Evolúció: gyors vagy lassú? A gyíkok segítenek feloldani a paradoxont. | Quanta Magazin

James Stroudnak problémája volt. Az evolúciós biológus több évet töltött gyíkok tanulmányozásával Miami egyik kis szigetén. Ezek anoles a gyíkok évezredek óta ugyanúgy néztek ki; láthatóan nagyon keveset fejlődtek ennyi idő alatt. Logic azt mondta Stroudnak, hogy ha az evolúció évmilliókon keresztül ugyanazokat a vonásokat részesítette előnyben, akkor arra számíthat, hogy egyetlen generáció alatt alig vagy egyáltalán nem fog változást látni.

Csakhogy nem ezt találta. A stabilitás helyett Stroud változékonyságot látott. Az egyik szezonban a rövidebb lábú anolok jobban túlélték, mint a többiek. A következő szezonban a nagyobb fejűek előnyben részesülhetnek.

"Össze voltam zavarodva. nem tudtam, mi történik. Azt hittem, valamit rosszul csinálok” – mondta Stroud, aki akkor a St. Louis-i Washington Egyetemen végezte a posztdoktori tanulmányait. "Aztán hirtelen minden a helyére került, és kezdett értelmet nyerni."

Adatai olyan paradoxont ​​tükröztek, amely évek óta gátolta a biológusokat. Hosszú távon az anolok olyan tulajdonságokkal rendelkeztek, amelyek a jelek szerint változatlanok maradtak, ezt a jelenséget sztázisnak hívják, amelyet feltehetően a stabilizáló szelekció okoz, amely folyamat a mérsékelt tulajdonságokat részesíti előnyben. Rövid távon azonban a gyíkok változatosságot mutattak, ingadozó tulajdonságokkal. Stroud adatait jobban megmagyarázta az irányszelekció, amely néha olyan szélsőséges tulajdonságokat részesít előnyben, amelyek az evolúciót új irányba vezetik, máskor pedig úgy tűnik, hogy semmi különöset nem.

Mivel három generáción keresztül négy fajt követett nyomon, meg tudta mutatni, hogy egy ilyen rövid távú ingadozó szelekcióból hosszú távú pangásos mintázat alakulhat ki.

„Sok zaj van, de összességében meglehetősen stabil mintázatokhoz vezet” – mondta Stroud, aki most saját labort vezet a Georgia Institute of Technology-ban. A tanulmány nemrég jelent meg a Proceedings of the National Academy of Sciences.

Stroud és kollégái munkája elmagyarázza, hogy a rövid távú változékonyság hogyan vezethet hosszú távú stabilitáshoz, mondta Arthur Porto, a Floridai Természettudományi Múzeum evolúciós biológusa, aki nem vett részt az új kutatásban.

„Ez azt bizonyítja, hogy a stabilizáló szelekcióra hasonlító mintázatot kaphatunk még akkor is, ha nem jelenik meg stabilizáló szelekció generációnkénti időskálán” – mondta Porto. Az eredmények segítenek megoldani azt, amit néhány csalódott biológus „a pangás paradoxonának” nevez.

Az evolúció biztos keze?

Amikor a korai evolúciós teoretikusok felfogták a természetes szelekciót, úgy számoltak, hogy az evolúciós folyamat fokozatosan, hatalmas korszakokon keresztül működik. A fajok nem egyik napról a másikra fejlődnek; nagyrészt ugyanazok maradnak, és sok generáción keresztül halmozzák fel a változásokat. 1859-ben Charles Darwin ezt írta: „Semmit sem látunk ezekből a lassú változásokból, amíg az idő nem jelzi az idők hosszú múlását.”

A fosszilis leletek korai megfigyelései alátámasztották ezt az elképzelést. A paleontológusok gyakran bizonyítékokat tártak fel arra vonatkozóan, hogy egy faj több millió éven keresztül stagnálhat, és csak akkor változik, ha valamilyen drámai környezeti változáshoz kénytelen alkalmazkodni. Az idő nagy részében azonban az evolúció folyamata fájdalmasan lassúnak tűnt, a festék száradásának biológiai megfelelője.

A biológusok ezt a tehetetlenséget a stabilizáló szelekció termékével magyarázták, amelyben az átlagos vagy közepes tulajdonságokat következetesen előnyben részesítik a szélsőségesebbekkel szemben. Még az „átlagtól” való kisebb elmozdulások is a túlélés vagy a termékenység meredek csökkenésével járnának.

A szelekció stabilizálásának klasszikus példája az emberi születési súlyok történelmi feljegyzéseiből származik, mondta Jonathan Losos, a St. Louis-i Washington Egyetem evolúciós biológusa és Stroud kutatási tanácsadója. Születési súlyadatok összeállításai század közepén kimutatták, hogy az átlagos súlyú babák gyakrabban maradtak életben, mint azok, akik nehezebbek vagy könnyebbek voltak az átlagosnál.

