Amazon dan lereng-lereng Andes yang berdekatan di Amerika Selatan memiliki kekayaan tanaman dan hewan yang menakjubkan. Spesies ini telah menjadi sumber makanan, tempat tinggal dan obat-obatan sejak kedatangan manusia dan menjadi target keingintahuan ilmiah sejak zaman para penjelajah naturalis Eropa yang paling awal.
Proses apa yang menghasilkan hot spot kekayaan spesies seperti itu, dan mengapa keanekaragaman hayati secara bertahap menurun ke arah garis lintang yang lebih tinggi dan iklim yang lebih kering? Para ilmuwan telah mengajukan banyak penjelasan yang saling bersaing, tetapi tidak ada cara mudah untuk mengujinya. Sebagai biogeografer, kita yang mempelajari geografi kehidupan di planet ini, kita tidak memiliki pilihan untuk melakukan eksperimen di dunia nyata. Akan menjadi tidak praktis dan tidak etis untuk melakukan perkenalan besar-besaran atau pemusnahan spesies dan kemudian menunggu berabad-abad atau ribuan tahun untuk hasilnya.
Sebagai gantinya, seperti yang dilaporkan dalam penelitian terbaru kami yang diterbitkan dalam jurnal Science, kami menyatukan tim interdisipliner biogeografer dan pemodel iklim untuk menciptakan dunia virtual - tempat untuk melakukan eksperimen virtual. Dunia yang kami ciptakan kembali adalah simulasi selang-waktu kehidupan di benua Amerika Selatan, dari 800.000 tahun yang lalu hingga sekarang, melalui iklim gergaji besi dari delapan siklus glasial terakhir. Jika pola keanekaragaman hayati yang dihasilkan dalam dunia simulasi ini menghasilkan pola keanekaragaman yang cukup realistis, maka kita dapat yakin bahwa proses ekologis dan evolusi yang dibangun dalam simulasi itu benar.
Apa yang kami temukan adalah kejutan di luar harapan terindah kami. Peta keanekaragaman spesies Amerika Selatan yang muncul dari simulasi kami tampak sangat mirip dengan peta burung hidup, mamalia dan tanaman. Terlebih lagi, simulasi mengkonfirmasi koridor migrasi terputus-putus antara Andes dan Hutan Hujan Atlantik di Brasil tenggara. Daerah-daerah ini saat ini terisolasi satu sama lain oleh iklim yang lebih kering, tetapi para ilmuwan telah lama mencurigai adanya hubungan, berdasarkan keberadaan spesies hidup yang terkait erat di kedua wilayah tersebut.
Kehidupan virtual di dunia virtual
Setiap simulasi dimulai dengan satu spesies imajiner tunggal, diunggulkan di suatu tempat pada peta topografi rinci Amerika Selatan. Dalam langkah waktu 500 tahun, dengan total 1.600 langkah dalam semua, iklim diperbarui dengan model paleo-iklim termutakhir yang diciptakan oleh rekan kami Neil Edwards dan Phil Holden di Universitas Terbuka di Inggris.
Secara keseluruhan kami menjalankan lebih dari seribu simulasi, masing-masing dengan kombinasi pengaturan yang berbeda hanya untuk empat variabel:
- Berapa lama populasi harus diisolasi untuk menjadi spesies baru
- Seberapa cepat spesies dapat berevolusi untuk bertahan hidup, sebagai respons terhadap perubahan iklim
- Seberapa jauh suatu spesies dapat bergerak melintasi habitat yang tidak cocok
- Seberapa kuat spesies yang saling terkait erat saling bersaing.
Mengapa korespondensi yang kuat antara peta simulasi kami tentang kekayaan spesies dan peta dunia nyata untuk burung, mamalia, dan tumbuhan begitu mengejutkan? Karena simulasi kami hanya membahas sepotong kecil waktu dalam sejarah panjang Amerika Selatan. Delapan ratus ribu tahun mungkin tampak seperti waktu yang dalam, tetapi Amerika Selatan terpisah dari Afrika 130 juta tahun yang lalu, dan Andes memulai kebangkitannya 25 juta tahun yang lalu. Daftar tumbuh kelompok tanaman dan hewan Amerika Selatan sekarang dikenal memiliki diversifikasi selama Periode Kuarter Akhir - kira-kira 800.000 tahun terakhir - tetapi sebagian besar spesies di benua jauh lebih tua.
Kami juga terkejut bahwa peta simulasi kami sangat mirip dengan pola kekayaan spesies, karena peta kami tidak dipandu oleh pola target keanekaragaman tertentu. Mereka dibangun secara ketat pada proses fundamental, sebagaimana dipahami dari penelitian dasar dalam ekologi dan biologi evolusi. Sebagai contoh, kami memodelkan adaptasi evolusi pada iklim ekstrem menggunakan prinsip dan persamaan dari genetika populasi.
