L'evoluzione sulla scala più piccola appiana i motivi patchwork di dove vivono piante e animali

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L'abete Douglas è un alto e iconico pino nel Nord America occidentale che forma una foresta che si snoda ininterrotta dalla spina dorsale occidentale della British Columbia fino alla cordigliera messicana. Le condizioni ambientali del Canada e del Messico sono ovviamente molto diverse, ma anche su scale molto più piccole – diciamo, la cima di una montagna rispetto a una valle sottostante – le precipitazioni, la temperatura, i nutrienti del suolo e dozzine di altri fattori possono variare un po ' . L'abete Douglas cresce bene in così tanti di questi luoghi che trasforma un paesaggio drammaticamente vario in una foresta liscia e continua completa di tutte le specie che sostiene.

Sono un ecologista e pensavo che l'abete Douglas fosse semplicemente un albero robusto, raramente circondato dalle condizioni ambientali o da altre specie. Ma una recente ricerca condotta da me e dai miei colleghi suggerisce che le condizioni ambientali non sono tutto ciò che determina dove le piante e gli animali vivono in un paesaggio e gli schemi patchwork di quelle distribuzioni. Questi modelli spaziali sono anche influenzati dall'evoluzione.

Nel tempo, le specie si adattano spesso alle condizioni locali e questi adattamenti alterano il modo e il luogo in cui possono vivere. Ad esempio, gli abeti di Douglas potrebbero adattarsi attraverso l'evoluzione per prosperare sia su una montagna asciutta che in una valle umida nelle vicinanze. Ma i miei colleghi e io abbiamo portato questa idea un ulteriore passo avanti per esplorare non solo come gli organismi si adattano, ma come il processo di adattamento stesso può avere effetti profondi sui modelli in cui gli organismi vivono in un paesaggio.

Senza adattamento, potresti trovare un mosaico misto di dove vivono le specie: una specie di insetto vive nella valle, ma non sulle montagne. Quando gli abeti di Douglas si adattano e crescono su una montagna asciutta così come nella valle umida, creano un habitat forestale continuo in cui esistevano due paesaggi molto diversi. Anche gli uccelli, gli insetti, i cervi, i fiori e tutti gli altri organismi che vivono nella foresta possono ora occupare sia la valle che la cima della montagna. L'adattamento da parte dell'abete di Douglas ha creato una distribuzione più uniforme delle specie.

L'adattamento, a quanto pare, gioca un ruolo più importante nel determinare i modelli ecologici di quanto gli scienziati pensassero in precedenza.

Le salamandre a macchie gialle in alcuni stagni vengono mangiate dai predatori più grandi, ma in altri si sono adattate a mangiare di più e crescono rapidamente in modo da non essere mangiate.
Mark Urban, CC BY-ND

Un mistero di salamandra

Nel 1999, quando ero uno studente laureato in Connecticut, volevo capire come un predatore chiamato salamandra marmorizzata influisse sulla sopravvivenza della salamandra a macchie gialle più piccola in piccoli stagni temporanei. Proprio come i famosi lupi nel Parco Nazionale di Yellowstone, la salamandra marmorizzata è un predatore chiave di volta e solo pochi individui in uno stagno possono determinare quali altre specie vivono lì.

Le salamandre marmorizzate sono predatori chiave negli stagni del New England, ma l'adattamento da parte della salamandra maculata più piccola può cambiare drasticamente la composizione degli stagni.
Mark Urban, CC BY-ND

Ho passato mesi a guardare questi stagni, ma per quanto ci provassi, gli schemi che vedevo non avevano senso. In uno stagno, le salamandre a macchie gialle sopravvissero insieme al predatore marmorizzato. Ma nello stagno successivo, in condizioni quasi identiche, le salamandre maculate furono rapidamente ridotte a cacca di predatore. Non sono riuscito a trovare una spiegazione ambientale per questo.

Per capire cosa stesse guidando questa disuguaglianza di alta e bassa sopravvivenza, ho raccolto uova di salamandra da stagni in cui le piccole salamandre sopravvivevano insieme al predatore, nonché uova da stagni senza predatori. Ho quindi allevato queste salamandre a macchie gialle in secchi e ho cercato le differenze tra loro.

Ho trovato una sorprendente differenza. Le salamandre degli stagni con la salamandra marmorizzata predatrice si sono adattate al predatore diventando golose: mangia e diventa grande in modo da non farti mangiare da solo.

In questi piccoli stagni del New England, l'adattamento locale aveva creato popolazioni di salamandre maculate con comportamenti molto diversi per consentire loro di sopravvivere alla predazione della salamandra marmorizzata. Ma prima che potessi saperne di più, finii il dottorato e mi ritrovai a guidare lontano da queste salamandre per un nuovo lavoro in California.

