Drie jaar geleden, toen Harvard-bioloog Jonathan Losos zich vestigde in de Geological Lecture Hall voor een lezing door collega-wetenschapper Richard Lenski, hij speelde met het idee om een ​​boek over evolutie te schrijven. Toen de lezing voorbij was, hij was klaar met spelen.

Losos, een evolutionair bioloog en de Monique en Philip Lehner Professor voor de Studie van Latijns-Amerika, zei dat het werk beschreven door Lenski van Michigan State een beeld vulde dat gedeeltelijk was geschilderd door experimenten waarvan Losos al wist - waarvan hij sommige zelf had uitgevoerd, met hagedissen van het geslacht Anolis, gewoonlijk anoles genoemd, op eilanden in het Caribisch gebied.

Lenski's onderzoek benaderde wat wijlen Harvard-paleontoloog Stephen Jay Gould, die uitgebreid schreef over evolutie, zou hebben omschreven als "het afspelen van de band van het leven, ' zei Losos.

"Gould had gesuggereerd dat als we de band op de een of andere manier zouden kunnen afspelen - de evolutie opnieuw beginnen vanaf hetzelfde startpunt, dan krijgen we een heel ander resultaat, " zei Losos. Maar Gould wist ook dat het project dat hij beschreef onmogelijk was, strikt "een gedachte-experiment, " zoals Losos het uitdrukte.

"Maar Lenski liet zien dat je de band kunt afspelen, tenminste in het laboratorium met behulp van micro-organismen, " zei hij. "Door 12 populaties van E. coli te starten die aanvankelijk identiek waren en ze allemaal aan dezelfde natuurlijke selectiedruk te onderwerpen, hij speelde de band eigenlijk af, niet terug in de tijd, maar laat de band zij aan zij afspelen in zijn 12 experimentele replica's.

"Bovendien, Ik realiseerde me dat dezelfde benadering werd gevolgd, niet alleen in het laboratorium door Lenski en de vele, vele onderzoekers die hij heeft geïnspireerd, maar soortgelijke evolutie-experimenten vonden ook plaats in natuurlijke omgevingen, de hypergecontroleerde omgeving van het laboratorium inruilen voor het natuurlijke realisme van veldstudies. In feite, Sommige van die onderzoeken heb ik zelf gedaan."

In een Gazette Q&A, Losos besprak het boek dat de Lenski-lezing hielp in gang te zetten, "Onwaarschijnlijke lotsbestemmingen:het lot, Kans, en de toekomst van evolutie."

GAZETTE:De evolutie waarover u spreekt in "Onwaarschijnlijke Destinies" is niet de langzame evolutie beschreven door Charles Darwin. In plaats daarvan, het is snel genoeg dat we het in realtime kunnen observeren. Hoe is deze snelle evolutie mogelijk?

LOSOS:Darwin was nogal opmerkelijk in zijn inzichten. We kennen hem van zijn studies over evolutie door natuurlijke selectie, maar hij bestudeerde eigenlijk allerlei verschijnselen en had bijna altijd gelijk. Het bleek, Hoewel, dat hij het niet goed had over het tempo van de evolutie. Hij dacht dat evolutie extreem langzaam verliep, in een ijzig tempo, zo erg dat je het onmogelijk zou kunnen verwachten om het te zien, behalve over velen, vele duizenden jaren. We weten nu dat dat niet klopt. Als natuurlijke selectie sterk is, evolutie kan zeer snel plaatsvinden.

GAZETTE:U praat ook veel over convergente evolutie, dacht ooit een zeldzame ontwikkeling. Wat is convergente evolutie en hoe past het in het bredere beeld van evolutie?

LOSOS:Convergente evolutie is het fenomeen wanneer twee soorten, of zelfs populaties van dezelfde soort, onafhankelijk evolueren om vergelijkbaar te zijn. Meestal is het het resultaat van het feit dat die soorten zich in vergelijkbare omstandigheden bevinden en natuurlijke selectie vormt dezelfde adaptieve oplossing. Dit is een idee dat door Darwin werd genoemd in "On the Origin of Species, " en sindsdien weten we ervan.

Maar we dachten dat het niet gebruikelijk was. Het werd door evolutionaire biologen routinematig aangeprezen als een geweldig voorbeeld van de kracht van natuurlijke selectie om met hetzelfde antwoord te komen op problemen die door de omgeving worden veroorzaakt. [Maar] toen biologen convergente evolutie ontdekten, ze zouden woorden gebruiken als "opvallend, " "uitzonderlijk, " "niet verwacht, " benadrukkend dat dit niet de norm is. We weten nu dat convergente evolutie vrij vaak voorkomt.

