Een nieuw wiskundig model ontwikkeld aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign onthult hoe belangrijke evolutionaire groepen, zoals phyla of klassen, voortkomen uit bestaande diversiteit binnen een populatie van organismen. Het model bouwt voort op eerdere theorieën zoals onderbroken evenwicht en neutrale evolutie, maar houdt expliciet rekening met fluctuaties in de genetische diversiteit van de populatie in de loop van de tijd.

Het model, beschreven in een recente studie gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications, suggereert dat grote transities in de evolutie plaatsvinden wanneer populaties perioden van snelle genetische divergentie ondergaan, gevolgd door perioden van genetische stagnatie. Deze perioden van divergentie en stilstand worden veroorzaakt door schommelingen in de bevolkingsomvang, die op hun beurt worden beïnvloed door verschillende omgevingsfactoren.

"Ons model biedt een theoretisch raamwerk om te begrijpen hoe grote evolutionaire groepen ontstaan", zegt hoofdauteur van het onderzoek Dr. Daniel W. McShea, hoogleraar ecologie en evolutie in Illinois. "Het is een nieuwe manier van denken over de rol van genetische diversiteit bij het bevorderen van evolutionaire innovatie en het genereren van nieuwe levensvormen."

Een van de belangrijkste inzichten uit het model is dat perioden van genetische divergentie vaker voorkomen in kleinere populaties. Dit komt omdat kleinere populaties gevoeliger zijn voor de effecten van genetische drift, wat een willekeurige fluctuatie is in de frequentie van genen in een populatie. Genetische drift kan ervoor zorgen dat gunstige mutaties sneller worden vastgelegd in kleinere populaties, wat leidt tot een snellere evolutie.

Daarentegen is de kans groter dat perioden van genetische stasis voorkomen in grotere populaties. Dit komt omdat grotere populaties waarschijnlijk een hoger niveau van genetische diversiteit hebben, wat buffert tegen de effecten van genetische drift. Een grotere genetische diversiteit kan ook de accumulatie van genetische varianten mogelijk maken die in de toekomst fitnessvoordelen kunnen opleveren, waardoor de weg wordt geëffend voor daaropvolgende perioden van divergentie.

Het model suggereert ook dat omgevingsfluctuaties een rol kunnen spelen bij het teweegbrengen van grote evolutionaire transities. Een plotselinge toename van de beschikbaarheid van een nieuwe hulpbron, of een verschuiving in het klimaat, kunnen er bijvoorbeeld voor zorgen dat een bevolking snel uiteenvalt in nieuwe groepen die zijn aangepast aan de nieuwe omstandigheden.

"De dynamische wisselwerking tussen de genetische diversiteit van de bevolking en omgevingsfluctuaties is een cruciale motor voor evolutionaire innovatie en diversificatie", aldus McShea. "Ons model biedt een nieuwe manier om deze wisselwerking te begrijpen en de mechanismen te onderzoeken die het verloop van de evolutie over lange tijdschalen bepalen."

De onderzoekers hopen dat hun model verdere theoretische en empirische studies zal inspireren om de rol van genetische diversiteit en omgevingsfluctuaties in het evolutieproces te onderzoeken. Door de factoren die bijdragen aan grote evolutionaire transities beter te begrijpen, kunnen wetenschappers nieuwe inzichten verwerven in de geschiedenis van het leven op aarde en het potentieel voor toekomstige evolutionaire veranderingen.