Моделирование дало исследователям некоторые из первых конкретных данных, связывающих изменение климата с эволюцией человека и видообразованием.
Ключевые выводы
- Изменение климата играет огромную роль в эволюции жизни на Земле. Ученые давно подозревали, что за последние два миллиона лет он сильно повлиял на эволюцию рода Homo.
- Поскольку нам не хватает данных о климате предков рядом с записями окаменелостей, мы не смогли показать связь между климатом и моделями миграции людей.
- В новом исследовании использовался один из самых быстрых суперкомпьютеров в мире, чтобы продемонстрировать, что изменение климата в Южной Африке вынудило первых людей мигрировать и видоизменяться.
Представьте, что вы выполняете домашнюю работу, из-за которой вам пришлось оставить компьютер включенным на полгода.
Это то, что сделала группа ученых из Центра физики климата IBS в Пусанском национальном университете Южной Кореи, чтобы ответить на один из самых важных вопросов науки: повлияло ли изменение климата на эволюцию людей?
У исследователей есть суперкомпьютер под названием Алеф. Под руководством директора IBS Алекса Тиммерманна команда оставила Алеф работать на шесть месяцев, чтобы завершить моделирование климата, охватывающее последние 2 миллиона лет истории окружающей среды Земли. Полученных 500 терабайт данных хватило, чтобы заполнить несколько сотен жестких дисков.
Полгода симуляции того стоили, поскольку ученые представили первые четкие доказательства того, что изменение климата повлияло на раннюю эволюцию человека и видообразование рода Homo.
45 миллионов лет усилий в секунду
Ученые изо всех сил пытались доказать, что изменение климата повлияло на эволюцию человека, потому что у нас нет данных о климате в районах, где были обнаружены окаменелости человека. Несмотря на отсутствие данных, связанная с климатом миграция настолько вездесуща, что большинство ученых согласны с тем, что она сыграла роль в эволюции человека.
В частности, исследователи климата и биологи-эволюционисты подозревают, что изменения температуры, количества осадков и растительности (прокси для источников пищи) оттолкнули людей от их первоначальных мест обитания в Африке в сторону Европы и Евразии. Эти закономерности, вероятно, вынудили наших предков адаптироваться, став глобальными странниками и кочевниками.
Идея стала на шаг ближе к подтверждению благодаря Алефу, ультрасовременному суперкомпьютеру. Алеф, получивший свое название от первой буквы еврейского алфавита, нуждается в одной секунде для выполнения вычислений, которые потребовали бы 45 миллионов лет или около того усилий от любого из нас. Исследователи хотели использовать Алеф для создания климатической модели, охватывающей два миллиона лет, чтобы определить, связаны ли изменение климата и миграция людей.
Моделирование среды обитания человека
Помимо скорости, любая компьютерная модель хороша настолько, насколько хороши данные, которые она получает. К счастью, у исследователей не было недостатка в высококачественных археологических и ископаемых записях, которые они могли передать Алеф. В сотрудничестве с исследователями из Университета Федерико II в Неаполе в Италии исследователи получили доступ к сборнику археологических данных и данных о человеческих окаменелостях. Коллекция включала 3 245 записей данных о шести различных видах человека: H. habilis, H. ergaster, H. erectus, H. heidelbergensis, H. neanderthalensis и H. sapiens. Затем исследователи предоставили Алеф данные об известных изменениях эксцентриситета орбиты Земли - меры того, насколько орбита Земли отклоняется от идеального круга, - а также о ее колебании и наклоне. Обладая этими знаниями, Алеф мог надежно предсказывать крупные климатические явления, такие как ледниковые циклы и начало ледниковых периодов.
Алеф обработал данные, чтобы создать высокоточную модель климата, охватывающую два миллиона лет. Затем Тиммерман и его команда могли посмотреть, каким был климат в компьютерном моделировании в то время и в местах, где жили люди. На основе этих данных они создали модели пригодности среды обитания для каждого из шести видов человека. Например, сравнив климатические ниши нашего вида, H. sapiens, с другими пятью человеческими видами, команда определила, что H. sapiens лучше всего приспособлен к засушливым условиям. Эта приспособляемость, вероятно, давала нам преимущество, когда мы перемещались по континентам в поисках идеальной среды обитания. Как только исследователи получили более четкое представление о том, какие типы мест обитания нравятся каждому виду, они смогли увидеть, изменились ли и как эти места обитания географически за два миллиона лет.
