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Evolutionary Modelling from Family diversity

Michael C. Boulter and Dilshat Hewzulla

Plain Language Abstract

This article has two purposes. One is to enable the reader to select a Family or Families from The Fossil Record 2 and plot the changes in diversity through time. If you have access to Netscape vers. 4 or Internet Explorer 4.0, or higher, you can do this from your own computer. By following the instructions set out in the article you can make many thousands of different curves and download them to your own system. You can search for higher ranks of taxa, for a variety of habitats, and for the taxa present at any interval of time.

The article's second purpose is more creative. The few curves we have made tend to show a bell shaped curve, radiating quickly to the maximum diversity and then falling slowly to extinction. This is in agreement with other observations from the fossil record. It appears that internal dynamics, as well as the limits of the ecological niche, control the evolution of the biological system, as can events from outside it. Such reasoning has enabled us to create a model to describe changes in Family diversity through time. The equation takes The Fossil Record 2 data and sets it against the niche capacity, as well as extinction and origination factors (conceived here for the first time). Our tests confirm that extinct Families diversify according to the shape of a bell curve, often exhibiting a fast rise in diversity followed by a slower fall. The model can encompass the complete evolutionary history of each group, in the unlikely event that there are to be no more mass extinction events from outside the system.

Resumen en Español

Modelos evolutivos a partir de la diversidad familiar

La base de datos "The Fossil Record 2" sobre primeras y últimas apariciones de las familias de animales y plantas es accesible por Internet. Como demostración de su interés, hemos comparado los de los mamíferos y angiospermas con los datos respectivos de otras fuentes. Es de remarcar que las tendencias evolutivas son similares, para cada grupo, en los casos analizados. También hemos comprobado la propuesta de Nee y May sobre la diversificación rápida y el declive lento de algunos organismos. Nuestro análisis proporciona una curva logística modificada que modeliza la trayectoria campaniforme de la diversificación. Los datos fluctuan alrededor del modelo general hasta la eventual extinción del grupo, salvo que los organismos sean expuestos a perturbaciones externas importantes. Cuando la trayectoria general muestra un declive neto, puede predecirse el momento de extinción del conjunto en cuestión, asumiendo que no haya perturbaciones futuras. Así, por ejemplo, la curva de diversificación de los mamíferos pleistocenos de Norteamérica sugiere que ya ha comenzado una extinción en masa ocasionada por el hombre.

Palabras clave: evolución, origen, extinción, diversidad, registro fósil, bases de datos, modelización, búsqueda interactiva

Traducción: Prof. Marcos A. Lamolda; Facultad de Ciencias-UPV; Campus de Lejona; E-48940 Lejona

Résumé en Français

La modélisation évolutionaire à partir de la diversité familiale.

La banque de données des temps d’apparition et disparition de familles de plantes et d’animaux fossiles "Fossil Record 2" est accessible via internet. Pour démontrer l’utilité de ces données, nous avons comparés les sorties pour les mammifères et les angiospermes avec des graphiques produits par d’autres banques de données. Les mêmes patrons se retrouvent dans les deux graphiques. Nous avons aussi utilisés cette banque de données pour tester la proposition récente de Nee et May, à savoir que certains groupes d’organismes se diversifient rapidement et déclinent lentement. Nous proposons un modèle logistique modifié, semblable à une courbe en forme de cloche, pour la trajectoire global de diversification. Le patron de diversification fluctue autour de la trajectoire globale jusqu’à son extinction éventuelle, à moins que les organismes soient assujetis à des perturbations externes considérables. Lorsque la trajectoire globale est en nette décroissance, la date d’extinction finale du groupe peut être prédite en l’absence de grandes perturbations futurs. Cependant, la courbe de diversité des mammifères Pleistocènes de l’Amérique du Nord suggère qu’une extinction en masse causée par les perturbations humaines et déjà en cours.

Mots clés: évolution, origination, extinction, diversité, fossiles, banque de données, modélisation, fouille interactive

Deutsche Zusammenfassung

MODELLIERUNG VON EVOLUTION ANHAND VON DIVERSITÄT IN FAMILIEN

Die "Fossil Record 2" Datenbank mit Zeiten von Erst- und Letztauftreten von Pflanzen- und Tierfamilien kann im Internet abgefragt werden. Um darzustellen, wie diese Daten genutzt werden können, haben wir die Ausgaben für Säugetiere und Angiospermen mit Ergebnissen von anderen Datenbanken verglichen. Interessanterweise sind die gleichen Trends auch dort belegbar. Wir haben diese Abfrageeinrichtung auch benutzt, um Nee und May's Vorschlag zu prüfen, wonach sich einige Organismengruppen rasch diversifizieren und langsam abnehmen. Wie schlagen eine modifizierte logistische Kurve vor, um eine globale Kurve für die Diversifizierungsmuster zu modellieren, die einer Glockenkurve ähnelt. Das Diversifizierungsmuster bewegt sich um eine globale Kurve, bis zum allfälligen Aussterben, ausser wenn die Organismen einer beträchtlichen externen Störung ausgesetzt sind. Sobald die gegenwärtige Kurve einen klaren, nach unten gerichteten Trend zeigt, kann der Zeitpunkt des Aussterbens einer Organismengruppe vorhergesagt werden, unter der Annahme des Fehlens grosser externer Störungen in der Zukunft. Allerdings weist die Diversitätskurve aus nordamerikanischen pleistozänen Säugetierdaten auf ein Massenaussterben hin, dass unter dem Einfluss des Menschen schon begonnen hat.

Stichworte: Evolution, Entstehung, Aussterben, Diversität, Fossilbefund, Datenbank, Modellierung, interaktive Suche

Italiano

MODELLI EVOLUTIVI A PARTIRE DALLA DIVERSITA' FAMIGLIARE

Il database ÒFossil Record 2Ó dei tempi di comparsa e scomparsa di famiglie animali e vegetali puo' esere consultato in Internet. Per dimostrare come si possono usare questi dati, sono stati paragonati quelli relativi a mammiferi ed angiosperme con grafici ricavati da altri database in cui sono riconoscibili le stesse tendenze. Abbiamo inoltre usato questo sistema di ricerca per verificare l'ipotesi che alcuni gruppi di organismi si diversifichino rapidamente ed in seguito declinino lentamente. Viene quindi proposta una curva logistica modificata dalla forma a campana come modello per una curva complesiva della diversificazione. Il pattern di diversificazione fluttua attorno alla curva complessiva fino alla sua estinzione finale, a meno che gli organismi non siano sottoposti ad un considerevole numero di interventi esterni. Quando la curva mostra un chiaro andamento verso il basso e' possibile predire la data finale di estinzione di un gruppo di organismi, sempre che non si verifichino grosse perturbazioni in futuro. In ogni caso, la curva di diversita' ricavata dai dati per i mammiferi del Pleistocene del Nord America indica che una estinzione di massa, causata dall'attivita' dell'uomo, e' gia' in corso. 

Parole chiave: Evoluzione, Origine, Estinzione, Diversita', Fossili, Database, Modellizzazione, Ricerca interattiva. 

Traduzione: Alessandro Grippo, Department of Earth Sciences, University of Southern California, Los Angeles, CA 90089-0740, USA

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