Rapid Evolution, Rapid Extinction and the Influence of Man

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A popular myth relates “evolution” with strictly long time periods, thousands or millions of years. This is understandable given that the most popular examples (dinosaurs – birds, Australopithecus – Homo sapiens) are those in which big changes needed a lot of time to “transform” a living being into a totally different one. Even though the process of evolution happens continuously every day and every hour, to obtain results as impressive as the ones in these examples will take time. Why?

A bit of natural selection

 The evolution process depends of several factors. To make it simple, let’s talk about two: natural selection and mutations. We can imagine natural selection as a mechanism that works non-stop towards the same direction. Thanks to natural selection the individuals within a population of a given species will always be in average the most capable to exist in the present time and place. How is it possible to selection to exist? this is because the environment (that is how we call all the factors outside the population, like climate, competitors, temperatures, etc) is always changing. In consequence, the optimal characteristics that individuals in a population should present to exist will change together with the environment. The individuals whose characteristics are closer to this optimum will be selected. On the other hand, mutations are random “errors” that can cause important changes when they appear. Mutations are selected when they help the individual to get a bit closer to the optimum in respect to the individuals without those same mutations*. However, the probabilities that a mutation appears, that it will make a change in the organism, that this change will be positive in respect to the population optimum and that this positive change will get fixated in the population are, together, low. Is for this reason that to see important changes produced by the evolutionary process a lot of time is needed. Or not?

*Mutations can be “selected” through other mechanisms, but we are not interested in these right now.

 The truth is that, even though mutations could be considered as the cause of the most abrupt changes, the different forms that exist around the optimum in a given time and space make up the necessary variability for selection to be possible in the future.

The following is a classic image that illustrates how this principle is fulfilled in one of the Darwin finches species, which feeds on seeds. When we have successive rainy-weather years, small seeds will start to be abundant. Because small beaks make it easier to manipulate these small seeds then the optimal size for the beak will be a small size (highest point of the blue distribution in the figure). On the other side, when there are successive drought years the small seeds will start to be scarce and bigger seeds will become the main dietary item of the finches. To consume these bigger seeds bigger beaks are needed, which will make the optimum size of the beak to be a big size (highest point of the brown distribution in the figure).

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In spite of the existence of optimum sizes we can see that there is a distribution of sizes around this optimum, smaller and bigger sizes. Let’s imagine the moment in which small seeds start to be scarce and bigger seeds start to be proportionally more abundant. Probably in this moment the individuals with a somewhat bigger beak in respect to the optimum (a bit to the right of the highest point in the blue distribution) become the new optimum (the new “highest point”) and the blue distribution slowly starts moving towards the brown one. Thanks to this shape distribution we can talk about natural selection.

For the natural selection mechanism to work the characteristics of, in this case, the beak must be heritable, which means that they have to be transmittable from generation to generation. This is one of the causes of the long times it takes to observe important changes. However, and the reason why I mention them in this post, Darwin finches are a clear example of rapid evolution; in few years we can see very important changes in the size of the beak. Not millions, or thousands, or hundreds; a few decades are enough.

Heavy rains, droughts… these are climatic events that escape from our power, some would think. However, the influence of man can be big enough as to trigger these extremely fast evolutionary processes, as presented by two new articles published this year.

Scenario 1

De Amorim et al present us a scenario in which a certain zone full of valleys in the Brazilian Cerrado is artificially flooded in favor of the installation of a new hydroelectric plant. The flood makes the highest points of these valleys to become “islands”, isolating populations of animals between them. This scenario (islands and mainland) is propitious for evolutionary studies. In this work in particular a gecko species was studied, Gymnodactylus amarali, which is a termite specialist. Five of these new islands were studied together with 5 close mainland sites, whose populations were not isolated from others. Another important fact: before the flood this species of gecko coexisted with a lizard species also specialized in termites, but of bigger size. In the studied islands this species went extinct.

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Islands (“I” locations) and mainland (“M” locations) sites studied by de Amorim et al (2017). Extracted from the paper.

