Μια θερμοδυναμική απάντηση στο γιατί τα πουλιά μεταναστεύουν

Κάθε χρόνο, σμήνη από μικροσκοπικά λευκά πουλιά ξεκινούν ένα επίπονο, ζιγκ-ζαγκ ταξίδι από τη Γροιλανδία στην Ανταρκτική και μετά πάλι πίσω, πετώντας περισσότερα από 44.000 μίλια. Κατά τη διάρκεια της ζωής του, κάθε ένα από αυτά τα αρκτικά γλαρόνια καλύπτει μια απόσταση που ισοδυναμεί με τρία ή τέσσερα ταξίδια μετ' επιστροφής στο φεγγάρι. Εν τω μεταξύ, το σκοτεινό αγριόπετεινο, που ζει στις άκρες των δασών σε ορεινές περιοχές της Βόρειας Αμερικής, ταξιδεύει μόνο ένα κλάσμα μιλίου μεταξύ των τόπων αναπαραγωγής του και του κανονικού του ενδιαιτήματος. Η μεγάλη πλειοψηφία των ειδών πτηνών δεν μεταναστεύει καθόλου.

Σύμφωνα με μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο σημερινό τεύχος του Nature Ecology &Evolution , αυτές οι άγριες διαφορές στα πρότυπα μετανάστευσης — και η συνακόλουθη κατανομή των ειδών πτηνών σε όλο τον κόσμο — αντικατοπτρίζουν τις προσπάθειες αυτών των ειδών να διατηρήσουν μια βέλτιστη ενεργειακή ισορροπία εντός του ανταγωνιστικού τους περιβάλλοντος. Η έρευνα προβάλλει ένα ισχυρό επιχείρημα ότι η προσφορά και η ζήτηση ενέργειας είναι μια κινητήρια οικολογική αρχή που διαμορφώνει την παγκόσμια δομή της βιοποικιλότητας. Παρουσιάζει επίσης ένα ισχυρό εργαλείο που μπορούν να χρησιμοποιήσουν οι περιβαλλοντικοί επιστήμονες και οι οικολόγοι για να προβλέψουν πώς η ανθρώπινη δραστηριότητα θα αλλάξει γρήγορα αυτή τη δομή.

Ένα φυσικό πείραμα

Το 1807, ο φυσιοδίφης και εξερευνητής Alexander von Humboldt έγραψε:«Όσο πιο κοντά πλησιάζουμε τους τροπικούς, τόσο μεγαλύτερη αυξάνεται η ποικιλία της δομής, η χάρη της μορφής και το μείγμα των χρωμάτων, καθώς και η αέναη νεότητα και το σφρίγος της οργανικής ζωής». Ήταν από τους πρώτους σε μια μακρά σειρά βιολόγων που σημείωσε ότι η ποικιλότητα στα φυτικά και ζωικά είδη (συμπεριλαμβανομένων των πτηνών) τείνει να αυξάνεται από τους πόλους προς τον ισημερινό. Ωστόσο, παρά τους περισσότερους από δύο αιώνες παρατήρησης από τότε, ο μηχανισμός που είναι υπεύθυνος για αυτό το ευρέως αναγνωρισμένο μοτίβο συνέχισε να διαφεύγει από τους επιστήμονες.

Οι υποθέσεις αφθονούν. Κάποιοι υποστηρίζουν ότι επειδή οι τροπικές περιοχές απολάμβαναν χιλιετίες μεγαλύτερης εξελικτικής σταθερότητας, περισσότερα είδη είχαν χρόνο να συσσωρευτούν εκεί, ενώ οι ιστορικοί παγετώνες πιο κοντά στους πόλους έκαναν τα τοπικά είδη να εξαφανίζονται πιο συχνά. Άλλοι ισχυρίζονται ότι οι υψηλότερες θερμοκρασίες κοντά στον ισημερινό ενθαρρύνουν μεγαλύτερη διαφοροποίηση των ειδών, επιτρέποντας την ανάδυση περισσότερων οικολογικών κόγχων.

Αλλά ήταν απίστευτα δύσκολο να επικυρωθεί μια ιδέα έναντι μιας άλλης σε παγκόσμια κλίμακα. Οι ερευνητές είτε έπρεπε να περιορίσουν τα άμεσα πειράματά τους σε συγκεκριμένα είδη ή περιοχές είτε να αναζητήσουν συσχετιστικά στοιχεία ευρείας εμβέλειας χωρίς να μπορούν να υποδείξουν οριστικά αίτια.

