Evoluzione: veloce o lenta? Le lucertole aiutano a risolvere un paradosso. | Rivista Quanti

James Stroud aveva un problema. Il biologo evoluzionista aveva trascorso diversi anni studiando le lucertole su una piccola isola di Miami. Questi anolis le lucertole avevano lo stesso aspetto da millenni; apparentemente si erano evoluti molto poco in tutto quel tempo. La logica diceva a Stroud che se l’evoluzione avesse favorito gli stessi tratti nel corso di milioni di anni, allora avrebbe dovuto aspettarsi di vedere cambiamenti minimi o nulli nel corso di una singola generazione.

Solo che non è quello che ha trovato. Invece della stabilità, Stroud vedeva la variabilità. In una stagione, gli anoles con le gambe più corte sopravvissero meglio degli altri. La prossima stagione, quelli con la testa più grande potrebbero essere avvantaggiati.

"Ero confuso. Non sapevo cosa stesse succedendo. Pensavo di fare qualcosa di sbagliato", ha detto Stroud, che allora stava completando un postdoc presso la Washington University di St. Louis. "Poi all'improvviso tutto è andato a posto e ha iniziato ad avere un senso."

I suoi dati riflettevano un paradosso che aveva ostacolato i biologi per anni. A lungo termine, le anole avevano tratti che sembravano rimanere gli stessi, un fenomeno chiamato stasi, presumibilmente causato dalla selezione stabilizzante, un processo che favorisce i tratti moderati. Tuttavia, nel breve periodo, le lucertole hanno mostrato variazioni, con tratti fluttuanti. I dati di Stroud sono stati meglio spiegati dalla selezione direzionale, che a volte favorisce tratti estremi che guidano l’evoluzione in una nuova direzione, e altre volte non sembra favorire nulla in particolare.

Poiché aveva seguito quattro specie per tre generazioni, fu in grado di dimostrare che da una selezione fluttuante a breve termine poteva emergere un modello di stasi a lungo termine.

“C’è molto rumore, ma nel complesso porta a modelli abbastanza stabili”, ha detto Stroud, che ora gestisce il proprio laboratorio presso il Georgia Institute of Technology. Lo studio è stato recentemente pubblicato nel Atti della National Academy of Sciences.

Il lavoro di Stroud e dei suoi colleghi spiega come la variabilità a breve termine possa portare alla stabilità a lungo termine Arturo Porto, un biologo evoluzionista del Museo di Storia Naturale della Florida che non è stato coinvolto nella nuova ricerca.

“Ciò dimostra che possiamo ottenere un modello che assomiglia alla selezione stabilizzante, anche quando non appare alcuna selezione stabilizzante su una scala temporale per generazione”, ha affermato Porto. I risultati aiutano a risolvere quello che alcuni biologi frustrati chiamano “il paradosso della stasi”.

La mano ferma dell’evoluzione?

Quando i primi teorici dell’evoluzione concepirono la selezione naturale, ritenevano che il processo evolutivo si svolgesse gradualmente nel corso di vasti periodi. Le specie non si evolvono dall’oggi al domani; rimangono in gran parte gli stessi e accumulano cambiamenti nel corso di molte generazioni. Nel 1859, Charles Darwin scrisse: “Non vediamo nulla di questi lenti cambiamenti in corso, finché la mano del tempo non ha segnato il lungo corso delle ere”.

Le prime osservazioni dei reperti fossili supportarono questa idea. Spesso i paleontologi hanno scoperto prove che una specie potrebbe rimanere stagnante per milioni di anni, cambiando solo quando costretta ad adattarsi a drammatici cambiamenti ambientali. Nella maggior parte dei casi, però, il processo di evoluzione sembrava dolorosamente lento, l’equivalente biologico di guardare la vernice asciugarsi.

I biologi hanno spiegato questa inerzia come il prodotto della selezione stabilizzante, in cui i tratti medi o intermedi sono costantemente favoriti rispetto a quelli più estremi. Anche piccoli scostamenti dalla “media” sarebbero accompagnati da un forte calo della sopravvivenza o della fertilità.

Un classico esempio di selezione stabilizzante viene dai dati storici sul peso alla nascita degli esseri umani Jonathan Losos, biologo evoluzionista della Washington University di St. Louis e consulente di ricerca di Stroud. Compilazioni di dati sul peso alla nascita a metà del secolo 20th hanno dimostrato che i bambini di peso medio sopravvivevano più spesso di quelli più pesanti o più leggeri della media.

