Biologers nye bog beskriver en ny æra i undersøgelsen af ​​evolution

Tre år siden, da Harvard -biologen Jonathan Losos slog sig ned i Geological Lecture Hall for et foredrag med videnskabsfolk Richard Lenski, han legede med tanken om at skrive en bog om evolution. Da foredraget var slut, han var færdig med at lege.

Losos, en evolutionær biolog og Monique og Philip Lehner -professor til undersøgelse af Latinamerika, sagde det arbejde, der blev beskrevet af Michigan State's Lenski, udfyldte et billede, der delvis var malet af eksperimenter, Losos allerede kendte til - nogle af dem havde han selv udført, med firben fra slægten Anolis, almindeligvis kaldet anoler, på øer i Caribien.

Lenskis forskning tilnærmede, hvad afdøde Harvard -paleontolog Stephen Jay Gould, der skrev meget om evolution, kunne have beskrevet som "afspilning af livets bånd, "Sagde Losos.

"Gould havde foreslået, at hvis vi på en eller anden måde kunne afspille båndet - starte udviklingen forfra fra det samme udgangspunkt, så får vi et helt andet resultat, "Sagde Losos. Men Gould vidste også, at det projekt, han beskrev, var umuligt, strengt "et tankeeksperiment, "som Losos udtrykte det.

"Men Lenski viste, at du kan afspille båndet igen, i det mindste i laboratoriet ved hjælp af mikroorganismer, "sagde han." Ved at starte 12 populationer af E. coli, der oprindeligt var identiske og udsætte dem alle for det samme naturlige selektionspres, han spillede faktisk båndet, går ikke tilbage i tiden, men lader båndet afspille side om side i sine 12 eksperimentelle replikater.

"I øvrigt, Jeg indså, at den samme tilgang blev taget ikke bare i laboratoriet af Lenski og de mange, mange efterforskere, han har inspireret, men lignende evolutionsforsøg fandt også sted i naturlige omgivelser, handel med laboratoriets hyperkontrollerede miljø med den naturlige realisme i feltstudier. Faktisk, Jeg havde selv lavet nogle af de undersøgelser. "

I en Gazette Q&A, Losos diskuterede bogen, som Lenski -foredraget hjalp med at sætte gang i, "Usandsynlige skæbner:Skæbne, Chance, og evolutionens fremtid. "

GAZETTE:Den udvikling, du taler om i "Improbable Destinies", er ikke den langsomme udvikling, der er beskrevet af Charles Darwin. I stedet, det er hurtigt nok til, at vi kan observere det i realtid. Hvordan er denne hurtige udvikling mulig?

LOSOS:Darwin var ganske bemærkelsesværdig i sin indsigt. Vi kender ham for sine studier om evolution ved naturlig selektion, men han studerede faktisk alle slags fænomener og havde ret næsten hele tiden. Det viste sig, selvom, at han ikke fik det rigtigt om evolutionens tempo. Han troede, at evolutionen skete ekstremt langsomt, i istid, så meget, at du umuligt kunne forvente at se det undtagen over mange, mange tusinde år. Vi ved nu, at det ikke er korrekt. Når det naturlige udvalg er stærkt, evolution kan ske meget hurtigt.

GAZETTE:Du taler også meget om konvergent evolution, troede engang en sjælden udvikling. Hvad er konvergent evolution, og hvordan passer det ind i det bredere billede af evolution?

LOSOS:Konvergent evolution er fænomenet, når to arter, eller endda bestande af samme art, uafhængigt udvikle sig til at være ens. Oftest er det et resultat af, at disse arter er under lignende omstændigheder, og naturligt udvalg former den samme adaptive løsning. Dette er en idé, der blev nævnt af Darwin i "On the Origin of Species, "og vi har kendt til det siden.

Men vi troede ikke, det var almindeligt. Det blev rutinemæssigt trukket frem af evolutionære biologer som et godt eksempel på naturens selektions magt til at komme med det samme svar på problemer, som miljøet udgør. [Men] da biologer opdagede konvergent evolution, de ville bruge ord som "slående, "" enestående, "" uventet, "understreger, at dette ikke er normen. Vi ved nu, at konvergent evolution forekommer ganske almindeligt.

