제임스 스트라우드에게 문제가 있었습니다. 진화생물학자인 그는 마이애미의 작은 섬에서 도마뱀을 연구하는 데 수년을 보냈습니다. 이것들 아놀리스 도마뱀은 수천년 동안 똑같은 모습을 보였습니다. 그 기간 동안 그들은 분명히 거의 진화하지 않았습니다. 로직은 스트라우드에게 진화가 수백만 년에 걸쳐 동일한 특성을 선호했다면 한 세대 동안 거의 또는 전혀 변화가 없을 것으로 예상해야 한다고 말했습니다.

그가 찾은 것은 그게 아니었다는 점만 빼면요. Stroud는 안정성 대신 가변성을 보았습니다. 한 시즌에는 다리가 짧은 아놀이 다른 시즌보다 더 잘 살아남았습니다. 다음 시즌에는 머리가 큰 사람이 유리할 수도 있습니다.

“혼란스러웠어요. 나는 무슨 일이 일어나고 있는지 몰랐습니다. 나는 내가 뭔가 잘못하고 있다고 생각했습니다.” 당시 세인트루이스에 있는 워싱턴 대학교에서 박사후 과정을 마치고 있던 Stroud가 말했습니다. "그런데 갑자기 모든 것이 제자리를 잡았고 이해가 되기 시작했습니다."

그의 데이터는 수년 동안 생물학자들을 방해했던 역설을 반영했습니다. 장기적으로 볼 때, 아놀은 동일하게 유지되는 것처럼 보이는 특성, 즉 정체라고 불리는 현상을 가졌습니다. 이는 아마도 중간 특성을 선호하는 과정인 안정화 선택으로 인해 발생했을 것으로 추정됩니다. 그러나 단기적으로 도마뱀은 변동하는 특성과 함께 변이를 보였습니다. Stroud의 데이터는 방향 선택으로 더 잘 설명되었습니다. 방향 선택은 때로는 새로운 방향으로 진화를 이끄는 극단적인 특성을 선호하기도 하고, 다른 경우에는 특별한 어떤 것도 선호하지 않는 것으로 보입니다.

그는 3세대에 걸쳐 4종을 추적했기 때문에 그러한 단기적인 변동 선택에서 장기적인 정체 패턴이 나타날 수 있음을 보여줄 수 있었습니다.

"노이즈가 많지만 전반적으로 상당히 안정적인 패턴으로 이어집니다."라고 Stroud는 말했습니다. 자신의 연구실을 운영하고 있다 조지아 공과대학에서. 연구 최근에 출판되었다 FBI 증오 범죄 보고서 과학 국립 아카데미의 절차.

Stroud와 그의 동료들의 연구는 어떻게 단기적인 변동성이 장기적인 안정성으로 이어질 수 있는지를 설명합니다. 아서 포르토, 새로운 연구에 참여하지 않은 플로리다 자연사 박물관의 진화 생물학자.

Porto는 “이는 세대별 시간 척도에서 안정화 선택이 나타나지 않는 경우에도 안정화 선택과 유사한 패턴을 얻을 수 있음을 보여줍니다.”라고 말했습니다. 이번 발견은 좌절한 일부 생물학자들이 "정체의 역설"이라고 부르는 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다.

진화의 꾸준한 손?

초기 진화 이론가들은 자연 선택을 생각할 때 진화 과정이 광대한 시대에 걸쳐 점진적으로 작용한다고 생각했습니다. 종은 하룻밤 사이에 진화하지 않습니다. 그들은 대부분 동일하게 유지되며 여러 세대에 걸쳐 변화를 축적합니다. 1859년에 찰스 다윈은 이렇게 썼습니다. “시간의 흐름이 오랜 세월의 흐름을 표시할 때까지 우리는 이러한 느린 변화가 진행되는 것을 전혀 볼 수 없습니다.”

화석 기록에 대한 초기 관찰은 이러한 생각을 뒷받침해 줍니다. 고생물학자들은 종이 수백만 년 동안 정체 상태를 유지할 수 있으며 극적인 환경 변화에 강제로 적응해야 할 때만 변할 수 있다는 증거를 발견하는 경우가 많습니다. 하지만 대부분의 경우 진화 과정은 페인트가 마르는 것을 지켜보는 것과 마찬가지로 생물학적으로 매우 느린 것처럼 보였습니다.

