Van wieg tot graf: model reconstrueert biodiversiteit

25 juli 2018

Er zijn vele verschillende factoren die de natuurlijke biodiversiteit beïnvloeden, wat het lastig maakt om exact te begrijpen hoe de huidige biodiversiteit op aarde tot stand gekomen is. Een internationaal onderzoeksteam heeft daarom een computersimulatie gemaakt die kijkt naar de belangrijkste factoren voor evolutie en het uitsterven van soorten. De resultaten van deze studie zijn recent gepubliceerd in Science en brengen ons dichterbij het begrijpen van de complexe interactie tussen topografie en klimaatsverandering en de manier waarop deze factoren de evolutionaire geschiedenis en biodiversiteit in natuurlijke ecosystemen heeft beïnvloedt.

Het computermodel laat gedetailleerd zien waar biogeografisch gezien de wiegen, museums en graven van de biodiversiteit liggen. ‘Met het model kunnen we identificeren waar nieuwe soorten ontstonden (wiegen), waar soorten overleefden (museums) en waar soorten uitstierven (graven), ‘ vertelt Dr. William Gosling, paleoecoloog aan het UvA Instituut voor Biodiversiteit en Ecosysteem Dynamics en co-auteur van het artikel in Science.

‘In het model wilden we een aantal fundamentele processen simuleren die het leven op aarde geografisch gezien vormgeven,’ vertelt Robert Colwell, emeritus professor ecologie en evolutiebiologie aan de Universiteit van Connecticut die het onderzoek samen met zijn Braziliaanse collega Thiago F. Rangel leidde.

Andesgebergte

De onderzoekers hebben bij het ontwikkelen en uittesten van het model gekeken naar Zuid Amerika, het continent dat biologisch en klimatologisch gezien het meest divers is. De ontwikkeling van het Andesgebergte begon 25 miljoen jaar geleden, en daarmee werd een divers landschap gecreëerd dat ruimte gaf aan een rijke biodiversiteit. ‘Daarmee is deze locatie perfect op de ecologie en evolutie van biodiversiteit te bestuderen. Het Andesgebergte is de langste en enige trans-tropische bergketen op aarde. De bergen liggen direct naast de Amazone, het grootste tropische regenwoud  en stroomgebied op aarde. Dit is de reden dat Zuid Amerika zo’n absurd hoge biodiversiteit heeft,’ vertelt Rangel.

Collega’s van de Open Universiteit in het Verenigd Koninkrijk hebben een model gebouwd om het oude klimaat in Zuid Amerika te simuleren. Door conventionele en statistische benaderingen te combineren, konden de onderzoekers voor het eerst in detail het veranderende klimaat over de afgelopen honderden millennia modelleren. Dit is veel langer dan voorheen mogelijk was. Het model omspant een tijdschaal van 800.000 jaar en berekent de temperatuur en neerslag met intervallen van 500 jaar gedurende een periode dat wereldwijde ijstijden en dooiperiodes elkaar afwisselden.

Evolutie van het leven

Speciatie, de evolutie van nieuwe soorten vanuit voorouderlijke soorten, is een proces dat wordt gecompliceerd door verschillende factoren, zoals het veranderende klimaat, maar ook geografische en topografische factoren. Deze factoren kunnen allemaal leiden tot het afsplitsen of isoleren van populaties en het vestigen van nieuwe soorten. In de loop van de tijd zijn nieuwe soorten ontstaan, behouden, verplaatst naar nieuwe gebieden of uitgestorven. Het is echter niet altijd duidelijk waarom deze specifieke gebeurtenissen precies plaatsvinden.

Door middel van computersimulaties kon het onderzoeksteam het levenstraject van soorten inschatten, beginnend met het ontstaan van soorten en eindigend op één van de driepunten: opsplitsing in nieuwe soorten, uitsterving of het blijven bestaan van de soort. Bij iedere tijdsstap in de simulatie werd het geografische bereik van een soort bepaald. Het team vond dat de levenstrajecten van soorten werden beïnvloed door de ijstijdcycli, welke leidden tot perioden waarin veel soorten ontstonden of juist uitstierven door veranderingen in het geografische bereik van soorten binnen de complexe topgrafie van het continent. Dit stelde de onderzoekers in staat om  de wiegen en graven van biodiversiteit in kaart te brengen. ‘Verassend genoeg was het model in staat een biodiversiteitskaart te reproduceren die sterk lijkt op hedendaagse kaarten van de verspreiding van vogel-, zoogdier- en plantsoorten, terwijl in het model alleen rekening was gehouden met de meest fundamentele processen,’ zegt Colwell.

Sterke invloed van het veranderend klimaat

‘De meerderheid van de levende soorten in Zuid Amerika zijn ouder dan 800.000 jaar, maar onze resultaten suggereren dat zelfs de oudste soorten op eenzelfde manier zijn verplaatst als de jongere soorten, waardoor ze allemaal dezelfde patronen in soortenrijkdom vormen,’ zegt Colwell. De onderzoekers denken dat de sterke invloed van klimaatsveranderingen gedurende de ijstijdcycli de meest logische verklaring is, aangezien er een wisselwerking met de topografie van het landschap. Veranderingen in temperatuur en neerslag zullen een grote impact hebben op soortenbereik, fragmentatie, vermenging en eliminatie, ongeacht de leeftijd van de soort.’

‘De resultaten laten zien hoezeer de evolutie van het leven afhangt van de veranderende fysische omgeving,’ zegt Neil Edwards van de Open Universiteit. Het model komt op een cruciaal moment, aangezien we nu midden in een ongekende klimaatsverandering zitten. Terwijl de simulatie is gebaseerd op een andere tijdsperiode, toont het de dynamische kracht van klimaatsverandering en de manier waarop dit het leven op aarde vormt. ‘Het huidige tempo van klimaatsverandering is veel, veel hoger dan wat dan ook in ons model, maar vandaag de dag vinden dezelfde processen plaats als het gaat om verschuivingen in soorten,’ zegt Colwell.  

Lees meer

Thiago F. Rangel, Neil R. Edwards, Philip B. Holden, José Alexandre F. Diniz-Filho, William D. Gosling, Marco Túlio P. Coelho, Fernanda A. S. Cassemiro, Carsten Rahbek, Robert K. Colwell: ‘Modeling the ecology and evolution of biodiversity: Biogeographical cradles, museums, and graves’, in: Science, 19 July 2018.
DOI:  10.1126/science.aar5452

Dit werk is mede mogelijk  gemaakt door Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) (beurzen PQ309550/2015-7, PQ301799/2016-4, en FAPEG/INCT465610/2014-5). Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) (beurzen SWB134/2012). CNPq (grant DTI380.376/2017-2) en de Danish National Research Foundation voor support van het Center for Macroecology, Evolution and Climate (grant DNRF96).

 

Gepubliceerd door  IBED