James Stroud had een probleem. De evolutiebioloog had jarenlang hagedissen bestudeerd op een klein eiland in Miami. Deze anolen hagedissen zagen er al duizenden jaren hetzelfde uit; ze waren in al die tijd blijkbaar heel weinig geëvolueerd. Logica vertelde Stroud dat als de evolutie gedurende miljoenen jaren dezelfde eigenschappen had bevoordeeld, hij zou verwachten dat er binnen één generatie weinig tot geen verandering zou optreden.

Alleen is dat niet wat hij heeft gevonden. In plaats van stabiliteit zag Stroud variabiliteit. Het ene seizoen overleefden anoles met kortere benen beter dan de andere. Het volgende seizoen kunnen degenen met grotere hoofden een voordeel hebben.

"Ik was in de war. Ik wist niet wat er aan de hand was. Ik dacht dat ik iets verkeerd deed”, zei Stroud, die op dat moment een postdoc aan de Washington University in St. Louis voltooide. “Toen viel alles plotseling op zijn plaats en begon het logisch te worden.”

Zijn gegevens weerspiegelden een paradox die biologen jarenlang had belemmerd. Op de lange termijn hadden de anoles eigenschappen die hetzelfde leken te blijven, een fenomeen dat stasis wordt genoemd – vermoedelijk veroorzaakt door het stabiliseren van selectie, een proces dat gematigde eigenschappen bevordert. Op de korte termijn vertoonden de hagedissen echter variatie, met wisselende eigenschappen. De gegevens van Stroud konden beter worden verklaard door directionele selectie, die soms de voorkeur geeft aan extreme eigenschappen die de evolutie in een nieuwe richting leiden, en andere keren niets bijzonders lijkt te bevoordelen.

Omdat hij vier soorten drie generaties lang had gevolgd, kon hij aantonen dat uit een dergelijke fluctuerende selectie op de korte termijn een langdurig patroon van stilstand kon ontstaan.

"Er is veel ruis, maar over het algemeen leidt het tot redelijk stabiele patronen", zegt Stroud, die nu werkt runt zijn eigen laboratorium aan het Georgia Institute of Technology. De studie werd onlangs gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences.

Het werk van Stroud en zijn collega’s legt uit hoe variabiliteit op de korte termijn kan leiden tot stabiliteit op de lange termijn Arthur Porto, een evolutiebioloog bij het Florida Museum of Natural History die niet betrokken was bij het nieuwe onderzoek.

“Het laat zien dat we een patroon kunnen verkrijgen dat lijkt op stabiliserende selectie, zelfs als er geen stabiliserende selectie optreedt op een tijdschaal per generatie”, aldus Porto. De bevindingen helpen bij het oplossen van wat sommige gefrustreerde biologen ‘de paradox van stilstand’ noemen.

De vaste hand van de evolutie?

Toen vroege evolutietheoretici natuurlijke selectie bedachten, gingen ze ervan uit dat het evolutionaire proces zich geleidelijk over grote tijdperken afspeelt. Soorten evolueren niet van de ene op de andere dag; ze blijven grotendeels hetzelfde en accumuleren veranderingen gedurende vele generaties. In 1859 schreef Charles Darwin: ‘We zien niets van deze langzame veranderingen, totdat de tijd het lange verstrijken van de eeuwen heeft gemarkeerd.’

Vroege observaties van het fossielenbestand ondersteunden dit idee. Vaak ontdekten paleontologen bewijs dat een soort gedurende miljoenen jaren kan blijven stagneren en pas kan veranderen wanneer hij wordt gedwongen zich aan te passen aan een of andere dramatische verandering in het milieu. Meestal leek het evolutieproces echter pijnlijk langzaam, het biologische equivalent van het zien drogen van verf.

Biologen verklaarden deze traagheid als het product van een stabiliserende selectie, waarbij gemiddelde of tussenliggende kenmerken consequent de voorkeur krijgen boven extremere kenmerken. Zelfs kleine verschuivingen ten opzichte van het “gemiddelde” zouden gepaard gaan met een scherpe daling van de overlevingskansen of de vruchtbaarheid.

Een klassiek voorbeeld van het stabiliseren van selectie komt uit historische gegevens over het geboortegewicht van mensen Jonathan Losos, een evolutiebioloog aan de Washington University in St. Louis en de onderzoeksadviseur van Stroud. Compilaties van geboortegewichtgegevens in het midden van de eeuw 20th toonde aan dat baby's met een gemiddeld gewicht vaker overleefden dan baby's die zwaarder of lichter waren dan gemiddeld.

“Langdurige stilstand lijkt erop te wijzen dat de selectie wordt gestabiliseerd”, zegt Losos. “Het is de meest favoriete verklaring.”

