Введение

Большой американский биотический обмен (обычно сокращенно GABI), также известный как Великий американский обмен и Великий американский фаунистический обмен, является важным поздним кенозойским палеозоогеографическим событием, в ходе которого сухопутная и пресноводная фауна мигрировала из Северной Америки в Южную Америку через Центральную Америку и обратно, по мере того как вулканический Панамский перешеек поднялся со дна океана и соединил ранее разделенные континенты. Хотя более ранние расселения происходили, вероятно, через водные пространства, миграция резко ускорилась около 2,7 миллиона лет назад (млн лет) в плиоценскую эпоху. Это привело к окончательному объединению неотропической (примерно южноамериканской) и неарктической (примерно североамериканской) биогеографических областей, сформировав Америку. Этот обмен проявляется как в данных биостратиграфии, так и в современной фауне (неонтологии). Наиболее заметное влияние он оказал на зоогеографию млекопитающих, но также предоставил возможность для миграции рептилий, амфибий, членистоногих, слабо летающих или нелетающих птиц и даже пресноводных рыб. Однако прибрежная и морская биота пострадали в обратном порядке; формирование Центральноамериканского перешейка вызвало то, что получило название Великого американского раскола, сопровождавшегося значительной диверсификацией и вымиранием в результате изоляции Карибского моря от Тихого океана. Уоллес провел пять лет, исследуя и собирая образцы в бассейне Амазонки. Среди других ученых, внесших значительный вклад в понимание этого события в последующем столетии, – Флорентино Амегино, У. Д. Мэтью, У. Б. Скотт, Брайан Паттерсон, Джордж Гейлорд Симпсон и С. Дэвид Уэбб. Генри Фэрфилд Осборн обсудил время формирования связи между Северной и Южной Америкой в плиоцене в 1910 году. Аналогичные обмены происходили и ранее в кайнозое, когда ранее изолированные суши Индии и Африки вступили в контакт с Евразией примерно 56 и 30 млн лет назад соответственно.

Изоляция Южной Америки

После позднего мезозойского распада Гондваны Южная Америка провела большую часть кайнозойской эры как островной континент, чья "великолепная изоляция" позволила ее фауне эволюционировать во множество форм, не встречающихся больше нигде на Земле, большинство из которых сейчас вымерли. Ее эндемичные млекопитающие изначально состояли в основном из метатерий (марсупиалов и спарсасодонтов), ксенартрансов и разнообразной группы копытных, известных как Meridiungulata: нотоунгуляты ("южные копытники"), литоптерны, астрапотеры, пиротеры и ксенонгуляты. Несколько нетерианских млекопитающих – монотремы, гондванатеры, дриолестиды и, возможно, многобугорчатые цимолодонты – также присутствовали в палеоцене; хотя ни один из них не диверсифицировался значительно, и большинство линий не просуществовало долго, такие формы, как Necrolestes и Patagonia, сохранялись до миоцена. Марсупиалы, по-видимому, перемещались по сухопутным связям Гондваны из Южной Америки через Антарктиду в Австралию в конце мелового или раннего третичного периода. Один из ныне живущих южноамериканских марсупиалов, monito del monte, оказался более близким родственником австралийских марсупиалов, чем к другим южноамериканским марсупиалам (Ameridelphia); однако он является самым базальным австралидельфийским, что означает, что этот суперряд возник в Южной Америке, а затем распространился в Австралию после отделения monito del monte. Палеогнаты (крысоловые и южноамериканские тинамосы) могли совершить аналогичную миграцию примерно в то