Το νέο μηχανιστικό μοντέλο στο Nature Ecology &Evolution Το χαρτί κάνει ένα σημαντικό βήμα προς την αλλαγή αυτού. Και με αυτόν τον τρόπο, ενισχύει σε μεγάλο βαθμό την υπόθεση ότι η ενέργεια —τόσο ό,τι είναι διαθέσιμο στο περιβάλλον όσο και πόσα πρέπει να δαπανήσουν οι οργανισμοί— είναι ο κρίσιμος παράγοντας που καθορίζει την άνιση κατανομή της βιοποικιλότητας σε ολόκληρο τον πλανήτη.

Οι ερευνητές «ανακάλυψαν έναν τρόπο να μοντελοποιήσουν αυτό το σύστημα για να κατανοήσουν μια ιδέα που υπάρχει εδώ και εκατό χρόνια», δήλωσε ο Andrew Farnsworth, ερευνητής στο Cornell Lab of Ornithology που δεν ασχολήθηκε με την εργασία. "Και τυχαίνει να είναι ένα εύλογα απλό μοντέλο", ακόμα κι αν εξακολουθούσε να απαιτεί μεγάλο αριθμό υπολογισμών για την εκτέλεση. "Αυτό είναι πολύ ωραίο."

Η μετανάστευση πουλιών παρείχε το τέλειο «φυσικό πείραμα» για τη δοκιμή της ενεργειακής ιδέας, επειδή τα πουλιά προσαρμόζουν την παγκόσμια κατανομή τους με τις μεταβαλλόμενες εποχές, σύμφωνα με τον Marius Somveille, τον μεταδιδακτορικό ερευνητή στο Max Planck-Yale Center for Biodiversity Movement and Global Change στο New Haven. ηγήθηκε της προσπάθειας. Εάν τα ενεργειακά ζητήματα οδηγούν την κατανομή των ειδών, τότε τα αποτελέσματα αυτών των κανόνων που βασίζονται στην ενέργεια θα πρέπει να εκτυλίσσονται κάθε χρόνο καθώς τα πτηνά μεταναστεύουν.

Δημιουργία ενός εικονικού κόσμου

Αυτό ακριβώς συνέβη όταν ο Somveille και οι συνάδελφοί του μοντελοποίησαν τις μεταναστεύσεις. Είχαν συλλέξει στο παρελθόν εμπειρικά δεδομένα σχετικά με την παγκόσμια κατανομή και τα πρότυπα εποχικής μετανάστευσης των 10.000 ειδών πουλιών του πλανήτη:πού τα είδη ήταν ιδιαίτερα πλούσια ή αραιά, για παράδειγμα, και πόσα είδη ήρθαν και έφυγαν από συγκεκριμένες περιοχές κατά τη διάρκεια του χειμώνα ή του καλοκαιριού.

Για να κατανοήσουν το «γιατί» κάτω από αυτά τα μοτίβα, οι ερευνητές χρειάζονταν ένα μηχανιστικό μοντέλο. Στη νέα τους μελέτη, δημιούργησαν έναν εικονικό κόσμο που έμοιαζε με μια απλοποιημένη έκδοση της Γης, με τις ηπείρους, τις εποχές και τις συνοδευτικές αλλαγές στη θερμοκρασία και τη διαθεσιμότητα ενέργειας (όπως μετρήθηκε ή συνάγεται από δορυφορική απεικόνιση). Στη συνέχεια πρόσθεσαν εικονικά είδη ένα προς ένα σε αυτόν τον κόσμο έως ότου δεν είχε αρκετούς πόρους για να διατηρήσει περαιτέρω προσθήκες. Καθένα από αυτά τα είδη ήταν το ίδιο, με βάρος, μέγεθος εύρους και οικολογικό προφίλ με βάση τους μέσους όρους των πραγματικών δεδομένων πτηνών.

Η κυρίαρχη αρχή ήταν ότι σε αυτόν τον εικονικό κόσμο, κάθε είδος θα λειτουργούσε με τον πιο ενεργειακά αποδοτικό τρόπο και θα μεταναστεύσει μόνο εάν κάτι τέτοιο του έδινε ένα μέσο για να βελτιστοποιήσει περαιτέρω τον ενεργειακό του προϋπολογισμό. Όταν προστέθηκε κάθε εικονικό είδος, είχε στη διάθεσή του περισσότερα από ένα εκατομμύριο τυχαία σενάρια:Θα μπορούσε, για παράδειγμα, να περάσει το χειμώνα στη Βραζιλία και το καλοκαίρι στις Ηνωμένες Πολιτείες ή το καλοκαίρι στη Βραζιλία και το χειμώνα στις Η.Π.Α. ή ολόκληρο το έτος στη Βραζιλία, ή ολόκληρο το έτος στις ΗΠΑ Και ούτω καθεξής για πολλές περιοχές και πιθανούς δρόμους μετανάστευσης σε όλο τον κόσμο.