Een van de redenen is dat we DNA-sequencing hebben gebruikt om evolutionaire bomen te bouwen. Deze bomen - fylogenieën genoemd - geven aan dat soorten waarvan we dachten dat ze nauw verwant waren, omdat ze qua uiterlijk op elkaar lijken, of anatomie, of wat dan ook, zijn niet. Hun gelijkenis is niet het resultaat van recente gedeelde voorouders, zoals we dachten, maar van convergente evolutie.

Een voorbeeld uit het boek is een zeeslang in de zeeën rond Australië, Indië, en elders in Azië. Wetenschappers dachten dat het één soort was, met een opmerkelijk brede geografische spreiding. Toen wetenschappers eindelijk de sequentie van het DNA bepaalden, ontdekten ze dat populaties op verschillende plaatsen niet nauw verwant waren aan elkaar. In plaats daarvan, elk was nauwer verwant aan andere slangensoorten in hun eigen gebied en dus was hun ongelooflijk nauwe gelijkenis met andere zeeslangen het resultaat van convergentie.

GAZETTE:Praten over evolutie die snel en convergerend is, leidt tot je eigen werk. Vertel ons over de hagedissen van het Caribisch gebied, en wat je studies hebben gevonden.

LOSOS:Voor mijn doctoraat, vele jaren geleden, Ik heb Anolis hagedissen bestudeerd. Veel mensen zullen ze kennen omdat ze heel gewoon zijn in Florida, elders in het zuidoosten van de Verenigde Staten, en op de eilanden van het Caribisch gebied. Ze hebben een huidflap onder hun nek die de mannetjes uitsteken wanneer ze vrouwtjes het hof maken of vechten met andere mannetjes. Er zijn 400 verschillende soorten in deze groep verspreid over de tropen van de Nieuwe Wereld, dus ze zijn een geweldig evolutionair succesverhaal.

Een aspect waarop ik me een groot deel van mijn carrière heb gericht, is dat de hagedissen op elk van de grote eilanden van het Caribisch gebied - Cuba, Puerto Rico, Hispaniola, en Jamaica - zijn voor het grootste deel onafhankelijk geëvolueerd. En, van een of enkele voorouderlijke soorten, ze hebben gediversifieerd in vele afstammelingen. Maar de evolutie heeft een zeer vergelijkbare koers gevolgd.

Op Puerto Rico, als je het regenwoud in zou lopen en stil zat, na een paar minuten zouden de hagedissen vergeten dat je er was en zou je zien dat er soorten in verschillende delen van het bos leven en dat deze soorten verschillende anatomische kenmerken hebben. Bijvoorbeeld, soorten dichtbij de grond hebben zeer lange poten om op de grond te rennen en springen. Een soort hoog in het bladerdak is groen voor camouflage en heeft grote teenkussens om op te hangen. Een andere soort leeft op twijgen en heeft zeer korte poten om voorzichtig te manoeuvreren op onregelmatige oppervlakken. Deze soorten zijn dus gediversifieerd om zich aan te passen aan de verschillende delen van de habitat die ze gebruiken.

Opmerkelijk is dat wanneer je naar andere eilanden gaat, je ziet dezelfde habitatspecialisten. Dus, bijvoorbeeld, elk van de eilanden heeft een takje anole - een langwerpige soort met korte poten, erg gecamoufleerd - en de soorten op de verschillende eilanden lijken genoeg op elkaar dat je zou zeggen dat het waarschijnlijk dezelfde soort is. Maar dat zijn ze niet. Ze hebben deze kenmerken onafhankelijk ontwikkeld. En elk eiland heeft elk van de soorten habitatspecialisten.

Het is een geweldig voorbeeld van convergentie, maar op steroïden, als je wil. Niet alleen convergentie van één type, maar van een heel ensemble van soorten die zijn aangepast aan verschillende delen van hun vergelijkbare omgeving.

GAZETTE:En je hebt dit inzicht later in je carrière gebruikt om de evolutie daadwerkelijk te ontwikkelen en te zien gebeuren?

LOSOS:Deze hagedissen, Ik moet erop wijzen, zijn in de loop van miljoenen jaren geëvolueerd. Maar ze suggereren dat het gebruik van verschillende delen van het leefgebied - brede boomstammen, bladeren in het bladerdak, smalle oppervlakken - heeft ervoor gekozen om verschillende anatomische kenmerken te ontwikkelen. En dat suggereert dat een ideaal experiment zou zijn om een ​​hagedissoort bloot te stellen aan nieuwe omstandigheden, een nieuwe leefomgeving, en we zouden duidelijke voorspellingen hebben over hoe ze zich aan die habitat zouden aanpassen.