Pas begin jaren tachtig ontwikkelden wetenschappers methoden die dit idee konden testen. In 1980 brachten de biologen Russell Lande en Stevan Arnold geavanceerde statistieken naar evolutionaire veldstudies, wat aantoonde een mijlpaal Stap papier hoe onderzoekers de impact van natuurlijke selectie binnen één generatie konden meten. De aanpak, die de selectie op groepen gecorreleerde eigenschappen kwantificeerde, vereiste biologische datasets die erg groot waren, vooral naar de maatstaven van de jaren tachtig. Toch was het het eerste statistische raamwerk dat onderzoekers liet zien hoe ze verschillende soorten natuurlijke selectie, inclusief stabiliserende selectie, op meerdere eigenschappen konden meten. Christopher Martin, een evolutiebioloog aan de Universiteit van Californië, Berkeley.

Evolutiebiologen hebben deze aanpak snel overgenomen. Universiteit van Princeton Rozemarijn en Peter Grant gebruikten de methode in hun beroemde studies van Darwins vinken op het eiland Daphne Major in de Galápagos. Hun onderzoek, dat in 1973 begon en tot op de dag van vandaag voortduurt, volgde een populatie van de middelgrote grondvink (Geospiza fortis) door een ernstige droogte die in 1977 begon. Toen stopten de planten van Daphne Major met het produceren van de kleine zaadjes waarvan de vogels afhankelijk waren; alleen dikke zaden bleven over.

Door weinig voedsel daalde de vinkenpopulatie in slechts twee jaar tijd van 1,400 exemplaren naar een paar honderd. Vervolgens zagen de Grants hoe de populatie zich herstelde terwijl ze zorgvuldig de eigenschappen van de vogels maten. De vogels die het overleefden, zo ontdekten ze, hadden grotere snavels die geschikt waren voor de grotere zaden: de gemiddelde snaveldiepte was toegenomen van 9.2 mm naar 9.9 mm – een verandering van meer dan 7%.

Alles bij elkaar had een verschuiving in de jaarlijkse regenval snel geleid tot een verandering in de snavels van de vogels. Het werk van de Grants werd een klassiek voorbeeld van evolutie in actie. Ze hadden duidelijke, zij het vaak subtiele, bewijzen gevonden van de richtingsduwen en trekken van evolutie die inwerkt op eigenschappen. En ze waren niet de enigen: toen onderzoekers eenmaal over de statistische hulpmiddelen beschikten om de evolutie te volgen, leek het erop dat ze overal waar ze keken, natuurlijke selectie met zeer korte tussenpozen konden zien optreden.

Dergelijke studies daagden het idee uit dat de evolutie verloopt via langzame, onmerkbare veranderingen over een groot tijdsbestek Matt Pennell, een evolutiebioloog aan de Universiteit van Zuid-Californië. Verandering kon – en gebeurde – snel.

Daarin lag het probleem. Met voldoende tijd zouden zelfs de kleinste sleepboten een meetbare verandering in de waarneembare kenmerken van een organisme teweeg moeten brengen. Als de veranderingen in de snavelgrootte die de Grants observeerden zich gedurende millennia voortzetten, voorspelden berekeningen op de achterkant van de envelop een aantal extreme verschijnselen, zei Pennell. “Je zou vinken verwachten die zo’n 40 kilogram wogen. Dit heeft gewoon geen zin.”

Bovendien kwam er, naarmate het bewijsmateriaal voor directionele selectie zich opstapelde, weinig bewijs naar voren dat de selectie stabiliseerde. Het fossielenbestand vertoonde duidelijk stagnatie in eigenschappen in de loop van de tijd. Maar met hun nieuwe statistische hulpmiddelen konden evolutiebiologen geen bewijs vinden voor een mechanisme dat stilstand zou veroorzaken.

Het bewijs voor zowel kortetermijnverandering als stabiliteit op de lange termijn was solide. Wat biologen niet konden bedenken, was hoe ze de twee verschijnselen met elkaar konden verbinden op een manier die deze paradox van stilstand kon oplossen.

Een verklaring, zo bleek, lag te wachten tussen de bomen van Zuid-Florida.

Een Anole-oase

De turquoise wateren en het witte zand van het Caribisch gebied zijn niet alleen een paradijs voor mensen. Anole-hagedissen hebben deze tropische eilanden ook als idyllische toevluchtsoorden ervaren. De hagedissen hebben zich over het Caribisch gebied verspreid via een proces dat adaptieve straling wordt genoemd. Toen een anolesoort op een nieuw eiland arriveerde, evolueerde deze snel tot verschillende nieuwe soorten, die elk gebruik maakten van een andere habitat.

