واجه جيمس ستراود مشكلة. قضى عالم الأحياء التطوري عدة سنوات في دراسة السحالي على جزيرة صغيرة في ميامي. هؤلاء أنوليس كانت السحالي تبدو متشابهة منذ آلاف السنين؛ يبدو أنهم تطوروا قليلاً جدًا طوال ذلك الوقت. أخبر المنطق ستراود أنه إذا كان التطور قد فضل نفس السمات على مدى ملايين السنين، فيجب عليه أن يتوقع رؤية تغيير طفيف أو عدم رؤية أي تغيير على مدى جيل واحد.

إلا أن هذا ليس ما وجده. وبدلاً من الاستقرار، رأت ستراود التباين. في أحد المواسم، نجت السحالي ذات الأرجل القصيرة بشكل أفضل من غيرها. في الموسم المقبل، قد يتمتع أصحاب الرؤوس الأكبر بميزة.

"لقد كنت مشوشا. لم أكن أعرف ما الذي يحدث. قال ستراود، الذي كان آنذاك يكمل دراسات ما بعد الدكتوراه في جامعة واشنطن في سانت لويس: “اعتقدت أنني كنت أفعل شيئًا خاطئًا”. "ثم فجأة وقع كل شيء في مكانه وبدأ منطقيًا."

عكست بياناته مفارقة أعاقت علماء الأحياء لسنوات. على المدى الطويل، كانت لدى عظايا الأنول سمات تبدو كما هي، وهي ظاهرة تسمى الركود، والتي يُفترض أنها ناجمة عن الانتقاء المستقر، وهي عملية تفضل السمات المعتدلة. ومع ذلك، على المدى القصير، أظهرت السحالي تباينًا، مع سمات متقلبة. تم تفسير بيانات ستراود بشكل أفضل من خلال اختيار الاتجاه، والذي يفضل أحيانًا السمات المتطرفة التي تقود التطور في اتجاه جديد، وفي أحيان أخرى لا يبدو أنه يفضل أي شيء على وجه الخصوص.

ولأنه تابع أربعة أنواع على مدى ثلاثة أجيال، فقد كان قادرًا على إظهار أن نمطًا طويل الأمد من الركود يمكن أن ينشأ من هذا الانتقاء المتقلب قصير المدى.

وقال ستراود، الذي أصبح الآن: "هناك الكثير من الضوضاء، ولكن بشكل عام، يؤدي ذلك إلى أنماط مستقرة إلى حد ما". يدير مختبره الخاص في معهد جورجيا للتكنولوجيا. الدراسة تم نشره مؤخرًا في ال وقائع الاكاديمية الوطنية للعلوم.

وقال ستراود وزملاؤه إن عملهم يشرح كيف يمكن للتقلبات قصيرة المدى أن تؤدي إلى استقرار طويل المدى آرثر بورتو، عالم الأحياء التطوري في متحف فلوريدا للتاريخ الطبيعي والذي لم يشارك في البحث الجديد.

وقال بورتو: "إنه يوضح أنه يمكننا الحصول على نمط يشبه اختيار الاستقرار، حتى عندما لا يظهر أي اختيار استقرار على نطاق زمني لكل جيل". تساعد النتائج في حل ما يسميه بعض علماء الأحياء المحبطين "مفارقة الركود".

يد التطور الثابتة؟

عندما تصور منظرو التطور الأوائل الانتقاء الطبيعي، اعتقدوا أن العملية التطورية تعمل تدريجيًا على مدى فترات طويلة. الأنواع لا تتطور بين عشية وضحاها. إنهم يظلون على حالهم إلى حد كبير ويتراكمون التغييرات على مدى أجيال عديدة. في عام 1859، كتب تشارلز داروين: «نحن لا نرى شيئًا من هذه التغييرات البطيئة في التقدم، حتى تحدد يد الزمن مرور العصور الطويلة».

وقد دعمت الملاحظات المبكرة للسجل الأحفوري هذه الفكرة. في كثير من الأحيان، كشف علماء الحفريات عن أدلة على أن الأنواع يمكن أن تظل راكدة على مدى ملايين السنين، ولا تتغير إلا عندما تضطر إلى التكيف مع بعض التحولات البيئية المثيرة. ومع ذلك، في معظم الأوقات، بدت عملية التطور بطيئة بشكل مؤلم، وهي المعادل البيولوجي لمشاهدة الطلاء وهو يجف.