Dari cradle ke museum ke liang kubur
Spesies yang hidup saat ini adalah yang selamat. Mereka adalah ujung atas pohon evolusi dengan banyak cabang mati di bawah, yang mewakili kepunahan di masa lalu. Ahli biologi evolusi sekarang dapat menyimpulkan, dalam banyak kasus, di mana nenek moyang spesies hidup mungkin telah hidup. Daerah di mana spesies berkembang biak di masa lalu telah disebut "buaian" spesiasi. Misalnya, lereng Andes telah lama dianggap sebagai titik panas spesiasi.
Diagram pertama Charles Darwin tentang pohon evolusi, dari Buku Catatan Pertama tentang Transmutasi Spesies (1837). Catatannya memperjelas bahwa dia mengerti bahwa kepunahan adalah elemen penting dari evolusi: 'Dengan demikian genera akan terbentuk yang berhubungan dengan tipe-tipe kuno dengan beberapa bentuk yang punah.' (Area publik) Daerah di mana spesies telah bertahan lama terutama disebut "museum." Setiap wilayah, seperti Amazon, di mana banyak spesies purba bertahan dapat dianggap sebagai museum biogeografis. Sebaliknya, memperhitungkan di mana cabang-cabang yang mati di pohon evolusi harus ditempatkan pada peta - "kuburan" - hampir tidak mungkin dengan mempelajari geografi para penyintas yang masih hidup.
Melalui simulasi kami, kami mengikuti dan memetakan seluruh "lintasan seumur hidup" dari masing-masing spesies virtual, dari buaian ke kuburan, di ruang dan dalam waktu.
Ketika iklim berubah dari langkah ke langkah dalam simulasi, rentang geografis suatu spesies (lokasinya di peta) dapat terfragmentasi oleh iklim yang tidak sesuai. Jika sebuah fragmen bertahan dalam isolasi cukup lama, itu dinyatakan sebagai spesies baru. Waktu fragmentasi dan lokasi fragmen seperti itu selama periode isolasi ini mendefinisikan “segmen cradle” dari lintasan seumur hidupnya.
Kapan dan jika spesies virtual punah, kami mencatat waktu dan plot di peta lokasi penurunan menuju kepunahan, yang mewakili "segmen kubur" dari lintasan seumur hidup spesies. Waktu dan tempat yang masing-masing spesies bertahan antara tahap buaian dan tahap kubur mendefinisikan "segmen museum" dari lintasan masa hidupnya.
Simulasi kami menghasilkan peta buaian, museum, dan untuk pertama kalinya, kuburan. Peta mengkonfirmasi bahwa lereng timur Andes dan Amazon barat adalah tempat lahir spesiasi. Makam kepunahan bertepatan dengan buaian di beberapa daerah, seperti Amazon, dan dipindahkan dari buaian di tempat lain, seperti Andes. Lereng timur Andes tropis terbukti tidak hanya sebagai tempat lahir, tetapi juga museum keanekaragaman hayati yang kaya.
Kami juga melacak ketika spesiasi dan kepunahan memuncak dan menurun selama simulasi, dan menemukan bahwa siklus glasial mendorong kedua proses. Puncak kepunahan cenderung mengikuti puncak spesiasi dalam periode pemanasan cepat pada akhir periode glasial dingin.
Dinamika iklim dan topografi mendorong pola tersebut
Studi kami membuat kami percaya bahwa pola kekayaan untuk spesies hidup, terlepas dari usia spesies, berasal dari proses dasar yang sama dengan yang kami modelkan dalam simulasi. Interaksi antara iklim yang bergejolak selama 800.000 tahun terakhir dan lanskap dramatis Amerika Selatan mendorong spesiasi dalam beberapa kelompok tumbuhan dan hewan yang lebih muda, tetapi mengocok lokasi spesies muda dan kuno dalam konser, tanpa pandang bulu.
Aktivitas manusia memaksa perubahan dalam iklim global pada tingkat yang belum pernah terjadi sebelumnya, jauh lebih cepat daripada dinamika iklim dalam model kami. Kita tahu bahwa spesies sudah bergerak, kisarannya bergeser pada tingkat yang mengkhawatirkan di darat dan di laut, dengan efek mendalam pada kehidupan manusia dan mata pencaharian.
Meskipun simulasi kami tidak dirancang untuk memprediksi masa depan, mereka dengan jelas mengungkapkan kekuatan dinamis dari perubahan iklim untuk membentuk kehidupan di Bumi.
Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation.
Robert K. Colwell, Profesor Riset Terpandang, Universitas Connecticut
Thiago F. Rangel, Profesor Ekologi, Universidade Federal de Goias