же время в Австралию и Новую Зеландию. Другие таксоны, которые могли распространиться тем же путем (если не по воздуху или через океан), – это попугаи, черепахи семейства Chelydidae и вымершие черепахи семейства Meiolaniidae. К оставшимся марсупиалам в Южной Америке относятся дидельфиморфы (опоссумы), пауцитуберкулятаны (опоссумы-мышевки) и микробиотеры (monitos del monte). Существовали также более крупные хищные родственники этих животных, такие как борхьениды и саблезубый Thylacosmilus; это были спарсасодонты-метатерии, которые больше не считаются истинными марсупиалами. По мере упадка крупных хищных метатерий и до появления большинства видов хищных млекопитающих, хищные опоссумы, такие как Thylophorops, временно достигали большего размера (около 7 кг). Метатерии и несколько броненосцев-ксенартрансов, таких как Macroeuphractus, были единственными южноамериканскими млекопитающими, специализировавшимися на хищничестве; их относительная неэффективность создавала возможности для не-млекопитающих хищников играть более заметную роль, чем обычно (подобно ситуации в Австралии). Спарсасодонты и гигантские опоссумы разделяли экологические ниши крупных хищников со свирепыми нелетающими "птицами-ужасами" (форусрацидами), ближайшими живыми родственниками которых являются сериемы. В Северной Америке также были крупные наземные хищные птицы в раннем кайнозое (родственные баторнитиды), но они вымерли до Великого американского обмена (GABI) в раннем миоцене, около 20 миллионов лет назад. В небе над поздней миоценовой Южной Америкой (6 миллионов лет назад) парил один из самых больших летающих птиц, известных, Argentavis, терраторн с размахом крыльев 6 м и более, который, возможно, частично питался остатками добычи Thylacosmilus. Наземные себециды (метасухии), крокодилообразные с зубами зифодонтного типа, также присутствовали по крайней мере до середины миоцена и, возможно, до границы миоцена и плиоцена. Некоторые из южноамериканских крокодилов, такие как Gryposuchus, Mourasuchus и Purussaurus, достигали чудовищных размеров, длиной до 12 м (сопоставимо с крупнейшими мезозойскими крокодилообразными). Они делили среду обитания с одной из самых больших черепах всех времен, Stupendemys длиной 3,3 м. Ксенартры – любопытная группа млекопитающих, которые развили морфологические адаптации для специализированных диет очень рано в своей истории. В дополнение к существующим сегодня (броненосцы, муравьеды и ленивцы), было большое разнообразие более крупных видов, включая пампатериев, анкилозавров, таких как глиптодонты, хищных евфрактин, различных наземных ленивцев, некоторые из которых достигали размеров слонов (например, Megatherium), и даже полуводных и морских ленивцев. Нотоунгуляты и литоптерны имели множество странных форм, таких как Macrauchenia, литоптерн, похожий на верблюда, с небольшим хоботком. Они также создали ряд знакомых типов тела, представляющих собой примеры параллельной или конвергентной эволюции: однопалый Thoatherium имел ноги, как у лошади, Pachyrukhos напоминал кролика, Homalodotherium был полупрямоходящим браузером с когтями, как у халикотерия, а рогатый Trigodon выглядел как носорог. Обе группы начали эволюционировать в нижнем палеоцене, возможно, от предков-кондилартов, диверсифицировались, сократились перед Великим обменом и вымерли в конце плейстоцена. Пиротеры и астрапотеры также были странными, но менее разнообразными и исчезли раньше, задолго до обмена. Фауна Северной Америки была типичной бореоэвтерийной, дополненной афротериевыми пробосцидами.