Le salamandre marmorizzate stavano causando l'adattamento locale in un'altra specie che stava determinando differenze drammatiche negli stagni.
Mark Urban, CC BY-ND

Adattamento, non ambiente, come causa?

Negli anni successivi, altri ecologisti iniziarono a riconoscere che l'evoluzione poteva avvenire molto rapidamente. In un esperimento classico, gli scienziati hanno messo insieme alghe e un microscopico grazer in una vasca. All'inizio ci sono stati cicli di espansione e contrazione, ma dopo solo poche settimane le alghe hanno sviluppato difese che ne hanno impedito il consumo e hanno fermato le grandi oscillazioni del numero di abitanti.

Questo è stato intrigante. La mia esperienza con le salamandre mi aveva insegnato che l'evoluzione poteva avvenire non solo rapidamente, ma anche in modo diverso in due stagni vicini e altrimenti simili. Se l'evoluzione ha influenzato i modelli di popolazione nel tempo, forse potrebbe anche influenzare i modelli di distribuzione delle specie nello spazio.

Grandi serbatoi per l'irrigazione del bestiame rendono efficaci stagni sperimentali.
Mark Urban, CC BY-SA

Sono tornato alle mie salamandre dopo aver ottenuto un lavoro presso l'Università del Connecticut. Questa volta, non ero interessato solo a come le salamandre si adattassero al loro ecosistema, ma a come i loro adattamenti alterassero l'ecosistema stesso. Ho nuovamente allevato salamandre da stagni ad alta e bassa predazione nelle stesse condizioni. Ma questa volta ho tracciato cosa è successo ad altre specie negli ecosistemi artificiali che avevo creato.

Le salamandre marmorizzate predatrici mangiano piccoli crostacei. Ma le salamandre a macchie gialle si sono adattate ai predatori mangiando anche più di questi piccoli crostacei. L'adattamento da parte delle salamandre a macchie gialle ha portato a molti meno crostacei negli stagni. Il mio esperimento ha mostrato che questo adattamento ha amplificato le differenze nel numero di crostacei tra gli stagni con e senza il predatore marmorizzato. In questo caso, l'adattamento ha reso due stagni più diversi di quanto sarebbero stati altrimenti.

Quando ho confrontato i miei esperimenti con ciò che stava accadendo negli stagni naturali, mi sono reso conto di aver scoperto cosa stava guidando gli schemi sconcertanti che avevo visto anni prima. L'adattamento locale, non solo l'ambiente o altre specie, stava amplificando le differenze in questi stagni.

Proprio come le salamandre, gli abeti di Douglas subiscono un adattamento locale che determina ampi cambiamenti nel luogo in cui vivono gli organismi.

Adattamento come effetto universale

Ho iniziato a chiedermi: se questo effetto si stesse verificando con le salamandre, l'adattamento locale potrebbe anche amplificare o smorzare i modelli ecologici spaziali in altre specie? Era questo un effetto diffuso?

Rispondere a questa domanda richiederebbe prove da creature di tutto il mondo. Ho reclutato un gruppo di amici biologi per aiutarmi a selezionare migliaia di studi passati su tutto, dai batteri agli uccelli e cercare prove che l'adattamento locale stesse cambiando i modelli spaziali di queste specie.

Il nostro team ha raccolto informazioni da 500 studi negli ultimi 100 anni. Abbiamo scoperto che, come con le mie salamandre, l'adattamento a volte rende le differenze esistenti tra i luoghi persino maggiori del previsto senza evoluzione.

L'adattamento può anche creare modelli dove nessuno esisteva in precedenza. Piante diffuse come la verga d'oro e il pioppo tremulo spesso sviluppano difese chimiche che cambiano gli insetti che possono mangiarle. L'adattamento crea nuovi modelli patchwork di abbondanza e diversità di insetti attraverso campi e foreste dove altrimenti non esisterebbero.

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Tuttavia, abbiamo scoperto che nell'85% dei casi l'adattamento ha smorzato i modelli spaziali ecologici esistenti. Organismi che vanno dalla modesta mosca del melo al grande abete Douglas si sono adattati in modi che hanno ridotto la variabilità dei paesaggi in cui vivevano. L'adattamento su piccole scale spaziali ha levigato il mosaico di boschi e prati, popolando sia le cime delle colline che le valli con gli stessi alberi, uccelli, insetti e altri organismi. Grazie all'adattamento, il mondo in generale è più omogeneo di quanto sarebbe altrimenti.

Quindi la prossima volta che ti ritrovi a contare le ore prima che la tua auto raggiunga la sua destinazione, nota gli schemi naturali che scorrono vicino al tuo finestrino. Molti di questi modelli riflettono la mano nascosta dell'evoluzione, che ha disteso le rughe e lasciato al mondo un posto più liscio.