Evolution: Hurtig eller langsom? Firben hjælper med at løse et paradoks. | Quanta Magasinet

James Stroud havde et problem. Evolutionsbiologen havde brugt flere år på at studere firben på en lille ø i Miami. Disse anoler firben havde set det samme ud i årtusinder; de havde åbenbart udviklet sig meget lidt i al den tid. Logik fortalte Stroud, at hvis evolutionen havde favoriseret de samme egenskaber over millioner af år, så skulle han forvente at se lidt eller ingen forandring i løbet af en enkelt generation.

Bortset fra, at det ikke var det, han fandt. I stedet for stabilitet så Stroud variation. En sæson overlevede kortbenede anoler bedre end de andre. Den næste sæson kan de med større hoveder have en fordel.

"Jeg var forvirret. Jeg vidste ikke, hvad der foregik. Jeg troede, jeg gjorde noget forkert,” sagde Stroud, som dengang var ved at færdiggøre en postdoc ved Washington University i St. Louis. "Så faldt det hele pludselig på plads og begyndte at give mening."

Hans data afspejlede et paradoks, der havde hindret biologer i årevis. På lang sigt havde anolerne træk, der så ud til at forblive de samme, et fænomen kaldet stasis - formentlig forårsaget af stabiliserende selektion, en proces, der favoriserer moderate træk. Men på kort sigt viste øglerne variation med svingende egenskaber. Strouds data blev bedre forklaret af retningsbestemt udvælgelse, som nogle gange favoriserer ekstreme egenskaber, der fører evolutionen i en ny retning, og andre gange ser det ikke ud til at favorisere noget særligt.

Fordi han havde fulgt fire arter i tre generationer, var han i stand til at vise, at et langsigtet mønster af stasis kunne opstå fra en sådan kortsigtet fluktuerende selektion.

"Der er masser af støj, men samlet set fører det til ret stabile mønstre," sagde Stroud, som nu driver sit eget laboratorium ved Georgia Institute of Technology. Studiet blev udgivet for nylig i Proceedings of National Academy of Sciences.

Stroud og hans kollegers arbejde forklarer, hvordan kortsigtet variabilitet kan føre til langsigtet stabilitet, sagde Arthur Porto, en evolutionsbiolog ved Florida Museum of Natural History, som ikke var involveret i den nye forskning.

"Det demonstrerer, at vi kan opnå et mønster, der ligner stabiliserende udvælgelse, selv når der ikke vises noget stabiliserende udvalg på en per generations tidsskala," sagde Porto. Resultaterne hjælper med at løse det, som nogle frustrerede biologer kalder "paradokset ved stasis."

Evolutionens faste hånd?

Da tidlige evolutionsteoretikere udtænkte naturlig selektion, regnede de med, at den evolutionære proces arbejder gradvist over store epoker. Arter udvikler sig ikke over natten; de forbliver stort set de samme og akkumulerer ændringer over mange generationer. I 1859 skrev Charles Darwin: "Vi ser intet af disse langsomme ændringer i fremskridt, før tidens hånd har markeret den lange tidsaldre."

Tidlige observationer af fossilerne understøttede denne idé. Ofte afslørede palæontologer beviser for, at en art kunne forblive stillestående over millioner af år, og kun ændre sig, når den blev tvunget til at tilpasse sig et dramatisk miljøskifte. Det meste af tiden virkede evolutionsprocessen dog meget langsom, den biologiske ækvivalent til at se maling tørre.

Biologer forklarede denne inerti som produktet af stabiliserende selektion, hvor gennemsnitlige eller mellemliggende egenskaber konsekvent foretrækkes frem for mere ekstreme. Selv små skift væk fra "gennemsnit" ville blive ledsaget af et stejlt fald i overlevelse eller fertilitet.

Et klassisk eksempel på stabiliserende udvælgelse kommer fra historiske optegnelser over menneskelig fødselsvægt, sagde Jonathan Losos, en evolutionsbiolog ved Washington University i St. Louis og Strouds forskningsrådgiver. Kompilationer af fødselsvægtdata i midten af ​​20th århundrede viste, at babyer med gennemsnitsvægt overlevede oftere end dem, der var tungere eller lettere end gennemsnittet.

