L'Amazonie et les pentes andines adjacentes d'Amérique du Sud abritent une richesse étonnante de plantes et d'animaux. Ces espèces sont une source de nourriture, d’abri et de médicaments depuis l’arrivée de l’homme et une cible de la curiosité scientifique depuis l’époque des premiers explorateurs naturalistes européens.
Quels processus produisent de tels points chauds de la richesse en espèces et pourquoi la biodiversité décline-t-elle progressivement vers les latitudes plus élevées et les climats plus secs? Les scientifiques ont proposé de nombreuses explications contradictoires, mais il n’existe pas de moyen facile de les tester. En tant que biogéographes, ceux d'entre nous qui étudient la géographie de la vie sur la planète, nous n'avons pas la possibilité de mener des expériences sur le terrain. Il serait à la fois peu pratique et contraire à l'éthique d'entreprendre des introductions ou des exterminations massives d'espèces et d'attendre ensuite des résultats pour des siècles ou des millénaires.
Comme indiqué dans notre récente étude publiée dans la revue Science, nous avons réuni une équipe interdisciplinaire de biogéographes et de modélisateurs du climat afin de créer un monde virtuel - un lieu propice à des expériences virtuelles. Le monde que nous avons recréé était une simulation time-lapse de la vie sur le continent sud-américain, il y a 800 000 ans jusqu'à présent, à travers les climats whipsaw des huit derniers cycles glaciaires. Si les modèles de biodiversité produits dans ce monde simulé produisaient des modèles de diversité raisonnablement réalistes, nous pourrions alors être certains que les processus écologiques et évolutifs intégrés à la simulation étaient corrects.
Ce que nous avons trouvé est une surprise qui dépasse nos attentes les plus chères. Les cartes de la diversité des espèces sud-américaines issues de nos simulations ressemblaient remarquablement aux cartes d'oiseaux, de mammifères et de plantes vivants. De plus, les simulations ont confirmé des corridors de migration intermittente entre les Andes et la forêt tropicale atlantique du sud-est du Brésil. Ces régions sont actuellement isolées les unes des autres par les climats plus secs, mais les scientifiques soupçonnent depuis longtemps l'existence de connexions, basées sur la présence d'espèces vivantes étroitement apparentées dans les deux régions.
La vie virtuelle dans un monde virtuel
Chaque simulation commençait avec une seule espèce imaginaire, ensemencée quelque part sur une carte topographique détaillée de l'Amérique du Sud. En un pas de temps de 500 ans, totalisant 1 600 pas en tout, le climat a été mis à jour avec un modèle de paléoclimat de pointe créé par nos collègues Neil Edwards et Phil Holden à l'Open University au Royaume-Uni.
Au total, nous avons effectué plus de mille simulations, chacune avec une combinaison de paramètres différente pour seulement quatre variables:
- Combien de temps une population doit être isolée pour devenir une nouvelle espèce
- À quelle vitesse les espèces peuvent-elles évoluer pour survivre, en réponse au changement climatique
- Jusqu'où une espèce peut-elle se déplacer à travers un habitat inapproprié
- La force des espèces apparentées entre elles en concurrence.
Pourquoi la forte correspondance entre nos cartes simulées de la richesse en espèces et les cartes du monde réel pour les oiseaux, les mammifères et les plantes est-elle si surprenante? Parce que nos simulations ne couvraient qu'une infime partie de la longue histoire de l'Amérique du Sud. Huit cent mille ans peuvent sembler une période profonde, mais l'Amérique du Sud s'est séparée de l'Afrique il y a 130 millions d'années et les Andes ont commencé à prendre de l'essor il y a 25 millions d'années. On sait maintenant que de plus en plus de groupes de plantes et d'animaux d'Amérique du Sud se sont diversifiés à la fin du quaternaire - il y a environ 800 000 ans - mais la plupart des espèces du continent sont beaucoup plus âgées.
Nous avons également été surpris de constater que nos cartes simulées ressemblent si étroitement aux patrons de la richesse des espèces réelles, car nos cartes ne sont guidées par aucun patron de diversité en particulier. Ils ont été construits strictement sur des processus fondamentaux, tels que définis par la recherche fondamentale en écologie et en biologie de l'évolution. Par exemple, nous avons modélisé l'adaptation évolutive aux extrêmes climatiques à l'aide de principes et d'équations issus de la génétique des populations.