The proposed hypothesis of the study were confirmed by the results. First, the trophic niche (which is the food diversity in the diet) was increased in the insular geckos. This happened because of the extinction of the other, big-sized, lizard. Even though both species are specialized in eating termites, the bigger species consumed also termites of a larger size, while the gecko was specialized in small-sized termites. The extinction of the larger lizard left an “empty space” in the ecosystem, which was filled by the gecko of the study. In consequence, the diet of the insular gecko became wider than that of the mainland gecko as it included both small and big termites.

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Differences in prey size between insular and continental geckos. Notice how the insular geckos eat a larger range of termites of different sizes. Extracted from de Amorim et al., 2017.

This is already an important result, but it was predicted that this change in diet would trigger changes in the morphology, specifically in the cranial morphology which has been linked to diet in several past studies (in summary, larger heads allow for the consumption of larger prey). As expected, the size of the head resulted to be significantly larger in the island geckos in respect to the mainland ones:

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Differences in proportional head length between insular and continental geckos. Extracted from de Amorim et al., 2017.

Only 15 years were needed for these changes to occur.

Scenario 2

Bochaton et al present us a study with a similar scenario, but examined with a different point of view and also different tools. In this case we are situated in a Caribbean island (this was not created by man!) were a single Anolis species can be found: A. ferreus. Using a large sample of fossils from the same island the authors looked for any morphological difference (specifically in the body size) between A. ferreus from the past (the fossils go from the Pleistocene to a few hundreds of years ago) and modern individuals.

After convincing us that the fossils of that island probably belong to A. ferreus of the past the authors explain that 3 distinct groups belonging to this species can be described from these fossil remainings in respect to their body size (SVL, snout-vent length, from now on).

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The occurrence distributions of the three size groups found in the fossil sample by Bochaton et al. Extracted from Bochaton et al., 2017.

The smallest group, with individuals between 60 and 75mm of SVL, coincides with the moern size of A. ferreus females; the intermediate group, with a maximum SVL of 120mm, coincides with the size of modern A. ferreus males. However, at present there are no individuals reaching the sizes of the third group found in the fossil sample. The authors didn’t find evidence of this third group being a different species. Then, what happened with this group of big-sized lizards?

The fossil sample, say the authors, reflects the presence of these three groups across 30,000 years, suddenly disappearing in a few centuries. Even though no specific event can be linked to this phenomenon, given that the fossils maintain the presence of the three groups at least until the 14th century it is possible that the arrival of European colonies and their activities in the islands produced the extinction of the third group. Specifically, deforestation in favor of agriculture might have caused the extinction of the larger A. ferreus, which could have had these forests as their preferred habitat. In this way the morphological diversity maintained for 30,000 years was drastically reduced in a short time.

Where is evolution here?

 In this second scenario the surviving populations don’t go through morphological changes when the larger lizards get extinct, as in the first scenario. This is because in the first scenario a different niche becomes available (big termites) in contrast to the second one, in which a niche becomes available but it is not different enough to trigger changes in the body size. Let’s imagine that the larger A. ferreus get extinct because of a different cause, so that the forest remains in the island. Probably individuals of the smaller body size groups would fill the empty niche left by the recently extinct group and with time (maybe as short as in the first scenario?) they would evolve larger body sizes. In this second scenario there is no evolution in the body size at the population level, but at the species level as the average size considering all the individuals in the island is now lower.

Rapid evolution, rapid extinction

From both studies we can highlight the following points:

– Ecological and morphological evolution can happen in a very short time.
15 years after the installation of the hydroelectric plant we can see changes in diet   and the associated morphology.
The sudden deforestation caused an important decrease in the morphological   diversity of a species.

– Evolution is intimately linked to extinction.
The extinction of the larger-sized lizard allowed the increase of the diet spectrum and morphological change in the gecko.
The extinction of the larger A. ferreus dramatically changed the average morphology of the species.

– Humans can trigger extremely fast evolution and extinction processes.
Creation of artificial “islands”.
Destruction of habitat by European colonists.

 

These are not the first examples of short-term evolution (check this paper, for example), but they include the human factor, which we usually consider to act only in the long term. The expansion of human societies happens every day (who would be surprised to read about the construction of a new hydroelectric plant in the newspaper?), how much of what we see in the present has been shaped by human activity in the last decades?

