Czy ptaki wyewoluowały większe dzioby, by zjadać duże, inwazyjne ślimaki?

Albo też te zmiany mogą odzwierciedlać zmianę genetyczną, a więc autentyczną ewolucję. Widziano to wiele razy – także w przeciągu życia ludzkiego. Najsłynniejszym z tych badań była praca Petera i Rosemary Grant nad wzrostem rozmiarów dzioba zięb z Galapagos, gdzie była susza pod koniec lat 1970., ale są także inne badania (np. przemysłowy melanizm u ćmy krępaka nabrzozaka i wielu innych owadów), zmiany wielkości otworu gębowego u owadów Serinethine (co zbiegło się w czasie z pojawieniem się nowego gatunku inwazyjnej rośliny), opisane w książce Ewolucja jest faktem, i oczywiście wiele wypadków reakcji na wprowadzone przez człowieka zmiany w środowisku: odporność u owadów na DDT i fosforany organiczne, odporność bakterii na antybiotyki, odporność chwastów na środki chwastobójcze i tak dalej.

Wreszcie, może to być interakcja między plastycznością fenotypową a reakcją genetyczną, a więc oba czynniki powodują zmianę w populacji.

Chodzi o to, że jeśli widzimy populację w czasie A, a potem zmienia się ona pod względem jakiejś cechy w czasie B, z różnicą między A i B wynoszącą co najmniej jedno pokolenie, to nie możemy automatycznie założyć, że ta populacja wyewoluowała. Może to być po prostu zmiana cechy spowodowana efektami środowiska na rozwój. Ten błąd nie jest rzadki: kiedyś opublikowano w „Science” artykuł pokazujący, że jaszczurki przeniesione na małe wyspy, na których musiały wspinać się na drzewa, znacznie wydłużyły kończyny w przeciągu paru pokoleń. Artykuł opublikowano w „Science”, ponieważ uznano to za przypadek ewolucji w rzeczywistym czasie, podobnie jak praca pary Grant (ich praca nie podlega wątpliwości). Kiedy czytałem to, zobaczyłem jednak, że nie zrobiono testów, żeby sprawdzić, czy zmiana była genetyczna. I rzeczywiście, nie była: autorzy pokazali później, że można wywołać te same zmiany po prostu przez pozwolenie jaszczurkom na pełzanie wokół sztucznych drzew. Innym przykładem jest dobrze znana różnica wzrostu między Północno- i Południowokoreańczykami (3-8 cm) – z pewnością spowodowana różnicami w odżywianiu, a nie zmianą ewolucyjną od lat 1950! Poprzednie posty Grega i moje w tej sprawie są tutaj i tutaj.

Nowy artykuł w “Nature Ecology & Evolution” Christophera Catteau i in. (pdf tutaj) informuje o zmianach rozmiaru dzioba, ciała i stępu u ślimakojada czerwonookiego (Rostrhamus socialbilis podgatunek plumbeus) na Florydzie, jaka zaszła po pojawieniu się na tym obszarze większej zdobyczy: ślimaków.  Większe ptaki mogą zjadać większe, inwazyjne ślimaki, więc może zadziałać dobór naturalny, faworyzujący większe ptaki z większymi dziobami, bo będą one zdobywać więcej pożywienia i przypuszczalnie mieć więcej potomstwa. Jest jednak również możliwe, że zmiana (zaobserwowana w 1-1,4 pokolenia) była niegentyczna: nowe źródło żywności mogło spowodować po prostu, że ptaki rosły większe, co czyniło ich ciała większymi, a więc także dzioby i stępy. A zmiana rozmiarów mogła być także spowodowana obydwoma czynnikami.

Autorzy wnioskują, że głównie działała tutaj nie ewolucja, ale plastyczność fenotypowa; jak mówią:

Zwiększenie rozmiarów cech morfologicznych było prawdopodobnie spowodowane plastycznością fenotypową, co opiera się na trzech liniach dowodowych.

Możecie sami przeczytać te dowody; jest to trochę techniczne i tajemnicze dla laików, ale oni mają rację.

