毎年、小さな白い鳥の群れが、グリーンランドから南極大陸までジグザグに移動し、44,000 マイル以上も飛んでいます。これらのホッキョクアジサシは、生涯で月までの 3 ～ 4 往復に相当する距離を移動します。一方、北米の山岳地帯の森林の端に生息するダスキー ライチョウは、繁殖地と通常の生息地との間をわずか 1 マイルしか移動しません。鳥類の大部分はまったく渡りません。
今日の Nature Ecology &Evolution 号に掲載された研究によると 、これらの移動パターンの大きな違い、そしてその結果として世界中に分布する鳥類種は、競争環境内で最適なエネルギーバランスを維持するためのこれらの種の努力を反映しています。この研究は、エネルギーの需要と供給が生物多様性の地球規模の構造を形成する原動力となる生態学的原理であるという強力な議論を行っています。また、環境科学者や生態学者が、人間の活動がその構造をどのように急速に変化させるかを予測するために使用できる強力なツールも提供します。
自然実験
1807 年、自然主義者で探検家のアレクサンダー フォン フンボルトは次のように書いています。彼は、植物種や動物種 (鳥類を含む) の多様性が極から赤道に向かって増加する傾向があることに注目した生物学者の長い列の中で最初の 1 人でした。しかし、それ以来 2 世紀以上にわたって観察されてきたにもかかわらず、このよく知られているパターンの原因となるメカニズムは、科学者をとらえきれずにいました.
仮説はたくさんあります。熱帯地方は何千年にもわたって進化の安定性を享受してきたため、より多くの種がそこに蓄積する時間がありましたが、極に近い歴史的な氷河作用により、地域の種がより頻繁に絶滅したと考える人もいます.赤道付近の温暖な気温が、より生態学的ニッチを出現させることにより、種の多様化を促進すると主張する人もいます.
しかし、あるアイデアを別のアイデアよりも世界規模で検証することは非常に困難です。研究者は、直接的な実験を特定の種または地域に限定するか、決定的な原因を突き止めることができずに広範囲の相関証拠を探す必要がありました.
Nature Ecology &Evolution の新しい機構モデル paper はそれを変える大きな一歩を踏み出しました。そうすることで、環境で利用できるものと生物が消費する必要のあるエネルギーの両方が、地球全体の生物多様性の不均一な分布を決定する重要な要因であるという仮説を大いに支持します.
コーネル大学鳥類学研究所の研究員アンドリュー・ファーンズワース氏は、研究者は「このシステムをモデル化して、100 年前から存在していたアイデアを理解する方法を見つけ出した」と述べています。実行するのに大量の計算が必要だったとしても、「それはたまたまかなり単純なモデルです」。 「それは本当にクールです。」
ニューヘイブンにあるマックス・プランク・イェール生物多様性運動と地球変動センターのポスドク研究員であるマリウス・ソムヴェイユによると、鳥は季節の変化に合わせて地球規模の分布を調整するため、鳥の移動はエネルギーのアイデアをテストするための完璧な「自然実験」を提供しました。取り組みを主導しました。エネルギーへの配慮が種の分布を促進する場合、これらのエネルギーに基づく規則の影響は、鳥が渡りをするにつれて毎年明らかになるはずです.
仮想世界の構築
Somveille と彼の同僚が移住をモデル化したとき、まさにそれが起こりました。彼らは以前、地球上の 10,000 種の鳥類の地球規模での分布と季節的な移動パターンに関する経験的データを収集していました。たとえば、種が特に豊富であるかまばらであるか、冬または夏に特定の地域から何種が行き来したかなどです。
これらのパターンの根底にある「理由」を理解するために、研究者はメカニズムモデルを必要としていました.彼らの新しい研究では、大陸、季節、それに伴う気温とエネルギーの利用可能性の変化 (衛星画像から測定または推測) を備えた、単純化されたバージョンの地球に似た仮想世界を作成しました。その後、さらに追加を維持するのに十分なリソースがなくなるまで、この世界に仮想種を 1 つずつ追加しました。これらの種はそれぞれ同じで、実際の鳥のデータの平均に基づいた体重、範囲サイズ、生態学的プロファイルを備えていました。
支配的な原則は、この仮想世界では、それぞれの種が最もエネルギー効率の高い方法で動作し、エネルギー収支をさらに最適化する手段が与えられた場合にのみ移動するというものでした.各仮想種が追加されると、100 万を超えるランダムなシナリオが利用可能になりました。たとえば、ブラジルで冬を過ごし、米国で夏を過ごしたり、ブラジルで夏を過ごし、米国で冬を過ごしたりすることができます。ブラジルでは 1 年、米国では 1 年。世界中の多くの地域や潜在的な移住経路についても同様です。
このモデルは、それぞれの新しい種が、他の競合する仮想種の場所を考慮しながら、代謝、繁殖、熱調節、および移動に関連する4つのエネルギーコストを最小限に抑えながら、最も多くのエネルギーを獲得できるシナリオを選択することを指示しました。 .
これらの単純なルールに基づいて、研究者はシミュレーションを実行しました。予想通り、追加された最初の仮想種は一年中熱帯にとどまりました。結局のところ、そこには豊富な資源があり、鳥は暖かく過ごすためにエネルギーを消費する必要はありませんでした。しかし、ますます多くの種が争いに加わるにつれて、熱帯地方に住むことは理想的な戦略ではなくなりました.代わりに、他の場所に移動したり、競争を減らすために季節ごとに移動したりする人もいました.
