Динамика ландшафта определяет эволюцию биоразнообразия на Земле
Исследование, опубликованное в журнале Nature, показало, что движение рек, гор, океанов и питательных веществ в отложениях в геологическом масштабе времени является основной движущей силой биоразнообразия Земли.
Исследование также показывает, что биоразнообразие развивается со скоростью тектоники плит — медленных геологических процессов, которые определяют форму континентов, гор и океанов.
«Это темпы несравненно медленнее, чем нынешние темпы вымирания, вызванного человеческой деятельностью», — сказал ведущий автор доктор Тристан Саллес из Школы геонаук.
Исследование охватывает более 500 миллионов лет истории Земли, начиная с периода сразу после кембрийского взрыва жизни, который установил основные виды современной жизни.
Доктор Саллес сказал: «Поверхность Земли — это живая кожа нашей планеты. С течением геологического времени эта поверхность развивается, а реки фрагментируют ландшафт, образуя разнообразные среды обитания».
Однако эти реки не только прорезают каньоны и образуют долины, но и играют роль кровеносной системы Земли как основные каналы переноса питательных веществ и наносов от источников (гор) к стокам (океанам).
«Хотя современная наука все лучше понимает глобальное биоразнообразие, мы склонны рассматривать это через призму узкого опыта», - сказал доктор Саллес. «Это все равно, что заглянуть внутрь дома из одного окна и подумать, что мы понимаем его архитектуру.
«Наша модель соединяет физические, химические и биологические системы на протяжении полумиллиарда лет в кусках по пять миллионов лет с разрешением в пять километров. Это дает беспрецедентное понимание того, что определяло форму и сроки видового разнообразия», — пояснил он.
Открытие в 1994 году древней породы сосны Воллеми в уединенной долине Голубых гор к западу от Сиднея дает нам представление о целостной роли, которую время, геология, гидрология, климат и генетика играют в биоразнообразии и выживании видов.
Идея о том, что ландшафты играют роль в траектории жизни на Земле, восходит к немецкому натуралисту и эрудиту Александру фон Гумбольдту. Его работа вдохновила Чарльза Дарвина и Альфреда Уоллеса, которые первыми заметили, что границы видов животных соответствуют неоднородностям и градиентам ландшафта.
«Перенесясь почти на 200 лет вперед, наше понимание того, как разнообразие морской и наземной жизни формировалось за последние 540 миллионов лет, все еще формируется», - говорит Беатрис Хадлер Боггиани из Сиднейского университета. «Схемы биоразнообразия хорошо известны благодаря летописи окаменелостей и генетическим исследованиям. Тем не менее, многие аспекты этой эволюции остаются загадочными, например, задержка в 100 миллионов лет между распространением растений на континентах и быстрым разнообразием морской жизни».
В новаторском исследовании группа ученых — из Сиднейского университета, ISTerre французской государственной исследовательской организации CNRS и Университета Гренобль-Альп во Франции — предложила единую теорию, которая связывает эволюцию жизни в морской и наземной сферах с отложениями. импульсы, контролируемые ландшафтами прошлого.
«Поскольку эволюция поверхности Земли определяется взаимодействием между геосферой и атмосферой, она фиксирует их совокупное взаимодействие и, следовательно, должна обеспечивать контекст для развития биоразнообразия», — сказал доктор Лоран Хьюссон из Университета Гренобль-Альпы.
Вместо того, чтобы рассматривать отдельные части экологической головоломки независимо друг от друга, команда разработала модель, которая объединяет их и имитирует с высоким разрешением совокупный эффект этих сил.
«Именно путем калибровки этой физической памяти, запечатленной в коже Земли, с помощью генетики, окаменелостей, климата, гидрологии и тектоники мы исследовали нашу гипотезу», — сказал доктор Саллес.
Используя научный код с открытым исходным кодом, опубликованный командой в журнале Science в марте, детальное моделирование было откалибровано с использованием современной информации о высоте ландшафта, скорости эрозии, основных речных водах и геологическом переносе наносов (известном как поток наносов).
Это позволило команде оценить свои прогнозы на срок более 500 миллионов лет, используя комбинацию геохимических показателей и тестирование различных тектонических и климатических реконструкций. Затем ученые-геологи сравнили предсказанные пульсации отложений с эволюцией жизни как в морской, так и в наземной сфере, полученной на основе совокупности палеонтологических данных.
«Короче говоря, мы реконструировали формы рельефа Земли в течение фанерозойской эры, которая началась 540 миллионов лет назад, и изучили корреляции между развивающимися речными сетями, переносом отложений и известным распределением морских и растительных семейств», — говорит Манон Лорсери из Университета Гренобля.
При сравнении прогнозируемого потока наносов в океаны с морским биоразнообразием анализ показывает сильную положительную корреляцию.
На суше авторы разработали модель, объединяющую отложения и изменчивость ландшафта, чтобы описать способность ландшафта вмещать разнообразные виды. И здесь они снова обнаружили поразительную корреляцию между их прокси и диверсификацией растений за последние 450 миллионов лет.