Nie doszlibyście jednak do takiego wniosku z artykułu o tej pracy w “New York Times” 

Przede wszystkim, tytuł jest błędny: wcale nie jesteśmy pewni, że ptaki wyewoluowały większe dzioby. W rzeczywistości genetyczna ewolucja była w najlepszym wypadku bardzo niewielka i autorzy pracy piszą, że większość reakcji w postaci zwiększonego rozmiaru dzioba jest wynikiem plastyczności fenotypowej. Dziennikarz, Douglas Quenqua, robi aluzję nie wprost do przyczyny niegenetycznej, ale mówi, że zmiana rozmiarów ciała jest „ewolucyjną sztuczką”, która wyraźnie implikuje „zmianę ewolucyjną”, zamiast reakcji plastycznej. A przecież, kiedy twojemu kotu rośnie dłuższe futro w zimnym okresie niż w ciepłym, to nie dokonuje „ewolucyjnej sztuczki”. Z artykułu Quenqua:

Dr Fletcher j jego koledzy zanalizowali morfologiczne dane, jakie przez 11 lat zbierali o tych ptakach. Ponieważ ślimakojady czerwonookie żyją stosunkowo długo, 8 lat, ten okres przedstawiał mniej niż dwa pokolenia ptaka. Niemniej badacze odkryli, że dziób i ciało znacząco wzrosły (przeciętnie o 8 procent i aż do 12 procent) w latach od inwazji.

Nie jest jasne, jak właściwie ptaki dokonują tej ewolucyjnej sztuczki, ale dobór naturalny wydaje się odgrywać jakąś rolę. Młode ślimakojady czerwonookie z większymi dziobami mają większe szanse przeżycia pierwszego roku niż małe ślimakojady z mniejszymi dziobami, przypuszczalnie dlatego, że ptaki z większymi dziobami sprawniej zjadają inwazyjne ślimaki.  

. . . Młode ptaki, które jadły inwazyjne ślimaki (dwa do pięciu razy większe niż rodzime) rosły także szybciej niż ptaki, które ucztowały na mniejszych ślimakach, co może wyjaśnić ogólny wzrost rozmiarów ciała.

Badacze znaleźli jednak wskazówki także o genetycznym składniku zmiany. Prześledziwszy linie rodowe ptaków odkryli, że rodzice o dużych dziobach mieli potomstwo o dużych dziobach, co ustawiało scenę do zmiany ewolucyjnej na dużą skalę.

Tutaj “New York Times” jest winny nie tylko wyolbrzymienia wniosków badania, ale wprowadzania czytelników w błąd. Quenqua zupełnie nie potrafił pokazać jasnego rozróżnienia między dwiema współdziałającymi przyczynami zmiany.

A teraz kilka słów o samym badaniu. Oto najważniejsze punkty:

• W 2004 r. duży ślimak Pomacea maculata dostał się do jezior na Florydzie i szybko rozprzestrzenił się w zasięgu ślimakojada czerwonookiego (który odżywia się niemal wyłącznie ślimakami i karmi nimi swoje pisklęta). Ten duży ślimak zastąpił małego rodzimego ślimaka, P. paludosa. Tutaj pokazana jest różnica wielkości:

• Inwazja większych ślimaków doprowadziła do szybkiego wzrostu populacji ślimakojadów czerwonookich (z 700 do 2000, nadal około połowy apogeum), niemal z pewnością dlatego, że było znacznie więcej pokarmu. Tak więc w tym wypadku inwazja – zazwyczaj uważana przez biologów za niepożądaną – mogła uratować zagrożony gatunek.
• Młode z większymi dziobami miały większe szanse na przeżycie pierwszego roku (to w zasadzie było badanie jednego pokolenia), a więc był tam rodzaj doboru naturalnego na większe dzioby. Aby jednak ten dobór (zróżnicowane przeżycie) spowodował ewolucję wielkości dzioba, musi istnieć genetyczne zróżnicowanie między osobnikami na wielkość dzioba.  
• Problem polega na tym, że badanie pokazało bardzo niewielkie genetyczne zróżnicowanie na wielkość dzioba. Oszacowania „odziedziczalności” (proporcji odmian w wielkości dzioba, które miały selekcyjny składnik genetyczny) były dość małe, a w niektórych wypadkach nieodróżnialne od zera.
• Ponadto te pomiary odziedziczalności opierały się na korelacji między rodzicami i potomstwem pod względem wielkości dzioba. To mogłoby  być zasadne oszacowanie odziedziczalności gdyby nie było czynnika środowiskowego, który powoduje korelację i moglibyśmy założyć, że korelacja odzwierciedla jedynie geny przekazywane potomstwu przez rodziców. Ale czy jest to dobre założenie? Dla wielu gatunków nie jest: na przykład, cechy, które mają wysoką „odziedziczalność” w naszym gatunku to także majątek i religia, ale one nie mają składników genetycznych – korelacja jest środowiskowa, ponieważ rodzice dają swoją religię i forsę swoim dzieciom. A co ze ślimakojadami? Moim zdaniem tutaj także jest możliwość korelacji środowiskowej. Jeśli dorosłym ślimakojadom z dużymi dziobami udaje się zjeść więcej inwazyjnych ślimaków, a więc dawać swoim pisklętom więcej pokarmu, pisklęta mogą urosnąć większe z powodu lepszego odżywiania, a nie a powodu (lub nie tylko z powodu) swoich genów. To prowadziłoby do pozornej korelacji genetycznej między rodzicami i potomstwem, przeceniając genetyczny składnik zmiany cechy – a w ten sposób skłonności do reagowania na dobór.  
• Potomstwo istotnie było większe pod względem rozmiarów ciała, dzioba i stępy, a rozmiar dzioba stał się jeszcze większy nawet po wzięciu pod uwagę rozmiaru ciała. Wyraźnie wiec nastąpiła tu zmiana między pokoleniami.