وقد فسر علماء الأحياء هذا الجمود بأنه نتاج عملية الانتقاء المستقر، حيث يتم تفضيل السمات المتوسطة أو المتوسطة باستمرار على السمات الأكثر تطرفًا. وحتى التحولات الصغيرة بعيدًا عن "المتوسط" ستكون مصحوبة بانخفاض حاد في معدل البقاء على قيد الحياة أو الخصوبة.

وقال إن أحد الأمثلة الكلاسيكية على الانتقاء المستقر يأتي من السجلات التاريخية لأوزان المواليد البشرية جوناثان لوسوس، عالم الأحياء التطوري في جامعة واشنطن في سانت لويس ومستشار أبحاث ستراود. تجميع بيانات الوزن عند الولادة في منتصف القرن 20th أظهر أن الأطفال ذوي الوزن المتوسط ​​​​ينجون في كثير من الأحيان أكثر من أولئك الذين كانوا أثقل أو أخف وزنا من المتوسط.

وقال لوسوس: "يبدو أن الركود طويل الأمد يشير إلى استقرار الاختيار". "إنه التفسير المفضل."

لم يكن الأمر كذلك حتى أوائل الثمانينيات عندما طور العلماء طرقًا يمكنها اختبار هذه الفكرة. في عام 1980، جلب عالما الأحياء راسل لاند وستيفان أرنولد إحصائيات متقدمة إلى الدراسات الميدانية التطورية، والتي تظهر في علامه تطور ورقة كيف يمكن للباحثين قياس تأثير الانتقاء الطبيعي خلال جيل واحد. يتطلب هذا النهج، الذي حدد كمية الاختيار على مجموعات من السمات المترابطة، مجموعات بيانات بيولوجية كبيرة جدًا، خاصة وفقًا لمعايير الثمانينيات. ومع ذلك، كان هذا أول إطار إحصائي يُظهر للباحثين كيفية قياس أنواع مختلفة من الانتقاء الطبيعي، بما في ذلك الانتقاء المستقر، على سمات متعددة. كريستوفر مارتن، عالم الأحياء التطوري في جامعة كاليفورنيا، بيركلي.

وسرعان ما تبنى علماء الأحياء التطورية هذا النهج. جامعة برينستون روزماري وبيتر جرانت استخدموا هذه الطريقة في دراساتهم الشهيرة عن عصافير داروين في جزيرة دافني ميجور في جزر غالاباغوس. دراستهم، التي بدأت في عام 1973 وتستمر حتى يومنا هذا، تتبعت مجموعة من الحسون الأرضي المتوسط ​​(جيوسبيزا فورتيس) خلال فترة الجفاف الشديد التي بدأت في عام 1977. وذلك عندما توقفت نباتات دافني ميجور عن إنتاج البذور الصغيرة التي تعتمد عليها الطيور؛ بقيت البذور السميكة فقط.

ومع قلة الطعام، انخفض عدد العصافير من 1,400 فرد إلى بضع مئات في غضون عامين فقط. ثم شاهد فريق غرانت تعافي الطيور أثناء إجراء قياسات دقيقة لسمات الطيور. ووجدوا أن الطيور التي نجت كانت لديها مناقير أكبر تناسب البذور الأكبر حجمًا: فقد زاد متوسط ​​عمق المنقار من 9.2 ملم إلى 9.9 ملم، أي بتغير يزيد عن 7%.

وفي المجمل، أدى التحول في هطول الأمطار السنوي بسرعة إلى تغير في مناقير الطيور. أصبح عمل المنح مثالًا كلاسيكيًا للتطور في العمل. لقد حددوا أدلة واضحة، وإن كانت خفية في كثير من الأحيان، على الدفع والسحب الاتجاهي التطور يعمل على السمات. ولم يكونوا وحدهم: بمجرد أن حصل الباحثون على الأدوات الإحصائية لمشاهدة تطور التطور، بدا أنهم في كل مكان نظروا إليه، يمكنهم رؤية الانتقاء الطبيعي يعمل خلال فترات زمنية قصيرة جدًا.