Dus dat is precies wat we deden. Werken in de Bahama's, we waren in staat om een ​​soort te nemen die op brede boomstammen bij de grond leeft en hem te verplaatsen naar kleine eilandjes waar geen grote bomen waren, er waren alleen slordige kleine struiken. Dus moesten ze smalle kleine oppervlakken gebruiken om op te zitten. Onze voorspelling was heel duidelijk uit onze studies op het grote eiland - dat ze zich zouden moeten aanpassen door kortere benen te ontwikkelen. En dat is precies wat ze deden en in een relatief korte tijd.

GAZETTE:Wat in het boek naar voren komt, is een echt enthousiasme en opwinding voor het werk. Het vermogen om evolutie daadwerkelijk te bestuderen en er in realtime experimenten op uit te voeren, lijkt het veld van energie te hebben voorzien. Hoe is het om deze fundamentele vragen te kunnen bestuderen?

LOSOS:Het is spectaculair. Evolutionaire biologie, voor de eerste eeuw van zijn bestaan, werd gezien als een niet-experimentele wetenschap, een met meer gelijkenis met geschiedenis dan laboratoriumwetenschappen. Het idee was:je kunt niet terug in de tijd gaan om te zien wat er is gebeurd, dus je moet het gewoon proberen uit te zoeken.

Maar het vermogen om experimenten te doen verandert dat allemaal. We kunnen nu niet alleen hypothesen formuleren, maar test ze ook met behulp van de gouden standaard van de wetenschap:manipulatieve experimenten. Mensen doen al tientallen jaren laboratoriumexperimenten, maar om experimenten te doen in het veld, onder natuurlijke omstandigheden, is iets dat nu pas echt van de grond komt. Het stelt ons in staat om ideeën te formuleren over hoe evolutie heeft gewerkt op basis van onze observaties van diversiteit vandaag en in het verleden, en vervolgens deze hypothesen te onderzoeken met mechanistische studies, experimenteel testen hoe evolutie plaatsvindt als reactie op veronderstelde selectieve middelen.

GAZETTE:Uw boek spreekt veel over convergente evolutie en de voorspelbaarheid van evolutie onder bepaalde omstandigheden, maar je voert ook een gedachte-experiment uit over de vraag of mensen - of iets menselijks - zouden zijn geëvolueerd als er geen zoogdieren waren. En in dit geval, ondanks voldoende bewijs van convergentie, het lijkt erop dat je zegt dat willekeur niet is verdwenen, en als je op heel verschillende uitgangspunten begint, je komt op heel verschillende eindpunten uit, zelfs onder vergelijkbare natuurlijke selectiedruk.

LOSOS:Een van de grote vragen die de evolutionaire biologie overstijgt, is:hoe voorbestemd was de wereld om te zijn zoals die nu is? Als de gebeurtenissen in het verleden anders waren verlopen, zou de wereld er heel anders uitzien?

Historici vragen dit de hele tijd. Wat als Churchill in 1931 in New York City door een auto was overreden, zoals bijna gebeurde? Wat als Kennedy niet was vermoord? Hoe anders zou de wereld van vandaag zijn? En evolutiebiologen stellen precies dezelfde vraag. Als je kijkt naar de planten en dieren in de wereld om ons heen, zijn ze het onvermijdelijke resultaat van evolutionaire processen van natuurlijke selectie, of gewoon het resultaat van de specifieke gebeurtenissen in de geschiedenis van de aarde die de evolutie de ene kant op hebben gestuurd en niet de andere?

Dit debat werd gekatalyseerd door Gould, die in 1989 een boek schreef met de titel "Wonderful Life:The Burgess Shale and the Nature of History." In het, Gould betoogde dat evolutie niet voorbestemd was om bepaalde resultaten te produceren. Hij zei dat als we op de een of andere manier terug in de tijd konden gaan en opnieuw konden beginnen vanaf hetzelfde startpunt, het resultaat zou elke keer anders zijn. Elke kleine verandering die op dat moment onbelangrijk lijkt, kan ertoe leiden dat de ene persoon overleeft en de andere niet. ervoor zorgen dat de ene mutatie algemeen wordt en niet de andere, en evolutie zou een heel andere weg inslaan. Speel de band een miljoen keer af, hij zei, en zoiets als mensen zou nooit meer evolueren.