생물학자들은 이러한 관성을 선택 안정화의 산물이라고 설명했는데, 여기서 평균 또는 중간 특성이 더 극단적인 특성보다 일관되게 선호됩니다. "평균"에서 조금만 벗어나도 생존율이나 출산율이 급격히 떨어지게 됩니다.

안정화 선택의 전형적인 예는 인간의 출생 체중에 대한 역사적 기록에서 비롯된 것이라고 말했습니다. 조나단 로소스, 세인트 루이스에 있는 워싱턴 대학의 진화 생물학자이자 Stroud의 연구 고문입니다. 출생 체중 데이터 편집 중반 20th 세기 평균 체중의 아기가 평균보다 무겁거나 가벼운 아기보다 더 자주 생존한다는 것을 보여주었습니다.

"장기적인 정체는 선택의 안정화를 시사하는 것 같습니다"라고 Losos는 말했습니다. “가장 선호하는 설명이에요.”

과학자들이 이 아이디어를 테스트할 수 있는 방법을 개발한 것은 1980년대 초였습니다. 1983년에 생물학자 러셀 랜드(Russell Lande)와 스테반 아놀드(Stevan Arnold)는 진화 현장 연구에 진보된 통계를 도입했습니다. 랜드마크 진화 종이 연구자들이 단일 세대 내에서 자연 선택의 영향을 측정할 수 있는 방법. 상관된 특성 그룹에 대한 선택을 정량화하는 접근 방식에는 특히 1980년대 표준에 따르면 매우 큰 생물학적 데이터 세트가 필요했습니다. 그럼에도 불구하고 이는 다양한 특성에 대한 안정화 선택을 포함하여 다양한 종류의 자연 선택을 측정하는 방법을 연구자에게 보여주는 최초의 통계 프레임워크라고 말했습니다. 크리스토퍼 마틴, 버클리 캘리포니아 대학의 진화 생물학자.

진화생물학자들은 신속하게 이 접근법을 채택했습니다. 프린스턴 대학교의 로즈마리와 피터 그랜트 갈라파고스의 다프네 메이저 섬에서 다윈의 핀치새에 대한 유명한 연구에서 이 방법을 사용했습니다. 1973년에 시작되어 오늘날까지 계속되는 그들의 연구는 중간땅핀치 개체수를 추적했습니다.Geospiza fortis) 1977년에 시작된 극심한 가뭄으로 인해 다프네 메이저(Daphne Major) 식물은 새들이 의존하는 작은 씨앗 생산을 중단했습니다. 두꺼운 씨앗만 남았습니다.

식량이 부족해지면서 핀치 개체수는 불과 1,400년 만에 9.2마리에서 수백 마리로 급감했습니다. 그런 다음 그랜트 부부는 새의 특성을 주의 깊게 측정하면서 개체수가 회복되는 것을 지켜보았습니다. 그들은 살아남은 새들이 더 큰 씨앗에 적합한 더 큰 부리를 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 평균 부리 깊이는 9.9mm에서 7mm로 증가했습니다. 이는 XNUMX% 이상의 변화입니다.

전체적으로 연간 강우량의 변화로 인해 새들의 부리가 급격히 바뀌었습니다. 그랜트 부부의 연구는 진화가 실제로 일어나는 전형적인 사례가 되었습니다. 그들은 종종 미묘하더라도 다음과 같은 뚜렷한 증거를 확인했습니다. 방향 밀고 당기기 특성에 작용하는 진화. 그리고 그들은 혼자가 아니었습니다. 연구자들이 진화가 펼쳐지는 것을 볼 수 있는 통계 도구를 갖게 되면, 그들이 보는 모든 곳에서 매우 짧은 간격 내에 자연 선택이 작용하는 것을 볼 수 있는 것처럼 보였습니다.

