Еволюція: швидка чи повільна? Ящірки допомагають вирішити парадокс. | Журнал Quanta

У Джеймса Страуда була проблема. Біолог-еволюціоніст провів кілька років, вивчаючи ящірок на маленькому острові в Маямі. Ці Аноліс ящірки виглядали однаково протягом тисячоліть; вони, очевидно, дуже мало еволюціонували за весь цей час. Логіка підказала Страуду, що якщо еволюція сприяла одним і тим же рисам протягом мільйонів років, то він повинен очікувати, що протягом одного покоління не буде помітно жодних змін.

За винятком того, що він знайшов не це. Замість стабільності Страуд побачив мінливість. Один сезон коротконогі аноліси вижили краще за інші. У наступному сезоні ті, хто має більшу голову, матимуть перевагу.

«Я був розгублений. Я не знав, що відбувається. Я думав, що роблю щось не так», — сказав Страуд, який тоді закінчував аспірантуру у Вашингтонському університеті в Сент-Луїсі. «Тоді раптом все стало на свої місця і почало мати сенс».

Його дані відображають парадокс, який роками ставив біологів у глухий кут. У довгостроковій перспективі аноліси мали риси, які, здавалося, залишалися незмінними, явище, яке називається стазисом, імовірно спричинене стабілізуючим відбором, процесом, який сприяє помірним ознакам. Однак протягом короткого періоду ящірки демонстрували варіації з коливаннями рис. Дані Страуда краще пояснити спрямованим відбором, який інколи віддає перевагу екстремальним рисам, які ведуть еволюцію в новому напрямку, а іноді не віддає переваги чомусь конкретному.

Оскільки він спостерігав за чотирма видами протягом трьох поколінь, він зміг показати, що довготривала модель стазису може виникнути з такого короткочасного коливання відбору.

«Шуму багато, але в цілому це призводить до досить стабільних моделей», — сказав Страуд, який зараз керує власною лабораторією в Технологічному інституті Джорджії. Навчання був нещодавно опублікований в Праці Національної академії наук.

Робота Страуда та його колег пояснює, як короткострокова мінливість може призвести до довгострокової стабільності Артур Порто, еволюційний біолог з Флоридського музею природної історії, який не брав участі в новому дослідженні.

«Це демонструє, що ми можемо отримати шаблон, який нагадує стабілізуючий відбір, навіть якщо стабілізуючий відбір не з’являється в часовому масштабі для кожного покоління», — сказав Порто. Отримані дані допомагають вирішити те, що деякі розчаровані біологи називають «парадоксом стазису».

Тверда рука еволюції?

Коли ранні теоретики еволюції задумали природний відбір, вони вважали, що еволюційний процес відбувається поступово протягом величезних епох. Види не розвиваються відразу; вони здебільшого залишаються незмінними та накопичують зміни протягом багатьох поколінь. У 1859 році Чарльз Дарвін писав: «Ми не бачимо нічого з цих повільних змін, що відбуваються, доки рука часу не позначила довгий проміжок віків».

Ранні спостереження скам'янілостей підтвердили цю ідею. Часто палеонтологи знаходили докази того, що вид може залишатися на місці протягом мільйонів років, змінюючись лише тоді, коли його змушують адаптуватися до якихось різких змін навколишнього середовища. Однак більшу частину часу процес еволюції здавався жахливо повільним, біологічним еквівалентом спостереження за висиханням фарби.

Біологи пояснили цю інерцію продуктом стабілізуючого відбору, в якому середні або проміжні ознаки послідовно віддають перевагу більш екстремальним. Навіть невеликі відхилення від «середнього» супроводжувалися б різким падінням виживання або народжуваності.

Класичним прикладом стабілізаційного відбору є історичні записи про вагу людини при народженні Джонатан Лосос, еволюційний біолог з Вашингтонського університету в Сент-Луїсі та науковий радник Страуда. Компіляції даних про вагу при народженні в середині 20 ст показали, що немовлята середньої ваги виживали частіше, ніж ті, які були важчі або легші за середній.

«Довготривалий застій, здається, свідчить про стабілізацію відбору», — сказав Лосос. «Це найбільш улюблене пояснення».