"A hosszú távú pangás a szelekció stabilizálására utal" - mondta Losos. – Ez a legkedveltebb magyarázat.

Csak az 1980-as évek elején dolgoztak ki a tudósok olyan módszereket, amelyek tesztelhették ezt az elképzelést. 1983-ban Russell Lande és Stevan Arnold biológusok fejlett statisztikákat vittek be az evolúciós terepkutatásokba, és kimutatták, egy tereptárgy evolúció papír hogyan tudnák a kutatók egyetlen generáción belül mérni a természetes szelekció hatását. A korrelált tulajdonságok csoportjaira vonatkozó szelekciót számszerűsítő megközelítéshez nagyon nagy biológiai adatkészletekre volt szükség, különösen az 1980-as évek szabványai szerint. Ennek ellenére ez volt az első statisztikai keret, amely megmutatta a kutatóknak, hogyan mérhetik a természetes szelekció különböző fajtáit, beleértve a stabilizáló szelekciót is, több tulajdonságon. Christopher Martin, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem evolúciós biológusa.

Az evolúcióbiológusok gyorsan átvették ezt a megközelítést. Princetoni Egyetemen Rosemary és Peter Grant a módszert a galápagosi Daphne Major szigetén a Darwin-pintyekkel kapcsolatos ünnepelt tanulmányaikban alkalmazták. Vizsgálatuk, amely 1973-ban kezdődött és a mai napig tart, egy közepes talajú pinty populációt követett.Geospiza fortis) az 1977-ben kezdődött súlyos aszály következtében. Ekkor a Daphne Major növényei abbahagyták a kis magvak termelését, amelyekre a madarak támaszkodtak; csak vastag magok maradtak.

Kevés táplálékkal a pintypopuláció mindössze két év alatt 1,400 egyedről néhány százra zuhant. Ezután Grants figyelte a populáció felépülését, miközben gondosan felmérte a madarak tulajdonságait. Megállapították, hogy a túlélő madaraknak nagyobb csőrük volt a nagyobb magvakhoz: Az átlagos csőrmélység 9.2 mm-ről 9.9 mm-re nőtt, ami több mint 7%-os változás.

Mindent összevetve, az éves csapadékmennyiség eltolódása gyorsan megváltoztatta a madarak csőrét. Grants munkája a gyakorlati evolúció klasszikus példája lett. Markáns, bár gyakran finom bizonyítékot találtak arra vonatkozóan irányított tolás és húzás a tulajdonságokra ható evolúció. És nem voltak egyedül: miután a kutatók rendelkeztek statisztikai eszközökkel az evolúció kibontakozásának megfigyelésére, úgy tűnt, bárhová néznek, nagyon rövid időközönként láthatják a természetes szelekciót.

Az ilyen tanulmányok megkérdőjelezték azt az elképzelést, hogy az evolúció lassú, észrevehetetlen változásokon keresztül ment végbe hatalmas időtávon. Matt Pennell, a Dél-Kaliforniai Egyetem evolúciós biológusa. A változás gyorsan megtörténhet – és meg is történt.

Ebben rejlett a probléma. Elegendő idő elteltével a legapróbb rántások is mérhető eltolódást eredményeznek a szervezet megfigyelhető jellemzőiben. Ha a Grants által megfigyelt csőrméret-változások évezredeken keresztül folytatódtak, a boríték hátulsó számításai néhány szélsőséges jelenséget jeleztek előre, mondta Pennell. „Az ember olyan pintyekre számíthat, amelyek 40 kilogrammosak voltak. Ennek egyszerűen semmi értelme.”

Mi több, ahogy az irányszelekció bizonyítékai felhalmozódtak, kevés bizonyíték merült fel a stabilizáló szelekció mellett. A fosszilis feljegyzések egyértelműen azt mutatták, hogy a tulajdonságok az idő múlásával stagnálnak. Új statisztikai eszközeikkel azonban az evolúcióbiológusok nem tudtak bizonyítékot találni egy olyan mechanizmusra, amely pangást okozna.

Mind a rövid távú módosítás, mind a hosszú távú stabilitás bizonyítéka megalapozott volt. A biológusok nem tudtak rájönni, hogyan kapcsolják össze a két jelenséget oly módon, hogy az megoldja a pangás paradoxonát.

Kiderült, hogy magyarázat vár Dél-Florida fái között.

Egy Anole Oázis

A Karib-tenger türkizkék vize és fehér homokja nem csak az emberek paradicsoma. Az anole gyíkok is idilli menedéknek találták ezeket a trópusi szigeteket. A gyíkok az adaptív sugárzásnak nevezett folyamat révén terjedtek el a Karib-térségben. Amikor egy anolfaj egy új szigetre érkezett, gyorsan több új fajtá fejlődött, amelyek mindegyike más-más élőhelyet használt ki.

