Evolusjon: rask eller sakte? Øgler hjelper til med å løse et paradoks. | Quanta Magazine

James Stroud hadde et problem. Evolusjonsbiologen hadde brukt flere år på å studere øgler på en liten øy i Miami. Disse anoles øgler hadde sett like ut i årtusener; de hadde tilsynelatende utviklet seg veldig lite i hele den tiden. Logic fortalte Stroud at hvis evolusjonen hadde favorisert de samme egenskapene over millioner av år, så burde han forvente å se liten eller ingen endring over en enkelt generasjon.

Bortsett fra at det ikke var det han fant. I stedet for stabilitet så Stroud variasjon. En sesong overlevde kortbeinte anoler bedre enn de andre. Neste sesong kan de med større hoder ha en fordel.

"Jeg var forvirret. Jeg visste ikke hva som foregikk. Jeg trodde jeg gjorde noe galt, sa Stroud, som da fullførte en postdoktor ved Washington University i St. Louis. "Så falt det plutselig på plass og begynte å gi mening."

Dataene hans reflekterte et paradoks som hadde hindret biologer i årevis. På lang sikt hadde anolene egenskaper som så ut til å forbli de samme, et fenomen kalt stasis - antagelig forårsaket av stabiliserende seleksjon, en prosess som favoriserer moderate egenskaper. Men på kort sikt viste øglene variasjon, med fluktuerende egenskaper. Strouds data ble bedre forklart av retningsvalg, som noen ganger favoriserer ekstreme egenskaper som leder evolusjonen i en ny retning, og andre ganger ser det ikke ut til å favorisere noe spesielt.

Fordi han hadde fulgt fire arter i tre generasjoner, var han i stand til å vise at et langsiktig mønster av stase kunne oppstå fra en slik kortsiktig fluktuerende seleksjon.

"Det er mye støy, men totalt sett fører det til ganske stabile mønstre," sa Stroud, som nå driver sitt eget laboratorium ved Georgia Institute of Technology. Studien ble nylig publisert i Proceedings of National Academy of Sciences.

Stroud og hans kollegers arbeid forklarer hvordan kortsiktig variasjon kan føre til langsiktig stabilitet, sa Arthur Porto, en evolusjonsbiolog ved Florida Museum of Natural History som ikke var involvert i den nye forskningen.

"Det viser at vi kan oppnå et mønster som ligner stabiliserende utvalg, selv når det ikke vises noe stabiliserende utvalg på en per-generasjons tidsskala," sa Porto. Funnene hjelper til med å løse det noen frustrerte biologer kaller «stasisens paradoks».

Evolusjonens faste hånd?

Da tidlige evolusjonsteoretikere unnfanget naturlig utvalg, regnet de med at evolusjonsprosessen fungerer gradvis over store epoker. Arter utvikler seg ikke over natten; de forblir stort sett de samme og akkumulerer endringer over mange generasjoner. I 1859 skrev Charles Darwin: «Vi ser ingenting av disse langsomme endringene som pågår, før tidens hånd har markert tidenes lange forløp.»

Tidlige observasjoner av fossilene støttet denne ideen. Ofte avdekket paleontologer bevis på at en art kunne forbli stillestående over millioner av år, og bare endre seg når de ble tvunget til å tilpasse seg et dramatisk miljøskifte. Mesteparten av tiden virket evolusjonsprosessen veldig sakte, den biologiske ekvivalenten med å se maling tørke.

Biologer forklarte denne tregheten som et produkt av stabiliserende seleksjon, der gjennomsnittlige eller mellomliggende egenskaper konsekvent favoriseres fremfor mer ekstreme. Selv små skift bort fra "gjennomsnittet" vil bli ledsaget av et bratt fall i overlevelse eller fruktbarhet.

Et klassisk eksempel på stabilisering av utvalg kommer fra historiske registreringer av menneskelig fødselsvekt, sa Jonathan Losos, en evolusjonsbiolog ved Washington University i St. Louis og Strouds forskningsrådgiver. Sammenstillinger av fødselsvektdata i midten av det nittende århundre viste at babyer med gjennomsnittlig vekt overlevde oftere enn de som var tyngre eller lettere enn gjennomsnittet.