最終的に、仮想世界はこれらの種でいっぱいになり、仮想種の最終的な分布は、今日の実際の鳥の分布に関する科学者の経験的データに非常に似ていました.このモデルは、渡り鳥の行動を高い精度で予測することができ、同じ数の種が行き来する地域を強調することさえできました。これは自然界では珍しい現象です (正味の変化がなければ、種はその場にとどまると予想されます)。
科学者たちはまた、系統的に種を追加するプロセスは、鳥の実際の進化の歴史を反映していないことにも注目しました.季節的な分布パターンを生成するこの段階的な方法が、自然界で見られるものに近いものを生み出したという事実は、鳥の歴史が異なって展開されたとしても、観察された分布パターンがおそらく出現したであろうエネルギー要因が非常に影響力があることを示唆しています.
別の驚きは、仮想種が代謝、繁殖、体温調節、および移動に投資したエネルギー量を調べることから生じました。シミュレーション内で、これらの値はすべて、種の最適解として自然に現れました。しかし、科学文献と比較すると、それらは自然界でのこれらの活動について観察された平均値にも非常に近いことが明らかになりました.
フランスのモンペリエ大学の研究者で、この研究の著者の 1 人である Ana Rodrigues は、次のように述べています。 「それは、本物の鳥がなぜ彼らの行動をするのかをエネルギッシュなルールが説明していることを強力にサポートします。」
オックスフォード大学の進化生物学者で、研究には参加していないソーニャ・クレッグも同意した。彼女は、仮の種が実際の鳥に見られる特徴の違いを反映していれば、それほど交換可能であるよりも、モデルは現実世界で見られる詳細をより多く捉えることができたはずだと述べた.
「しかし、それはそれの美しさでもあります」とSomveilleは言いました. 「平均的な鳥のエネルギーバランスを最適化するだけで、すでに世界中で何が起こっているかを説明できます。これらの世界的なパターンが出現する理由を理解するために、種の個体差は必要ありません。」
キョクアジサシやアカライチョウなどの移動システム間のバリエーションは、この作業のコンテキストでより多くの意味を持ち始めます。 「人間の観点からすると、鳥が片道何千キロも移動することは合理的ではないように思えることがあります」とファーンズワースは言いました。 「しかし、そのような大規模で負担のかかる旅は、エネルギー的に有利であることが判明しました」。
チームの調査結果は、仮想の鳥のエネルギーバランスを最適でなくした場合、つまり、鳥がエネルギーの獲得のみを最大化するか、エネルギー消費のみを最小化するか、または両方を一度に行うのではなく、2 つの方法で行った場合、シミュレーションの分布パターンは自然なパターンとも一致しませんでした。
過去と未来を垣間見る
単純化された仮定に基づく他のモデルと同様に、この実験のモデルには限界がありました。研究者は、「完全な」仮想世界に含まれる鳥の種が実際の世界よりも少なく、パターンは特定の地域、特にアンデスやヒマラヤのような山岳地域ではそれほど正確ではないと指摘しました.彼らは、おそらく、そのような設定では、地形や種分化率などの要因が、発生する変動においてより明確な役割を果たす可能性があるためだと考えています.
一般に、これは、地球規模ではエネルギー効率だけで種の分布を説明するのに十分であることを意味するかもしれませんが、特定の場所または種のサブグループにズームインすると、他のプロセスがはるかに影響力があることが明らかになる可能性があります。
そしてもちろん、このモデルは進化がエネルギー効率の良い鳥を選択したことを示唆していますが、世界的または地域的に最適な解決策にどのように到達したかについての詳細は提供していません.
その注意点はさておき、研究者たちは自分たちのモデルを使って、過去と未来の両方について新しい洞察を得たいと考えています。気候変動から農業システムや都市の導入まで、人間の活動は地球に大きな影響を与えます。その結果として、科学者たちは移動パターンの変化の兆候をすでに見てきました。たとえば、ヨーロッパでは、冬の間はコウノトリの移動が止まっています。これは、気候が寒くなりにくくなり、年間を通して人間のゴミにアクセスできるようになったためです。
Somveille 氏によると、新しい移行モデルを使用すると、基礎となるエネルギーまたは温度マップを更新して、次に何が起こるかを予測できます。彼は、氷河期やその他の時期にどのようなパターンがあったかを評価することで、地球規模の移住システムの歴史を再構築するために同様のことを計画しています.
この作業は、鳥だけに適用する必要はありません。海洋哺乳類、魚、昆虫、その他の種類の動物も、将来の研究の公正なゲームです。ロドリゲス氏は、「移動できるものにはすべて、ある程度の移行があります。 「したがって、季節性への反応、現れたり消えたりする資源の余剰への反応など、同じ原則がこれらの生物を動かしたり動かなかったりすると考えています。」彼女は、より広い範囲の動物の追跡データが収集されることで、モデルが動物に有効かどうかを確認できることを望んでいる.
Somveille はまた、モデルを縮小して、種内の個体の再分布を説明できるかどうかを判断したいと考えています。これは、保全を支援する予測を行う上で、はるかに有益です。 「現時点では、私たちの理解はグローバルなものです」と彼は言いました。 「しかし、地球規模のパターンに基づいて特定の保護活動を設計することは困難です。」
一方で、ソムヴェイユと彼のチームによって開発された地球規模のモデルは、生物多様性の傾向を理解する上でエネルギーの確固たる地位を築いてきました. 「生物学に関して言えば、多くの場合、システムの変動の大部分を捉えるシステムの決定的な特徴、つまり何が起こるかを制限するパズルの基本的なピースがあります」とファーンズワースは言いました。 「ここで、それがエネルギー効率であることを確認しました。」
