Biogeografia: conceitos e aplicações

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1 Biogeografia: conceitos e aplicações

2 O que é BIOGEOGRAFIA? Ø Estudo da distribuição geográfica das plantas, animais e outros organismos. Ø Ciência multidisciplinar: biologia, geologia, geografia, climatologia, ecologia A definição de biogeografia pode ser simples o estudo da distribuição geográfica dos organismos mas essa simplicidade esconde a grande complexidade do assunto (Crisci, 2001)

3 Breve histórico da Biogeografia Ø Séc. 18: Padrões de distribuição e variação geográfica eram aparentes mas... Ø Início séc. 19: Surgimento de hipóteses para origem e fatores responsáveis Biogeorafia Interpretativa Humboldt, 1808 De Candolle,1820 Biogeografia Ecológica e Hisórica pelas diferenças entre biotas Sclater, 1858 Biogeografia descritiva Wallace, 1876 Biogeografia descritiva Biogeografia Evolutiva Panbiogeografia Croizat, déc. 40 Hennig, 1950 Biogeografia Filogenética Darlington, 1957 Biogeografia Evolutiva Biogeografia Filogenética Hennig, 1966

4 Principais escolas da Biogeografia De Candolle (1820): Divisão clássica em biogeografia 1 - Biogeografia Ecológica 2 - Biogeografia Histórica Augustin Pyramus de Candolle ( )

5 História da Terra determina 1 - Biogeografia Histórica Eventos históricos modificam Distribuição das espécies diferenças que determinam Estuda como os processos ecológicos/geológicos que ocorrem a longo prazo atuam sobre o padrão de distribuição dos organismos. Regiões biogeográficas

6 Regiões Biogeográficas Philip Sclater ( ) Takhtajan, províncias botânicas

7 2 - Biogeografia Ecológica Populações Ambiente global Estuda como os processos ecológicos que ocorrem a curto prazo atuam sobre o padrão de juntas formam Comunidades juntas formam gera Fatores ambientais modificam distribuição dos organismos. Ecorregiões

8 Ecorregiões Boreal Grasslands Temperate forests Tropical Savannas Deserts and semi-deserts Mediterranean Arctic Bailey, ecoregiões

9 Biogeografia ecológica x histórica: uma divisão necessária? Ø Linha tênue entre fatores históricos e ecológicos que possam estar Eventos históricos Fatores ambientais relacionados aos padrões encontrados combinam para determinar atualmente. Ø Fatores históricos, juntamente com ecológicos, têm modelado os padrões de distribuição da diversidade biológica em escalas globais e locais. Padrões de distribuição individuais determinam Padrões de distribuição gerais Ø Idéia de unificação: Morrone (1993); Crisci (2001); Crisci et al (2000) A Terra e a vida evoluem juntos Croizat (1964)

10 Principais conceitos em Biogeografia Ø Centro de Origem: local de origem das espécies, a partir de outras préexistentes e de onde seriam dispersas (base da Biogeografia Evolutiva) Barreira geográfica CO B A A A B CO 1. Idéia de Wallace (1876, 1881) 2. Idéia de Darlington (1957)

11 Principais conceitos em Biogeografia Ø Centro de Diversidade: local de maior concentração de espécies Ø Endêmico, Autóctone ou Nativo: originário do local onde é encontrado Ø Introduzido ou Alóctone: não é originário do local onde habita Ø Refúgios: locais onde espécies sobreviveram Ø Relictual: ocorrência de uma espécie em apenas poucos locais de uma distribuição mais ampla ocorrente no passado

12 1) Simpatria: populações de espécies em uma mesma área geográfica 2) Parapatria: populações de espécies em contato geográfico, sem sobreposição A B A B 1 2 3) Alopatria: populações de espécies em áreas geográficas exclusivas A B 3

13 Vicariância x Dispersão: modelos para inferência de mecanismos de especiação (Extraído de Crisci et al. 2003)

14 Quais os principais objetivos da Biogeografia? Entender os processos e padrões de distribuição, bem como entender os fatores que causam e mantém esses padrões e processos

15 Quais as principais questões da biogeografia? 1- Por que as espécies (ou taxa superiores) estão distribuídos onde estão? 2- Por que a diversidade e a composição taxonômica das biotas variam de região para região? 3- Onde as espécies originaram-se? 4- Quais os mecanismos responsáveis pela distribuição atual das espécies?

16 Por que determinadas espécies e determinados grupos de organismos são encontrados em certas localidades e em outras não? Cavanillesia arborea K.Shum. (barriguda) Adansonia digitata L. (baobá)

17 Por que as regiões tropicais apresentam alta biodiversidade? Andes Tropicais Floresta Amazônica

18 Por que em algumas localidades existe um número reduzido de espécies mas o número de indivíduos (abundância) de algumas dessas espécies é alto? Prairies (América do Norte) Pampas (Região sul do Brasil)

19 Quais os padrões de distribuição das espécies? Quais os fatores que determinam esses padrões? Croton sphaerogynus Baill. Padrão mesotérmico Distribuição restrita Padrão megatérmico Distribuição ampla Croton glandulosus L.