„Úgy tűnik, nincs összhangban a mikroevolúciós folyamatok és a hosszabb időtávú folyamatok között” – mondta. Kjetil Lysne Voje, az Oslói Egyetem Természettudományi Múzeumának evolúciós biológusa.

Újra és újra, szigetről szigetre, az anolok úgy fejlődtek, hogy betöltsék a különböző fülkéket, és olyan jellegzetes tulajdonságokat szerezzenek, amelyek elősegítik túlélésüket kedvenc élőhelyükön. Az egyik fajnak hosszú lábai voltak – ideálisak a sprinteléshez – és kicsi, ragadós lábujjpárnákat gyakrabban ültettek a terra firmara. Három másik faj száguldott fel a fatörzseken: egy kis testű faj, amely a törzs alsó felét részesítette előnyben, egy, amely az alacsony lombkoronába merészkedett a nagy lábujjpárnákon, és egy, amely a magas lombkoronát kedvelte, és rövid végtagokat fejlesztve szakszerűen eligazodtak a vékony ágakon.

Az evolúció kezdeti kitörése után a gyíkok gyakorlatilag egyformák maradtak több millió éven keresztül. És így találta meg őket Losos, amikor az 1980-as években elkezdte a hüllők tanulmányozását.

„Úgy tűnik, hogy a különböző típusok régen fejlődtek ki, majd ott ragadtak” – mondta Losos. – Valószínűleg azóta is ilyenek.

Az anolok azon képessége, hogy új területeket kolonizáljanak, alkalmassá tette őket arra, hogy invazív fajokká váljanak. Floridában, az őshonos észak-amerikai zöld anolban (Anolis carolinensis) évmilliók óta magasan a fatörzseken él, és az alacsony lombkoronában fás rovarokat fogyasztott. Az elmúlt évszázad során azonban más anolok is érkeztek az államba Kubából, Hispaniolából és a Bahamákról. A barna anol (Anolis sagrei) a legalsó fatörzseken lakik, hosszú lábaival a földre ugrálva rovarokra vadászik. A kis testű kéreg anol (Anolis distichus) a törzsön kúszó hangyákat eszik, míg a nagyobb lovag anole (Anolis equestris) rovarokat és gyümölcsöket üldöz a felső lombkoronában. Mindegyik faj már alkalmazkodott a saját réséhez, mielőtt Miamiba érkezett volna. Ökológiájuk megmaradt új otthonukban.

Mint a gyíkrajongók, Stroud szerette volna tanulmányozni fogadott városának herpetológiai pálinkáját. Egy hosszú távú terepvizsgálat elvégzéséhez azonban az anolokat idővel nyomon kell követnie. A gyíkok nagy mobilitása komoly problémát jelentett. Ha elveszítené a nyomát egy személynek, nem tudná, hogy az elköltözött-e a területről, vagy meghalt. Ugyanolyan frusztráló, hogy nem tudná megmondani, hogy az újonnan érkezők meglévő gyíkok utódai vagy új bevándorlók.

Miután átkutatta a várost a helyszínek után, rájött, hogy Miami helye Fairchild trópusi botanikus kert ideális tanulmányi helyszínné tette, mivel az anolok hatékonyan csapdába estek az Ersatz-szigeten. Biztos lehetett benne, hogy egyetlen gyík sem érkezett, sem távozott.

Stroud célja az volt, hogy több fajban több generáción keresztül működő természetes szelekciót mérjen. „Sok gyíkot akart elkapni, megmérni őket, és megnézni, hogy a túlélésük mond-e valamit arról, hogyan megy végbe az evolúció a vadonban” – mondta.

Három évet töltött azzal, hogy különféle testalkat és méret méréseket végezzen a négy anolból, amelyek a botanikus kertet otthonnak nevezik – összesen 1,692 egyed. Ahhoz, hogy több ezer adatpontot gyűjtsön össze a lábhosszról, a fejméretről és az általános túlélésről, Stroudnak minden gyíkot meg kellett örökítenie egy apró lasszóval, majd tolómérővel kellett dolgoznia, mielőtt egy apró mikrochipet fecskendezett volna a bőre alá. A mikrochip biztosította, hogy nyomon tudja követni az egyes anolokat. Ha nem talált nyomkövetőt, akkor tudta, hogy az anol valószínűleg meghalt.

„Ez a fajta munka elég nehéz egy fajnál elvégezni. Tehát egy ilyen projektet négy fajban végrehajtani igazán kivételes dolog” – mondta Jill Anderson, a Georgiai Egyetem evolúcióbiológusa, aki nem vett részt a kutatásban.

Amikor Stroud elemezni kezdte adatait, beleütközött a pangás paradoxonába.