References

  • Bochaton, C., Bailon, S., Herrel, A., Grouard, S., Ineich, I., Tresset, A., & Cornette, R. (2017). Human impacts reduce morphological diversity in an insular species of lizard. In Proc. R. Soc. B (Vol. 284, No. 1857, p. 20170921).
  • de Amorim, M. E., Schoener, T. W., Santoro, G. R. C. C., Lins, A. C. R., Piovia-Scott, J., & Brandão, R. A. (2017). Lizards on newly created islands independently and rapidly adapt in morphology and diet. Proceedings of the National Academy of Sciences, 201709080.

Evolución rápida, extinción rápida y la influencia del hombre

Un mito muy popular es aquel que relaciona “evolución” con períodos de tiempo estrictamente largos, miles o millones de años. Y es que los ejemplos más populares (dinosaurios – aves, AustralopithecusHomo sapiens) son aquellos donde grandes cambios necesitaron muchísimo tiempo para “transformar” un ser vivo en otro totalmente diferente. Si bien el proceso de evolución sucede continuamente todos los días y en cada hora, obtener resultados tan impresionantes como los de estos ejemplos tomará tiempo. ¿Por qué?

Un poco de selección natural

El proceso de evolución depende de muchos factores. Para simplificarlo, digamos que depende de dos: selección natural y mutaciones. Podemos imaginarnos a la selección natural como un mecanismo que trabaja sin parar, eternamente, hacia una misma dirección. Gracias a la selección natural los individuos dentro de una población de determinada especie siempre serán en promedio los más capacitados para existir en el tiempo y lugar presentes. ¿Por qué hay selección? pues porque el ambiente (que es como llamamos a todos los factores externos y ajenos a la población e.g. clima, competidores, temperaturas) se mantiene en constante cambio. Esto hace que las características óptimas que deban presentar los individuos de una población para existir cambien junto al ambiente. Los individuos cuyas características se acerquen más a este óptimo serán seleccionados. Las mutaciones, por su parte, son “errores” aleatorios que pueden causar cambios importantes cuando aparecen. Las mutaciones son seleccionadas cuando ayudan al individuo a acercarse un poco más al óptimo respecto a los individuos sin mutaciones*. Sin embargo, las probabilidades de que aparezca una mutación, que esta genere un cambio en el organismo, que este cambio sea positivo respecto al óptimo de la población, y que este cambio positivo se fije en la población son, en conjunto, bajas. Es por esta razón que para ver cambios importantes producidos por el proceso de evolución se necesita que pase mucho tiempo. O no?

*Las mutaciones pueden ser “seleccionadas” a través de otros mecanismos, pero estos no nos interesan ahora.

La verdad es que, si bien las mutaciones podrían ser consideradas como las causantes de los cambios más abruptos, las diferentes formas que existen alrededor del óptimo en un tiempo y lugar determinados conforman la variabilidad necesaria para que pueda haber selección en el futuro.

La siguiente es una imagen clásica que ilustra como se cumple este principio en una de las especies de pinzones de Darwin, la cual se alimenta de semillas. Cuando en años sucesivos tenemos un clima lluvioso empezarán a abundar semillas pequeñas. Como picos pequeños hacen más fácil la manipulación de estas semillas pequeñas entonces el tamaño óptimo para el pico en esta situación será un tamaño pequeño (punto más alto de la distribución azul en la figura). Por el contrario, cuando se dan años sucesivos de sequía las semillas pequeñas empezarán a escasear y semillas más grandes se convertirán en la principal fuente de alimento de los pinzones. Para consumir estas semillas grandes se necesitan picos más grandes, lo cual hará que el tamaño óptimo en esta situación sea un tamaño grande (punto más alto de la distribución marrón en la figura).
finches
A pesar de haber tamaños óptimos podemos ver que hay una distribución de tamaños alrededor de este óptimo, tamaños más pequeños y más grandes. Imaginemos el momento en que las semillas pequeñas empiezan a escasear y las semillas grandes empiezan a ser proporcionalmente más abundantes. Probablemente en ese momento los individuos con picos un poco más grandes (un poco a la derecha del punto más alto de la distribución azul) se transforman en el nuevo óptimo (el nuevo “punto más alto”) y la distribución se empieza a mover lentamente de azul a marrón. Es gracias a esta distribución de formas que se puede hablar de selección natural.