Лише на початку 1980-х років вчені розробили методи, які могли перевірити цю ідею. У 1983 році біологи Рассел Ланде та Стівен Арнольд привнесли передові статистичні дані в еволюційні польові дослідження, показавши: орієнтир Evolution папір як дослідники могли виміряти вплив природного відбору в межах одного покоління. Підхід, який кількісно оцінював відбір за групами корельованих ознак, вимагав дуже великих наборів біологічних даних, особливо за стандартами 1980-х років. Тим не менш, це була перша статистична система, яка показала дослідникам, як вимірювати різні види природного відбору, включаючи стабілізуючий відбір, за багатьма ознаками, сказав Крістофер Мартін, еволюційний біолог з Каліфорнійського університету в Берклі.

Біологи-еволюціоністи швидко прийняли цей підхід. Прінстонський університет Розмарі та Пітер Грант використовували цей метод у своїх знаменитих дослідженнях в’юрків Дарвіна на острові Дафна Велика на Галапагосах. Їхнє дослідження, яке розпочалося в 1973 році і триває донині, відслідковувало популяцію середнього наземного в’юрка (Геоспіза фортіс) через сильну посуху, яка почалася в 1977 році. Саме тоді рослини Daphne Major перестали виробляти дрібне насіння, на яке покладалися птахи; залишилося тільки товсте насіння.

Через невелику кількість їжі популяція в’юрків різко скоротилася з 1,400 особин до кількох сотень лише за два роки. Потім Гранти спостерігали за відновленням популяції, ретельно вимірюючи риси птахів. Вони виявили, що птахи, які вижили, мали більші дзьоби, придатні для більшого насіння: середня глибина дзьоба збільшилася з 9.2 мм до 9.9 мм — зміна більш ніж на 7%.

Загалом, зміна річної кількості опадів швидко призвела до зміни дзьобів птахів. Робота Грантів стала класичним прикладом еволюції в дії. Вони виявили помітні, хоча часто непомітні, докази спрямований поштовх і потяг еволюції, що діє на риси. І вони були не самотні: коли дослідники отримали статистичні інструменти, щоб спостерігати за розвитком еволюції, здавалося, що скрізь, куди б вони не глянули, вони могли побачити природний відбір, що діє в дуже короткі проміжки часу.

Такі дослідження поставили під сумнів ідею про те, що еволюція відбувалася через повільні, непомітні зміни протягом величезних проміжків часу, сказав Метт Пеннелл, еволюційний біолог з Університету Південної Каліфорнії. Зміни могли — і відбувалися — швидко.

У цьому була проблема. З достатнім часом навіть найменші потягування повинні призвести до вимірних змін у спостережуваних характеристиках організму. Якщо зміни розміру дзьоба, які спостерігав Грант, тривали протягом тисячоліть, розрахунки за межами конверта передбачили деякі екстремальні явища, сказав Пеннелл. «Ви очікували, що зяблики важать приблизно 40 кілограмів. Це просто не має сенсу».

Більше того, у міру накопичення доказів спрямованого відбору з’явилося мало доказів на користь стабілізуючого відбору. Скам’янілі рештки чітко показали застій у рисах з часом. Але завдяки своїм новим статистичним інструментам еволюційні біологи не змогли знайти доказів механізму, який би викликав застій.

Докази як для короткострокової модифікації, так і для довгострокової стабільності були надійними. Біологи не могли зрозуміти, як пов’язати ці два явища таким чином, щоб вирішити цей парадокс стазису.

Виявилося, серед дерев Південної Флориди чекає пояснення.

Анольовий оазис

Бірюзові води та білий пісок Карибського моря — це рай не лише для людей. Анолісні ящірки також знайшли ці тропічні острови ідилічними гаванями. Ящірки поширилися Карибським басейном завдяки процесу, який називається адаптивною радіацією. Коли вид анолісу прибув на новий острів, він швидко еволюціонував у кілька нових видів, кожен з яких використовував різні середовища проживання.

«Здається, існує невідповідність між мікроеволюційними процесами та тим, що відбувається в більш тривалих часових масштабах», — сказав Кетіль Лисне Воє, еволюційний біолог з Музею природної історії Університету Осло.