“La stasi a lungo termine sembra suggerire una stabilizzazione della selezione”, ha detto Losos. "È la spiegazione più favorita."

Fu solo all’inizio degli anni ’1980 che gli scienziati svilupparono metodi in grado di testare questa idea. Nel 1983, i biologi Russell Lande e Stevan Arnold apportarono la statistica avanzata agli studi sul campo dell’evoluzione, dimostrando in un punto di riferimento Evolution carta come i ricercatori potrebbero misurare l'impatto della selezione naturale all'interno di una singola generazione. L’approccio, che quantificava la selezione su gruppi di tratti correlati, richiedeva set di dati biologici molto ampi, soprattutto per gli standard degli anni ’1980. Tuttavia, è stato il primo quadro statistico a mostrare ai ricercatori come misurare diversi tipi di selezione naturale, inclusa la selezione stabilizzante, su tratti multipli, ha affermato Christopher Martin, un biologo evoluzionista dell'Università della California, Berkeley.

I biologi evoluzionisti adottarono rapidamente questo approccio. Università di Princeton Rosmarino e Peter Grant usarono il metodo nei loro celebri studi sui fringuelli di Darwin sull’isola di Daphne Major nelle Galápagos. Il loro studio, iniziato nel 1973 e che continua ancora oggi, ha seguito una popolazione di fringuello terricolo medio (Geospizza fortis) attraverso una grave siccità iniziata nel 1977. Fu allora che le piante di Daphne Major smisero di produrre i piccoli semi su cui facevano affidamento gli uccelli; rimanevano solo semi spessi.

Con poco cibo, la popolazione dei fringuelli precipitò da 1,400 individui a poche centinaia in soli due anni. Quindi i Grant osservarono la popolazione riprendersi mentre effettuavano misurazioni accurate delle caratteristiche degli uccelli. Gli uccelli sopravvissuti, hanno scoperto, avevano becchi più grandi adatti ai semi più grandi: la profondità media del becco era aumentata da 9.2 mm a 9.9 mm, una variazione di oltre il 7%.

Tutto sommato, uno spostamento delle precipitazioni annuali aveva rapidamente comportato un cambiamento nel becco degli uccelli. Il lavoro dei Grant divenne un classico esempio di evoluzione in azione. Avevano identificato prove marcate, anche se spesso sottili, dell' spinta e trazione direzionale dell’evoluzione che agisce sui tratti. E non erano soli: una volta che i ricercatori ebbero gli strumenti statistici per osservare lo svolgersi dell’evoluzione, sembrava che ovunque guardassero, potessero vedere la selezione naturale agire a intervalli molto brevi.

Tali studi hanno messo in discussione l’idea che l’evoluzione sia proceduta attraverso cambiamenti lenti e impercettibili su vasti intervalli di tempo Matt Pennell, un biologo evoluzionista della University of Southern California. Il cambiamento potrebbe – e si è verificato – avvenire rapidamente.

Qui stava il problema. Con abbastanza tempo, anche i più piccoli strattoni dovrebbero produrre un cambiamento misurabile nelle caratteristiche osservabili di un organismo. Se i cambiamenti nella dimensione del becco osservati da Grants continuassero nel corso dei millenni, i calcoli approssimativi prevedevano alcuni fenomeni estremi, ha detto Pennell. “Ti aspetteresti fringuelli che pesassero circa 40 chilogrammi. Questo semplicemente non ha senso.

Inoltre, man mano che le prove a favore della selezione direzionale si accumulavano, poche prove emergevano dal lato della stabilizzazione della selezione. La documentazione fossile mostrava chiaramente la stasi dei tratti nel tempo. Ma con i loro nuovi strumenti statistici, i biologi evoluzionisti non sono riusciti a trovare prove di un meccanismo che produrrebbe la stasi.

Le prove sia della modificazione a breve termine che della stabilità a lungo termine erano solide. Ciò che i biologi non riuscivano a capire era come collegare i due fenomeni in modo da risolvere il paradosso della stasi.

Una spiegazione, si scoprì, era in attesa tra gli alberi del sud della Florida.

Un'oasi di Anole

Le acque turchesi e le sabbie bianche dei Caraibi non sono un paradiso solo per gli umani. Anche le lucertole Anole hanno scoperto che queste isole tropicali sono paradisi idilliaci. Le lucertole si sono diffuse nei Caraibi attraverso un processo chiamato radiazione adattativa. Quando una specie di anole arrivò su una nuova isola, si evolse rapidamente in diverse nuove specie, ciascuna delle quali trasse vantaggio da un habitat diverso.