Океанские дисперсы до обмена

Нападения на Южную Америку начались около 40 млн лет назад (в середине эоцена), когда в Южную Америку прибыли кавиоморфные грызуны. Их последующая бурная диверсификация вытеснила некоторых из мелких сумчатых Южной Америки и дала начало – среди прочих – капибарам, шиншиллам, вискачам и новосветским дикобразам. Независимое развитие шипов у дикобразов Нового и Старого Света – еще один пример параллельной эволюции. Это вторжение, вероятнее всего, произошло из Африки. Переход из Западной Африки в северо-восточный угол Бразилии был тогда значительно короче из-за дрейфа континентов и мог быть облегчен перелетами между островами (например, через скалы Святого Павла, если они были обитаемы в то время) и западными океаническими течениями. Пересечение океана осуществлялось, когда хотя бы одна оплодотворенная самка (чаще группа животных) случайно переплывала на обломках древесины или мангровых плотах. Впоследствии гутии (Capromyidae) колонизировали Вест-Индию, дойдя до Багамских островов. Со временем некоторые кавиоморфные грызуны эволюционировали в более крупные формы, которые конкурировали с некоторыми из копытных Южной Америки, что, возможно, способствовало постепенной утрате разнообразия последних после раннего олигоцена. Позже (около 36 млн лет назад) последовали приматы, также из Африки, подобно грызунам. Палеонтологические данные, представленные в 2020 году, указывают на то, что вторая линия африканских обезьян также переплыла в Южную Америку и, по крайней мере, ненадолго колонизировала ее. Остатки Ucayalipithecus, датируемые ранним олигоценом Амазонской Перу, по морфологическому анализу глубоко вложены в семейство Parapithecidae афро-аравийской радиации парапитекоидных обезьян, с зубными характеристиками, заметно отличающимися от платиррин. Считается, что представители этой группы из Старого Света вымерли к позднему олигоцену. Qatrania wingi из отложений нижнего олигоцена в Файюме считается ближайшим известным родственником Ucayalipithecus. Примечательно, что потомки тех немногих измученных "изгоев", которые выкарабкались на берег с африканских обломков в эоцене, теперь составляют более чем в два раза больше видов Южной Америки, чем потомки всех нелетающих млекопитающих, ранее обитавших на континенте (372 вида кавиоморфов и обезьян против 136 видов сумчатых и ксенартов). Многие летучие мыши Южной Америки, вероятно, прибыли из Африки примерно в тот же период, возможно, с помощью промежуточных островов, хотя и летали, а не плавали. Ноктилионоидные летучие мыши, предки неотропических семейств Furipteridae, Mormoopidae, Noctilionidae, Phyllostomidae и Thyropteridae, предположительно достигли Южной Америки из Африки в эоцене. Веспертиллиониды, возможно, прибыли в пять волн расселения из Северной Америки и одну из Африки. Черепахи облегчают океаническое расселение благодаря способности плавать с поднятой головой и выживать до шести месяцев без пищи и воды, а также благодаря существованию Галапагосских островов (галапагосская черепаха). Ряд клад американских гекконов, по-видимому, переплыли из Африки как в палеогене, так и в неогене. Скинки родственных родов Mabuya и Trachylepis, по-видимому, расселились через Атлантику из Африки в Южную Америку и Фернанду-ди-Норонья соответственно в течение последних 9 млн лет. Удивительно, но, по-видимому, из Африки переплыли также роющие амфисбении и слепые змеи, а также хоатзин, слабо летающая птица тропических лесов Южной Америки. Самым ранним традиционно признанным прибытием млекопитающих из Северной Америки был прокионид, который перелетал с острова на остров из Центральной Америки до образования сухопутного моста Панамского перешейка, около 7,3 млн лет назад. Это был первый эутерийный хищник Южной Америки. Южноамериканские прокиониды затем диверсифицировались в формы, которые сейчас вымерли (например, "собачий коати" Cyonasua, который эволюционировал в медведя, подобного Chapalmalania). Однако все существующие роды прокионидов, по-видимому, возникли в Северной Америке. Первые южноамериканские прокиониды, возможно, способствовали вымиранию себецид крокодилов, поедая их яйца, но эта точка зрения не получила всеобщего признания. Коренные южноамериканские копытные животные преуспели плохо, и лишь несколько родов выдержали натиск с севера. (Некоторые из крупнейших форм, макраухениды и токсодонтиды, давно признаны выжившими до конца плейстоцена. Недавние ископаемые находки указывают на то, что один вид лошадиподобных литоптерн протеротериидов тоже выжил. Нетоунгулят мезотерииды и гегетотерииды также сумели продержаться хотя бы частично в течение плейстоцена.) Мелкие сумчатые Южной Америки, тем не менее, выжили в большом количестве, а примитивно выглядящие ксенарты оказались на удивление конкурентоспособными и стали наиболее успешными захватчиками Северной Америки. Африканские иммигранты, кавиоморфные грызуны и платирриновые обезьяны, пострадали от обмена меньше, чем большинство "старожилов" Южной Америки, хотя кавиоморфы понесли значительную потерю разнообразия. Многие южноамериканские летучие мыши, возможно, прибыли из Африки примерно в тот же период, возможно, с помощью промежуточных островов, хотя и летали, а не плавали. В целом, расселение и последующая взрывная адаптивная радиация сигмодонтиновых грызунов по всей Южной Америке (приведшая к более чем 80 в настоящее время признанным родам) была гораздо более успешной (как в пространственном отношении, так и по количеству видов), чем любое северное переселение южноамериканских млекопитающих. Другие примеры групп млекопитающих Северной Америки, которые заметно диверсифицировались в Южной Америке, включают псовых и оленевых, у которых в настоящее время в Северной Америке три или четыре рода, в Центральной Америке – два или три, а в Южной Америке – шесть. Хотя представители рода Canis (в частности, койоты) в настоящее время простираются только до Панамы, в Южной Америке все еще больше существующих родов псовых, чем на любом другом континенте. Эффект образования перешейка на морскую биоту района был обратным его эффекту на наземные организмы, развитию, которое получило название "Великий американский раскол". Связь между восточной частью Тихого океана и Карибским морем (Центральноамериканский пролив) была прервана, что привело к расхождению эволюционных путей теперь разделенных популяций. Карибские виды также должны были адаптироваться к среде с более низкой продуктивностью после прекращения притока богатой питательными веществами воды из глубоких районов Тихого океана. Тихое побережье Южной Америки охладилось из-за прекращения притока теплых вод из Карибского моря. Считается, что эта тенденция привела к вымиранию морских ленивцев в этом районе.