20 Grupos Cosmopolitas Orchidaceae Fuchsia Onagraceae

21 Endemismos Foto: R. Riina Croton priscus Croizat Espécie endêmica do Estado de São Paulo (Serra do Mar)

22 Disjunções Phyllanthus klotzschianus Müll.Arg. Distribuição disjunta entre restinga e campo rupestre (Giulietti & Pirani, 1988; Cordeiro, 1992)

23 Hemisfério Sul: exemplos clássicos de disjunções Hebe Nothofagus

24 Distribuição austral : hipóteses 1- Australia, Nova Zelândia e América do Sul eram originalmente parte do supercontinente Gondwana. As linhagens ancestrais foram parte de uma flora Gondwana contígua que foi subdividida pela quebra desse supercontinente. 2- Apesar das grandes distâncias envolvidas, plantas eram capazes de moverem-se entre eles depois da quebra do supercontinente Gondwana.

25 Disjunções no Hemisfério Norte Styrax Rhododendron (Extraído de Milne, 2006) Phryma

26 Disjunções no Hemisfério Norte: interpretações Floras relictuais do terciário Em certos períodos durante o Pleistoceno, as temperaturas tornaram-se frias o suficiente para boa parte da água da Terra se tornar gelo. O nível do mar recuou e o estreito de Bering entre Alasca e Sibéria tornou-se uma ponte natural (dispersão) ou uma barreria geográfica (vicariância) para diversos organismos.

27 Os padrões encontrados atualmente podem ter sido determinados por diversos fatores: Evolução Adaptações fisiológicas e ecológicas Mecanismos de dispersão Competição Sucessão ecológica Mudanças climáticas Mudanças no nível do mar Deriva continental Impacto ambiental (direto ou indireto)

28 Como responder a essas questões? Métodos em Biogeografia

29 Métodos tradicionais em Biogeografia histórica 1 - Descrever Documentação da extensão geográfica dos taxa; composição de espécies de uma área; regiões biogeográficas. Descreve os padrões atuais 2 - Interpretar Sintetiza dados descritivos; desenvolve hipóteses para explicar os padrões de distribuição; faz predições. Explica os padrões no tempo/espaço

30 Como testar as hipóteses? Abordagem tradicional: puramente narrativa Baseada em observação e pressupostos de processos e eventos ocorridos.

31 Métodos em Biogeografia - Centros de origem e dispersão: Darwin and Wallace - Panbiogeografia: Croizat - Biogeografia Filogenética: Hennig and Brundin - Biogeografia Cladística: Rosen, Nelson, and Platnick - Filogeografia: Avise - Análise de parcimonia de endemismos: Rosen - Método baseado em eventos: Ronquist - Método de áreas ancestrais: Bremer

32 Métodos em Biogeografia - Centros de origem e dispersão: Darwin and Wallace - Panbiogeografia: Croizat - Biogeografia Filogenética: Hennig and Brundin - Biogeografia Cladística: Rosen, Nelson, and Platnick - Filogeografia: Avise - Análise de parcimonia de endemismos: Rosen - Método baseado em eventos: Ronquist - Método de áreas ancestrais: Bremer

33 A idéia de León Croizat: Panbiogeografia León Croizat ( ) A Terra e a vida evoluem juntos Mapeamento das distribuições de grupos de organismos e verificação de sobreposições.

34 - Distribuições individuais unidas por traços - Descoberta de traçados generalizados - Busca de explicações gerais para estes fenômenos Modificado de Croizat (1952, 1958, 1960, 1964)

35 Biogeografia Cladística Cladística: relações evolutivas dos grupos baseada na ancestralidade comum exclusiva. Biogeografia cladística: filogenias e as relações entre áreas de ocorrência das espécies. Similaridades são o resultado de ancestralidade comum exclusiva Ø Padrões de distribuição comuns requerem explicações gerais (Panbiogeografia) Ø Conexões passadas ou movimentos entre áreas geográficas podem ser inferidas através da sobreposição de filogenias e mapas de distribuição (Biogeografia Filogenética) Idéia básica: as filogenias das linhagens que tenham padrões de distribuição compartilhados devem ser a mesma e concordante com a história geológica

36 Biogeografia Cladística Distribuição geográfica e cladograma de três espécies hipotéticas (A, B e C): busca de hipóteses. (adaptado de Morrone & Crisci, 1995)

37 Biogeografia Cladística: principais problemas 1 O tempo não é considerado, não é possível saber se os padrões são resultado dos mesmos processos 2 A dispersão é tida como um processo raro e estocástico que não pode ser esperado para padrões compartilhados por grupos não diretamente relacionados