Stasis a zajban

Stroud és munkatársai a projekt kezdete óta érdekeltek a kiválasztás stabilizálásában. Azt akarták látni, hogy a természetes szelekció erői folyamatosan tolják és húzzák-e a gyíkok tulajdonságait, hogy ugyanazon a ponton tartsák a középpontjukat. Az, hogy az anolok evolúciós változásai évmilliók alatt alig változtak, azt jelezte, hogy valamiféle evolúciós csúcson vannak, és Stroud látni akarta, milyen tényezők tartják ott őket.

Éves adatai azonban egyáltalán nem mutattak stabilitást. Ehelyett azt látta, hogy az evolúció folyamatosan megváltoztatja azokat a tulajdonságokat, amelyek a legjobban alkalmazkodtak a környezethez. „Ha egy időszakot önmagában nézünk, nagyon ritkán látunk stabilizáló szelekciót” – mondta Stroud.

Idővel azonban ez a változékonyság sztázissá változott. Még akkor is, ha a tulajdonságok egyik generációról a másikra inogtak is az optimális, mérsékelt csúcsukról, a stabilizáció nettó hatása volt – ami végső soron csekély változáshoz vezetett több generáción keresztül.

A Stroud és csapata adatait áttekintő szakértőket lenyűgözte azok alapossága és az a képesség, hogy feloldja a látszólagos paradoxont. „Az adatok szebbek, mint ahogy azt bárki ésszerűen remélhetné egy ilyen vizsgálat elvégzésétől” – mondta Martin.

Anderson elmondta, hogy Stroud „szupermenő” munkája átgondolt és szigorú tanulmányterve miatt képes volt megválaszolni a biológia egyik legnagyobb rejtélyét. Stroud csak sok évnyi adat birtokában láthatja, hogyan alakulhat ki a pangás az ilyen változatosságból.

Voje is dicséretet mondott: "Ez egy kiváló példa arra a munkára, amely egyesíti ezeket a megfigyeléseket" - mondta.

Jeffrey Conner, a Michigani Állami Egyetem botanikusa és evolúcióbiológusa egyetértett abban, hogy a Stroud által kidolgozott fogalmi keret megmagyarázhatja a stabilizáló szelekciót. Ugyanakkor azt mondta, hogy a Stroud által azonosított iránykiválasztás változékonysága meglehetősen minimális.

Mindazonáltal más laboratóriumok legújabb kutatásai is segítenek Stroud eredményeinek alátámasztására. ben megjelent tanulmány evolúció 2023 szeptemberében a laborból Andrew Hendry, a McGill Egyetem ökoevolúciós biológusa 17 éven keresztül tanulmányozta az evolúciós változásokat egy pintyközösségben a galápagosi Santa Cruz szigeten. Ott is Hendry bizonyítékot talált arra a természetes szelekció rendszeres kötélhúzása az evolúciós idők során a pintyek „figyelemreméltó stabilitásába” beágyazott tulajdonságokon.

Hendry számára a pangás paradoxona egyáltalán nem volt paradoxon. A probléma az volt, hogy a biológusok azt feltételezték, hogy a hosszú távú pangás a rövid távú stabilitás eredménye. Dobja el ezt a feltételezést, és a paradoxon eltűnik. „A paradoxon illuzórikus” – mondta. „Az evolúcióbiológusok szeretnek dolgokat kitalálni, és paradoxonoknak nevezni őket.”

Inkább úgy gondoljon rá, mint a Mississippi folyóra, mielőtt megtervezték volna – magyarázta. Gyorsan irányt váltott kis területeken rövid időn keresztül, és mégis több tízmillió év a folyó teljes útja a Mexikói-öbölbe vezetett. Hasonlóképpen, a gyíkpopuláció jellemzői rövid távon változhatnak, és hosszú távon stabilak maradhatnak.

Mégis, három év – vagy 17 – csepp az evolúciós idő vödörében. A paradoxon teljes feloldásához a tudósoknak meg kell vizsgálniuk a makro- és mikroevolúció közötti időintervallumokat – mondta Porto – tíz, száz vagy ezer éves skálán. Olyan édes pontot kell találniuk, amely elég hosszú ahhoz, hogy a változás és a pangás egyaránt megjelenhessen – mondta –, bár jelenleg a biológusok nem rendelkeznek elég hosszú adathalmazzal.

Ezért egyre kritikusabbak az ökológia és az evolúcióbiológia hosszú távú tereptanulmányai, mondta Stroud. Anélkül, hogy éveken keresztül újra és újra visszatért volna tanulmányi helyszínére, soha nem kapott volna elegendő adatot az evolúcióbiológia egyik kulcshipotézisének megválaszolásához.

Quanta felméréssorozatot végez közönségünk jobb kiszolgálása érdekében. Vidd a miénket biológia olvasói felmérés és ingyenesen nyerhetsz Quanta áru.