Знову і знову, на острові за островом, аноліси еволюціонували, щоб заповнити різні ніші, отримуючи характерні набори рис, які допомагають їм виживати у бажаному середовищі існування. Один вид мав довгі ноги — ідеальні для спринту — і маленькі, липкі подушечки для пальців, які частіше були посаджені на тверду землю. Троє інших підіймалися по стовбурах дерев: маленький вид, який віддавав перевагу нижній половині стовбура, один, який наважувався зайти в низький полог на великих подушечках пальців ніг, і один, який віддавав перевагу високому пологу, розвиваючи короткі кінцівки, щоб вміло орієнтуватися на тонких гілках.

Після цього початкового сплеску еволюції ящірки залишалися практично ідентичними протягом мільйонів років. Ось як Лосос знайшов їх, коли почав вивчати рептилій у 1980-х роках.

«Різні типи, здається, еволюціонували давно, а потім застрягли там», — сказав Лосос. «Мабуть, вони були такими з тих пір».

Здатність анолісів колонізувати нові землі зробила їх придатними для того, щоб стати інвазивними видами. У Флориді місцевий північноамериканський зелений аноліс (Аноліс каролінський) живе високо на стовбурах дерев, споживаючи деревних комах у низьких кронах, протягом мільйонів років. Проте протягом останнього століття інші аноліси прибули до штату з Куби, Еспаньоли та Багамських островів. Аноліс коричневий (Аноліс сагрейський) живе на нижніх стовбурах дерев, використовуючи свої довгі ноги, щоб стрибати на землю, щоб полювати на комах. Аноліс дрібнокорий (Anolis distichus) поїдає мурах, що повзають по стовбурах, тоді як більший лицар аноліс (Аноліс кінний) переслідує комах і фрукти у верхній частині крони. Кожен вид вже адаптувався до своєї конкретної ніші до прибуття в Маямі. Їхня екологія збереглася в новому домі.

Будучи ентузіастом ящірок, Страуд хотів вивчити герпетологічний шведский стол свого усиновленого міста. Однак, щоб провести довгострокове польове дослідження, йому потрібно буде відстежувати аноліси протягом тривалого часу. Висока мобільність ящірок становила велику проблему. Якби він загубив слід людини, він би не знав, чи вона переїхала з цього району, чи померла. Так само розчаровує те, що він не міг би сказати, чи були новоприбулі нащадками існуючих ящірок чи новими іммігрантами.

Після огляду міста в пошуках сайтів він зрозумів, що розташування Маямі Тропічний ботанічний сад Fairchild зробив його ідеальним місцем для дослідження, оскільки аноліси фактично були захоплені на ерзац-острівці. Він міг бути впевнений, що жодні ящірки не прилетіли й не пішли.

Мета Страуда полягала в тому, щоб виміряти природний відбір, що діє протягом кількох поколінь у багатьох видів. Він хотів «спіймати багато ящірок і виміряти їх, щоб побачити, чи їхнє виживання говорить нам щось про те, як відбувається еволюція в дикій природі», — сказав він.

Він витратив три роки на різноманітні вимірювання форми та розміру тіла чотирьох анолісів, які називають домом для ботанічного саду — загалом 1,692 особини. Щоб зібрати тисячі точок даних про довжину ніг, розмір голови та загальну виживаність, Страуду довелося захопити кожну ящірку за допомогою крихітного ласо, а потім приступити до роботи за допомогою штангенциркуля, перш ніж ввести під шкіру крихітний мікрочіп. Мікрочіп гарантував, що він міг стежити за кожним окремим анолісом. Якщо він не міг виявити трекер, він знав, що аноліс, швидше за все, загинув.

«Цю роботу досить важко виконувати одним видом. Тож реалізувати такий проект у чотирьох видах – це справді винятково», – сказав Джилл Андерсон, еволюційний біолог з Університету Джорджії, який не брав участі в дослідженні.

Проте, коли Страуд почав аналізувати свої дані, він наштовхнувся на парадокс стазису.