Исчезновение местных хищников Южной Америки

За последние 7 млн лет наземная гильдия хищников Южной Америки изменилась: от сообщества, состоящего почти полностью из неплацентарных млекопитающих (метатерий), птиц и рептилий, до гильдии, доминируемой иммигрировавшими плацентарными хищниками (с несколькими небольшими сумчатыми и птичьими хищниками, такими как дидильфиновые опоссумы и сериемы). Изначально предполагалось, что гильдия местных южноамериканских хищников, включая спарассодонтов, плотоядных опоссумов, таких как Thylophorops и Hyperdidelphys, броненосцев, таких как Macroeuphractus, террористических птиц и терраторнов, а также ранних иммигрантов группы прокионидов Cyonasua, была вытеснена к вымиранию во время GABI конкурентным исключением со стороны иммигрировавших плацентарных хищников, и что этот оборот был резким. Однако оборот хищнической гильдии Южной Америки оказался более сложным, и конкуренция играла лишь ограниченную роль. В случае спарассодонтов и плотоядных, наиболее изученных групп, мало свидетельств того, что спарассодонты даже сталкивались со своими предполагаемыми плацентарными конкурентами. Многие предполагаемые находки плотоядных Южной Америки плиоцена оказались неверно идентифицированными или датированными, и достигали размеров до примерно 8 кг (~17 фунтов). Другие группы плотоядных прибыли в Южную Америку значительно позже. Собаки и куницы появились в Южной Америке около 2,9 млн лет назад, но не стали обильными и разнообразными до раннего плейстоцена. Другие группы местных южноамериканских хищников изучены не так подробно. Часто предполагается, что террористические птицы были вытеснены плацентарными хищниками, хотя эта гипотеза не была детально исследована. Титанис расселился из Южной Америки в Северную Америку против основной волны миграций хищников, став единственным крупным коренным южноамериканским хищником, достигшим этого. Разнообразие террористических птиц также снизилось примерно после 3 млн лет назад. Гильдия местных хищников, по-видимому, полностью рухнула примерно 3 млн лет назад (включая вымирание последних спарассодонтов), что не связано с прибытием плотоядных в Южную Америку, и после этого наблюдалось низкое разнообразие наземных хищников. Предполагается, что это открыло экологические ниши и позволило плотоядным закрепиться в Южной Америке из-за низкой конкуренции. Столкновение метеорита 3,3 миллиона лет назад в южной части Южной Америки было предложено в качестве возможной причины этого оборота, но это все еще является предметом споров. Неясно, применим ли этот пересмотренный сценарий с уменьшенной ролью конкурентного исключения к другим группам южноамериканских млекопитающих, таким как нотоунгуляты и литоптерны, хотя некоторые авторы отмечают длительное снижение разнообразия коренных южноамериканских копытных с середины миоцена. Как бы там ни было, ясно, что плотоядные извлекли из этого выгоду. Несколько групп плотоядных, таких как собаки и кошки, подверглись адаптивной радиации в Южной Америке после расселения там, и наибольшее современное разнообразие псовых в мире находится в Южной Америке. Евразия, в свою очередь, была связана с Африкой, что способствовало дальнейшему распространению видов, достигших Северной Америки. Южная Америка, однако, была связана только с Антарктидой и Австралией, двумя гораздо меньшими и менее гостеприимными континентами, и только в начале кайнозоя. Более того, это сухопутное соединение, по-видимому, не обеспечило значительного миграционного потока (очевидно, что никакие млекопитающие, кроме сумчатых и, возможно, нескольких однопроходных, никогда не мигрировали по этому маршруту), особенно в направлении Южной Америки. Это означает, что виды Северного полушария возникли на территории примерно в шесть раз большей, чем доступная для южноамериканских видов. Таким образом, североамериканские виды были продуктом более крупной и конкурентной арены, где эволюция могла протекать быстрее. Они, как правило, более эффективны и обладают более развитым мозгом, согласно данным об EQ (коэффициенте энцефализации, мере соотношения размера мозга к размеру тела, скорректированной на ожидаемый эффект от различий в размере тела) ископаемых копытных, собранным H. Jerison, североамериканские копытные показали тенденцию к увеличению EQ от палеогена к неогену (средние значения EQ 0,43 и 0,64 соответственно), в то время как EQ южноамериканских копытных оставались статичными в течение того же периода времени (среднее значение EQ не изменилось и составило 0,48). Jerison впоследствии представил данные, свидетельствующие о том, что коренные южноамериканские копытные также отставали по относительному размеру их неокортексов (показатель, не зависящий от оценки массы тела). Интересно, что поздний выживший Toxodon имел одно из самых высоких значений EQ (0,88) среди коренных неотропических копытных. Их низкий уровень метаболизма, в свою очередь, мог быть полезен, позволяя им существовать на менее обильной или менее питательной пище. К сожалению, защитные адаптации крупных ксеноартов не обеспечили бы достаточной защиты от людей, вооруженных копьями и другими снарядами.