Du berceau au musée au tombeau
Les espèces vivantes aujourd'hui sont des survivants. Ce sont les extrémités supérieures des arbres de l'évolution avec de nombreuses branches mortes en dessous, ce qui représente des extinctions du passé. Les biologistes de l'évolution peuvent maintenant déduire, dans de nombreux cas, où les ancêtres des espèces vivantes ont peut-être vécu. Les régions où les espèces proliféraient dans le passé ont été appelées «berceaux» de la spéciation. Par exemple, les pentes andines ont longtemps été considérées comme un point chaud de spéciation.
Premier diagramme de Charles Darwin d'un arbre de l'évolution, tiré de son premier cahier sur la transmutation des espèces (1837). Ses notes indiquent clairement qu'il a compris que les extinctions sont un élément essentiel de l'évolution: "Ainsi, des genres se créeraient-ils en relation avec des types antiques à plusieurs formes éteintes". (Domaine public) Les régions où les espèces ont persisté pendant des périodes particulièrement longues sont appelées «musées». Toute région, telle que l'Amazonie, où de nombreuses espèces anciennes persistent, peut être considérée comme un musée biogéographique. En revanche, il est pratiquement impossible de déterminer où les branches mortes de l'arbre d'évolution doivent être placées sur la carte - les "tombes" - en étudiant la géographie des survivants vivants.
A travers nos simulations, nous avons suivi et cartographié la «trajectoire de vie» de chaque espèce virtuelle, du berceau à la tombe, dans l'espace et dans le temps.
À mesure que le climat change d'une étape à l'autre d'une simulation, l'aire de répartition géographique d'une espèce (sa localisation sur la carte) peut être fragmentée par un climat inapproprié. Si un fragment persiste assez longtemps, il est déclaré espèce nouvelle. Le temps de fragmentation et la localisation d'un tel fragment au cours de cette période d'isolement définissent le «segment de berceau» de sa trajectoire de vie.
Quand et si une espèce virtuelle disparaît, nous enregistrons l'heure et plaçons sur la carte l'emplacement du déclin vers l'extinction, qui représente le «segment grave» de la trajectoire de vie de l'espèce. Le temps et l'endroit où chaque espèce persiste entre le stade du berceau et le stade de la sépulture définissent le «segment musée» de sa trajectoire de vie.
Nos simulations ont produit des cartes de berceaux, de musées et, pour la première fois, de tombes. Les cartes ont confirmé que les pentes orientales des Andes et de l’Amazonie occidentale sont des berceaux de la spéciation. Les tombes d'extinction ont coïncidé avec des berceaux dans certaines régions, telles que l'Amazonie, et ont été déplacées des berceaux dans d'autres, telles que les Andes. Le versant oriental des Andes tropicales s'est révélé être non seulement un berceau, mais également un riche musée de la biodiversité.
Nous avons également suivi le moment où la spéciation et l'extinction ont atteint et diminué au cours des simulations, et nous avons constaté que les cycles glaciaires étaient à l'origine des deux processus. Les pics d'extinction avaient tendance à suivre les pics de spéciation lors des périodes de réchauffement rapide à la fin des périodes glaciaires froides.
La dynamique climatique et la topographie déterminent les tendances
Notre étude nous porte à croire que les modèles de richesse des espèces vivantes, quel que soit leur âge, trouvent leur origine dans les mêmes processus sous-jacents que nous avons modélisés dans la simulation. L’interaction entre les climats turbulents des 800 000 dernières années et les paysages spectaculaires de l’Amérique du Sud a poussé certains groupes plus jeunes de plantes et d’animaux à la spéciation, mais a déplacé l’emplacement des espèces jeunes et anciennes, sans distinction, de façon concertée.
Les activités humaines imposent des changements du climat mondial à un rythme sans précédent, beaucoup plus rapide que la dynamique climatique de notre modèle. Nous savons que les espèces sont déjà en mouvement, leurs aires de répartition se déplaçant à une vitesse alarmante sur terre et dans les mers, avec de profonds effets sur la vie humaine et les moyens de subsistance.
Bien que nos simulations n'aient pas été conçues pour prédire l'avenir, elles révèlent de manière frappante le pouvoir dynamique du changement climatique pour façonner la vie sur Terre.
Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation.
Robert K. Colwell, professeur distingué, Université du Connecticut
Thiago F. Rangel, professeur d'écologie à l'Université fédérale de Goias