Dit was een zeer invloedrijk standpunt, maar het was gebaseerd op geen gegevens. Er was niemand die dit soort experimenten deed. Echter, het idee maakte veel mensen enthousiast, dus er is de afgelopen 30 jaar veel aandacht voor deze vraag geweest. En de reden dat ik het boek schreef, is dat ik me realiseerde dat we nu veel empirische gegevens hebben over de vraag hoe herhaalbaar, of hoe voorspelbaar, evolutie is.

Een onderzoeksschool die is ontstaan, heeft zich gericht op het fenomeen van convergente evolutie, van hetzelfde evolutionaire resultaat dat meerdere keren voorkomt. Een aantal mensen stelt dat convergente evolutie aantoont dat Gould het bij het verkeerde eind had. De omgeving stelt soortgelijke vragen als soorten die op veel verschillende plaatsen leven en er zijn optimale oplossingen die natuurlijke selectie vindt. Als resultaat, je kunt voorspellen, bijna, wat voor uitkomst je zou krijgen in een bepaalde evolutionaire omstandigheid, en die oplossing evolueert keer op keer. In tegenstelling tot wat Gould beweerde, deze andere wetenschappers voerden aan dat bepaalde uitkomsten onvermijdelijk zijn. En dat is hoe convergente evolutie door sommige wetenschappers is gebruikt om het idee van de willekeur te betwisten, of de grilligheid, van evolutie.

GAZETTE:En uw eigen conclusie ligt ergens in het midden, Rechtsaf?

LOOS:Ja, en de reden is dat deze wetenschappers absoluut gelijk hebben dat convergente evolutie veel vaker voorkomt dan we vroeger dachten. Het toont de kracht van natuurlijke selectie en er zijn enkele uitkomsten die herhaaldelijk voorkomen. Daar zit dus waarheid in.

Maar het argument komt in feite neer op een lange lijst met voorbeelden van convergente evolutie en je zou een vergelijkbare lange lijst kunnen maken van voorbeelden van falen om te convergeren, soorten die voortreffelijk zijn aangepast aan hun omgeving, maar nergens anders ter wereld te vinden zijn.

Mijn favoriete voorbeeld is het vogelbekdier. Hier is een soort die voor allerlei soorten spot binnenkomt als een komisch, belachelijk dier, maar dat is echt niet eerlijk. Ze zijn eigenlijk buitengewoon goed aangepast aan de omgeving waarin ze voorkomen, de stromen in Australië. Ze hebben een reeks kenmerken:weelderig bont, voeten met zwemvliezen, krachtige staart - waardoor ze zeer goed aangepast zijn.

Het belangrijkste kenmerk dat ze hebben is hun rekening, die lijkt op de snavel van een eend, maar die heel anders is dan die van een eend. Het is bedekt met sensoren die zowel tactiele informatie detecteren - de lichte rimpeling van water als een vis voorbij zwemt - als de elektrische ontladingen die een dier afgeeft terwijl het beweegt. Met behulp van die twee zintuigen, ze kunnen hun voedsel onder water vinden, ook al zijn hun ogen gesloten en hun oren en neuzen gesloten. Dus, ze zijn eigenlijk opmerkelijk goed aangepast aan de stromen waarin ze leven. Maar die streams zijn niets bijzonders. We hebben vergelijkbare streams over de hele wereld, en toch zit er geen eendenbekvogel in. Het evolueerde ooit in Australië, zonder parallel.

Er zijn veel voorbeelden hiervan:olifanten, kiwi's, giraffen. Dit zijn soorten die zeer goed zijn aangepast aan waar ze leven, omgevingen die overal ter wereld voorkomen, en toch is er geen convergente evolutie.

Je zou een hele lange lijst van voorbeelden van non-convergentie kunnen maken. Het debat tot nu toe was dat mensen beweerden dat convergentie vaker voorkomt of niet-convergentie vaker voorkomt. En dat debat is behoorlijk muf geworden, omdat, in feite, ze zijn allebei heel gewoon. Het maakt niet echt uit wiens lijst langer is. De echte vraag die we nu hebben is:onder welke omstandigheden sommige soorten convergerend evolueren, convergente oplossingen ontwikkelen, en in welke gevallen volgen ze verschillende evolutionaire cursussen, verschillende aanpassingen vinden aan dezelfde selectiedruk? En dat is het soort werk dat op veel plaatsen in de wereld wordt gedaan, inclusief enkele laboratoria hier op Harvard.

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan de Harvard Gazette, De officiële krant van Harvard University. Voor aanvullend universiteitsnieuws, bezoek Harvard.edu.