그러한 연구는 진화가 오랜 시간에 걸쳐 느리고 눈에 띄지 않는 변화를 통해 진행되었다는 생각에 도전했다고 말했습니다. 매트 펜넬, 서던 캘리포니아 대학의 진화 생물학자. 변화는 빠르게 일어날 수 있었고 실제로 일어났습니다.

거기에 문제가 있었습니다. 시간이 충분하면 아주 작은 잡아당김에도 유기체의 관찰 가능한 특성에 측정 가능한 변화가 나타나야 합니다. 그랜트가 관찰한 부리 크기의 변화가 수천 년 동안 계속된다면 봉투 뒷면의 계산을 통해 몇 가지 극단적인 현상을 예측했다고 Pennell은 말했습니다. “핀치새의 몸무게는 40킬로그램 정도 될 것으로 예상됩니다. 이건 말도 안 돼요.”

더욱이 방향 선택에 대한 증거가 쌓이면서 선택 안정화 측면에 대한 증거는 거의 나타나지 않았습니다. 화석 기록은 시간이 지남에 따라 특성의 정체를 분명히 보여주었습니다. 그러나 진화생물학자들은 새로운 통계 도구를 사용하여 정체를 일으키는 메커니즘에 대한 증거를 찾을 수 없었습니다.

단기 수정과 장기 안정성 모두에 대한 증거는 타당했습니다. 생물학자들이 알아낼 수 없었던 것은 정체의 역설을 해결할 수 있는 방식으로 두 현상을 연결하는 방법이었습니다.

플로리다 남부의 나무들 사이에서 설명이 기다리고 있는 것으로 밝혀졌습니다.

아놀 오아시스

카리브해의 청록색 바다와 백사장은 인간만의 천국이 아닙니다. 아놀 도마뱀은 또한 이 열대 섬이 목가적인 안식처임을 발견했습니다. 도마뱀은 적응 방사선이라는 과정을 통해 카리브해 전역으로 퍼졌습니다. 아놀 종은 새로운 섬에 도착했을 때 여러 가지 새로운 종으로 빠르게 진화했으며, 각 종은 서로 다른 서식지를 이용했습니다.

“소진화 과정과 더 긴 시간 규모에서 일어나는 일 사이에는 불일치가 있는 것 같습니다.”라고 말했습니다. Kjetil Lysne Voje, 오슬로 대학 자연사 박물관의 진화 생물학자.

계속해서 섬마다 아놀은 다양한 틈새를 채우기 위해 진화하여 선호하는 서식지에서 생존하는 데 도움이 되는 특징적인 특성을 얻었습니다. 한 종은 질주에 이상적인 긴 다리를 유지했으며 작고 끈적한 발가락 패드를 테라 퍼마에 더 자주 심었습니다. 다른 세 마리는 나무 줄기를 기어 올라갔습니다. 몸이 작은 종은 줄기의 아래쪽 절반을 선호했고, 하나는 큰 발가락 패드를 사용하여 낮은 캐노피로 모험을 떠났고, 다른 하나는 높은 캐노피를 선호했으며 짧은 사지를 진화하여 얇은 가지를 전문적으로 탐색했습니다.

최초의 폭발적인 진화 이후, 도마뱀은 수백만 년 동안 사실상 동일한 상태를 유지했습니다. 그리고 이것이 Losos가 1980년대에 파충류를 연구하기 시작했을 때 발견한 방법입니다.

Losos는 “다양한 유형이 오래 전에 진화한 후 그 자리에 머물렀던 것 같습니다.”라고 말했습니다. “아마도 그 이후부터 그랬던 것 같아요.”

새로운 땅을 개척하는 아놀의 능력은 침입 종이 되기에 매우 적합하도록 만들었습니다. 플로리다에서는 북미산 녹색 아놀(아놀리스 카롤리넨시스)는 수백만 년 동안 나무 줄기 높은 곳에 살면서 낮은 캐노피에 있는 수목 곤충을 잡아먹었습니다. 그러나 지난 세기 동안 쿠바, 히스파니올라, 바하마에서 다른 아놀들이 이 주에 도착했습니다. 갈색 아놀(아놀리스 사그레이) 가장 낮은 나무 줄기에 거주하며 긴 다리를 사용하여 땅 위로 뛰어올라 곤충을 사냥합니다. 몸집이 작은 나무껍질 아놀(아놀리스 디스티쿠스)는 줄기를 따라 기어다니는 개미를 먹는 반면, 더 큰 기사 아놀(아놀리스 승마) 상부 캐노피에서 곤충과 과일을 추적합니다. 각 종은 마이애미에 도착하기 전에 이미 특정 틈새 시장에 적응했습니다. 그들의 생태는 새로운 집에서도 지속되었습니다.