"Langsiktig stasis ser ut til å foreslå stabilisering av utvalget," sa Losos. "Det er den mest favoriserte forklaringen."

Det var ikke før tidlig på 1980-tallet at forskere utviklet metoder som kunne teste denne ideen. I 1983 brakte biologene Russell Lande og Stevan Arnold avansert statistikk til evolusjonære feltstudier, som viste i et landemerke Evolution papir hvordan forskere kunne måle virkningen av naturlig utvalg innen en enkelt generasjon. Tilnærmingen, som kvantifiserte utvalg på grupper av korrelerte egenskaper, krevde biologiske datasett som var veldig store, spesielt etter standardene på 1980-tallet. Likevel var det det første statistiske rammeverket som viste forskere hvordan man måler forskjellige typer naturlig utvalg, inkludert stabiliserende utvalg, på flere egenskaper, sa Christopher Martin, en evolusjonsbiolog ved University of California, Berkeley.

Evolusjonsbiologer tok raskt i bruk tilnærmingen. Princeton University Rosemary og Peter Grant brukte metoden i sine berømte studier av Darwins finker på øya Daphne Major på Galápagos. Studien deres, som begynte i 1973 og fortsetter til i dag, fulgte en populasjon av middels jordfink (Geospiza fortis) gjennom en alvorlig tørke som begynte i 1977. Det var da plantene til Daphne Major sluttet å produsere de små frøene som fuglene stolte på; bare tykke frø var igjen.

Med lite mat falt finkebestanden fra 1,400 individer til noen få hundre på bare to år. Deretter så Grants bestanden komme seg mens de tok nøye målinger av fuglenes egenskaper. Fuglene som overlevde, fant de, hadde større nebb tilpasset de større frøene: Den gjennomsnittlige nebbdybden hadde økt fra 9.2 mm til 9.9 mm - en endring på mer enn 7 %.

Alt i alt hadde en endring i årlig nedbør raskt resultert i en endring i fuglenebb. Grants arbeid ble et klassisk eksempel på evolusjon i aksjon. De hadde identifisert markerte, men ofte subtile, bevis på retningsbestemt skyv og trekk av evolusjon som virker på egenskaper. Og de var ikke alene: Når forskerne hadde de statistiske verktøyene til å se evolusjonen utfolde seg, så det ut til at overalt hvor de så, kunne de se naturlig seleksjon virke innen svært korte intervaller.

Slike studier utfordret ideen om at evolusjon gikk gjennom langsomme, umerkelige endringer over store tidsrom, sa Matt Pennell, en evolusjonsbiolog ved University of South California. Endring kunne – og skjedde – skje raskt.

Der lå problemet. Med nok tid bør selv de minste slepebåtene gi et målbart skifte i en organismes observerbare egenskaper. Hvis endringene i nebbstørrelsen Grants observerte fortsatte over årtusener, spådde baksiden av konvolutten noen ekstreme fenomener, sa Pennell. "Du kan forvente finker som veide omtrent 40 kilo. Dette gir bare ingen mening."

Dessuten, etter hvert som bevisene for retningsvalg hopet seg opp, dukket det opp lite bevis på siden av stabiliserende seleksjon. Fossilregistreringen viste tydelig stas i egenskaper over tid. Men med sine nye statistiske verktøy, kunne evolusjonsbiologer ikke finne bevis for en mekanisme som ville produsere stasis.

Bevisene for både kortsiktig modifikasjon og langsiktig stabilitet var gode. Det biologer ikke kunne finne ut var hvordan de kunne koble de to fenomenene på en måte som kunne løse dette paradokset med stasis.

En forklaring, viste det seg, ventet blant trærne i Sør-Florida.

En Anole-oase

Det turkise vannet og den hvite sanden i Karibia er ikke paradis for bare mennesker. Anole øgler har også funnet ut at disse tropiske øyene er idylliske tilfluktssteder. Øglen har spredt seg over Karibia gjennom en prosess som kalles adaptiv stråling. Når en art av anole ankom en ny øy, utviklet den seg raskt til flere nye arter, som hver tok fordel av et annet habitat.

