James Stroud gặp vấn đề. Nhà sinh vật học tiến hóa này đã dành nhiều năm nghiên cứu về thằn lằn trên một hòn đảo nhỏ ở Miami. Những cái này nốt ruồi thằn lằn đã trông giống nhau suốt nhiều thiên niên kỷ; rõ ràng là họ đã tiến hóa rất ít trong suốt thời gian đó. Logic nói với Stroud rằng nếu quá trình tiến hóa đã ưu tiên những đặc điểm giống nhau trong hàng triệu năm, thì anh ta sẽ mong đợi sẽ thấy ít hoặc không có thay đổi nào trong một thế hệ.

Ngoại trừ đó không phải là những gì anh ấy tìm thấy. Thay vì sự ổn định, Stroud nhìn thấy sự biến đổi. Có một mùa giải, những con anole chân ngắn sống sót tốt hơn những con khác. Mùa giải tiếp theo, những người có đầu to hơn có thể có lợi thế hơn.

"Tôi đã nhầm lẫn. Tôi không biết chuyện gì đang xảy ra. Tôi nghĩ mình đã làm sai điều gì đó,” Stroud, người lúc đó đang hoàn thành nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Washington ở St. Louis, cho biết. “Rồi mọi chuyện đột nhiên đâu vào đấy và bắt đầu có ý nghĩa.”

Dữ liệu của ông phản ánh một nghịch lý đã khiến các nhà sinh vật học bối rối trong nhiều năm. Về lâu dài, các cực dương có những đặc điểm dường như không thay đổi, một hiện tượng gọi là ứ đọng - có lẽ là do quá trình chọn lọc ổn định, một quá trình thiên về các đặc điểm ôn hòa. Tuy nhiên, trong thời gian ngắn, loài thằn lằn này đã thể hiện sự biến đổi với những đặc điểm dao động. Dữ liệu của Stroud được giải thích tốt hơn bằng cách chọn lọc định hướng, đôi khi ủng hộ những đặc điểm cực đoan dẫn đến sự tiến hóa theo một hướng mới, và những lúc khác dường như không ủng hộ bất cứ điều gì cụ thể.

Bởi vì ông đã theo dõi bốn loài trong ba thế hệ, nên ông có thể chỉ ra rằng mô hình trì trệ lâu dài có thể xuất hiện từ sự chọn lọc biến động ngắn hạn như vậy.

Stroud, người hiện nay cho biết: “Có rất nhiều tiếng ồn, nhưng nhìn chung, nó dẫn đến các mô hình khá ổn định”. điều hành phòng thí nghiệm của riêng mình tại Viện Công nghệ Georgia. Nghiên cứu gần đây đã được xuất bản trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia.

Công trình nghiên cứu của Stroud và các đồng nghiệp giải thích sự biến đổi ngắn hạn có thể dẫn đến sự ổn định lâu dài như thế nào. Arthur Porto, một nhà sinh vật học tiến hóa tại Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Florida, người không tham gia vào nghiên cứu mới.

Porto cho biết: “Nó chứng tỏ rằng chúng ta có thể có được một mô hình tương tự như chọn lọc ổn định, ngay cả khi không có lựa chọn ổn định nào xuất hiện ở khoảng thời gian cho mỗi thế hệ”. Những phát hiện này giúp giải quyết điều mà một số nhà sinh học thất vọng gọi là “nghịch lý của sự ứ đọng”.

Bàn tay vững vàng của tiến hóa?

Khi các nhà lý thuyết tiến hóa ban đầu quan niệm về chọn lọc tự nhiên, họ cho rằng quá trình tiến hóa diễn ra dần dần qua các thời đại rộng lớn. Các loài không tiến hóa qua đêm; chúng phần lớn giữ nguyên và tích lũy những thay đổi qua nhiều thế hệ. Vào năm 1859, Charles Darwin viết: “Chúng ta không thấy những thay đổi chậm chạp này đang diễn ra cho đến khi kim thời gian đánh dấu sự trôi đi lâu dài của các thời đại”.

Những quan sát ban đầu về hồ sơ hóa thạch đã ủng hộ ý tưởng này. Thông thường, các nhà cổ sinh vật học phát hiện ra bằng chứng cho thấy một loài có thể tồn tại lâu dài trong hàng triệu năm, chỉ thay đổi khi buộc phải thích nghi với một số thay đổi môi trường mạnh mẽ. Tuy nhiên, trong hầu hết mọi trường hợp, quá trình tiến hóa dường như diễn ra chậm chạp đến khó chịu, tương đương về mặt sinh học với việc nhìn lớp sơn khô đi.