도마뱀 애호가인 Stroud는 자신이 선택한 도시의 파충류학적 잡식 동물을 연구하고 싶었습니다. 그러나 장기적인 현장 연구를 수행하려면 시간이 지남에 따라 아놀을 추적해야 합니다. 도마뱀의 높은 이동성은 큰 문제를 야기했습니다. 사람의 행방을 잃으면 그 사람이 그 지역을 벗어나 이동했는지, 아니면 죽었는지 알 수 없습니다. 마찬가지로 그는 새로 도착한 것이 기존 도마뱀의 자손인지 새로운 이민자인지 구분할 수 없었습니다.

도시를 샅샅이 뒤져 부지를 찾은 후 그는 마이애미의 위치가 페어차일드 열대 식물원 anole이 ersatz 섬에 효과적으로 갇혔기 때문에 이곳을 이상적인 연구 장소로 만들었습니다. 그는 도마뱀이 도착하거나 떠나지 않았다고 확신할 수 있었습니다.

Stroud의 목표는 여러 종에서 여러 세대에 걸쳐 작동하는 자연 선택을 측정하는 것이었습니다. 그는 "많은 도마뱀을 잡아서 측정하고, 그들의 생존이 야생에서 어떻게 진화가 일어나는지에 대해 우리에게 어떤 것을 말해 주는지 확인하고 싶었다"고 말했습니다.

그는 식물원에 있는 1,692개의 아놀(총 XNUMX명)로부터 체형과 크기에 대한 다양한 측정을 수행하는 데 XNUMX년을 보냈습니다. 다리 길이, 머리 크기 및 전체 생존에 대한 수천 개의 데이터 포인트를 수집하기 위해 Stroud는 작은 올가미를 사용하여 각 도마뱀을 캡처한 다음 캘리퍼스로 작업한 후 피부 아래에 작은 마이크로칩을 주입해야 했습니다. 마이크로칩은 그가 각 개별 아놀을 추적할 수 있도록 보장했습니다. 추적기를 감지할 수 없다면 아놀이 죽었을 가능성이 높다는 것을 알았습니다.

“이런 유형의 작업은 한 종에서는 수행하기 어려울 만큼 어렵습니다. 따라서 4종에서 이와 같은 프로젝트를 실행하는 것은 정말 예외적입니다.”라고 말했습니다. 질 앤더슨, 조지아 대학의 진화 생물학자이지만 이번 연구에는 참여하지 않았습니다.

그러나 Stroud가 자신의 데이터를 분석하기 시작했을 때 그는 정체의 역설에 부딪혔습니다.

소음 속의 정체

프로젝트 시작부터 Stroud와 그의 동료들은 선택을 안정화하는 데 관심이 있었습니다. 그들은 자연 선택의 힘이 도마뱀의 특성을 지속적으로 밀고 당겨서 같은 지점에 중심을 유지하는지 확인하고 싶었습니다. 아놀이 수백만 년에 걸쳐 진화적 변화를 거의 보이지 않았다는 것은 그들이 일종의 진화적 정점에 있음을 의미하며 Stroud는 어떤 요인이 그들을 그 상태로 유지하는지 알고 싶었습니다.

그러나 그의 수년간의 데이터는 전혀 안정성을 나타내지 않았습니다. 대신 그는 진화가 환경에 가장 잘 적응하는 특성을 끊임없이 변화시키는 것을 보았습니다. Stroud는 “어떤 한 기간만 살펴보면 안정화된 선택을 거의 볼 수 없습니다.”라고 말했습니다.

