地质上活跃的大陆会产生更高的生物多样性

利用一种新的地球进化机制模型，研究人员现在可以更好地解释为什么非洲热带雨林的物种数量少于南美和东南亚热带森林。物种多样性高的关键在于大陆随着时间的推移演化的动态。

　　

人们可能会认为，所有的热带雨林由于其稳定的温暖和潮湿的气候和赤道附近的地理位置而具有相同的多样性，但事实并非如此。与南美洲和东南亚相比，非洲潮湿的热带森林的物种数量对于许多生物群体来说要低得多。

种类稀少的棕榈树

研究人员将这种不均衡的分布称为泛热带多样性差异(PDD)，一个很好的例子就是棕榈树:在全世界2500种棕榈树中，有1200种分布在东南亚地区，800种分布在南美洲的热带雨林，但只有66种分布在非洲热带雨林。

为什么会这样，生物多样性研究人员一直在争论。有证据表明，目前的气候是非洲热带森林物种多样性较低的原因。非洲的热带气候比东南亚和南美洲的气候更干燥、更凉爽。

其他证据表明，这三个热带森林地区数千万年来不同的环境和构造历史对生物多样性的不同水平产生了影响。这些环境变化包括，例如，山脉、岛屿或干旱和沙漠地区的形成。

然而，很难区分当前气候和环境历史这两个因素。

山地建筑带来了多样性

在景观生态学教授Lo?c Pellissier的领导下，苏黎世联邦理工学院的研究人员正在一种新的计算机模型的帮助下研究这个问题，该模型允许他们模拟物种在数百万年的进化过程中多样化。他们得出结论，目前的气候并不是非洲雨林生物多样性降低的主要原因。相反，生物多样性是从造山和气候变化的动力中产生的。历史模拟的结果与今天可观测到的生物多样性分布模式基本一致。

“我们的模型证实了古环境动力学的差异造成了生物多样性的不均匀分布，而不是当前的气候因素，”Pellissier说。“地质过程和全球温度波动决定了物种出现或灭绝的时间和地点。”

有一个因素对一个大陆的高生物多样性尤为重要:地质动力学。活跃的板块构造既促进了山脉的形成，如南美洲的安第斯山脉，也促进了群岛的形成，如东南亚的群岛。这两个过程产生了许多新的生态位，反过来又产生了许多新的物种。另一方面，非洲的热带雨林带在过去的一亿一千万年里构造活动较少。它的面积相对较小，因为它的北部和南部都是旱地，限制了它的蔓延。“来自潮湿地区的物种很难适应周围干燥土地的干燥条件，”佩利谢尔指出。

地质活跃的大陆产生了更高的生物多样性

ETH研究人员开发的“gen3sis”模型最近才发表在《公共科学图书馆·生物学》杂志上。这是一种机制模式，在这种模式中，地质和气候等主要约束条件与生物机制一起被表示出来，生物多样性模式由此得以实现。为了模拟生物多样性的出现，需要融入模型的最重要的过程是生态(即每个物种都有自己有限的生态位)、进化、物种形成和扩散。

“有了这四条基本规则，我们就可以模拟生物在不断变化的环境条件下的种群动态，并为生物是如何产生的提供一个很好的解释，”佩利谢尔说。

通过建立基于这些基本进化机制的模型，研究人员可以模拟物种多样性，而无需输入每个物种的数据(分布)。然而，该模型需要考虑的大陆的地质动力学数据，以及气候重建的湿度和温度数据。

研究人员目前正在改进模型，并进行模拟，以了解其他物种丰富的地区(如中国西部山区)生物多样性的出现。模型代码和古环境重建是开源的。所有感兴趣的进化和生物多样性研究人员都可以使用它来研究世界不同地区生物多样性的形成。

Journal Reference:

1. Oskar Hagen, Benjamin Flück, Fabian Fopp, Juliano S. Cabral, Florian Hartig, Mikael Pontarp, Thiago F. Rangel, Loïc Pellissier. gen3sis: A general engine for eco-evolutionary simulations of the processes that shape Earth’s biodiversity. PLOS Biology, 2021; 19 (7): e3001340 DOI: 10.1371/journal.pbio.3001340