Το μοντέλο υπαγόρευε ότι κάθε νέο είδος - λαμβάνοντας υπόψη τις τοποθεσίες των άλλων ανταγωνιστικών εικονικών ειδών - θα επέλεγε το σενάριο που του επέτρεπε να κερδίσει την περισσότερη ενέργεια ελαχιστοποιώντας παράλληλα τα τέσσερα ενεργειακά κόστη που σχετίζονται με τον μεταβολισμό, την αναπαραγωγή, τη θερμική ρύθμιση και τη μετανάστευση. .

Με βάση αυτούς τους απλούς κανόνες, οι ερευνητές έκαναν την προσομοίωση τους. Όπως ήταν αναμενόμενο, τα πρώτα εικονικά είδη που προστέθηκαν παρέμειναν στις τροπικές περιοχές όλο το χρόνο:Εξάλλου, οι πόροι υπήρχαν άφθονοι και τα πουλιά δεν χρειαζόταν να ξοδεύουν ενέργεια για να παραμείνουν ζεστά. Αλλά καθώς όλο και περισσότερα είδη εντάχθηκαν στη μάχη, η διαμονή στις τροπικές περιοχές έπαψε να είναι ιδανική στρατηγική. Αντίθετα, κάποιοι μετακόμισαν αλλού ή μετανάστευσαν εποχιακά για να μειώσουν τον ανταγωνισμό.

Τελικά, ο εικονικός κόσμος γέμισε με αυτά τα είδη - και η τελική κατανομή των εικονικών ειδών έμοιαζε πολύ με τα εμπειρικά δεδομένα των επιστημόνων σχετικά με την κατανομή των πραγματικών πτηνών σήμερα. Το μοντέλο ήταν σε θέση να προβλέψει τη μεταναστευτική συμπεριφορά με υψηλό βαθμό ακρίβειας, υπογραμμίζοντας ακόμη και περιοχές όπου ο ίδιος αριθμός ειδών ήρθαν και έφυγαν - ένα φαινόμενο στη φύση που φαίνεται ασυνήθιστο (θα περίμενε κανείς ότι τα είδη θα έμεναν στη θέση τους αν δεν υπήρχε καθαρή αλλαγή) αλλά το οποίο μπορεί τώρα να εξηγηθεί με απλές εκτιμήσεις που σχετίζονται με την ενέργεια.

Οι επιστήμονες σημείωσαν, επίσης, ότι η διαδικασία μεθοδικής προσθήκης ειδών δεν αντικατοπτρίζει την πραγματική εξελικτική ιστορία των πτηνών. Το γεγονός ότι αυτός ο σταδιακός τρόπος δημιουργίας ενός εποχιακού σχεδίου κατανομής παρήγαγε κάτι κοντά σε αυτό που φαίνεται στη φύση υποδηλώνει ότι οι ενεργειακοί παράγοντες επηρεάζουν τόσο πολύ που το παρατηρούμενο πρότυπο κατανομής πιθανότατα θα είχε προκύψει ακόμα κι αν η ιστορία των πτηνών είχε εκτυλιχθεί διαφορετικά .

Μια άλλη έκπληξη προήλθε από την εξέταση των ποσοτήτων ενέργειας που επένδυσαν τα εικονικά είδη στον μεταβολισμό, την αναπαραγωγή, τη θερμική ρύθμιση και τη μετανάστευση. Μέσα στην προσομοίωση, αυτές οι τιμές προέκυψαν όλες αυθόρμητα ως βέλτιστες λύσεις για το είδος. Ωστόσο, μια σύγκριση με την επιστημονική βιβλιογραφία αποκάλυψε ότι ήταν επίσης πολύ κοντά στις παρατηρούμενες μέσες τιμές για αυτές τις δραστηριότητες στη φύση.

