Предсказуема ли эволюция? Являются ли изменения вида случайными или они происходят в результате естественного отбора?
«Эволюция часто кажется случайной, даже если она обусловлена детерминированным процессом естественного отбора, потому что мы просто не знаем обо всех колебаниях окружающей среды и других факторах, которые вызывают изменения», - говорит Зак, биолог из Университета штата Юта. Гомперт.«Если бы мы лучше понимали действующие механизмы, мы могли бы лучше представить себе эволюционные изменения и их предсказуемость».
Гомперт с коллегами Патриком Нозилом, Роменом Виллутрейксом, Клариссой де Карвальо и Виктором Сориа-Карраксо из Шеффилдского университета Англии, а также Тимоти Фаркасом из Университета Коннектикута, Джеффри Федером из Университета Нотр-Дам и Бернаром Креспи из Канадского университета Саймона Фрейзера, изучил эти вопросы и сообщил о результатах в выпуске журнала Science от 16 февраля 2018 г.
Исследование было поддержано грантом Европейского исследовательского совета и грантом Канадского совета по естественным и инженерным исследованиям, а также вычислительными ресурсами Центра высокопроизводительных вычислений Университета Юты.
Гомперт и его коллеги использовали данные из прошлого, чтобы проверить свои идеи об эволюционной предсказуемости.
«Мы использовали редкий и уникальный набор данных за 25 лет полевых исследований, документирующих эволюцию загадочной окраски тела с точки зрения частот трех «морфов» - ароматов, если хотите - палочников», - говорит Гомперт., доцент кафедры биологии УрГУ и Экологического центра УрГУ.«Используя данные за первые 10-15 лет, мы попытались предсказать или спрогнозировать изменения, которые произойдут в данных за последующие годы».
Три морфа: зеленый, зеленый с белой полосой и «меланистический» или темно-коричневый.
«Эти насекомые загадочны, то есть они визуально сливаются с окружающей средой, чтобы спрятаться от голодных хищников», - говорит Гомперт.
Оба вида зеленых палочников живут на зеленой листве, а коричневые насекомые живут на коричневых стеблях.
Насколько близко предсказания команды совпали с собранными данными? По его словам, очень близко для зеленых и зелено-полосатых морфов, но довольно плохо для меланистического морфа.
Используя геномный анализ, ученые смогли показать, что в обоих случаях детерминированный процесс отбора был вероятной причиной эволюционных изменений.
«С зелеными полосатыми морфами против зеленых причина отбора была простой и хорошо понятной: облегчение предсказуемости», - говорит Гомперт.«В отличие от меланистической морфы, естественный отбор был более сложным и связан с изменениями погоды и климата, что затрудняло прогнозирование прошлых моделей изменений».
Ученые сравнили свои результаты с более известными исследованиями, в том числе с дарвиновскими вьюрками и алый тигровым мотыльком, оба из которых также были не очень предсказуемы.
«Наши результаты подтверждают предыдущие открытия и предполагают, что эволюция частот морфинга у этих палочников действительно является результатом отбора», - говорит Гомперт. «Они также предполагают, что плохая предсказуемость изменчивости окружающей среды и то, как она влияет на отбор, а не случайные эволюционные процессы, могут быть основными ограничениями для предсказания эволюции».
Хотя мы можем использовать прошлое, чтобы предсказать изменения, говорит он, мы ограничены нашим недостатком знаний о будущем и сложными экологическими процессами, которые способствуют изменениям.