“Sembra esserci una discrepanza tra i processi microevolutivi e ciò che accade su scale temporali più lunghe”, ha affermato Kjetil Lysne Voje, biologo evoluzionista presso il Museo di Storia Naturale dell'Università di Oslo.

Più e più volte, isola dopo isola, le anole si sono evolute per riempire nicchie diverse, acquisendo una serie di tratti caratteristici che li hanno aiutati a sopravvivere nel loro habitat preferito. Una specie teneva le gambe lunghe – ideali per lo sprint – e i polpastrelli piccoli e appiccicosi più spesso piantati sulla terraferma. Altri tre si arrampicarono sui tronchi degli alberi: una specie dal corpo piccolo che preferiva la metà inferiore del tronco, una che si avventurava nella chioma bassa su grandi zampe e una che prediligeva la chioma alta, evolvendo arti corti per navigare abilmente tra i rami sottili.

Dopo lo scoppio iniziale dell’evoluzione, le lucertole sono rimaste praticamente identiche per milioni di anni. Ed è così che Losos li trovò quando iniziò a studiare i rettili negli anni ’1980.

"I diversi tipi sembrano essersi evoluti molto tempo fa, e poi sono rimasti lì", ha detto Losos. "Presumibilmente sono stati così da allora."

La capacità delle anole di colonizzare nuove terre le rese adatte a diventare specie invasive. In Florida, l'anole verde nativa del Nord America (Anolis carolinensis) vive in alto sui tronchi degli alberi, consumando insetti arboricoli nella chioma bassa, per milioni di anni. Nell'ultimo secolo, tuttavia, altri anoles sono arrivati ​​nello stato da Cuba, Hispaniola e dalle Bahamas. L'anole marrone (anolis sagrei) si annida sui tronchi degli alberi più bassi, usando le sue lunghe zampe per saltare a terra e cacciare gli insetti. L'anole dalla corteccia di piccolo corpo (Anolis distico) mangia le formiche che strisciano lungo i tronchi, mentre il cavaliere anole più grande (Anolis equestris) insegue insetti e frutti nella chioma superiore. Ciascuna specie si era già adattata alla sua nicchia specifica prima di arrivare a Miami. La loro ecologia persisteva nella loro nuova casa.

Essendo un appassionato di lucertole, Stroud voleva studiare il buffet erpetologico della sua città adottiva. Per condurre uno studio sul campo a lungo termine, tuttavia, avrebbe bisogno di monitorare le anole nel tempo. L'elevata mobilità delle lucertole rappresentava un grosso problema. Se perdesse le tracce di un individuo, non saprebbe se si è allontanato dalla zona o se è morto. Altrettanto frustrante è il fatto che non sarebbe in grado di dire se i nuovi arrivati ​​fossero figli di lucertole esistenti o di nuovi immigrati.

Dopo aver setacciato la città alla ricerca di siti, si rese conto che l'ubicazione di Miami Giardino botanico tropicale di Fairchild lo resero un luogo di studio ideale perché gli anole erano effettivamente intrappolati sull'isola sostitutiva. Poteva essere sicuro che nessuna lucertola fosse arrivata o se ne fosse andata.

L’obiettivo di Stroud era misurare la selezione naturale operante su diverse generazioni in più specie. Voleva "catturare un sacco di lucertole, misurarle e vedere se la loro sopravvivenza ci dicesse qualcosa su come avviene l'evoluzione in natura", ha detto.

Ha trascorso tre anni prendendo una serie di misure della forma e delle dimensioni del corpo dei quattro anoli che chiamano casa il giardino botanico: 1,692 individui in totale. Per raccogliere migliaia di dati sulla lunghezza delle zampe, sulle dimensioni della testa e sulla sopravvivenza complessiva, Stroud ha dovuto catturare ogni lucertola utilizzando un minuscolo lazo e poi iniziare a lavorare con un calibro prima di iniettare un minuscolo microchip sotto la pelle. Il microchip gli assicurava di poter tenere traccia di ogni singola anole. Se non fosse riuscito a rilevare un localizzatore, sapeva che probabilmente l'anole era morto.

“Questo tipo di lavoro è già abbastanza difficile da svolgere in una specie. Quindi eseguire un progetto come questo in quattro specie è davvero eccezionale”, ha affermato Jill Anderson, un biologo evoluzionista dell'Università della Georgia che non è stato coinvolto nella ricerca.

Quando Stroud iniziò ad analizzare i suoi dati, tuttavia, si imbatté nel paradosso della stasi.