Para que el mecanismo de selección natural funcione las características de, en este caso, el pico deben ser heredables, es decir, transmisibles de generación en generación. Esta es una de las causas de que observar cambios importantes tome tanto tiempo. Sin embargo, y la razón por la que los menciono en este post, los pinzones de Darwin son un claro ejemplo de evolución rápida; en pocos años podemos ver cambios muy importantes en el tamaño del pico. No millones, ni miles, ni cientos; unas pocas décadas son suficientes.

Lluvias, sequías… son eventos climáticos que escapan a nuestro poder, pensarán algunos. Sin embargo la influencia del hombre puede ser lo suficientemente grande como para promover estos procesos evolutivos extremadamente rápidos, como exponen dos nuevos artículos publicados este año.

Escenario 1

De Amorim et al nos presentan un escenario en el que cierta zona llena de valles en el Cerrado brasilero es inundada artificialmente en favor de la instalación de una planta hidroeléctrica. La inundación hace que los puntos más altos de estos valles se transformen en “islas”, aislando poblaciones de animales entre sí. Este escenario (islas y continente) es propicio para estudios evolutivos. En este trabajo en particular se estudió una especie de gecko, Gymnodactylus amarali, la cual es especialista en comer termitas. Se estudiaron 5 de estas nuevas islas y 5 lugares situados en lo que serían tierras “continentales” cercanas, es decir no aisladas de otras poblaciones. Otro dato importante: Antes de la inundación esta especie de gecko convivía con otra especie de lagartija también especialista en consumir termitas, pero de mayor tamaño. En las islas estudiadas esta especie se extinguió.

islands

Islas (localidades “I”) y zonas continentales (localidades “M”) estudiadas en el trabajo de de Amorim et al., 2017.

Las hipótesis planteadas por el estudio fueron confirmadas por los resultados. Primero, el nicho trófico (es decir, la diversidad de comida incluida en la dieta) aumentó en los geckos de las islas. Esto se dio gracias a la extinción de la otra especie de mayor tamaño. Si bien las dos especies son especialistas en consumir termitas, la especie de mayor tamaño consumía termitas también de mayor tamaño mientras que los geckos del estudio estaban especializados en consumir las termitas más pequeñas. La extinción de la especie de mayor tamaño dejó un “espacio vacío” en el ecosistema, el cual fue ocupado por el gecko del estudio. En consecuencia, la dieta del gecko insular ahora es más amplia que la dieta del gecko continental ya que incluye tanto termitas pequeñas como termitas grandes.

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Diferencias en el tamaño de las termitas consumidas por geckos insulares y continentales. Nótese como los geckos insulares consumen un rango mayor de termitas de diferentes tamaños. Extraído de de Amorim et al., 2017.

De por sí este ya es un resultado importante, pero se intuyó que este cambio en la dieta debía llevar consigo cambios importantes en la morfología, específicamente a la morfología craneal tantas veces ligada a la dieta en muchos estudios (en concreto, cabezas más robustas permiten el consumo de presas más grandes). Como era de esperarse, el tamaño de la cabeza resultó ser significativamente mayor en los geckos insulares respecto a los continentales:

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Diferencias en el tamaño de cabeza entre geckos insulares y continentales. Extraído de de Amorim et al., 2017.

Solo 15 años fueron necesarios para ocasionar estos cambios.

Escenario 2

Bochaton et al nos presentan un estudio con un escenario muy similar pero examinado desde un punto de vista y con herramientas distintas. En este caso nos situamos en una isla del Caribe (esta no fue creada por el hombre!) donde una sola especie de Anolis puede ser encontrada: A. ferreus. A través de una gran muestra de fósiles de la misma isla se buscó detectar alguna diferencia morfológica (específicamente el tamaño corporal) entre A. ferreus del pasado (los fósiles van desde el Pleistoceno hasta algunos cientos de años atrás) e individuos modernos.

Luego de convencernos que los fósiles de dicha isla pertenecen muy probablemente a A. ferreus del pasado los autores explican que 3 distintos grupos pertenecientes a esta especie pueden ser descritos a partir de estos restos fósiles en relación a su tamaño corporal (SVL, snout-vent length, a partir de ahora).