Stasis in the Noise

З самого початку проекту Страуд і його колеги були зацікавлені в стабілізації селекції. Вони хотіли побачити, чи сили природного відбору постійно штовхають і тягнуть риси ящірок, щоб вони зосереджувалися на одній точці. Те, що аноліси показали незначні еволюційні зміни протягом мільйонів років, вказувало на те, що вони перебували на певному піку еволюції, і Страуд хотів побачити, які фактори утримують їх там.

Однак його багаторічні дані зовсім не показали стабільності. Натомість він бачив, як еволюція постійно змінює риси, які найкраще пристосовані до середовища. «Якщо ми подивимося на будь-який період окремо, ми дуже рідко побачимо стабілізуючий відбір», — сказав Страуд.

Однак з часом ця мінливість усереднилася до застою. Навіть якщо риси змінювали свій оптимальний, помірний пік від одного покоління до наступного, був чистий ефект стабілізації, що в кінцевому підсумку призвело до незначних змін протягом кількох поколінь.

Експерти, які перевіряли дані Страуда та його команди, були вражені їхньою ретельністю та здатністю розв’язати удаваний парадокс. «Дані кращі, ніж будь-хто міг би навіть сподіватися, проводячи подібне дослідження», — сказав Мартін.

Андерсон сказав, що «надкрута» робота Страуда змогла вирішити одну з найбільших таємниць біології завдяки його продуманому та ретельному плану дослідження. За її словами, лише з даними за багато років Страуд міг побачити, як застій може потенційно виникнути з такої мінливості.

Воє також похвалив: «Це чудовий приклад роботи, яка об’єднує деякі з цих спостережень», — сказав він.

Джеффрі Коннер, ботанік і еволюційний біолог з Університету штату Мічиган, погодився, що концептуальна основа, розроблена Страудом, може пояснити стабілізуючий відбір. Однак він сказав, що мінливість спрямованого відбору, яку виявив Страуд, була досить мінімальною.

Тим не менш, останні дослідження інших лабораторій також допомагають підтвердити результати Страуда. Дослідження, опубліковане в Evolution у вересні 2023 р. з лаб Ендрю Гендрі, еко-еволюційний біолог з Університету Макгілла, протягом 17 років вивчав еволюційні зміни в спільноті в’юрків на галапагоському острові Санта-Крус. Там Гендрі теж знайшов докази регулярне перетягування канату природного відбору на риси, які були вбудовані в «чудову стабільність», сказав він, в’юрків протягом еволюційного часу.

Для Гендрі парадокс стазису взагалі ніколи не був парадоксом. Проблема, за його словами, полягала в тому, що біологи припустили, що тривалий застій був результатом короткочасної стабільності. Відкиньте це припущення, і парадокс зникне. «Парадокс ілюзорний», — сказав він. «Еволюційні біологи люблять придумувати речі і називати їх парадоксами».

Думайте про це більше як про річку Міссісіпі до того, як її спроектували, пояснив він. Він швидко змінював курс на невеликих територіях протягом коротких періодів, і все ж протягом десятки мільйонів років весь шлях річки вів до Мексиканської затоки. Так само риси популяції ящірок можуть змінюватися протягом короткого періоду та залишатися стабільними протягом тривалого часу.

І все ж три роки — або 17 — це крапля у відро еволюційного часу. Повне розв’язання парадоксу вимагатиме від вчених вивчення часових проміжків між макро- та мікроеволюцією, сказав Порто — у масштабі десятків, сотень або тисяч років. Він сказав, що їм потрібно знайти приємну точку, яка буде достатньо довгою, щоб дозволити як зміні, так і застою, хоча на даний момент біологи не мають достатньо довгого набору даних, з якого можна було б почерпнути.

Ось чому довгострокові польові дослідження в області екології та еволюційної біології стають все більш критичними, сказав Страуд. Якби не повертався до свого дослідницького місця знову і знову протягом багатьох років, він ніколи б не отримав достатньо даних для вирішення однієї з ключових гіпотез еволюційної біології.

Quanta проводить серію опитувань, щоб краще обслуговувати нашу аудиторію. Візьміть наші опитування читачів з біології і ви будете введені, щоб виграти безкоштовно Quanta товар