38 Como considerar o tempo?

39 Fósseis? Mas a datação de linhagens através de fósseis não é possível para a maioria dos grupos... Populus (Eoceno, Utah)

40 Relógio molecular Ø Zuckerkandl e Pauling (1962, 1965) Ø O número de substitiuções no DNA entre as sequencias é uma função do tempo (constante para todas as linhagens) Ø Atrativo: Se evoluem a taxas constantes, podem ser utilizadas para datar a divergência entre as espécies! Linus Pauling ( ) Emile Zuckerkandl Ø Taxas de divergência moleculares entre as espécies: estimar o período geológico que determinados taxa ou genes divergiram.

41 Todos os esses métodos são muito úteis para o melhor entendimento dos questionamentos em biogeografia, mas ainda apresentam limitações... Ainda é necessário o desenvolvimento de novos métodos e aprimoramento de alguns já existentes.

42 Quais as aplicações da biogeografia?

43 Monitoramento Ambiental determinar os efeitos das mudanças ambientais e suas taxas de ocorrência De Groot et al. (1995): Identificação e uso de bioindicadores para acessar possíveis efeitos de mudanças climáticas na Europa. Asio otus Nymphalis antiopa

44 Saúde Pública Efeitos das mudanças climáticas na distribuição de vetores de doenças. Modelos biogeográficos: aplicados na projeção de distribuição. Doença Nome Malária Organismo Plasmodium falciparum, P. vivax, P. ovale, P. malariae Vetor da doença que pode ter a distribuição afetada por mudanças climáticas Anopheles Febre amarela Flavivirus sp. Aedes aegypti Leishmaniose Leishmania sp. Plebotomines sp. Doença de Chagas Trypanossoma cruzi Reduviidae (modificado de Spellerberg & Sawyer, 1999)

45 Modelagem de nicho ecológico ferramenta para estudos biogeográficos: explicar e predizer a distribuição de organismos Dados de ocorrência Predição de distribuição Dados ambientais Modelagem (GARP, Minimum distance, Bioclim) SIG (SDM - Species Distribution Modelling) Quais os fatores ambientais relacionados com a distribuição geográfica das espécies? Quais as áreas prováveis de ocorrência das espécies?

46 Aplicação de classes de solos em modelos de distribuição de espécies Croton laceratoglandulosus Caruzo & Cordeiro

47 Avaliação do estado de conservação de espécies Categorias de acordo com a IUCN (International Union for Conservation of Nature) *Extintas: espécies que não existem mais na natureza. Utilização de dados de distribuição para categorização. Em perigo: espécies que têm grande probabilidade de extinção. *Nidularium itatiaiae L.B. Sm. Vulneráveis: espécies que podem se tornar ameaçadas (suas populações estão diminuindo em tamanho em toda a sua extensão). Raras: espécies que têm um número reduzido de indivíduos. Insuficientemente conhecidas: não são suficientemente conhecidas para serem classificadas.

48 Como a biogeografia pode auxiliar na conservação da biodiversidade? Uma das questões básicas relacionada a conservação da biodiversidade é meramente biogeográfica: como determinar onde se deve investir os poucos recursos financeiros e humanos a fim de minimizar a perda da biodiversidade (Platnick, 1992)

49 Áreas Protegidas Planejamento e estabelecimento de estratégias para a conservação da biodiversidade Onde devem ser estabelecidas as áreas de proteção ambiental? Qual o tamanho que essas áreas de proteção devem ter? Como essas áreas devem ser administradas?

50 Áreas de riqueza por número de espécies (Foto: F.E. Barbo) Oxyrhopus guibei Áreas de riqueza de serpentes no município de São Paulo (cedido por F.E. Barbo)

51 Áreas endêmicas Estabelecimento de áreas com maior número de endemismos Áreas endêmicas são áreas que possuem altos índices de endemismo, mostrando que talvez existam elementos históricos vinculados a esse padrão, sob o aspecto evolutivo da formação da área.

52 Qual o futuro da Biogeografia? Principal limitação: grande número de espécies não descritas (Spellerberg & Sawyer, 1999). - Sistemática: continuará como provedora de dados básicos para a biogeografia - Necessidade: mais profissinais atuantes (sistematas e biogeografos) - Desenvolvimento de métodos mais adequados - Disseminação da informação biogeográfica - Necessidade: no monitoramento ambiental, na conservação de espécies e comunidades, na saúde pública e em estudos ecológicos.

53 A Biogeografia é essencial para o entendimento dos processos e padrões de distribuição dos organismos, além de ser um importante instrumento para a manutenção dos recursos naturais e conservação da biodiversidade. We cannot make good decisions about conservation of nature if we do not know what is there and where it is. (Spellerberg & Sawyer, 1999)