Các nhà sinh học giải thích quán tính này là sản phẩm của quá trình chọn lọc ổn định, trong đó những đặc điểm trung bình hoặc trung gian luôn được ưa chuộng hơn những đặc điểm cực đoan hơn. Ngay cả những thay đổi nhỏ so với mức “trung bình” cũng sẽ đi kèm với sự sụt giảm mạnh về tỷ lệ sống sót hoặc khả năng sinh sản.

Một ví dụ kinh điển về ổn định chọn lọc xuất phát từ các ghi chép lịch sử về cân nặng khi sinh của con người. Jonathan Losos, một nhà sinh vật học tiến hóa tại Đại học Washington ở St. Louis và cố vấn nghiên cứu của Stroud. Tổng hợp dữ liệu về cân nặng khi sinh vào giữa thế kỷ-20th cho thấy những đứa trẻ có cân nặng trung bình sống sót thường xuyên hơn những đứa trẻ nặng hơn hoặc nhẹ hơn mức trung bình.

Losos cho biết: “Sự trì trệ lâu dài dường như cho thấy sự lựa chọn ổn định”. “Đó là lời giải thích được ưa chuộng nhất.”

Phải đến đầu những năm 1980, các nhà khoa học mới phát triển được các phương pháp có thể thử nghiệm ý tưởng này. Năm 1983, các nhà sinh vật học Russell Lande và Stevan Arnold đã đưa những số liệu thống kê tiên tiến vào nghiên cứu thực địa về tiến hóa, thể hiện ở một mốc sự phát triển giấy làm thế nào các nhà nghiên cứu có thể đo lường tác động của chọn lọc tự nhiên trong một thế hệ. Cách tiếp cận định lượng sự lựa chọn trên các nhóm đặc điểm tương quan, yêu cầu các bộ dữ liệu sinh học rất lớn, đặc biệt là theo tiêu chuẩn của những năm 1980. Tuy nhiên, đây là khuôn khổ thống kê đầu tiên chỉ cho các nhà nghiên cứu cách đo lường các loại chọn lọc tự nhiên khác nhau, bao gồm cả chọn lọc ổn định, trên nhiều đặc điểm, cho biết. Christopher Martin, một nhà sinh vật học tiến hóa tại Đại học California, Berkeley.

Các nhà sinh học tiến hóa nhanh chóng áp dụng phương pháp này. Đại học Princeton Hương thảo và Peter Grant đã sử dụng phương pháp này trong nghiên cứu nổi tiếng của họ về loài chim sẻ của Darwin trên đảo Daphne Major ở Galápagos. Nghiên cứu của họ, bắt đầu vào năm 1973 và tiếp tục cho đến ngày nay, đã theo dõi quần thể chim sẻ đất trung bình (Pháo đài địa chất) qua một đợt hạn hán nghiêm trọng bắt đầu vào năm 1977. Đó là khi thực vật ở Daphne Major ngừng sản xuất những hạt giống nhỏ mà loài chim dựa vào; chỉ còn lại những hạt dày.

Với ít thức ăn, số lượng chim sẻ đã giảm mạnh từ 1,400 cá thể xuống còn vài trăm chỉ trong hai năm. Sau đó, Grants theo dõi quần thể phục hồi trong khi thực hiện các phép đo cẩn thận về đặc điểm của loài chim. Họ nhận thấy những con chim sống sót có mỏ lớn hơn phù hợp với hạt lớn hơn: Độ sâu trung bình của mỏ đã tăng từ 9.2 mm lên 9.9 mm – thay đổi hơn 7%.

Như đã nói, sự thay đổi lượng mưa hàng năm đã nhanh chóng dẫn đến sự thay đổi mỏ của loài chim. Công trình của Grants đã trở thành một ví dụ điển hình về sự tiến hóa trong thực tế. Họ đã xác định được bằng chứng rõ ràng, nếu thường là tinh tế, về đẩy và kéo định hướng của sự tiến hóa tác động lên các tính trạng. Và họ không đơn độc: Một khi các nhà nghiên cứu có các công cụ thống kê để theo dõi quá trình tiến hóa diễn ra, dường như ở mọi nơi họ nhìn, họ đều có thể thấy sự chọn lọc tự nhiên diễn ra trong những khoảng thời gian rất ngắn.