Autorzy, jak zanotowałem, podkreślali składnik środowiskowy w powiększeniu się rozmiarów ślimakojadów w ciągu jednego pokolenia, minimalizując genetykę z powodu danych o odziedziczalności. Oto drugi cytat z artykułu (moje podkreślenie):

Równanie hodowlane i wartości hodowlane są często używane do wykrywania zmiany ewolucyjnej. Przez porównanie tych metod z zaobserwowanymi zmianami fenotypowymi stwierdziliśmy, że plastyczność fenotypowa, nie zaś ewolucja, jest prawdopodobnie obecnie odpowiedzialna za większość zmian morfologicznych u ślimakojada czerwonookiego.

Nie możemy wykluczyć, że pewne zmiany w wielkości dzioba, stępy i ciała były genetyczne, a więc, że była to prawdziwa zmiana ewolucyjna na przestrzeni pokolenia, ale w najlepszym wypadku ta zmiana była błaha w porównaniu do zmiany spowodowanej plastycznością. Autorzy są znacznie bardziej ostrożni w swojej pracy niż Douglas Quenqua w artykule w gazecie. Nie jestem pewien, czy Quenqua ma jakieś wykształcenie biologiczne (jego profil w LinkedIn pokazuje licencjat z Adelphi University), ale to nie ma znaczenia. Do napisania tego artykułu potrzebował zrozumienia biologii ewolucyjnej, a to można zrobić bez doktoratu w tej dziedzinie. Nie przekazał też głównego odkrycia tej pracy: hegemonii (w tym wypadku) plastyczności w stosunku do zmiany genetycznej w ważnej zmianie cechy. W rzeczywistości, nie tylko nie przekazał tego – zrozumiał i przekazał odwrotność.

Autor tego artykułu w “New York Times” powinien przyswoić sobie lekcję, którą przedstawiłem dużymi literami w 2011 r.:

Pozostawiam was z napomnieniem dla ekologów:  NIE ZAKŁADAJCIE, ŻE RÓŻNICE CECHY W OBECNYCH POPULACJACH LUB MIĘDZY POPULACJAMI W RÓŻNYCH CZASACH ODZWIERCIEDLAJĄ ZMIANĘ EWOLUCYJNĄ, JEŚLI NIE MACIE DOWODÓW, ŻE TE RÓŻNICE OPIERAJĄ SIĘ NA RÓŻNICACH W GENACH.

h/t: Diana MacPherson, Greg Mayer

__________

Cattau, C. E., R. J. Fletcher Jr, R. T. Kimball, C. W. Miller, and W. M. Kitchens. 2017. Rapid morphological change of a top predator with the invasion of a novel prey. Nature Ecology & Evolution. Published online 27 November 2017; doi:10.1038/s41559-017-0378-1 (pdf here).

Did birds evolve larger beaks to eat larger invasive snails? The NYT gets it wrong

Why Evolution Is True, 30 listopada 2017

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Profesor (emeritus) na wydziale ekologii i ewolucji University of Chicago, jego książka "Why Evolution is True" (Polskie wydanie: "Ewolucja jest faktem", Prószyński i Ska, 2009r.) została przełożona na kilkanaście języków, a przez Richarda Dawkinsa jest oceniana jako najlepsza książka o ewolucji.  Jerry Coyne jest jednym z najlepszych na świecie specjalistów od specjacji, rozdzielania się gatunków.  Jest wielkim miłośnikiem kotów i osobistym przyjacielem redaktor naczelnej.