"Langsigtet stasis synes at foreslå stabilisering af selektion," sagde Losos. "Det er den mest foretrukne forklaring."

Det var først i begyndelsen af ​​1980'erne, at videnskabsmænd udviklede metoder, der kunne teste denne idé. I 1983 bragte biologerne Russell Lande og Stevan Arnold avanceret statistik til evolutionære feltstudier, som viste i et vartegn Evolution papir hvordan forskere kunne måle virkningen af ​​naturlig udvælgelse inden for en enkelt generation. Tilgangen, som kvantificerede selektion på grupper af korrelerede egenskaber, krævede biologiske datasæt, der var meget store, især efter 1980'ernes standarder. Alligevel var det den første statistiske ramme til at vise forskere, hvordan man måler forskellige former for naturlig selektion, herunder stabiliserende selektion, på flere egenskaber, sagde Christopher Martin, en evolutionær biolog ved University of California, Berkeley.

Evolutionsbiologer adopterede hurtigt tilgangen. Princeton University Rosemary og Peter Grant brugt metoden i deres berømte studier af Darwins finker på øen Daphne Major på Galápagos. Deres undersøgelse, som begyndte i 1973 og fortsætter den dag i dag, fulgte en population af mellemjordfink (Geospiza fortis) gennem en alvorlig tørke, der begyndte i 1977. Det var da Daphne Majors planter holdt op med at producere de små frø, som fuglene stolede på; kun tykke frø var tilbage.

Med lidt føde faldt finkebestanden fra 1,400 individer til nogle få hundrede på kun to år. Derefter så Grants befolkningen komme sig, mens de tog omhyggelige målinger af fuglenes egenskaber. De fugle, der overlevede, fandt de, havde større næb, der var egnet til de større frø: Den gennemsnitlige næbdybde var steget fra 9.2 mm til 9.9 mm - en ændring på mere end 7%.

Alt i alt havde et skift i den årlige nedbør hurtigt resulteret i en ændring i fuglenes næb. Grants' arbejde blev et klassisk eksempel på evolution i aktion. De havde identificeret markante, om end ofte subtile, beviser på retningsbestemt skub og træk af evolution, der virker på karaktertræk. Og de var ikke alene: Når forskerne havde de statistiske værktøjer til at se evolutionen udvikle sig, så det ud til, at overalt hvor de kiggede, kunne de se naturlig udvælgelse virke inden for meget korte intervaller.

Sådanne undersøgelser udfordrede ideen om, at evolutionen fortsatte gennem langsomme, umærkelige ændringer over store tidsrum, sagde Matt Pennell, en evolutionær biolog ved University of Southern California. Forandring kunne - og skete - ske hurtigt.

Deri lå problemet. Med tilstrækkelig tid burde selv de mindste slæbebåde give et målbart skift i en organismes observerbare egenskaber. Hvis næbstørrelsesændringerne, som Grants observerede, fortsatte over årtusinder, forudsagde bagsideberegninger nogle ekstreme fænomener, sagde Pennell. "Du ville forvente finker, der vejede 40 kg. Det her giver bare ingen mening."

Hvad mere er, efterhånden som beviserne for retningsbestemt udvælgelse hobede sig op, dukkede der kun få beviser op på siden af ​​stabiliserende udvælgelse. Den fossile optegnelse viste tydeligt stas i træk over tid. Men med deres nye statistiske værktøjer kunne evolutionsbiologer ikke finde beviser for en mekanisme, der ville producere stase.

Beviset for både kortsigtet modifikation og langsigtet stabilitet var solidt. Hvad biologer ikke kunne finde ud af, var, hvordan man forbinder de to fænomener på en måde, der kunne løse dette paradoks med stasis.

En forklaring, viste det sig, ventede blandt træerne i det sydlige Florida.

En Anole Oase

Det turkise vand og det hvide sand i Caribien er ikke et paradis for kun mennesker. Anolefirben har også fundet disse tropiske øer som idylliske tilflugter. Firbenene har spredt sig over Caribien gennem en proces kaldet adaptiv stråling. Da en art af anole ankom til en ny ø, udviklede den sig hurtigt til flere nye arter, som hver især udnyttede et andet levested.

