Відлуння еволюції: розкриття повторюваних таємниць природи в паличниках

 Дослідники представляють докази повторюваних еволюційних моделей у популяціях паличників Каліфорнії, демонструючи, що в той час як короткострокова еволюція може бути передбачуваною через постійний тиск навколишнього середовища, такий як хижацтво, довгострокові еволюційні результати передбачають більшу випадковість через такі події, як мутації та кліматичні зміни, пише scitechdaily.com.

Серед вчених-еволюціоністів існує давня дискусія, яка звучить приблизно так: чи відбувається еволюція за передбачуваною схемою, чи вона залежить від випадкових подій і випадковостей? Тобто, якби ви могли повернути час назад, як описав відомий вчений Стівен Джей Гулд (1941-2002) у своїй знаменитій метафорі «Відтворення стрічки життя», чи розвивалося б життя на Землі знову як щось подібне до того, що ми знаємо зараз, чи виглядало б воно дуже, дуже інакше?

Складність еволюції

«Якщо ви сформулюєте це як питання або/або, це занадто спрощено», — каже біолог-еволюціоніст з Університету штату Юта Захарія Гомперт. "Відповідь не є "абсолютно випадковою" або "повністю детермінованою та передбачуваною". І все ж, досліджуючи короткі часові масштаби, ми можемо знайти передбачувані, повторювані еволюційні закономірності».

Гомперт і його колеги повідомляють про докази повторюваної еволюції в популяціях палочників в онлайн-виданні журналу Американської асоціації сприяння розвитку науки Science Advances від 24 травня 2024 року. Серед авторів-співавторів статті – давній співробітник Гомперта Патрік Носіль та інші дослідники з французького Університету Монпельє, Федерального університету Сан-Паулу в Бразилії, Університету Невади, Ріно та Університету Нотр-Дам. Дослідження проводиться за підтримки Національного наукового фонду та Європейської дослідницької ради.

Результати досліджень паличників

Команда вивчила дані за три десятиліття про частоту загадкових морфів кольорових візерунків у палочникових комах виду Timema cristinae у десяти природно відтворюваних популяціях у Каліфорнії. T. cristinae є поліморфним щодо забарвлення тіла та малюнка. Деякі комахи мають зелений колір, що дозволяє безкрилій комахі, що харчується рослинами, зливатися з кущами каліфорнійського бузку (Ceanothus spinosus). На противагу цьому, зелені смугасті морфи зникають на тлі чагарників хамісу (Adenostoma fasciculatum).

Ховання серед рослин є одним із ключових засобів захисту T. christinae, оскільки голодні птахи, такі як чагарникові сойки, є ненаситними хижаками паличників.

Еволюційні закономірності та природний відбір

«Хижацтво птахів є постійним фактором, що формує особливості організму комах, включаючи забарвлення та смугастих проти несмугастих», — каже Гомперт, доцент кафедри біології USU та Центру екології USU. «Ми спостерігали передбачувані коливання частоти смуг «вгору-вниз» у всіх популяціях, представляючи повторювану еволюційну динаміку, засновану на генетичних варіаціях».

Він каже, що польовий експеримент демонструє, що ці коливання включали негативний частотно-залежний природний відбір (NFDS), де загадкові колірні візерунки більш корисні, коли вони рідкісні, а не поширені. Ймовірно, це пов'язано з тим, що у птахів формується «образ пошуку» найпоширенішої здобичі.

Передбачуваність і випадковість в еволюції

«У коротких часових масштабах еволюція, що включає існуючі варіації, може бути цілком передбачуваною», — каже Гомперт, який у 2019 році отримав грант Національного наукового фонду CAREER для підтримки своїх досліджень. «Ви можете розраховувати на те, що певні рушійні сили завжди будуть поруч, наприклад, птахи, які харчуються комахами».

Але в більш тривалих часових масштабах еволюційна динаміка стає менш передбачуваною.

«Популяції можуть зіткнутися з випадковою подією, такою як сильна посуха або повінь, яка порушить статус-кво і, отже, передбачувані наслідки», — каже Гомперт.

Проблеми еволюційних досліджень

За його словами, у тривалих часових масштабах нова мутація виду може внести рідкісну ознаку. «Це настільки близько до справжньої випадковості, наскільки це можливо».

«Рідкісні речі легко втратити випадково, тому існує велика ймовірність того, що нова мутація може зникнути, перш ніж вона отримає опорну точку», — каже він. "Дійсно, інший вид паличників Timema, який також харчується шамісом, або ніколи не мав, або швидко втратив мутації, що утворюють загадкову смугу. Таким чином, еволюція смуг не є повторюваним результатом еволюції в такому довгому масштабі».

Гомперт зазначає, що багаторічні дослідження природних популяцій, включаючи дослідження знаменитих зябликів Дарвіна, є рідкісними.

«Оскільки більша частина цієї роботи обмежена однією або кількома популяціями, важко зробити висновки про повторюваність серед кількох еволюційно незалежних популяцій», — каже він. «Такі дослідження складно впровадити не тільки тому, що вони вимагають узгоджених зусиль, але й тому, що не можна квапити час».

Довідка: «Еволюція повторюється в багаторічних дослідженнях у дикій природі» Патріка Носіла, Кларисси Ф. де Карвальо, Ромена Віллутре, Лаури С. Заморано, Меріон Сінклер-Вотерс, Ніколаса П. Планідіна, Томаса Л. Парчмана, Джеффрі Федера та Зака Гомперта, 24 травня 2024 р., Science Advances.

DOI: 10.1126/sciadv.adl3149

Гомперт, якого ScholarGPS призначив вченим з високим рейтингом, розробив разом із колегами з USU інтенсивний інтерактивний вступний лабораторний клас з біології, щоб познайомити студентів із дослідженнями. Він і його колеги також розробили інтерактивну презентацію про еволюцію для будь-якого віку під назвою «Метелики Набокова», яка була представлена в програмі Science Unwrapped Наукового коледжу USU у 2022 році.