En af grundene er, at vi har brugt DNA -sekventering til at bygge evolutionære træer. Disse træer - kaldet fylogenier - angiver, at arter, som vi plejede at tro, var nært beslægtede, fordi de ligner hinanden i udseende, eller anatomi, eller hvad som helst, er ikke. Deres lighed er ikke et resultat af nyere fælles forfædre, som vi troede, men af ​​konvergent evolution.

Et eksempel fra bogen er en havslange i havene omkring Australien, Indien, og andre steder i Asien. Forskere troede, at det var en art, med en bemærkelsesværdig bred geografisk fordeling. Da forskere endelig sekventerede dets DNA, fandt de ud af, at populationer forskellige steder ikke var tæt forbundet med hinanden. I stedet, hver var tættere beslægtet med andre slangearter i deres eget område, og derfor var deres utroligt tætte lighed med andre havslanger et resultat af konvergens.

GAZETTE:At tale om evolution, der er hurtig og konvergent, fører til dit eget arbejde. Fortæl os om firbenene i Caribien, og hvad dine studier fandt.

LOSOS:Til min ph.d. mange år siden, Jeg studerede Anolis firben. Mange mennesker ville kende dem, fordi de er meget almindelige i Florida, andre steder i det sydøstlige USA, og på øerne i Caribien. De har en hudklap under nakken, som hannerne stikker ud, når de fester kvinder eller kæmper med andre mænd. Der er 400 forskellige arter i denne gruppe spredt over troperne i den nye verden, så de er en stor evolutionær succeshistorie.

Et aspekt, som jeg har fokuseret meget på i min karriere, er, at firbenene på hver af de store øer i Caribien - Cuba, Puerto Rico, Hispaniola, og Jamaica - har for det meste udviklet sig uafhængigt. Og, fra en eller få forfædre arter, de har diversificeret sig til mange efterkommende arter. Men evolutionen har taget en meget lignende kurs.

I Puerto Rico, hvis du gik ind i regnskoven og sad stille, efter et par minutter ville firbenene glemme, at du var der, og du ville se, at der lever arter i forskellige dele af skoven, og at disse arter har forskellige anatomiske træk. For eksempel, arter nær jorden har meget lange ben til at løbe og hoppe på jorden. En art højt i baldakinen er grøn til camouflage og har storetåer at hænge på. En anden art lever på kviste og har meget korte ben til at manøvrere forsigtigt på uregelmæssige overflader. Så disse arter har diversificeret sig til at tilpasse sig de forskellige dele af habitatet, de bruger.

Det bemærkelsesværdige er, at når du tager til andre øer, du ser de samme habitatspecialister. Så, for eksempel, hver af øerne har en kvist anole - en aflang art med korte ben, meget camoufleret - og arterne på de forskellige øer ligner nok nok til, at du vil sige, at de sandsynligvis er de samme arter. Men det er de ikke. De har uafhængigt udviklet disse egenskaber. Og hver ø har hver af de typer habitatspecialister.

Det er et godt eksempel på konvergens, men på steroider, hvis du vil. Ikke kun konvergens af en type, men af ​​et helt ensemble af arter tilpasset forskellige dele af deres lignende miljøer.

GAZETTE:Og du brugte denne indsigt senere i din karriere til faktisk at konstruere evolution og se den ske?

LOSOS:Disse firben, Jeg skal påpege, har udviklet sig over millioner af år. Men de foreslår, at brug af forskellige dele af levestedet - brede træstammer, blade op i baldakinen, smalle overflader - har valgt at udvikle forskellige anatomiske træk. Og det tyder på, at et ideelt eksperiment ville være at udsætte en firfirts for nye forhold, et nyt levested, og vi ville have klare forudsigelser om, hvordan de ville tilpasse sig det habitat.