“Er lijkt een discrepantie te bestaan ​​tussen micro-evolutionaire processen en wat er gaande is op langere tijdschalen,” zei Kjetil Lysne Voje, een evolutiebioloog bij het Natuurhistorisch Museum van de Universiteit van Oslo.

Keer op keer, op eiland na eiland, evolueerden de anoles om verschillende niches te vullen, waarbij ze karakteristieke eigenschappen kregen om te helpen overleven in hun favoriete habitat. Eén soort had lange poten – ideaal om te sprinten – en kleine, plakkerige teenkussentjes werden vaker op vaste grond geplant. Drie anderen renden tegen boomstammen op: een soort met een klein lichaam die de voorkeur gaf aan de onderste helft van de stam, een die zich met grote teenkussens in het lage bladerdak waagde, en een die de voorkeur gaf aan het hoge bladerdak, waarbij hij korte ledematen ontwikkelde om vakkundig door dunne takken te navigeren.

Na die eerste uitbarsting van evolutie bleven de hagedissen gedurende miljoenen jaren vrijwel identiek. En zo vond Losos ze toen hij in de jaren tachtig de reptielen begon te bestuderen.

“De verschillende typen lijken lang geleden te zijn geëvolueerd en daar vervolgens te zijn blijven hangen”, zegt Losos. “Vermoedelijk zijn ze sindsdien zo geweest.”

Het vermogen van de anoles om nieuw land te koloniseren maakte ze zeer geschikt om invasieve soorten te worden. In Florida wordt de inheemse Noord-Amerikaanse groene anole (Anolis Carolinensis) leeft al miljoenen jaren hoog op boomstammen en eet boominsecten in het lage bladerdak. In de afgelopen eeuw zijn er echter andere anoles vanuit Cuba, Hispaniola en de Bahama's in de staat aangekomen. De bruine anole (Anolis Sagrei) verblijft op de onderste boomstammen en gebruikt zijn lange poten om op de grond te springen om op insecten te jagen. De schors-anole met een klein lichaam (Anolis distichus) eet mieren die langs stammen kruipen, terwijl de grotere ridderanole (Anolis Equestris) achtervolgt insecten en fruit in het bovenste bladerdak. Elke soort had zich al aangepast aan zijn specifieke niche voordat hij in Miami arriveerde. Hun ecologie bleef bestaan ​​in hun nieuwe huis.

Als hagedissenliefhebber wilde Stroud het herpetologische smorgasbord van zijn geadopteerde stad bestuderen. Om een ​​langdurig veldonderzoek uit te voeren, zou hij de anoles echter in de loop van de tijd moeten volgen. De hoge mobiliteit van de hagedissen vormde een groot probleem. Als hij iemand uit het oog zou verliezen, zou hij niet weten of deze het gebied had verlaten of was overleden. Net zo frustrerend was dat hij niet zou kunnen zeggen of de nieuwkomers de nakomelingen waren van bestaande hagedissen of van nieuwe immigranten.

Nadat hij de stad had doorzocht op zoek naar locaties, realiseerde hij zich dat de locatie van Miami was Tropische Botanische Tuin Fairchild maakte het tot een ideale studieplek omdat de anoles effectief vastzaten op het ersatz-eiland. Hij kon erop vertrouwen dat er geen hagedissen waren aangekomen of vertrokken.

Het doel van Stroud was om de natuurlijke selectie te meten die over meerdere generaties bij meerdere soorten plaatsvindt. Hij wilde “veel hagedissen vangen en meten en zien of hun overleving ons iets vertelde over hoe evolutie in het wild plaatsvindt”, zei hij.

Hij heeft drie jaar lang verschillende maten van lichaamsvorm en -grootte genomen van de vier anolissen die de botanische tuin tot hun thuis noemen – in totaal 1,692 individuen. Om duizenden gegevenspunten te verzamelen over de beenlengte, de hoofdomvang en de algehele overleving, moest Stroud elke hagedis vangen met een kleine lasso en vervolgens aan de slag gaan met remklauwen voordat hij een kleine microchip onder zijn huid injecteerde. De microchip zorgde ervoor dat hij elke individuele anole kon volgen. Als hij geen tracker kon detecteren, wist hij dat de anole waarschijnlijk was gestorven.

“Dit soort werk is al moeilijk genoeg om bij één soort te doen. Het is dus echt uitzonderlijk om een ​​project als dit in vier soorten uit te voeren”, zegt hij Jill Anderson, een evolutiebioloog aan de Universiteit van Georgia die niet bij het onderzoek betrokken was.

Toen Stroud echter zijn gegevens begon te analyseren, stuitte hij op de paradox van stilstand.

