Hvordan grænser bliver til broer i evolutionen

Hvordan grænser bliver til broer i evolutionen
Hvordan grænser bliver til broer i evolutionen
Anonim

Der er et paradoks inden for evolutionsteorien: De livsformer, der eksisterer i dag, er her, fordi de var i stand til at ændre sig, da tidligere miljøer forsvandt. Alligevel udvikler organismer sig til at passe ind i specifikke miljønicher.

"Stadig stigende specialisering og præcision burde være en evolutionær blindgyde, men det er ikke tilfældet. Hvordan evnen til at passe præcist ind i en aktuel setting forenes med evnen til at ændre er det mest grundlæggende spørgsmål i evolutionær biologi," siger Alex Badyaev, professor i økologi og evolutionsbiologi ved University of Arizona.

Badyaev er medforfatter til et papir offentliggjort i Nature Communications, der foreslår en forklaring baseret på udviklingen af farverige pigmenter i fuglefjer i hele Nordamerika. Han skrev papiret sammen med to tidligere kandidatstuderende - hovedforfatter Ahva Potticary, nu underviser i UArizona, og Erin Morrison, nu assisterende professor ved New York University.

Der er to generelle mulige løsninger, ifølge Badyaev. For det første er de mekanismer, der gør det muligt for organismer at passe godt ind i deres nuværende miljø, og de mekanismer, der muliggør ændringer i tilpasninger, forskellige - sidstnævnte undertrykkes, efterhånden som organismer passer bedre og bedre ind i deres nuværende omgivelser og aktiveres kun, når miljøet ændrer sig. Den anden er, at de mekanismer, der får organismer til at passe ind i de nuværende miljøer, selv modificeres under evolutionen.

"Det er udfordrende at skelne mellem disse muligheder, fordi vi i evolutionær biologi nødvendigvis studerer processer, der fandt sted i fortiden, de begivenheder, som vi gik glip af," sagde han."Så i stedet udleder vi, hvad vi gik glip af fra sammenligninger af arter, der eksisterer i dag. Selvom denne tilgang kan fortælle os, hvor godt de nuværende organismer passer ind i deres nuværende miljø, kan den ikke fortælle os, hvordan de kom hertil."

I sidste ende blev det første scenarie understøttet af forskernes arbejde. De mekanismer, der gør organismer lok alt egnede og dem, der er ansvarlige for forandring, er forskellige og forekommer sekventielt i evolutionen.

Carotenoid Clues

Badyaev og hans team havde til formål direkte at observere tilpasning til nye miljøer i aktion, mens de specifikt var opmærksomme på de involverede mekanismer. Muligheden blev givet af husfinken, en allestedsnærværende Sonoran-ørkenfugl, der i løbet af det sidste århundrede har spredt sig over det meste af Nordamerika og nu optager de største økologiske områder af enhver levende fugleart.

Fugle farver sig selv ved at spise og integrere pigmenterede molekyler kaldet carotenoider i deres fjer.

"Carotenoider er store molekyler, og at proppe dem ind i voksende fjer er en rodet proces, der resulterer i alle slags strukturelle ændringer og afvigelser til fjer," sagde Badyaev. "Dette giver en unik mulighed for at studere, hvordan velkarakteriserede udviklingsmekanismer, der producerer en indviklet fjer, udvikler sig sammen med uforudsigelige eksterne input, der er nødvendige for at farve dem."

I fjer, hvor strukturel integritet er essentiel, såsom temperaturregulerende dun- eller svingfjer, udvikler mekanismer sig, der støder fjervækst fra inkorporering af carotenoider. Af denne grund er svingfjer eller dunfjer næsten aldrig farverige hos nogen fuglearter. I den modsatte ende af spektret har prydfjer godt af at være farverige og udvikler mekanismer, der ændrer deres struktur for at muliggøre større inkorporering af carotenoider og forbedre deres præsentation.

Forfatterne udnyttede denne mangfoldighed og undersøgte, hvordan denne række af mekanismer - fra fuldstændig buffering af carotenoider til fuldt ud at omfavne dem - faktisk udvikler sig.

Kilderne til carotenoidpigmenter er forskellige på tværs af husfinkens enorme udvalg. I indfødte ørkenpopulationer får finker deres pigmenter fra kaktuspollen og frugter, mens de i bypopulationer får dem fra nyligt introducerede plantearter og fuglefoder. I nordlige befolkninger inkorporerer de pigmenterne fra græsfrø, knopper og bær.

"Som forventet har finker inden for hver af disse steder udviklet præcise tilpasninger for at inkorporere forskellige lokale carotenoider i deres fjer," sagde Badyaev. Men det unikke aspekt ved denne undersøgelse er, at "vi kendte disse fugles koloniseringsruter, hvilket gjorde det muligt for os at observere, hvordan de ændrer disse tilpasninger, når de bevæger sig fra et sted til det næste i løbet af det sidste århundrede."

Denne tilgang tillod ikke kun holdet at studere evolutionsprocessen direkte, men gjorde dem også i stand til at studere gentagen evolution i naturen, fordi fugle udviklede særskilte lokale tilpasninger parallelt fra kendte udgangspunkter, da de spredte sig gennem kontinentet.

"Vi skal afspille båndet om udviklingen af denne tilpasning i stedet for at udlede processen fra resultatet," sagde Badyaev.

Holdet etablerede 45 undersøgelsespopulationer langs koloniseringsruter, som arten tog fra dets oprindelige sydlige Arizona til det nordvestlige USA. De undersøgte også, hvordan arter ændrede sig inden for regioner, såsom mellem Arizonas ørkenpopulationer og bybefolkninger på University of Arizona campus og i Tucson. I alle disse populationer undersøgte de mikroskopisk struktur og fuldstændig carotenoidsammensætning i tusinder og atter tusinder af fjerprøver. Undersøgelsens hidtil usete omfang og dybde - menes at være den største af sin art i en vild fugleart - førte til to opdagelser.

For det første forløb udviklingen med bemærkelsesværdigt ens sekvenser fra vidt forskellige udgangspunkter. Ukendte lokale carotenoider udøvede store ændringer i udviklingen af fjer i starten, men jo længere fugle blev ved i en region, og jo mere fortrolige de blev med lokale carotenoider, jo bedre var der i stand til at inkorporere dem i deres fjer, og til sidst udviklede de præcise lokale tilpasninger.

For det andet, og vigtigst af alt, selvom carotenoider og deres blandinger adskilte sig stærkt mellem steder så adskilte som ørkener og nordlige stedsegrønne skove, var mekanismerne bag deres inkorporering i voksende fjer bemærkelsesværdigt ensartede og ikke specifikke for biokemiske egenskaber af individuelle carotenoidforbindelser. I stedet, i alle populationer, var evolution et resultat af ændringer i mekanismer, der stødte tidligere lokal tilpasning fra eksterne stressorer. Disse generelle stress-buffermekanismer - hvad Badyaev kaldte "de lokale tilpasningers vogtere" - skulle rekrutteres for at tillade udvikling af nye tilpasninger.

Med andre ord, "grænserne for nuværende tilpasninger bliver broer mellem successive tilpasninger i evolutionen," sagde Badyaev.

Det næste skridt for forfatterne er at studere oprindelsen af molekylære og udviklingsmæssige mekanismer, de implicerede i stress-bufferprocesser i evolutionen.

Populært emne.