"Der ser ud til at være et misforhold mellem mikroevolutionære processer og hvad der foregår med længere tidsskalaer," sagde Kjetil Lysne Voje, en evolutionsbiolog ved Naturhistorisk Museum ved Universitetet i Oslo.

Igen og igen, på ø efter ø, udviklede anolerne sig til at udfylde forskellige nicher og fik karakteristiske sæt træk for at hjælpe deres overlevelse i deres foretrukne habitat. En art havde lange ben - ideel til sprint - og små, klæbrige tåpuder oftere plantet på terra firma. Tre andre sprang op ad træstammer: en art med lille krop, der foretrak den nederste halvdel af stammen, en, der vovede sig ind i den lave baldakin på store tåpuder, og en, der favoriserede den høje baldakin, der udviklede korte lemmer til kyndigt at navigere i tynde grene.

Efter det første udbrud af evolution forblev firbenene stort set identiske over millioner af år. Og det var sådan Losos fandt dem, da han begyndte at studere krybdyrene i 1980'erne.

"De forskellige typer ser ud til at have udviklet sig for lang tid siden, og så holdt de fast der," sagde Losos. "Sådan har de formentlig været lige siden."

Anolernes evne til at kolonisere nyt land gjorde dem velegnede til at blive invasive arter. I Florida, den indfødte nordamerikanske grønne anole (Anolis carolinensis) har levet højt oppe på træstammer og spist trælevende insekter i den lave krone i millioner af år. I løbet af det seneste århundrede er der imidlertid ankommet andre anoler til staten fra Cuba, Hispaniola og Bahamas. Den brune anole (Anolis sagrei) bor på de nederste træstammer og bruger sine lange ben til at hoppe ned på jorden for at jage insekter. Den lille fyldige bark anole (Anolis distichus) spiser myrer, der kravler langs stammerne, mens den større ridder anole (Anolis equestris) forfølger insekter og frugter i den øvre baldakin. Hver art havde allerede tilpasset sig sin specifikke niche, før de ankom til Miami. Deres økologi fortsatte i deres nye hjem.

Som en firbenentusiast ønskede Stroud at studere sin adopterede bys herpetologiske smorgasbord. For at udføre et langsigtet feltstudie skulle han dog spore anolerne over tid. Firbenenes høje mobilitet udgjorde et stort problem. Hvis han mistede overblikket over en person, ville han ikke vide, om den var flyttet ud af området eller døde. Lige så frustrerende ville han ikke være i stand til at fortælle, om nyankomne var afkom af eksisterende firben eller nye immigranter.

Efter at have gennemsøgt byen for steder, indså han, at Miamis beliggenhed Fairchild Tropical Botanic Garden gjorde det til et ideelt studiested, fordi anolerne var effektivt fanget på ersatz-øen. Han kunne være sikker på, at ingen firben var ankommet eller gået.

Strouds mål var at måle naturlig udvælgelse, der opererer over flere generationer i flere arter. Han ville "fange en masse firben og måle dem og se, om deres overlevelse fortalte os noget om, hvordan evolutionen foregår i naturen," sagde han.

Han brugte tre år på at tage en række forskellige mål for kropsform og størrelse fra de fire anoler, der kalder den botaniske have hjem - 1,692 individer i alt. For at indsamle tusindvis af datapunkter om benlængde, hovedstørrelse og overordnet overlevelse var Stroud nødt til at fange hver firben ved hjælp af en lille lasso og derefter gå i gang med skydemåtter, før han injicerede en lille mikrochip under huden. Mikrochippen sikrede, at han kunne holde styr på hver enkelt anole. Hvis han ikke kunne opdage en sporer, vidste han, at anolen sandsynligvis var død.

"Denne type arbejde er hårdt nok at udføre i én art. Så at udføre et projekt som dette i fire arter er virkelig enestående,” sagde Jill Andersen, en evolutionsbiolog ved University of Georgia, som ikke var involveret i forskningen.

Da Stroud begyndte at analysere sine data, løb han dog ind i paradokset med stasis.