Những nghiên cứu như vậy đã thách thức quan điểm cho rằng quá trình tiến hóa diễn ra thông qua những thay đổi chậm chạp, không thể nhận thấy trong khoảng thời gian rộng lớn. Matt Pennell, một nhà sinh vật học tiến hóa tại Đại học Nam California. Thay đổi có thể - và đã - xảy ra nhanh chóng.

Vấn đề nằm ở đó. Nếu có đủ thời gian, ngay cả những lực kéo nhỏ nhất cũng sẽ mang lại sự thay đổi có thể đo lường được trong các đặc điểm có thể quan sát được của sinh vật. Pennell cho biết, nếu những thay đổi về kích thước mỏ mà Grants quan sát được tiếp tục trong nhiều thiên niên kỷ, thì các phép tính tổng quát đã dự đoán một số hiện tượng cực đoan. “Bạn có thể mong đợi những con chim sẻ nặng khoảng 40 kg. Điều này thật vô nghĩa.”

Hơn nữa, khi các bằng chứng về chọn lọc định hướng ngày càng chồng chất, có rất ít bằng chứng xuất hiện về phía lựa chọn ổn định. Các mẫu hóa thạch cho thấy rõ ràng sự ổn định về đặc điểm theo thời gian. Nhưng với các công cụ thống kê mới của họ, các nhà sinh học tiến hóa không thể tìm thấy bằng chứng về cơ chế tạo ra sự ứ đọng.

Bằng chứng cho cả sự điều chỉnh ngắn hạn và sự ổn định lâu dài đều có cơ sở. Điều mà các nhà sinh vật học không thể tìm ra là làm thế nào để liên kết hai hiện tượng này theo cách có thể giải quyết được nghịch lý ứ đọng này.

Hóa ra, một lời giải thích đang chờ đợi giữa những tán cây ở Nam Florida.

Ốc đảo Anole

Vùng nước màu ngọc lam và bãi cát trắng của vùng Caribe không phải là thiên đường chỉ dành cho con người. Thằn lằn Anole cũng coi những hòn đảo nhiệt đới này là nơi trú ẩn bình dị. Những con thằn lằn đã lan rộng khắp vùng Caribe thông qua một quá trình gọi là bức xạ thích ứng. Khi một loài anole đến một hòn đảo mới, nó nhanh chóng tiến hóa thành nhiều loài mới, mỗi loài tận dụng một môi trường sống khác nhau.

“Dường như có sự không phù hợp giữa các quá trình vi tiến hóa và những gì đang diễn ra trong khoảng thời gian dài hơn,” cho biết. Kjetil Lysne Voje, một nhà sinh vật học tiến hóa tại Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên tại Đại học Oslo.

Hết lần này đến lần khác, hết hòn đảo này đến hòn đảo khác, loài anole đã tiến hóa để lấp đầy những hốc khác nhau, đạt được những bộ đặc điểm đặc trưng để giúp chúng tồn tại trong môi trường sống ưa thích của chúng. Một loài có đôi chân dài - lý tưởng để chạy nước rút - và những miếng đệm ngón chân nhỏ, dính thường được trồng trên đất liền. Ba loài khác leo lên thân cây: một loài thân nhỏ thích nửa dưới của thân cây, một loài mạo hiểm vào tán thấp trên các miếng đệm ngón chân cái và một loài thích tán cao, phát triển các chi ngắn để điều hướng các cành mỏng một cách thành thạo.

Sau đợt tiến hóa ban đầu đó, loài thằn lằn hầu như vẫn giống hệt nhau qua hàng triệu năm. Và đó là cách Losos tìm thấy chúng khi ông bắt đầu nghiên cứu các loài bò sát vào những năm 1980.

Losos nói: “Các loại khác nhau dường như đã tiến hóa từ lâu và sau đó mắc kẹt ở đó. “Có lẽ họ đã như vậy kể từ đó.”

Khả năng xâm chiếm vùng đất mới của loài Anoles khiến chúng rất thích hợp để trở thành loài xâm lấn. Ở Florida, loài anole xanh bản địa ở Bắc Mỹ (anolis carolinensis) đã sống trên thân cây cao, tiêu thụ côn trùng sống trong tán cây thấp trong hàng triệu năm. Tuy nhiên, trong thế kỷ qua, các loài Anole khác đã đến bang này từ Cuba, Hispaniola và Bahamas. Cực dương màu nâu (Anolis sagrei) sống ở những thân cây thấp nhất, dùng đôi chân dài nhảy xuống đất để săn côn trùng. Anole vỏ thân nhỏ (Anolis distichus) ăn kiến ​​bò dọc theo thân cây, trong khi loài anole hiệp sĩ lớn hơn (Anolis cưỡi ngựa) đuổi côn trùng và trái cây ở tán trên. Mỗi loài đã thích nghi với vị trí thích hợp cụ thể của nó trước khi đến Miami. Hệ sinh thái của họ vẫn tồn tại trong ngôi nhà mới của họ.