Så det var præcis det, vi gjorde. Arbejder på Bahamas, vi var i stand til at tage en art, der lever på brede træstammer nær jorden og flytte den til små små øer, hvor der ikke var store træer, der var kun skræmmende små buske. Så de skulle bruge smalle små overflader til at sidde på. Vores forudsigelse var meget klar fra vores undersøgelser på den store ø - at de skulle tilpasse sig ved at udvikle kortere ben. Og det er præcis, hvad de gjorde og over en relativt kort periode.

STATSTID:Det, der kommer igennem i bogen, er en ægte entusiasme og spænding for arbejdet. Evnen til faktisk at studere evolution og udføre eksperimenter på den i realtid synes at have givet energien til feltet. Hvordan er det at kunne studere disse grundlæggende spørgsmål?

LOSOS:Det er spektakulært. Evolutionær biologi, i det første århundrede af dets eksistens, blev betragtet som en ikke-eksperimentel videnskab, en med mere lighed med historien end laboratorievidenskab. Ideen var:Du kan ikke gå tilbage i tiden og se, hvad der skete, så du skal bare prøve at finde ud af det.

Men evnen til at lave eksperimenter ændrer alt det. Vi kan nu ikke kun formulere hypoteser, men også test dem ved hjælp af videnskabens guldstandard:manipulative eksperimenter. Folk har udført laboratorieforsøg i årtier, men at lave forsøg ude på marken, under naturlige forhold, er noget, der først virkelig tager fart lige nu. Det giver os mulighed for at formulere ideer om, hvordan evolution har fungeret baseret på vores observationer af mangfoldighed i dag og tidligere, og derefter for at undersøge disse hypoteser med mekanistiske undersøgelser, eksperimentelt testet, hvordan evolution sker som reaktion på formodede selektive midler.

GAZETTE:Din bog taler meget om konvergent evolution og evolutionens forudsigelighed under visse omstændigheder, men du udfører også et tankeeksperiment om, hvorvidt mennesker - eller noget menneskeligt - ville have udviklet sig, hvis pattedyr ikke var der. Og i dette tilfælde, på trods af rigelig dokumentation for konvergens, det ser ud til, at du siger, at tilfældigheden ikke er forsvundet, og hvis du starter på meget forskellige udgangspunkt, du ender på meget forskellige slutpunkter, selv under lignende naturlige selektionstryk.

LOSOS:Et af de store spørgsmål, der overskrider evolutionær biologi, er:Hvor bestemt var verden til at være, som den er i dag? Hvis begivenhederne havde været anderledes tidligere, ville verden være meget anderledes?

Historikere spørger dette hele tiden. Hvad hvis Churchill var blevet kørt over af en bil i New York City i 1931, som næsten skete? Hvad hvis Kennedy ikke var blevet myrdet? Hvor anderledes ville verden være i dag? Og evolutionære biologer stiller det samme spørgsmål. Hvis du ser på planter og dyr i verden omkring os, er de det uundgåelige resultat af evolutionære processer med naturlig selektion, eller bare resultatet af de særlige begivenheder i Jordens historie, der sendte udviklingen ad en vej og ikke en anden?

Denne debat blev katalyseret af Gould, der skrev en bog i 1989 med titlen "Wonderful Life:The Burgess Shale and the Nature of History." I det, Gould hævdede, at evolution ikke var bestemt til at producere særlige resultater. Han sagde, at hvis vi på en eller anden måde kunne gå tilbage i tiden og starte igen fra det samme udgangspunkt, resultatet ville variere hver gang. Enhver form for mindre forandring, der måske synes ubetydelig på det tidspunkt, kan få et individ til at overleve og ikke et andet, få en mutation til at blive almindelig og ikke en anden, og evolution ville gå en helt anden vej. Gentag båndet en million gange, han sagde, og noget som mennesker ville aldrig udvikle sig igen.