Stas i Larmen

Fra starten af ​​projektet var Stroud og hans kolleger interesserede i at stabilisere udvælgelsen. De ønskede at se, om den naturlige udvælgelseskræfter konstant skubbede og trak øglenes egenskaber for at holde dem centreret på det samme punkt. At anolerne havde vist en lille evolutionær ændring over millioner af år indikerede, at de var på en slags evolutionær højdepunkt, og Stroud ønskede at se, hvilke faktorer der holdt dem der.

Men hans års data viste slet ikke stabilitet. I stedet så han, at evolutionen konstant skiftede de egenskaber, der var bedst tilpasset miljøet. "Hvis vi ser på en periode for sig selv, ser vi meget sjældent stabiliserende udvælgelse," sagde Stroud.

Over tid gik denne variabilitet imidlertid i gennemsnit ud i stase. Selvom egenskaber vaklede af deres optimale, moderate højdepunkt fra den ene generation til den næste, var der en nettoeffekt af stabilisering - hvilket i sidste ende førte til en lille ændring over de mange generationer.

Eksperter, der gennemgik Stroud og hans teams data, var imponerede over dets grundighed og dets evne til at løse det tilsyneladende paradoks. "Dataene er smukkere, end nogen med rimelighed overhovedet kunne håbe på at lave en undersøgelse som denne," sagde Martin.

Anderson sagde, at Strouds "super seje" arbejde var i stand til at løse et af biologiens største mysterier på grund af hans tankevækkende og stringente studiedesign. Kun med mange års data, sagde hun, kunne Stroud se, hvordan stasis potentielt kunne opstå ud af en sådan variation.

Voje tilbød også ros: "Dette er et fremragende eksempel på arbejde, der binder nogle af disse observationer sammen," sagde han.

Jeffrey Conner, en botaniker og evolutionsbiolog ved Michigan State University, var enig i, at den konceptuelle ramme Stroud udviklede kan forklare stabiliserende selektion. Han sagde dog, at variationen i retningsbestemt udvælgelse, Stroud identificerede, var ret minimal.

Alligevel er nyere forskning fra andre laboratorier også med til at understøtte Strouds resultater. En undersøgelse offentliggjort i Evolution i september 2023 fra laboratoriet af Andrew Hendry, en øko-evolutionær biolog ved McGill University, studerede evolutionære ændringer i et samfund af finker på Galápagos-øen Santa Cruz over 17 år. Også dér fandt Hendry bevis for naturlig selektions regulære tovtrækkeri på egenskaber, der var indlejret i en "bemærkelsesværdig stabilitet," sagde han, af finkerne over evolutionær tid.

For Hendry var stasis paradoks aldrig et paradoks overhovedet. Problemet, sagde han, var, at biologer antog, at langsigtet stasis var resultatet af kortsigtet stabilitet. Smid den antagelse ud, og paradokset forsvinder. "Paradokset er illusorisk," sagde han. "Evolutionsbiologer kan lide at finde på ting og kalde dem paradokser."

Tænk på det mere som Mississippi-floden, før det blev konstrueret, forklarede han. Det skiftede hurtigt kurs i små områder over korte perioder, og dog for titusinder af år flodens samlede rejse førte til den Mexicanske Golf. På samme måde kan en øglepopulations egenskaber variere på kort sigt og forblive stabile på lang sigt.

Alligevel er tre år - eller 17 - en dråbe i spanden af ​​evolutionær tid. Fuldstændig løsning af paradokset vil kræve, at videnskabsmænd studerer tidsspænd mellem makro- og mikroevolution, sagde Porto - på skalaen ti, hundreder eller tusinder af år. De er nødt til at finde et sødt sted, der er langt nok til at tillade både forandring og stasis at dukke op, sagde han, selvom biologer i øjeblikket ikke har et langt nok datasæt at trække fra.

Det er grunden til, at langsigtede feltstudier i økologi og evolutionær biologi er mere og mere kritiske, sagde Stroud. Uden at vende tilbage til sit studiested igen og igen over en årrække ville han aldrig have opnået nok data til at adressere en af ​​nøglehypoteserne inden for evolutionær biologi.

Quanta gennemfører en række undersøgelser for bedre at kunne betjene vores publikum. Tag vores biologi læserundersøgelse og du vil være med til at vinde gratis Quanta varer.