Люди следовали подходящему климату
Исследователи могли перемотать время вперед с помощью своих симуляций, чтобы создать меняющиеся карты потенциальных мест обитания для каждого вида. Затем они могли увидеть, связаны ли они с изменением климата. Исследователи повторно провели множество анализов, используя случайно выбранные группы окаменелостей. Если бы люди не подвергались влиянию климата, каждый анализ должен показывать сходное распределение местообитаний. Для трех видов человека - H. sapiens, H. neanderthalensis и H. heidelbergensis - исследователи обнаружили значительную взаимосвязь между изменением климата и размещением населения. В частности, модель показала два ярко выраженных периода климатического стресса на юге Африки для H. heidelbergensis около 400 000 лет назад. Эти временные рамки коррелируют с отсутствием этого вида в летописи окаменелостей и появлением H. sapiens на юге Африки, что согласуется с гипотезой о том, что H. heidelbergensis постепенно превратился в H. sapiens. Другой период климатического стресса около 210 000 лет назад, вероятно, оказал большее давление на оставшихся H. sapiens, что привело к дальнейшему расселению и генетической диверсификации.
В пресс-релизе Тиммерманн сказал, что «этот результат подразумевает, что, по крайней мере, в течение последних 500 тысяч лет реальная последовательность прошлых изменений климата, включая ледниковые циклы, играла центральную роль в определении того, где различные жили группы гомининов и где были найдены их останки.”
Изменение климата влияет на видообразование человека и вымирание
Далее исследователи хотели узнать, пересекаются ли подходящие места обитания для разных человеческих видов в пространстве и времени в областях, которые они назвали контактными зонами. Если места обитания перекрывались, разные люди, вероятно, скрещивались и конкурировали, сообщая о преемственности видов. На основе анализа зоны контакта исследователи создали генеалогическое древо человека, показывающее, что неандертальцы (H. neanderthalensis) произошли от евразийской клады H. heidelbergensis примерно от 500 000 до 400 000 лет назад, в то время как наш вид, H. sapiens, произошел из африканских популяций позднего H. heidelbergensis около 300 000 лет назад. Эти деревья совпали с аналогичными оценками, полученными на основе генетических и ископаемых данных, дополняя существующие доказательства, подтверждающие эволюцию H. sapiens от H. heidelbergensis s.
По мере того, как ранние человеческие виды стали странниками по всему миру, им нужно было приобрести новые навыки, которые еще больше укрепили их способность расширять свой географический ареал. Исследователи предполагают, что эта положительная обратная связь способствовала биологическим или культурным сдвигам, которые позволили видам адаптироваться к более широким климатическим условиям и, в конечном счете, видообразовать в сторону H. sapiens и H. neanderthalensis, оба из которых имели больший мозг, чем H. heidelbergensis. Это связывает долгосрочную положительную тенденцию в размере мозга с прошлыми климатическими сдвигами в Африке, усиливая роль, которую изменение климата играло не только в географическом положении нашего вида, но и в нашем интеллектуальном развитии.
При рассмотрении вместе с другими исследованиями, которые показывают, что H. sapiens является единственным видом, чья климатическая ниша все еще расширялась к концу периода анализа, исследователи предполагают, что способность адаптироваться к изменяющемуся климату сыграла важную роль. несомненную роль в излучении нашего вида.
Изменение климата - звучит знакомо?
Изменение климата может повлиять на эволюцию жизни на Земле, но современные люди продемонстрировали способность перехитрить климат и строить свои дома в негостеприимных местах, от пустынь Лас-Вегаса до сибирской тундры. Эти анализы и другие исследования предполагают, что изменение климата стало причиной эволюции нашего вида, проявив свои отпечатки пальцев на вымирании человека и видообразовании. Хотя наша способность приспосабливаться к климату сыграла ключевую роль в нашем упорстве, сейчас мы ускоряем те самые климатические сдвиги, которые могли обречь наших ближайших родственников на вымирание.