وقال إن مثل هذه الدراسات تتحدى فكرة أن التطور قد تم من خلال تغييرات بطيئة وغير محسوسة على مدى فترات زمنية واسعة مات بينيل، عالم الأحياء التطوري في جامعة جنوب كاليفورنيا. ومن الممكن أن يحدث التغيير بسرعة، وقد حدث بالفعل.

وهنا تكمن المشكلة. مع مرور الوقت الكافي، حتى أصغر القاطرات يجب أن تؤدي إلى تحول ملموس في خصائص الكائن الحي التي يمكن ملاحظتها. وقال بينيل إنه إذا استمرت التغيرات في حجم المنقار التي لاحظها جرانت على مدى آلاف السنين، فإن الحسابات غير المتوقعة تنبأت ببعض الظواهر المتطرفة. "كنت تتوقع أن يصل وزن العصافير إلى 40 كيلوجرامًا. هذا ليس له أي معنى."

علاوة على ذلك، مع تراكم الأدلة على الانتقاء الاتجاهي، ظهرت أدلة قليلة على جانب الانتقاء المستقر. أظهر السجل الأحفوري بوضوح ركودًا في السمات مع مرور الوقت. ولكن مع أدواتهم الإحصائية الجديدة، لم يتمكن علماء الأحياء التطورية من العثور على دليل على وجود آلية من شأنها أن تنتج الركود.

وكانت الأدلة على التعديل على المدى القصير والاستقرار على المدى الطويل سليمة. ما لم يتمكن علماء الأحياء من اكتشافه هو كيفية ربط الظاهرتين بطريقة يمكن أن تحل مفارقة الركود هذه.

اتضح أن التفسير كان ينتظر بين أشجار جنوب فلوريدا.

واحة أنولي

المياه الفيروزية والرمال البيضاء في منطقة البحر الكاريبي ليست جنة للبشر فقط. وجدت سحالي أنول أيضًا أن هذه الجزر الاستوائية هي ملاذات مثالية. انتشرت السحالي عبر منطقة البحر الكاريبي من خلال عملية تسمى الإشعاع التكيفي. عندما وصل نوع من أنولي إلى جزيرة جديدة، تطور بسرعة إلى عدة أنواع جديدة، استفاد كل منها من موطن مختلف.

وقال: "يبدو أن هناك عدم تطابق بين العمليات التطورية الدقيقة وما يحدث على فترات زمنية أطول". كيتيل ليسني فوجي، عالم الأحياء التطوري في متحف التاريخ الطبيعي بجامعة أوسلو.

مرارًا وتكرارًا، في جزيرة تلو الأخرى، تطورت أنولي لملء مجالات مختلفة، واكتسبت مجموعات مميزة من السمات لمساعدتها على البقاء في بيئتها المفضلة. احتفظ أحد الأنواع بأرجل طويلة - مثالية للعدو السريع - وبطانات صغيرة لزجة لأصابع القدم في كثير من الأحيان مزروعة على تيرا فيرما. اندفع ثلاثة آخرون إلى أعلى جذوع الأشجار: نوع صغير الجسم يفضل النصف السفلي من الجذع، ونوع غامر بالدخول إلى المظلة المنخفضة على منصات كبيرة لأصابع القدم، ونوع يفضل المظلة العالية، وتطور أطرافًا قصيرة للتنقل بخبرة في الفروع الرقيقة.

بعد تلك الاندفاعة الأولية للتطور، ظلت السحالي متطابقة تقريبًا على مدى ملايين السنين. وهكذا وجدها لوسوس عندما بدأ دراسة الزواحف في الثمانينيات.

وقال لوسوس: "يبدو أن الأنواع المختلفة قد تطورت منذ فترة طويلة، ثم بقيت هناك". "من المفترض أنهم كانوا على هذا النحو منذ ذلك الحين."