Stasi nel rumore

Fin dall’inizio del progetto, Stroud e i suoi colleghi erano interessati a stabilizzare la selezione. Volevano vedere se le forze della selezione naturale spingevano e tiravano continuamente i tratti delle lucertole per mantenerle centrate sullo stesso punto. Il fatto che le anole avessero mostrato pochi cambiamenti evolutivi nel corso di milioni di anni indicava che si trovavano su una sorta di picco evolutivo, e Stroud voleva vedere quali fattori li trattenessero lì.

Tuttavia, i suoi anni di dati non hanno mostrato alcuna stabilità. Vedeva invece che l’evoluzione modificava costantemente i tratti che meglio si adattavano all’ambiente. “Se guardiamo a un singolo periodo, molto raramente vediamo una selezione stabilizzante”, ha affermato Stroud.

Nel corso del tempo, tuttavia, tale variabilità si è trasformata in una stasi. Anche se i tratti si allontanavano dal loro picco ottimale e moderato da una generazione all’altra, si verificava un effetto netto di stabilizzazione, che alla fine portava a pochi cambiamenti nel corso delle molteplici generazioni.

Gli esperti che hanno esaminato i dati di Stroud e del suo team sono rimasti colpiti dalla loro completezza e dalla loro capacità di risolvere l’apparente paradosso. "I dati sono più belli di quanto chiunque possa ragionevolmente sperare di fare uno studio come questo", ha detto Martin.

Anderson ha affermato che il lavoro “fantastico” di Stroud è stato in grado di affrontare uno dei più grandi misteri della biologia grazie al suo progetto di studio attento e rigoroso. Solo con molti anni di dati, ha detto, Stroud avrebbe potuto vedere come la stasi potrebbe potenzialmente emergere da tale variabilità.

Voje ha anche elogiato: "Questo è un eccellente esempio di lavoro che lega insieme alcune di queste osservazioni", ha detto.

Jeffrey Conner, botanico e biologo evoluzionista della Michigan State University, ha concordato che il quadro concettuale sviluppato da Stroud può spiegare la stabilizzazione della selezione. Tuttavia, ha affermato che la variabilità nella selezione direzionale identificata da Stroud era abbastanza minima.

Tuttavia, anche recenti ricerche condotte da altri laboratori aiutano a supportare i risultati di Stroud. Uno studio pubblicato in Evolution nel settembre 2023 dal laboratorio di Andrea Hendry, un biologo ecoevoluzionista della McGill University, ha studiato i cambiamenti evolutivi in ​​una comunità di fringuelli sull'isola Galápagos di Santa Cruz per 17 anni. Anche lì Hendry ne trovò le prove il regolare tiro alla fune della selezione naturale sui tratti che erano incorporati in una “notevole stabilità”, ha detto, dei fringuelli nel corso del tempo evolutivo.

Per Hendry il paradosso della stasi non è mai stato un paradosso. Il problema, ha detto, era che i biologi presumevano che la stasi a lungo termine fosse il risultato di una stabilità a breve termine. Eliminate questo presupposto e il paradosso scompare. “Il paradosso è illusorio”, ha detto. “Ai biologi evoluzionisti piace inventare cose e chiamarle paradossi”.

Pensatelo più come il fiume Mississippi prima che fosse progettato, ha spiegato. Ha cambiato rapidamente rotta in piccole aree per brevi periodi, e tuttavia per decine di milioni di anni il viaggio complessivo del fiume portava al Golfo del Messico. Allo stesso modo, i tratti di una popolazione di lucertole possono variare nel breve termine e rimanere stabili nel lungo periodo.

Tuttavia, tre anni – o 17 – sono una goccia nel mare del tempo evolutivo. Per risolvere completamente il paradosso, gli scienziati dovranno studiare gli intervalli di tempo tra la macro e la microevoluzione, ha affermato Porto, su una scala di decine, centinaia o migliaia di anni. Hanno bisogno di trovare un punto debole che sia sufficientemente lungo da consentire sia il cambiamento che la stasi di emergere, ha detto, anche se al momento i biologi non hanno un set di dati abbastanza lungo da cui attingere.

Ecco perché gli studi sul campo a lungo termine in ecologia e biologia evoluzionistica sono sempre più cruciali, ha affermato Stroud. Se non fosse tornato più e più volte al suo sito di studio per un periodo di anni, non avrebbe mai ottenuto dati sufficienti per affrontare una delle ipotesi chiave della biologia evoluzionistica.

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