Dzikie zwierzęta ewoluują szybciej niż ktokolwiek przypuszczał

Jak szybko przebiega ewolucja? W ewolucji adaptacyjnej dobór naturalny powoduje zmiany genetyczne w cechach, które sprzyjają przetrwaniu i rozmnażaniu się poszczególnych organizmów.

Choć Karol Darwin sądził, że proces ten zachodzi w geologicznej skali czasu, to jednak widzieliśmy przykłady dramatycznej ewolucji adaptacyjnej w ciągu zaledwie kilku pokoleń. Ćma pieprzowa zmieniła kolor w odpowiedzi na zanieczyszczenie powietrza, kłusownictwo spowodowało, że niektóre słonie straciły kły, a ryby wykształciły odporność na toksyczne substancje chemiczne.

Nadal jednak trudno powiedzieć, jak szybko zachodzi ewolucja adaptacyjna. Nie wiemy też, czy ma ona wpływ na losy populacji, dla których zmiany środowiskowe stanowią wyzwanie.

Aby zmierzyć tempo ewolucji adaptacyjnej w środowisku naturalnym, przez kilkadziesiąt lat badaliśmy 19 populacji ptaków i ssaków. Okazało się, że ewoluowały one z prędkością dwa do czterech razy większą niż sugerowały wcześniejsze badania. Pokazuje to, że ewolucja adaptacyjna może odgrywać ważną rolę w tym, jak cechy i populacje dzikich zwierząt zmieniają się w stosunkowo krótkim czasie.

Narzędzia biologa ewolucyjnego: matematyka i lornetka

Jak zmierzyć, jak szybko zachodzi ewolucja adaptacyjna? Zgodnie z „fundamentalnym twierdzeniem doboru naturalnego”, wielkość genetycznej różnicy w „zdolności” do przetrwania i rozmnażania między osobnikami w całej populacji odpowiada również tempu ewolucji adaptacyjnej populacji.

Fundamentalne twierdzenie” jest znane od 90 lat, ale trudno je zastosować w praktyce. Próby zastosowania tego twierdzenia w populacjach dzikich są rzadkie i obarczone problemami statystycznymi.

Współpracowaliśmy z 27 instytucjami badawczymi w celu zebrania danych z 19 dzikich populacji, które były monitorowane przez długi czas, niektóre od lat 50. ubiegłego wieku. Pokolenia badaczy gromadziły informacje o narodzinach, kojarzeniu, rozmnażaniu i śmierci każdego osobnika w tych populacjach.

Łącznie dane te obejmują około 250 000 zwierząt i 2,6 miliona godzin pracy w terenie. Inwestycja może wydawać się ogromna, ale dane te zostały już wykorzystane w tysiącach badań naukowych i będą wykorzystywane ponownie.

Statystyka na ratunek

Następnie zastosowaliśmy modele genetyki ilościowej, aby zastosować „twierdzenie fundamentalne” do każdej populacji. Zamiast śledzić zmiany w każdym genie, genetyka ilościowa wykorzystuje statystykę do uchwycenia efektu netto wynikającego ze zmian w tysiącach genów.

Opracowaliśmy również nową metodę statystyczną, która lepiej pasuje do danych niż poprzednie modele. Nasza metoda pozwala uchwycić dwie kluczowe właściwości nierównomiernego rozkładu przeżywalności i reprodukcji w populacjach w naturze.

Po pierwsze, większość osobników umiera przed rozrodem, co oznacza, że w kolumnie „zero potomstwa” w zapisie reprodukcji w ciągu całego życia znajduje się wiele wpisów.

Po drugie, podczas gdy większość osobników rozmnażających się ma tylko kilkoro potomstwa, niektóre mają ich nieproporcjonalnie dużo, co prowadzi do asymetrycznego rozkładu.

Tempo ewolucji

Stwierdziliśmy, że w 19 badanych populacjach zmiany genetyczne w odpowiedzi na selekcję odpowiadają średnio za 18,5% wzrost zdolności osobników do przetrwania i rozmnażania na pokolenie.

Oznacza to, że potomstwo jest średnio o 18,5% „lepsze” od swoich rodziców. Innymi słowy, przeciętna populacja może przetrwać pogorszenie jakości środowiska o 18,5% (to może ulec zmianie, jeśli reakcja genetyczna na selekcję nie będzie jedyną siłą w grze; więcej na ten temat poniżej).

Biorąc pod uwagę te wskaźniki, stwierdziliśmy, że ewolucja adaptacyjna może wyjaśnić większość ostatnich zmian w cechach dzikich zwierząt (takich jak wielkość czy czas rozrodu). Inne mechanizmy też są ważne, ale jest to mocny dowód na to, że ewolucja powinna być rozpatrywana obok innych wyjaśnień.

Ekscytujący wynik w niepewnej przyszłości

Co to oznacza dla przyszłości? Czy w czasach, gdy środowiska naturalne na całym świecie ulegają drastycznym zmianom spowodowanym zmianami klimatu i innymi czynnikami, ewolucja pomoże zwierzętom w przystosowaniu się?

Niestety, w tym miejscu sprawa staje się trudna. Nasze badania dotyczyły tylko zmian genetycznych spowodowanych doborem naturalnym, ale w kontekście zmian klimatu w grę wchodzą jeszcze inne siły.

Po pierwsze, istnieją inne siły ewolucyjne (takie jak mutacje, przypadek losowy i migracje).

Po drugie, same zmiany środowiskowe są prawdopodobnie ważniejszym czynnikiem wpływającym na demografię populacji niż zmiany genetyczne. Jeśli środowisko stale się pogarsza, teoria mówi nam, że ewolucja adaptacyjna nie będzie w stanie w pełni tego zrekompensować.

Wreszcie, ewolucja adaptacyjna może sama w sobie zmieniać środowisko, w którym żyją przyszłe pokolenia. W szczególności, gdy osobniki konkurują ze sobą o zasoby (takie jak pożywienie, terytorium czy partnerzy), każde ulepszenie genetyczne doprowadzi do większej konkurencji w populacji.

Sama nasza praca jest niewystarczająca do formułowania przewidywań. Pokazuje ona jednak, że nie można lekceważyć ewolucji, jeśli chcemy dokładnie przewidzieć najbliższą przyszłość populacji zwierząt.

Pomimo praktycznych wyzwań jesteśmy zachwyceni, że ewolucja darwinowska – proces, który kiedyś uważano za niezwykle powolny – działa w sposób możliwy do zaobserwowania już za naszego życia.