إن قدرة أنولي على استعمار أراضٍ جديدة جعلتها مناسبة تمامًا لتصبح من الأنواع الغازية. في فلوريدا، يوجد السحالي الأخضر الأصلي في أمريكا الشمالية (أنوليس كارولينينسيس) عاش عالياً على جذوع الأشجار، مستهلكًا الحشرات الشجرية في الظلة المنخفضة، لملايين السنين. ومع ذلك، خلال القرن الماضي، وصلت أنواع أخرى من أنول إلى الولاية من كوبا وهيسبانيولا وجزر الباهاما. الأنول البني (أنوليس ساجري) يسكن في أدنى جذوع الأشجار، ويستخدم أرجله الطويلة للقفز على الأرض لاصطياد الحشرات. أنول اللحاء صغير الحجم (أنوليس ديستيكوس) يأكل النمل الذي يزحف على طول جذوع الأشجار، بينما الفارس الأكبر حجما أنول (أنوليس إكويستريس) يطارد الحشرات والفاكهة في المظلة العلوية. لقد تكيفت كل الأنواع بالفعل مع مكانتها المحددة قبل وصولها إلى ميامي. استمرت بيئتهم في منزلهم الجديد.

بصفته من عشاق السحالي، أراد ستراود أن يدرس التنوع البيولوجي للزواحف في مدينته التي اختارها. ومع ذلك، لإجراء دراسة ميدانية طويلة الأمد، سيحتاج إلى تتبع السحالي مع مرور الوقت. شكلت الحركة العالية للسحالي مشكلة كبيرة. إذا فقد مسار أحد الأفراد، فلن يعرف ما إذا كان قد انتقل خارج المنطقة أو مات. ومما يثير الإحباط أيضًا أنه لم يكن قادرًا على معرفة ما إذا كان الوافدون الجدد هم ذرية السحالي الموجودة أم المهاجرين الجدد.

بعد البحث في المدينة عن المواقع، أدرك أن موقع ميامي حديقة فيرتشايلد النباتية الاستوائية جعلها مكانًا مثاليًا للدراسة لأن السحالي كانت محاصرة بشكل فعال في جزيرة مصطنعة. كان بإمكانه أن يكون واثقًا من عدم وصول أو مغادرة أي سحالي.

كان هدف ستراود هو قياس الانتقاء الطبيعي الذي يعمل على مدى عدة أجيال في أنواع متعددة. وقال إنه أراد "اصطياد الكثير من السحالي وقياسها ومعرفة ما إذا كان بقاؤها على قيد الحياة يخبرنا بأي شيء عن كيفية حدوث التطور في البرية".

لقد أمضى ثلاث سنوات في أخذ مجموعة متنوعة من المقاييس لشكل الجسم وحجمه من سحالي الأنولي الأربعة التي تسمى حديقة النباتات - بإجمالي 1,692 فردًا. لجمع الآلاف من نقاط البيانات حول طول الساق وحجم الرأس والبقاء على قيد الحياة بشكل عام، كان على ستراود التقاط كل سحلية باستخدام حبل صغير ثم البدء في العمل باستخدام الفرجار قبل حقن شريحة صغيرة تحت جلدها. ضمنت الرقاقة الدقيقة أنه قادر على تتبع كل فرد من السحالي. إذا لم يتمكن من اكتشاف متعقب، فهو يعلم أن السحلب قد مات على الأرجح.

"هذا النوع من العمل صعب بما يكفي للقيام به في نوع واحد. لذا فإن تنفيذ مشروع مثل هذا في أربعة أنواع هو أمر استثنائي حقًا جيل أندرسون، عالم الأحياء التطوري في جامعة جورجيا والذي لم يشارك في البحث.

ومع ذلك، عندما بدأ ستراود في تحليل بياناته، وقع في مفارقة الركود.

ركود في الضوضاء

منذ بداية المشروع، كان ستراود وزملاؤه مهتمين بتحقيق الاستقرار في الاختيار. لقد أرادوا معرفة ما إذا كانت قوى الانتقاء الطبيعي تدفع وتسحب سمات السحالي باستمرار لإبقائها متمركزة في نفس النقطة. تشير حقيقة أن السحالي قد أظهرت تغيرًا تطوريًا طفيفًا على مدى ملايين السنين إلى أنها كانت في نوع ما من الذروة التطورية، وأراد ستراود معرفة العوامل التي أبقتها هناك.

ومع ذلك، فإن سنوات بياناته لم تظهر الاستقرار على الإطلاق. وبدلاً من ذلك، رأى أن التطور يغير باستمرار السمات التي تتكيف بشكل أفضل مع البيئة. وقالت ستراود: "إذا نظرنا إلى أي فترة بمفردها، فنادرا ما نرى اختيارا مستقرا".