"Det ser ut til å være et misforhold mellom mikroevolusjonære prosesser og hva som skjer med lengre tidsskalaer," sa Kjetil Lysne Voje, evolusjonsbiolog ved Naturhistorisk museum ved Universitetet i Oslo.

Om og om igjen, på øy etter øy, utviklet anolene seg til å fylle forskjellige nisjer, og fikk karakteristiske sett med egenskaper for å hjelpe deres overlevelse i deres foretrukne habitat. En art hadde lange ben - ideell for sprint - og små, klebrige tåputer oftere plantet på terra firma. Tre andre sprang oppover trestammer: en art med liten kropp som foretrakk den nedre halvdelen av stammen, en som våget seg inn i den lave kalesjen på store tåputer, og en som favoriserte den høye kalesjen, og utviklet korte lemmer for å kunne navigere i tynne grener.

Etter det første evolusjonsutbruddet forble øglene praktisk talt identiske over millioner av år. Og det var slik Losos fant dem da han begynte å studere reptilene på 1980-tallet.

"De forskjellige typene ser ut til å ha utviklet seg for lenge siden, og deretter satt fast der," sa Losos. "Antagelig har de vært sånn siden."

Anolenes evne til å kolonisere nytt land gjorde dem godt egnet til å bli invasive arter. I Florida, den innfødte nordamerikanske grønne anolen (Anolis carolinensis) har levd høyt oppe på trestammer og konsumert trelevende insekter i den lave baldakinen, i millioner av år. I løpet av det siste århundret har imidlertid andre anoler ankommet staten fra Cuba, Hispaniola og Bahamas. Den brune anole (Anolis sagrei) bor på de nederste trestammene, og bruker de lange bena til å hoppe ned på bakken for å jakte på insekter. Den smale bark-anolen (Anolis distichus) spiser maur som kryper langs stammene, mens den større ridderen (Anolis equestris) forfølger insekter og frukt i den øvre kalesjen. Hver art hadde allerede tilpasset seg sin spesifikke nisje før de ankom Miami. Økologien deres vedvarte i deres nye hjem.

Som en øgleentusiast ønsket Stroud å studere sin adopterte bys herpetologiske smørebord. For å gjennomføre en langsiktig feltstudie, måtte han imidlertid spore anolene over tid. Den høye mobiliteten til øglene utgjorde et stort problem. Hvis han mistet oversikten over en person, ville han ikke vite om den hadde flyttet ut av området eller døde. Like frustrerende ville han ikke være i stand til å si om nyankomne var avkom av eksisterende øgler eller nye immigranter.

Etter å ha gjennomsøkt byen for steder, innså han at beliggenheten til Miami Fairchild Tropical Botanic Garden gjorde det til et ideelt studiested fordi anolene var effektivt fanget på ersatzøya. Han kunne være trygg på at ingen øgler hadde kommet eller gått.

Strouds mål var å måle naturlig utvalg som opererer over flere generasjoner i flere arter. Han ønsket å "fange mange øgler og måle dem og se om deres overlevelse fortalte oss noe om hvordan evolusjon skjer i naturen," sa han.

Han brukte tre år på å ta en rekke mål på kroppsform og størrelse fra de fire anolene som kaller den botaniske hagen hjem - 1,692 individer totalt. For å samle tusenvis av datapunkter om benlengde, hodestørrelse og total overlevelse, måtte Stroud fange hver øgle med en liten lasso og deretter sette i gang med skyvelære før han injiserte en liten mikrobrikke under huden. Mikrobrikken sørget for at han kunne holde styr på hver enkelt anole. Hvis han ikke kunne oppdage en sporer, visste han at anolen sannsynligvis hadde dødd.

"Denne typen arbeid er vanskelig nok å gjøre i én art. Så å utføre et prosjekt som dette i fire arter er virkelig eksepsjonelt," sa Jill Anderson, en evolusjonsbiolog ved University of Georgia som ikke var involvert i forskningen.

Da Stroud begynte å analysere dataene sine, løp han imidlertid inn i paradokset med stasis.