Dette var et meget indflydelsesrigt synspunkt, men det var baseret på ingen data. Der var ingen, der lavede den slags eksperimenter. Imidlertid, ideen begejstrede virkelig mange mennesker, så der har været meget opmærksomhed på spørgsmålet i løbet af de sidste 30 år. Og grunden til, at jeg skrev bogen, er, at jeg indså, at vi virkelig har mange empiriske data, der nu behandler spørgsmålet om, hvor gentagelig, eller hvor forudsigelig, evolution er.

En forskningsskole, der er opstået, har fokuseret på fænomenet konvergent evolution, af det samme evolutionære resultat, der forekommer flere gange. En række mennesker hævder, at konvergent evolution viser, at Gould tog fejl. Miljøet stiller lignende spørgsmål til arter, der lever mange forskellige steder, og der er optimale løsninger, som det naturlige udvalg finder. Som resultat, du kan forudsige, næsten, hvilken slags resultat du ville få under en bestemt evolutionær omstændighed, og den løsning udvikler sig gang på gang. I modsætning til hvad Gould hævdede, disse andre forskere argumenterede for, at særlige resultater er uundgåelige. Og det er sådan konvergent evolution er blevet brugt af nogle forskere til at bestride tanken om tilfældigheden, eller sløvheden, af evolution.

GAZETTE:Og din egen konklusion er et sted i midten, ret?

LOSOS:Ja, og årsagen er, at disse forskere har helt ret i, at konvergent evolution er meget mere almindelig, end vi plejede at sætte pris på. Det viser kraften i det naturlige udvalg, og der er nogle resultater, der gentager sig gentagne gange. Så der er sandhed i det.

Men argumentet kommer dybest set ned på en lang liste med eksempler på konvergent evolution, og du kan lave en lignende lang liste med eksempler på manglende konvergens, af arter udsøgt tilpasset deres miljø, men uden sidestykke andre steder i verden.

Mit yndlingseksempel er and-faktureret næbdyr. Her er en art, der kommer ind for alle former for latterliggørelse som værende en komisk, latterligt dyr, men det er virkelig ikke fair. De er faktisk ekstremt godt tilpasset det miljø, de opstår i, vandløbene i Australien. De har en række funktioner - frodig pels, vævede fødder, kraftig hale-der gør dem meget velanpassede.

Den vigtigste funktion, de har, er deres regning, der ligner en andes regning, men som er meget forskellig fra en and. Den er dækket af sensorer, der registrerer både taktile oplysninger - den lille krusning af vand, når en fisk svømmer forbi - og de elektriske udladninger, som ethvert dyr afgiver, når det bevæger sig. Ved hjælp af disse to sanser, de kan finde deres mad under vandet, selvom deres øjne er lukkede, og deres ører og næser er lukkede. Så, de er faktisk bemærkelsesværdigt godt tilpasset de vandløb, de lever i. Men disse vandløb er ikke noget særligt. Vi har lignende strømme over hele verden, og alligevel er der ingen and-faktureret næbdyr i nogen af ​​dem. Det udviklede sig en gang i Australien, uden en parallel.

Det er der mange eksempler på - elefanter, kiwier, giraffer. Disse er arter meget godt tilpasset til, hvor de bor, miljøer, der forekommer overalt i verden, og alligevel er der ingen konvergent evolution.

Du kan lave en meget lang liste med eksempler på ikke -konvergens. Debatten har hidtil været mennesker, der argumenterede for, at konvergens er mere almindelig, eller ikke -konvergens er mere almindelig. Og den debat er blevet ret forældet, fordi, faktisk, de er begge ret almindelige. Det er ikke ligegyldigt, hvis liste er længere. Det virkelige spørgsmål, vi nu har, er:Hvilke omstændigheder får nogle arter til at udvikle sig konvergent, udvikle konvergente løsninger, og i hvilke tilfælde følger de forskellige evolutionære forløb, finde forskellige tilpasninger til det samme udvælgelsestryk? Og det er den slags arbejde, der foregår mange steder rundt om i verden, herunder nogle laboratorier her på Harvard.

Denne historie er udgivet med tilladelse fra Harvard Gazette, Harvard Universitets officielle avis. For yderligere universitetsnyheder, besøg Harvard.edu.