ومع مرور الوقت، تحول هذا التباين إلى حالة من الركود. حتى لو تذبذبت السمات من ذروتها المثالية المعتدلة من جيل إلى جيل، كان هناك تأثير صافي للاستقرار، مما أدى في النهاية إلى تغيير طفيف على مدى الأجيال المتعددة.

وقد أُعجب الخبراء الذين راجعوا بيانات ستراود وفريقه بشموليتها وقدرتها على حل التناقض الظاهري. قال مارتن: "البيانات أجمل مما يمكن لأي شخص أن يأمل في إجراء دراسة كهذه".

قال أندرسون إن عمل ستراود "الرائع للغاية" كان قادرًا على معالجة أحد أكبر ألغاز علم الأحياء بسبب تصميمه الدراسي المدروس والصارم. وقالت إنه فقط من خلال بيانات سنوات عديدة، تمكنت ستراود من رؤية كيف يمكن أن ينشأ الركود من مثل هذا التقلب.

كما أثنى فوجي أيضًا قائلاً: "هذا مثال ممتاز للعمل الذي يربط بعض هذه الملاحظات معًا".

جيفري كونر، عالم النبات والأحياء التطورية في جامعة ولاية ميشيغان، وافق على أن الإطار المفاهيمي الذي طورته ستراود يمكن أن يفسر الانتقاء المستقر. ومع ذلك، قال إن التباين في اختيار الاتجاه الذي حددته ستراود كان ضئيلًا إلى حد ما.

ومع ذلك، فإن الأبحاث الحديثة التي أجرتها مختبرات أخرى تساعد أيضًا في دعم نتائج ستراود. دراسة نشرت في تطور في سبتمبر 2023 من معمل أندرو هندري، عالم الأحياء البيئي التطوري في جامعة ماكجيل، درس التغيرات التطورية في مجتمع من العصافير في جزيرة سانتا كروز في غالاباغوس على مدار 17 عامًا. وهناك أيضًا وجد هندري دليلاً على ذلك لعبة شد الحبل المنتظمة للانتقاء الطبيعي وقال إن السمات التي كانت جزءا لا يتجزأ من "الاستقرار الملحوظ" للعصافير على مر الزمن التطوري.

بالنسبة لهندري، لم تكن مفارقة الركود مفارقة على الإطلاق. وقال إن المشكلة هي أن علماء الأحياء يفترضون أن الركود طويل الأمد كان نتيجة للاستقرار قصير الأمد. تخلص من هذا الافتراض، وسوف تختفي المفارقة. وقال: "إن المفارقة وهمية". "يحب علماء الأحياء التطورية أن يتوصلوا إلى أشياء ويطلقون عليها اسم المفارقات."

وأوضح أن الأمر يشبه نهر المسيسيبي قبل هندسته. لقد غيرت مسارها بسرعة في مناطق صغيرة خلال فترات قصيرة، وحتى الآن عشرات الملايين من السنين أدت رحلة النهر الشاملة إلى خليج المكسيك. وبالمثل، يمكن أن تختلف سمات مجموعة السحالي على المدى القصير وتبقى مستقرة على المدى الطويل.

ومع ذلك، فإن ثلاث سنوات – أو 17 سنة – هي قطرة في دلو الزمن التطوري. وقال بورتو إن الحل الكامل للمفارقة سيتطلب من العلماء دراسة الفترات الزمنية بين التطور الكلي والجزئي - على نطاق عشرات أو مئات أو آلاف السنين. وقال إنهم بحاجة إلى العثور على نقطة جيدة طويلة بما يكفي للسماح بظهور التغيير والركود، على الرغم من أن علماء الأحياء ليس لديهم في الوقت الحالي مجموعة بيانات طويلة بما يكفي للاستفادة منها.

وقالت ستراود إن هذا هو السبب وراء تزايد أهمية الدراسات الميدانية طويلة المدى في علم البيئة وعلم الأحياء التطوري. وبدون العودة إلى موقع دراسته مرارًا وتكرارًا على مدى سنوات، لم يكن ليحصل أبدًا على بيانات كافية لمعالجة إحدى الفرضيات الرئيسية لعلم الأحياء التطوري.

كوانتا تجري سلسلة من الدراسات الاستقصائية لخدمة جمهورنا بشكل أفضل. خذ خاصتنا مسح قارئ علم الأحياء وسيتم إدخالك للفوز مجانا كوانتا بضائع.