«Αυτός ο απλός εικονικός κόσμος με τις λίγες παραμέτρους του κατάφερε να αναπαράγει τις ιδιότητες και τα μοτίβα που βλέπετε στον πραγματικό κόσμο», δήλωσε η Ana Rodrigues, ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο του Μονπελιέ στη Γαλλία και μια από τις συγγραφείς της μελέτης. "Παρέχει ισχυρή υποστήριξη ότι οι ενεργειακοί κανόνες εξηγούν γιατί τα πραγματικά πουλιά κάνουν αυτό που κάνουν."

Η Sonya Clegg, μια εξελικτική βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης που δεν συμμετείχε στην έρευνα, συμφώνησε. Είπε ότι εάν το εικονικό είδος αντικατόπτριζε καλύτερα τη διακύμανση των χαρακτηριστικών που παρατηρούνται μεταξύ των πραγματικών πουλιών, αντί να είναι τόσο εναλλάξιμα, το μοντέλο θα μπορούσε να έχει αποτυπώσει ακόμη περισσότερες λεπτομέρειες που φαίνονται στον πραγματικό κόσμο.

«Αλλά αυτή είναι και η ομορφιά του», είπε ο Somveille. «Απλώς βελτιστοποιώντας το ενεργειακό ισοζύγιο για ένα μέσο πτηνό, μπορείτε ήδη να εξηγήσετε τι συμβαίνει σε όλο τον κόσμο. Δεν χρειάζεσαι τις ατομικές διαφορές στα είδη για να καταλάβεις τι κάνει να αναδύονται αυτά τα παγκόσμια μοτίβα.”

Η διακύμανση μεταξύ των μεταναστευτικών συστημάτων, όπως αυτά του αρκτικού γλαρονιού και του σκοτεινού αγριόπετενου, αρχίζει να έχει πολύ μεγαλύτερη αίσθηση στο πλαίσιο αυτής της εργασίας. «Από ανθρώπινη προοπτική, μερικές φορές δεν φαίνεται λογικό τα πουλιά να ταξιδεύουν χιλιάδες χιλιόμετρα κάθε φορά», είπε ο Farnsworth. "Αλλά αποδεικνύεται ότι ένα τόσο τεράστιο, φορολογικό ταξίδι είναι ενεργειακά ευνοϊκό" σε μεγαλύτερη κλίμακα, ακόμα κι αν μπορεί να μην είναι αμέσως προφανές.

Τα ευρήματα της ομάδας επιβεβαιώθηκαν περαιτέρω από την ανακάλυψη ότι εάν έκαναν το ενεργειακό ισοζύγιο για τα εικονικά πουλιά λιγότερο βέλτιστο - δηλαδή, εάν τα πουλιά μεγιστοποιούσαν μόνο την απόκτηση ενέργειας ή ελαχιστοποιούσαν μόνο τις ενεργειακές τους δαπάνες ή έκαναν έναν τυχαίο συνδυασμό των δύο, αντί να κάνετε και τα δύο ταυτόχρονα — τότε τα μοτίβα διανομής στην προσομοίωση δεν ταίριαζαν και με τα φυσικά μοτίβα.

Ματιές στο παρελθόν και το μέλλον

Όπως με κάθε μοντέλο που βασίζεται σε απλοποιημένες υποθέσεις, αυτό σε αυτό το πείραμα είχε περιορισμούς. Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι ο «πλήρης» εικονικός κόσμος περιείχε λιγότερα είδη πουλιών από τον πραγματικό κόσμο και τα μοτίβα δεν ήταν τόσο ακριβή για ορισμένους τύπους περιοχών, ιδιαίτερα ορεινές όπως οι Άνδεις ή τα Ιμαλάια. Πιστεύουν ότι αυτό πιθανώς οφείλεται στο ότι σε τέτοιου είδους ρυθμίσεις, παράγοντες όπως η τοπογραφία ή οι ρυθμοί ειδοποίησης μπορεί να διαδραματίσουν πιο καθοριστικό ρόλο στην παραλλαγή που εμφανίζεται.

Σε γενικές γραμμές, αυτό μπορεί να σημαίνει ότι σε παγκόσμια κλίμακα, η ενεργειακή απόδοση από μόνη της είναι αρκετή για να εξηγήσει την κατανομή των ειδών, αλλά όταν κάποιος κάνει ζουμ σε ένα συγκεκριμένο μέρος ή μια υποομάδα ειδών, άλλες διαδικασίες μπορεί να αποκαλυφθούν ότι έχουν πολύ μεγαλύτερη επιρροή το τοπικό επίπεδο.

