生物学家观察到竹节虫随着时间的推移而反复发生的进化变化

进化科学家之间长期存在着一个争论，争论的焦点是：进化是按照可预测的模式发生的，还是取决于偶然事件和偶然性?也就是说，如果时光倒流，正如著名科学家斯蒂芬·杰伊·古尔德(1941-2002)在其著名比喻“重播生命的磁带”中所描述的那样，地球上的生命会再次进化成类似于我们现在所知的生命，还是会看起来截然不同?

犹他州立大学进化生物学家 Zachariah Gompert 表示：“如果你把它当做一个非此即彼的问题，那就太简单了。答案不是&luo;完全随机&ruo;或&luo;完全确定和可预测&ruo;。然而，通过研究短时间尺度，我们可以发现可预测、可重复的进化模式。”

戈姆珀特及其同事在 2024 年 5 月 24 日的科学促进会期刊《科学进展》在线版上报告了竹节虫种群可重复进化的证据。该论文的合作作者包括戈姆珀特的长期合作伙伴帕特里克·诺西尔以及来自法国蒙彼利埃大学、巴西圣保罗联邦大学、内华达大学雷诺分校和圣母大学的其他研究人员。该研究得到了国家科学基金会和欧洲研究理事会的支持。

研究小组研究了 30 年来在加利福尼亚州 10 个自然复制种群中，竹节虫Timema cristinae的隐蔽颜色图案变体出现频率的数据。T . cristinae的体色和图案呈多态性。有些昆虫是绿色的，这使得这种无翅、以植物为食的昆虫能够与加州紫丁香 ( Ceanothus spinosus ) 灌木融为一体。相比之下，绿色条纹变体在沙地丁香 ( Adenostoma fasciculatum ) 灌木中消失得无影无踪。

藏身于植物之中是竹节虫的主要防御手段之一，因为诸如灌丛鸦之类的饥饿鸟类是竹节虫的贪得无厌的捕食者。

犹他州立大学生物系和生态中心副教授 Gompert 表示：“鸟类捕食不断影响着昆虫的生物特征，包括颜色和条纹与非条纹。我们观察到所有种群的条纹频率都存在可预测的&luo;上下&ruo;波动，这代表了基于现有遗传变异的可重复进化动态。”

他说，一项实地试验表明，这些波动与负频率依赖性自然选择 (NFDS) 有关，即隐秘的颜色图案在稀有时比在常见时更有益。这可能是因为鸟类会形成一种“搜索图像”，以寻找非常丰富的猎物。

“在短时间内，涉及现有变异的进化是相当可预测的，”Gompert 说，他于 2019 年获得了国家科学基金会 CAREER 资助以支持他的研究。“你可以指望某些驱动因素始终存在，例如鸟类以昆虫为食。”

但在更长的时间尺度上，进化动态变得不那么可预测。

“人们可能会经历偶然事件，例如严重的干旱或洪水，从而破坏现状并产生可预见的结果，”戈姆珀特说。

他说，从长远来看，物种的新突变可能会带来罕见的特性。“这几乎是最接近真正随机的了。”

“稀有的东西很容易因偶然而消失，因此新突变很有可能在获得立足点之前就消失，”他说。“事实上，另一种也以沙米为食的Timema竹节虫要么从未发生过突变，要么很快就失去了形成隐秘条纹特征的突变。因此，条纹的进化不是如此长期进化的可重复结果。”

戈姆珀特指出，对自然种群进行重复的长期研究，包括对著名的达尔文雀的研究，是非常罕见的。

“由于大部分此类研究仅限于一个或几个种群，因此很难推断多个进化独立种群之间的可重复性，”他说。“这类研究很难实施，不仅因为它们需要齐心协力，还因为你不能急于求成。”

戈姆珀特被 ScholarGPS 评为高级学者，他与犹他州立大学的同事一起开发了一门研究密集型、互动式入门生物学实验室课程，向本科生介绍研究。他和同事还开发了一个适合所有年龄段的关于进化的互动演示，名为“纳博科夫的蝴蝶”，该演示于 2022 年在犹他州立大学科学学院的 Science Unwrapped 公共宣传计划中展示。

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