Là một người đam mê thằn lằn, Stroud muốn nghiên cứu món ăn ngon về bò sát của thành phố nơi anh nuôi dưỡng. Tuy nhiên, để tiến hành một nghiên cứu thực địa dài hạn, anh ta cần phải theo dõi các cực dương theo thời gian. Khả năng di chuyển cao của thằn lằn đặt ra một vấn đề lớn. Nếu anh ta mất dấu một cá thể, anh ta sẽ không biết liệu nó đã di chuyển ra khỏi khu vực hay đã chết. Cũng bực bội không kém, anh ta sẽ không thể biết liệu những người mới đến là con của những con thằn lằn hiện có hay những người nhập cư mới.

Sau khi lùng sục khắp thành phố để tìm địa điểm, anh nhận ra rằng vị trí của Miami Vườn bách thảo nhiệt đới Fairchild khiến nơi đây trở thành địa điểm nghiên cứu lý tưởng vì các cực dương đã bị mắc kẹt một cách hiệu quả trên đảo ersatz. Anh ta có thể tin chắc rằng không có con thằn lằn nào đến hay rời đi.

Mục tiêu của Stroud là đo lường sự chọn lọc tự nhiên diễn ra qua nhiều thế hệ ở nhiều loài. Anh ấy muốn “bắt thật nhiều thằn lằn và đo lường chúng và xem liệu sự sống sót của chúng có cho chúng ta biết điều gì về quá trình tiến hóa diễn ra trong tự nhiên hay không,” anh nói.

Ông đã dành ba năm để thực hiện nhiều phép đo về hình dạng và kích thước cơ thể từ bốn cực được coi là ngôi nhà của vườn thực vật - tổng cộng 1,692 cá thể. Để thu thập hàng nghìn điểm dữ liệu về chiều dài chân, kích thước đầu và tỷ lệ sống sót tổng thể, Stroud phải bắt từng con thằn lằn bằng một sợi dây thòng lọng nhỏ, sau đó bắt đầu làm việc với thước kẹp trước khi tiêm một con vi mạch nhỏ vào dưới da của nó. Con vi mạch đảm bảo rằng anh ta có thể theo dõi từng cực dương riêng lẻ. Nếu anh ta không thể phát hiện ra thiết bị theo dõi, anh ta biết rằng con Anole có thể đã chết.

“Loại công việc này đủ khó để thực hiện ở một loài. Vì vậy, việc thực hiện một dự án như thế này ở bốn loài thực sự rất đặc biệt”, ông nói. Jill Anderson, một nhà sinh vật học tiến hóa tại Đại học Georgia, người không tham gia vào nghiên cứu.

Tuy nhiên, khi Stroud bắt đầu phân tích dữ liệu của mình, anh gặp phải nghịch lý về sự trì trệ.

Sự ứ đọng trong tiếng ồn

Ngay từ khi bắt đầu dự án, Stroud và các đồng nghiệp đã quan tâm đến việc ổn định chọn lọc. Họ muốn xem liệu các lực chọn lọc tự nhiên có liên tục thúc đẩy và kéo các đặc điểm của thằn lằn để giữ chúng tập trung vào cùng một điểm hay không. Việc các cực dương cho thấy rất ít sự thay đổi về mặt tiến hóa trong hàng triệu năm cho thấy rằng chúng đang ở trên một đỉnh cao tiến hóa nào đó và Stroud muốn xem yếu tố nào đã giữ chúng ở đó.

Tuy nhiên, dữ liệu trong nhiều năm của ông không hề cho thấy sự ổn định chút nào. Thay vào đó, ông nhận thấy quá trình tiến hóa liên tục thay đổi những đặc điểm thích nghi tốt nhất với môi trường. Stroud nói: “Nếu chúng ta nhìn vào bất kỳ thời kỳ nào, chúng ta rất hiếm khi thấy sự chọn lọc ổn định”.

Tuy nhiên, theo thời gian, sự biến đổi đó dần dần chuyển sang trạng thái ứ đọng. Ngay cả khi các đặc điểm dao động khỏi mức tối ưu, vừa phải từ thế hệ này sang thế hệ tiếp theo, thì vẫn có tác động ổn định ròng - cuối cùng dẫn đến ít thay đổi qua nhiều thế hệ.

