Эволюция может протекать совсем не так, как считали ученые

Фото из открытых источников

Ученые предлагают удивительный новый способ эволюции видов, показывающий, как изменения размеров тела могут способствовать эволюционной дивергенции без конкуренции. Результаты исследования опубликованы в Evolutionary Journal of the Linnean Society.

Многие истории о том, как один вид разветвляется на несколько, в конечном итоге сводятся к одной и той же движущей силе: конкуренции. Две популяции начинают бороться за одну и ту же пищу, одно и то же пространство, одних и тех же партнеров. 

Проигравшие либо адаптируются, либо исчезают. Это аккуратный сюжет, но Брайан Дженнингс, эволюционный биолог из Калифорнийского университета в Риверсайде, считает, что в нем пропущена одна глава. Дженнингс годами ломал голову над пробелом в теории адаптивной радиации — концепции, объясняющей, как один вид-предок может распространиться на множество других. 

Дарвиновские вьюрки — классический пример: разные формы клювов для разных семян, сформированные в результате конкуренции. Но что происходит до того, как два вида окажутся на одной территории? Что запускает процесс дивергенции?

В новом исследовании Дженнингс предполагает, что ответ обманчиво прост: изменение размеров тела. И последствия этого изменения, утверждает он, гораздо более серьезны, чем кто-либо предполагал.

Вот что важно понимать о росте и уменьшении размеров: ваши части тела не всегда развиваются одинаково. Голова младенца огромна по сравнению с размером тела; к взрослому возрасту пропорции резко меняются. 

Та же логика применима ко всем видам. По мере эволюции организмов с различными размерами тела, их признаки — длина хвоста, пропорции конечностей, форма клюва — масштабируются с разной скоростью. Биологи называют это аллометрией.

Первоначально Дженнингс выдвинул гипотезу, что при изменении размера тела у одной популяции её характеристики будут изменяться пропорционально.

Этот процесс называется геометрическим масштабированием. Представьте себе, что вы увеличиваете фотографию. Всё становится больше, но пропорции остаются прежними. Однако его данные рассказывали совсем другую историю.

Чтобы проверить свою гипотезу, Дженнингс обратился к пигоподидам. Это причудливые змееподобные существа, обитающие в Австралии и Новой Гвинее, которые в процессе эволюции утратили почти все свои конечности. 

У некоторых видов рода Delma хвост может достигать длины, в 4,5 раза превышающей длину тела. Такая крайняя изменчивость сделала их идеальными объектами для исследования.

Эта работа зародилась в ходе докторской диссертации Дженнингса в Техасском университете в Остине, но теория окончательно сформировалась во время локдаунов, связанных с COVID-19, в 2020 году, когда он пересмотрел данные, сравнив их с классической работой Стивена Джея Гульда о геометрическом подобии. 

Для дальнейшего углубления анализа он добился финансирования для 40-дневной экспедиции по музеям Австралии в 2023 году, в ходе которой было измерено более 1000 законсервированных образцов в шести учреждениях.  Повторное посещение Музея сравнительной зоологии Гарвардского университета увеличило общее количество экспонатов до 1755, охватывающих 31 вид.

Он отслеживал три признака, связанные с передвижением и спасением от хищников: длину от морды до клоаки, длину хвоста и обхват тела. Результаты, полученные в ходе попарного сравнения 126 видов, оказались однозначными.

Модель, в которой геометрическое масштабирование является первоочередным критерием, предсказывала, что недавно разделившиеся виды будут демонстрировать пропорциональные изменения признаков. Однако Дженнингс обнаружил обратное. 

Среди шести пар видов, наиболее недавно отделившихся друг от друга (разделившихся менее двух миллионов лет назад), ни одна не демонстрировала последовательного соблюдения геометрической зависимости по всем трем признакам.

Когда Дженнингс оценил коэффициенты масштабирования между видами для этих пар, только 3 из 18 измерений (17%) хотя бы приблизительно соответствовали геометрическому масштабированию. 

Целых 72% продемонстрировали то, что он называет «обратной эволюционной аллометрией». Изменения признаков были гораздо более экстремальными, чем можно было бы предсказать с помощью пропорционального масштабирования. 

«Вместо простого геометрического масштабирования данные показали более существенное расхождение между развитием признаков и эволюцией размеров тела», — сказал Дженнингс. «Я называю этот более широкий процесс диссоциативным масштабированием».

Пересмотренная модель Дженнингса предлагает два этапа. Сначала происходит диссоциативное масштабирование: в популяции эволюционирует другой размер тела, и взаимосвязи между ее признаками начинают резко меняться.

Хвосты, которые должны масштабироваться пропорционально, этого не делают, а обхват тела изменяется с непредсказуемой скоростью. Первоначальное расхождение получается неровным и экстремальным.

Затем наступает реадаптация. Естественный отбор вступает в действие в течение более длительных эволюционных периодов, чтобы точно настроить эти искаженные пропорции, восстанавливая или улучшая функцию признака. 

Полученные данные соответствовали предложенной последовательности. Среди пар видов, разошедшихся более двух миллионов лет назад, от 63% до 90% взаимосвязей признаков сместились в сторону более стабильных эволюционных моделей, предсказанных моделью для более поздних этапов.

«Иными словами, конкуренция между видами не является необходимым условием для первоначального расхождения», — сказал Дженнингс.

Последствия этого выходят далеко за рамки австралийских ящериц. Если простое изменение размера тела может кардинально изменить пропорции организма, то некоторые из этих новых комбинаций признаков могут случайно открыть доступ к совершенно иным экологическим ресурсам.

Дженнингс называет это «нишевым масштабированием».

«Если изменения в размерах тела приводят к существенным изменениям в пропорциях признаков, то эти изменения иногда могут привести к таким комбинациям признаков, которые позволяют популяции использовать другой экологический ресурс», — сказал он. «Я называю этот предлагаемый процесс „нишевым масштабированием“, когда он происходит в контексте адаптивной радиации. Впоследствии конкуренция могла бы уточнить эти различия посредством естественного отбора . Вместо этого я предполагаю, что важная часть истории происходит раньше — когда одна популяция впервые начинает расходиться с другой».

Дженнингс тщательно позиционирует свою теорию как дополнение к существующим идеям, а не как их замену. Конкуренция и естественный отбор по-прежнему имеют значение, но для начала дивергенции конкуренция может быть необязательной.

«Моя теория более полно объясняет эволюцию клюва у легендарных дарвиновских вьюрков и эволюцию рогов у загадочного вымершего ирландского лося», — сказал он. «Нам еще предстоит определить, насколько широко распространены диссоциативное масштабирование и масштабирование ниш среди различных групп организмов».