Και φυσικά, αν και το μοντέλο υποδηλώνει ότι η εξέλιξη ευνόησε τα πουλιά που ήταν ενεργειακά αποδοτικά στις επιλογές τους, δεν προσφέρει λεπτομέρειες σχετικά με το πώς θα μπορούσαν να φτάσουν στις βέλτιστες λύσεις τους, είτε σε παγκόσμιο είτε σε περιφερειακό επίπεδο.

Πέρα από αυτή την προειδοποίηση, οι ερευνητές θέλουν να χρησιμοποιήσουν το μοντέλο τους για να αποκτήσουν νέες γνώσεις τόσο για το παρελθόν όσο και για το μέλλον. Από την κλιματική αλλαγή μέχρι την εισαγωγή γεωργικών συστημάτων και πόλεων, η ανθρώπινη δραστηριότητα επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τον πλανήτη. Οι επιστήμονες έχουν ήδη δει σημάδια αλλαγής των μοτίβων μετανάστευσης ως αποτέλεσμα:Στην Ευρώπη, για παράδειγμα, οι λευκοί πελαργοί έχουν σταματήσει να μεταναστεύουν κατά τη διάρκεια του χειμώνα επειδή ο καιρός δεν είναι πλέον τόσο κρύος και έχουν περισσότερη πρόσβαση στα σκουπίδια των ανθρώπων όλο το χρόνο. φαγητό.

Με το νέο μοντέλο μετανάστευσης, λέει ο Somveille, μπορεί να ενημερώσει τον υποκείμενο χάρτη ενέργειας ή θερμοκρασίας για να προβλέψει τι θα μπορούσε να συμβεί στη συνέχεια. Σκοπεύει να κάνει κάτι παρόμοιο για την ανασύσταση της ιστορίας των παγκόσμιων μεταναστευτικών συστημάτων, επίσης, αξιολογώντας πώς θα μπορούσαν να μοιάζουν τα μοτίβα κατά τη διάρκεια των εποχών των παγετώνων και άλλων χρονικών περιόδων.

Αυτή η εργασία δεν χρειάζεται να ισχύει μόνο για τα πουλιά. Τα θαλάσσια θηλαστικά, τα ψάρια, τα έντομα και άλλα είδη ζώων είναι επίσης δίκαιο παιχνίδι για μελλοντική έρευνα. «Ό,τι μπορεί να κινηθεί έχει κάποιο επίπεδο μετανάστευσης», είπε ο Rodrigues. «Έτσι, πιστεύουμε ότι οι ίδιες αρχές - οι αντιδράσεις στην εποχικότητα, οι αντιδράσεις στα πλεονάσματα πόρων που εμφανίζονται και εξαφανίζονται - οδηγούν αυτούς τους οργανισμούς να κινούνται ή να μην κινούνται με τον τρόπο που κινούνται». Είπε ότι ελπίζει ότι καθώς συλλέγονται δεδομένα παρακολούθησης για ένα ευρύτερο φάσμα ζώων, μπορεί να επιβεβαιώσει εάν το μοντέλο λειτουργεί για αυτά.

Ο Somveille θέλει επίσης να μειώσει το μοντέλο, για να προσδιορίσει αν μπορεί να εξηγήσει την ανακατανομή των ατόμων σε ένα είδος. Αυτό θα ήταν πολύ πιο κατατοπιστικό για να κάνουμε προβλέψεις για να βοηθήσουμε τη διατήρηση. «Αυτή τη στιγμή, η κατανόησή μας είναι παγκόσμια», είπε. "Αλλά είναι δύσκολο να σχεδιάσετε μια συγκεκριμένη δράση διατήρησης με βάση παγκόσμια πρότυπα."

Εν τω μεταξύ, ωστόσο, το παγκόσμιο μοντέλο που αναπτύχθηκε από τον Somveille και την ομάδα του έχει κάνει σταθερή θέση για την ενέργεια στην κατανόηση των τάσεων στη βιοποικιλότητα. «Όταν πρόκειται για τη βιολογία, υπάρχει συχνά κάποιο καθοριστικό χαρακτηριστικό του συστήματος που καταγράφει το μεγαλύτερο μέρος της παραλλαγής του, κάποιο θεμελιώδες κομμάτι του παζλ που περιορίζει ό,τι συμβαίνει», είπε ο Farnsworth. "Εδώ επιβεβαιώσαμε ότι είναι ενεργειακή απόδοση."