Các chuyên gia xem xét dữ liệu của Stroud và nhóm của ông đã rất ấn tượng bởi tính kỹ lưỡng và khả năng giải quyết nghịch lý dường như của nó. Martin nói: “Dữ liệu đẹp hơn bất kỳ ai có thể hy vọng một cách hợp lý khi thực hiện một nghiên cứu như thế này”.

Anderson cho rằng công trình “cực hay” của Stroud có thể giải đáp một trong những bí ẩn lớn nhất của sinh học nhờ thiết kế nghiên cứu chu đáo và nghiêm ngặt của ông. Cô nói, chỉ với dữ liệu có giá trị trong nhiều năm, Stroud mới có thể thấy được sự ổn định có thể xuất hiện như thế nào từ sự biến đổi như vậy.

Voje cũng đưa ra lời khen ngợi: “Đây là một ví dụ tuyệt vời về công việc gắn kết một số quan sát này lại với nhau,” ông nói.

Jeffrey Conner, một nhà thực vật học và nhà sinh học tiến hóa tại Đại học bang Michigan, đồng ý rằng khung khái niệm mà Stroud phát triển có thể giải thích sự ổn định của chọn lọc. Tuy nhiên, ông nói rằng sự biến đổi trong chọn lọc định hướng mà Stroud xác định là khá nhỏ.

Tuy nhiên, nghiên cứu gần đây từ các phòng thí nghiệm khác cũng giúp hỗ trợ kết quả của Stroud. Một nghiên cứu được công bố trên sự phát triển vào tháng 2023 năm XNUMX từ phòng thí nghiệm của Andrew Hendry, một nhà sinh vật học tiến hóa sinh thái tại Đại học McGill, đã nghiên cứu những thay đổi tiến hóa trong cộng đồng chim sẻ trên đảo Galápagos của Santa Cruz trong hơn 17 năm. Ở đó, Hendry cũng tìm thấy bằng chứng về cuộc giằng co thường xuyên của chọn lọc tự nhiên ông nói về những đặc điểm gắn liền với “sự ổn định đáng chú ý” của loài chim sẻ trong thời gian tiến hóa.

Đối với Hendry, nghịch lý của sự ứ đọng chưa bao giờ là nghịch lý cả. Ông nói, vấn đề là các nhà sinh học cho rằng tình trạng ứ đọng lâu dài là kết quả của sự ổn định ngắn hạn. Hãy vứt bỏ giả định đó và nghịch lý sẽ biến mất. “Nghịch lý là ảo tưởng,” ông nói. “Các nhà sinh học tiến hóa thích nghĩ ra nhiều thứ và gọi chúng là nghịch lý.”

Ông giải thích rằng hãy nghĩ về nó giống như sông Mississippi trước khi nó được thiết kế. Nó nhanh chóng chuyển hướng trong các khu vực nhỏ trong thời gian ngắn, tuy nhiên trong hàng chục triệu năm hành trình tổng thể của con sông đã dẫn đến Vịnh Mexico. Tương tự, các đặc điểm của quần thể thằn lằn có thể thay đổi trong thời gian ngắn và ổn định trong thời gian dài.

Tuy nhiên, ba năm - hay 17 năm - chỉ là một khoảng thời gian ngắn ngủi trong quá trình tiến hóa. Porto cho biết, việc giải quyết hoàn toàn nghịch lý này sẽ đòi hỏi các nhà khoa học phải nghiên cứu các khoảng thời gian giữa tiến hóa vĩ mô và vi mô – ở quy mô hàng chục, hàng trăm hoặc hàng nghìn năm. Ông nói, họ cần tìm một điểm phù hợp đủ lâu để cho phép cả sự thay đổi và sự trì trệ xuất hiện, mặc dù hiện tại các nhà sinh vật học không có bộ dữ liệu đủ dài để rút ra.

Đó là lý do tại sao các nghiên cứu thực địa dài hạn về sinh thái học và sinh học tiến hóa ngày càng trở nên quan trọng, Stroud nói. Nếu không quay lại địa điểm nghiên cứu của mình nhiều lần trong suốt nhiều năm, anh ấy sẽ không bao giờ có được đủ dữ liệu để giải quyết một trong những giả thuyết chính của sinh học tiến hóa.

Quanta đang tiến hành một loạt cuộc khảo sát để phục vụ khán giả của chúng tôi tốt hơn. Lấy của chúng tôi khảo sát độc giả sinh học và bạn sẽ được tham gia để giành chiến thắng miễn phí Quanta hàng hóa.