Stas i støyen

Helt fra starten av prosjektet var Stroud og kollegene hans interessert i å stabilisere utvalget. De ønsket å se om kreftene til naturlig utvalg kontinuerlig presset og trakk øglenes egenskaper for å holde dem sentrert på samme punkt. At anolene hadde vist liten evolusjonær endring over millioner av år, indikerte at de var på en slags evolusjonær topp, og Stroud ønsket å se hvilke faktorer som holdt dem der.

Imidlertid viste årene hans med data ikke stabilitet i det hele tatt. I stedet så han at evolusjonen stadig endret egenskapene som var best tilpasset miljøet. "Hvis vi ser på en periode for seg, ser vi svært sjelden stabiliserende utvalg," sa Stroud.

Over tid gikk imidlertid denne variasjonen i gjennomsnitt ut i stase. Selv om egenskaper vaklet av sin optimale, moderate topp fra en generasjon til den neste, var det en nettoeffekt av stabilisering - som til slutt førte til liten endring over flere generasjoner.

Eksperter som gjennomgikk Stroud og teamets data ble imponert over deres grundighet og evne til å løse det tilsynelatende paradokset. "Dataene er vakrere enn noen med rimelighet kan håpe å gjøre en studie som dette," sa Martin.

Anderson sa at Strouds "superkule" arbeid var i stand til å adressere et av biologiens største mysterier på grunn av hans gjennomtenkte og strenge studiedesign. Bare med mange års data, sa hun, kunne Stroud se hvordan stasis potensielt kunne komme ut av en slik variasjon.

Voje ga også ros: "Dette er et utmerket eksempel på arbeid som knytter noen av disse observasjonene sammen," sa han.

Jeffrey Conner, en botaniker og evolusjonsbiolog ved Michigan State University, var enig i at det konseptuelle rammeverket Stroud utviklet kan forklare stabiliserende utvalg. Imidlertid sa han at variasjonen i retningsvalg Stroud identifiserte var ganske minimal.

Likevel, nyere forskning fra andre laboratorier bidrar også til å støtte Strouds resultater. En studie publisert i Evolution i september 2023 fra laboratoriet til Andrew Hendry, en øko-evolusjonær biolog ved McGill University, studerte evolusjonære endringer i et samfunn av finker på Galápagos-øya Santa Cruz over 17 år. Også der fant Hendry bevis på naturlig utvalgs vanlige tautrekking på egenskaper som var innebygd i en "bemerkelsesverdig stabilitet," sa han, til finkene over evolusjonær tid.

For Hendry var paradokset med stasis aldri et paradoks i det hele tatt. Problemet, sa han, var at biologer antok at langsiktig stasis var et resultat av kortsiktig stabilitet. Kast ut den antagelsen, og paradokset forsvinner. "Paradokset er illusorisk," sa han. "Evolusjonsbiologer liker å finne på ting og kalle dem paradokser."

Tenk på den mer som Mississippi-elven før den ble konstruert, forklarte han. Det skiftet raskt kurs i små områder over korte perioder, og likevel for titalls millioner år elvens samlede reise førte til Mexicogulfen. Tilsvarende kan egenskapene til en øglepopulasjon variere på kort sikt og holde seg stabile over lang tid.

Likevel er tre år – eller 17 – en dråpe i bøtte med evolusjonær tid. En fullstendig løsning av paradokset vil kreve at forskere studerer tidsspenn mellom makro- og mikroevolusjon, sa Porto - på en skala fra titalls, hundrevis eller tusenvis av år. De må finne et søtt sted som er langt nok til å tillate både forandring og stasis å dukke opp, sa han, selv om for øyeblikket ikke biologer har et langt nok datasett å trekke fra.

Det er grunnen til at langsiktige feltstudier innen økologi og evolusjonsbiologi blir stadig mer kritiske, sa Stroud. Uten å vende tilbake til studiestedet sitt igjen og igjen over en periode på år, ville han aldri ha fått nok data til å adressere en av nøkkelhypotesene innen evolusjonsbiologi.

Quanta gjennomfører en serie undersøkelser for å tjene publikum bedre. Ta vår biologi leserundersøkelse og du vil bli registrert for å vinne gratis Quanta handelsvarer.