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Keywords:

  • Latitudinal gradient of taxonomic richness;
  • probabilistic model;
  • sea surface temperature;
  • currents;
  • mid-domain effect;
  • Planktonic Foraminifera;
  • Atlantic Ocean

Abstract

For several decades, the origin and ecological consequences of large-scale continental and marine Latitudinal Gradients of Taxonomic Richness (LGTR) have been intensively debated. Among the various hypotheses, it has been proposed that a LGTR is the by-product of a geographic mid-domain effect, i.e. the result of a random distribution of ranges of taxa between physical hard boundaries such as the continent/ocean interface. In order to more realistically evaluate the role of the mid-domain effect on the origin and evolution of the LGTR of marine planktonic organisms, we present a 2D model based on a cellular-automaton approach in which sea surface temperatures (SST) and currents are forced in the biogeographic dispersal of a randomly generated clade (a 2D ‘geophyletic’ model). Sensitivity experiments allow to evaluate the effects of currents, SST and the geographical origin of a clade on the formation and shape of a LGTR for planktonic organisms when coupled with a geographic mid-domain effect. Results are discussed in the light of the empirical LGTR of extant planktonic Foraminifera in the Atlantic Ocean. Independently of any other biotic or abiotic parameter, inclusive of the surface currents and origination/extinction absolute and relative rates, our simulations show that the coupling of the mid-domain effect with two critical parameters, namely the shape and intensity of the SST gradient and the geographic origin of a clade, produces realistic patterns of diversity when compared with the observed LGTR of extant atlantic planktonic foraminifera. The results illustrate a non-linear relation between a unimodal latitudinal SST gradient and a resulting bimodal LGTR characterized by a drop in species richness near the equator. This relation indicates that the SST gradient exerts a mid-domain effect on the LGTR. The latitudinal positions of the modal values of the LGTR are also found to be influenced by the geographic origin of the simulated clade.

Résumé

Depuis plusieurs décennies, l'origine et l'interprétation écologique des Gradients Latitudinaux de Richesse Taxonomique (LGTR) marins ou continentaux, ont été intensivement débattues. Parmi de nombreuses hypothèses, il a été proposé qu'un LGTR puisse être le sous-produit d'un effet de milieu de domaine géographique, i.e. le résultat d'une distribution aléatoire des répartitions des taxa entre deux limites physiques telles que l'interface continent/océan. Afin d’évaluer plus efficacement le rôle de cet effet sur l’origine et l’évolution des LGTR des organismes planctoniques marins, nous proposons un modèle 2D basé sur une approche de type automate cellulaire dans laquelle les températures des eaux de surface (SST) et les courants régulent la dispersion biogéographique d'une phylogénie générée aléatoirement (un modèle «géophylétique»). Ce modèle permet d’évaluer les effets des courants, des SST et de la dépendance thermique des espèces sur la mise en place et la forme d'un LGTR impliquant des organismes planctoniques. Il permet aussi de discuter des influences respectives de ces paramètres quand ils sont superposés à l'effet de milieu de domaine géographique. Les résultats sont discutés à partir du LGTR empirique des foraminifères planctoniques atlantiques actuels. Indépendamment de tout autre paramètre biotique ou abiotique, y compris les courants ainsi que les taux relatifs et absolus d'apparition et d'extinction, les simulations font apparaître que le couplage de l'effet de milieu de domaine à deux contraintes principales, la forme et l'intensité du gradient de SST ainsi que la localisation géographique de l'origine du clade, produit des représentations réalistes de la diversité comparées au LGTR observé pour les foraminifères planctoniques actuels de l'océan atlantique. Nos résultats indiquent une relation non-linéaire entre la structure globale d'un gradient unimodal de SST et le LGTR bimodal correspondant, montrant une baisse de richesse spécifique au niveau de l’équateur. Cette relation suggère que le gradient de SST exerce un effet de milieu de domaine thermique sur le LGTR. Les positions latitudinales des modes du LGTR sont aussi influencées par le lieu d'origine du clade simulé.