。 たとえば、アンデスの斜面は長い間種分化のホットスポットと考えられてきました。
種の変容に関する最初のノート（1837）からの、チャールズダーウィンの進化ツリーの最初の図。 彼のノートは、絶滅が進化の重要な要素であることを理解したことを明らかにしています：「このように属は、いくつかの絶滅した形態を持つ古代のタイプとの関係を持って形成されるでしょう」 （パブリックドメイン） 種が特に長期間にわたって存在する地域は「博物館」と呼ばれます。アマゾンのように多くの古代の種が存在する地域は、生物地理学博物館と見なすことができます。 対照的に、進化ツリーの枯れ枝をマップ上のどこに置くべきか、つまり「墓」を推測することは、生存している生存者の地理を研究することでは事実上不可能です。
シミュレーションを通じて、クレードルから墓まで、空間と時間で、各仮想種の「生涯の軌跡」全体を追跡し、マッピングしました。
シミュレーションでは気候が段階的に変化するため、種の地理的範囲（地図上の位置）は不適切な気候によって断片化される場合があります。 フラグメントが十分に長く孤立して存在する場合、新しい種として宣言されます。 この分離期間中の断片化の時間とそのような断片の位置は、その寿命軌道の「クレードルセグメント」を定義します。
仮想種が絶滅した場合、時間を記録し、絶滅に向かって衰退する場所をマップにプロットします。これは、種の生涯の軌跡の「重大なセグメント」を表します。 各種がゆりかごの段階と墓の段階の間で持続する時間と場所は、その生涯の軌跡の「博物館セグメント」を定義します。
私たちのシミュレーションは、ゆりかご、博物館、そして初めて墓地の地図を作成しました。 マップは、アンデス山脈の東斜面とアマゾン西部が種分化のゆりかごであることを確認しました。 絶滅の墓は、アマゾンなどの一部の地域の揺りかごと一致し、アンデスなどの他の地域の揺りかごから移動しました。 熱帯のアンデス山脈の東の斜面は、ゆりかごだけでなく、生物多様性の豊かな博物館でもあることが証明されました。
また、シミュレーションの過程で種分化と絶滅がピークに達し、減少した時期を追跡し、氷河サイクルが両方のプロセスを駆動したことを発見しました。 絶滅のピークは、寒冷氷河期の終わりの急速な温暖化の期間に種分化のピークに続く傾向がありました。
気候ダイナミクスと地形がパターンを駆動します
私たちの研究は、種の年齢に関係なく、生きている種の豊かさのパターンは、シミュレーションでモデル化したのと同じ基礎となるプロセスに起源があると信じています。 過去80万年の乱流気候と南アメリカの劇的な風景との相互作用は、若いグループの動植物の種分化を促しましたが、若くて古い種の両方の場所を無差別に入れ替えました。
人間の活動は、私たちのモデルの気候力学よりもはるかに速い、前例のない速度で地球規模の気候の変化を強制しています。 種はすでに移動中であり、その範囲は陸上と海で驚くべき速度で変化し、人間の生活と生活に大きな影響を与えることを知っています。
シミュレーションは未来を予測するようには設計されていませんが、地球上の生命を形作る気候変動の動的な力を鮮明に明らかにしています。
この記事はもともとThe Conversationで公開されました。
ロバートK.コルウェル、コネチカット大学特別研究教授
チアゴF.ランゲル、ゴイアス連邦大学エコロジー教授