Stasis in het lawaai

Vanaf het begin van het project waren Stroud en zijn collega's geïnteresseerd in het stabiliseren van de selectie. Ze wilden zien of de krachten van natuurlijke selectie de eigenschappen van de hagedissen voortdurend duwden en trokken om ze op hetzelfde punt gecentreerd te houden. Dat de anoles in de loop van miljoenen jaren weinig evolutionaire veranderingen hadden laten zien, gaf aan dat ze zich op een soort evolutionaire piek bevonden, en Stroud wilde zien welke factoren hen daar hielden.

Zijn jarenlange gegevens lieten echter helemaal geen stabiliteit zien. In plaats daarvan zag hij dat de evolutie voortdurend de eigenschappen veranderde die het beste aan de omgeving waren aangepast. “Als we naar één periode op zichzelf kijken, zien we zeer zelden een stabiliserende selectie”, aldus Stroud.

In de loop van de tijd is die variabiliteit echter uitgelopen tot stilstand. Zelfs als eigenschappen van de ene generatie op de andere hun optimale, gematigde piek verlieten, was er een netto-effect van stabilisatie – wat uiteindelijk leidde tot weinig verandering over de meerdere generaties heen.

Deskundigen die de gegevens van Stroud en zijn team beoordeelden, waren onder de indruk van de grondigheid ervan en het vermogen om de schijnbare paradox op te lossen. “De gegevens zijn mooier dan iemand redelijkerwijs zou kunnen hopen bij een onderzoek als dit,” zei Martin.

Anderson zei dat Strouds ‘supercoole’ werk een van de grootste mysteries van de biologie kon aanpakken vanwege zijn doordachte en rigoureuze onderzoeksontwerp. Alleen met de gegevens van vele jaren, zei ze, kon Stroud zien hoe stilstand uit een dergelijke variabiliteit zou kunnen voortkomen.

Voje was ook lovend: “Dit is een uitstekend voorbeeld van werk dat een aantal van deze observaties met elkaar verbindt”, zei hij.

Jeffrey Conner, een botanicus en evolutiebioloog aan de Michigan State University, was het ermee eens dat het conceptuele raamwerk dat Stroud ontwikkelde de stabiliserende selectie kan verklaren. Hij zei echter dat de variabiliteit in de richtingsselectie die Stroud identificeerde tamelijk minimaal was.

Toch helpt recent onderzoek van andere laboratoria ook de resultaten van Stroud te ondersteunen. Een studie gepubliceerd in Stap in september 2023 uit het laboratorium van Andreas Hendry, een eco-evolutionair bioloog aan de McGill University, bestudeerde zeventien jaar lang evolutionaire veranderingen in een gemeenschap van vinken op het Galápagos-eiland Santa Cruz. Ook daar vond Hendry bewijs van het reguliere getouwtrek van natuurlijke selectie op eigenschappen die ingebed waren in een ‘opmerkelijke stabiliteit’, zei hij, van de vinken gedurende de evolutionaire tijd.

Voor Hendry was de paradox van stilstand helemaal geen paradox. Het probleem, zei hij, was dat biologen ervan uitgingen dat langdurige stagnatie het gevolg was van stabiliteit op de korte termijn. Gooi die veronderstelling weg en de paradox verdwijnt. ‘De paradox is een illusie’, zei hij. “Evolutionaire biologen bedenken graag dingen en noemen ze paradoxen.”

Zie het meer als de rivier de Mississippi voordat deze werd aangelegd, legde hij uit. Het veranderde snel van koers in kleine gebieden gedurende korte perioden, en toch voor tientallen miljoenen jaren De totale reis van de rivier leidde naar de Golf van Mexico. Op dezelfde manier kunnen de eigenschappen van een hagedispopulatie op de korte termijn variëren en op de lange termijn stabiel blijven.

Toch zijn drie jaar – of zeventien – slechts een druppel in de emmer van de evolutionaire tijd. Om de paradox volledig op te lossen, zullen wetenschappers de tijdspannes tussen macro- en micro-evolutie moeten bestuderen, zei Porto – op de schaal van tientallen, honderden of duizenden jaren. Ze moeten een goede plek vinden die lang genoeg is om zowel verandering als stilstand mogelijk te maken, zei hij, hoewel biologen op dit moment niet over voldoende gegevens beschikken om uit te putten.

Dat is de reden waarom veldstudies op de lange termijn in de ecologie en de evolutionaire biologie steeds belangrijker worden, zei Stroud. Zonder jarenlang steeds weer naar zijn studieplek terug te keren, zou hij nooit genoeg gegevens hebben verkregen om een ​​van de belangrijkste hypothesen van de evolutionaire biologie te kunnen beantwoorden.

Quanta voert een reeks onderzoeken uit om ons publiek beter van dienst te zijn. Neem onze lezersenquête biologie en je doet mee om gratis te winnen Quanta handelswaar.