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Distribución de ocurrencia de los tres grupos descritos de la muestra fósil en Bochaton et al., 2017.

El grupo más pequeño, de entre 60 y 75 mm de SVL, coincide con el tamaño actual de las hembras de A. ferreus; el grupo intermedio, con un máximo de 120 mm de SVL, coincide con el tamaño de los machos de A. ferreus modernos. Sin embargo, en la actualidad no existen individuos de la especie que alcancen el tamaño del tercer grupo encontrado en los fósiles. Los autores no encontraron evidencia de que este tercer grupo de fósiles perteneciera a una especie diferente. Entonces ¿qué le sucedió a este grupo de lagartijas más grandes?

La muestra de fósiles, dicen los autores, refleja la presencia de estos tres grupos a lo largo de 30,000 años, desapareciendo súbitamente en pocos siglos. Si bien no hay un evento específico al que pueda relacionarse este fenómeno, dado que los fósiles mantienen la presencia de los tres grupos al menos hasta el siglo XIV se cree que la aparición de colonos europeos y sus actividades en las islas produjeron la extinción del tercer grupo. Específicamente la tala de los bosques en favor de la agricultura habría impulsado la extinción de los A. ferreus más grandes, los cuales tenían en estos bosques su hábitat de preferencia. Es así como la diversidad morfológica mantenida a lo largo de 30,000 años se redujo drásticamente en poco tiempo.

¿Dónde hay evolución aquí?

En este segundo escenario las poblaciones sobrevivientes no experimentan cambios morfológicos a partir de la extinción del grupo de lagartijas grandes, como en el primer escenario. Esto se debe a que en el primer escenario un nicho diferente queda libre (termitas grandes) a diferencia de este escenario, en el cual un nicho queda libre, pero probablemente no es lo suficientemente diferente como para producir cambios evolutivos en el tamaño corporal. Imaginemos que el grupo de A. ferreus grandes se extingue debido a otras causas, de manera que los árboles quedan intactos. Probablemente individuos de los grupos de tamaños inferiores llenarían el espacio dejado por el recientemente extinto grupo y con el tiempo (tal vez tan corto como en el primer escenario?) evolucionarían tamaños mayores. En este segundo escenario no hay evolución en el tamaño corporal a nivel de poblaciones, mas sí lo hay a nivel de especie ya que el tamaño promedio tomando en cuenta a todos los individuos de la isla es ahora menor.

Evolución rápida, extinción rápida

De ambos estudios podemos resaltar los siguientes puntos:

– La evolución tanto ecológica como morfológica se puede dar en muy poco tiempo.

15 años después de la instalación de la hidroeléctrica se observan cambios en dieta y morfología asociada.
La súbita deforestación causó una importante disminución en la diversidad morfológica de una especie.

La evolución está íntimamente asociada a la extinción.

La extinción de la lagartija de mayor tamaño permitió la ampliación de la dieta y cambio en la morfología en el gecko.
La extinción del grupo de
A. ferreus de mayor tamaño cambió drásticamente la morfología promedio de la especie.

– El hombre puede impulsar procesos evolutivos y de extinción extremadamente rápidos.

Creación de “islas” artificiales.
Destrucción del hábitat por colonos europeos.

Estos no son los primeros ejemplos de evolución en el corto plazo (mira este artículo, por ejemplo), pero incluyen el factor humano, el cual muchas veces pensamos que actúa solamente en el largo plazo. La expansión de las sociedades humanas sucede todos los días (a quién le sorprendería leer sobre la construcción de una nueva planta hidroeléctrica en el períodico?), ¿qué tanto de lo que vemos hoy ha sido moldeado por actividad humana realizada en las últimas décadas?

Referencias

  • Bochaton, C., Bailon, S., Herrel, A., Grouard, S., Ineich, I., Tresset, A., & Cornette, R. (2017). Human impacts reduce morphological diversity in an insular species of lizard. In Proc. R. Soc. B (Vol. 284, No. 1857, p. 20170921).
  • de Amorim, M. E., Schoener, T. W., Santoro, G. R. C. C., Lins, A. C. R., Piovia-Scott, J., & Brandão, R. A. (2017). Lizards on newly created islands independently and rapidly adapt in morphology and diet. Proceedings of the National Academy of Sciences, 201709080.
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