그러나 시간이 지남에 따라 이러한 변동성은 평균적으로 정체 상태로 변했습니다. 특성이 한 세대에서 다음 세대로 최적의 적당한 최고점에서 벗어나더라도 안정화의 순 효과가 있었고 궁극적으로 여러 세대에 걸쳐 거의 변화가 발생하지 않았습니다.

Stroud와 그의 팀의 데이터를 검토한 전문가들은 그 철저함과 역설처럼 보이는 문제를 해결하는 능력에 깊은 인상을 받았습니다. 마틴은 “이러한 연구를 통해 누군가가 합리적으로 바랄 수 있는 것보다 데이터가 더 아름답습니다.”라고 말했습니다.

앤더슨은 Stroud의 "매우 멋진" 작업이 그의 사려 깊고 엄격한 연구 설계 덕분에 생물학의 가장 큰 미스터리 중 하나를 해결할 수 있었다고 말했습니다. Stroud는 수년간의 데이터를 통해서만 이러한 변동성에서 정체 상태가 잠재적으로 나타날 수 있는 방법을 알 수 있다고 말했습니다.

Voje는 또한 다음과 같이 칭찬했습니다. “이것은 이러한 관찰 내용 중 일부를 하나로 묶은 훌륭한 연구 사례입니다.”라고 그는 말했습니다.

제프리 코너미시간 주립대학교의 식물학자이자 진화생물학자인 그는 Stroud가 개발한 개념적 틀이 안정화 선택을 설명할 수 있다는 데 동의했습니다. 그러나 그는 Stroud가 확인한 방향 선택의 가변성은 상당히 미미하다고 말했습니다.

하지만 다른 연구실의 최근 연구도 Stroud의 결과를 뒷받침하는 데 도움이 됩니다. 에 발표된 연구 진화 2023년 XNUMX월 연구실에서 앤드류 헨드리맥길대학교의 생태진화생물학자인 그는 17년에 걸쳐 갈라파고스 산타 크루즈 섬에 있는 핀치새 군집의 진화 변화를 연구했습니다. 거기서도 Hendry는 다음과 같은 증거를 발견했습니다. 자연선택의 정기적인 줄다리기 그는 진화 기간 동안 핀치새의 "놀라운 안정성"에 내재된 특성에 대해 말했습니다.

헨드리에게 정체의 역설은 결코 역설이 아니었습니다. 문제는 생물학자들이 장기적인 정체가 단기적인 안정성의 결과라고 가정했다는 것입니다. 그 가정을 버리면 역설이 사라집니다. “역설은 환상에 불과하다”고 그는 말했다. “진화생물학자들은 사물을 생각해내고 그것을 역설이라고 부르는 것을 좋아합니다.”

그는 그것이 설계되기 전의 미시시피 강과 더 비슷하다고 생각한다고 설명했습니다. 그것은 짧은 기간에 걸쳐 작은 지역에서 빠르게 진로를 옮겼지만, 수천만 년 강의 전반적인 여정은 멕시코만으로 이어졌습니다. 마찬가지로, 도마뱀 개체군의 특성은 단기적으로는 다양할 수 있으며 장기적으로는 안정적으로 유지됩니다.

그럼에도 불구하고 17년, 즉 XNUMX년은 진화 시간의 한 방울입니다. 역설을 완전히 해결하려면 과학자들이 대진화와 소진화 사이의 시간 범위(수십, 수백 또는 수천 년)를 연구해야 한다고 Porto는 말했습니다. 그들은 변화와 정체가 모두 나타날 수 있을 만큼 충분히 긴 최적의 지점을 찾아야 한다고 그는 말했습니다. 하지만 현재 생물학자들은 끌어낼 만큼 긴 데이터 세트를 가지고 있지 않습니다.

그렇기 때문에 생태학과 진화 생물학에 대한 장기적인 현장 연구가 점점 더 중요해지고 있다고 Stroud는 말했습니다. 수년에 걸쳐 자신의 연구 장소를 계속해서 방문하지 않았다면 그는 진화 생물학의 주요 가설 중 하나를 설명하기에 충분한 데이터를 결코 얻지 못했을 것입니다.

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