Diversifizierung des Schädels von Wiederkäuern – von mikroevolutionären Prozessen zu makroevolutionären Mustern

Feature vom 17. März 2023

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von Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Evolutionsbiologen wollen anhand vergleichender Datensätze zur Variation auf Populationsebene grundlegende Verbindungen zwischen mikroevolutionären Prozessen und makroevolutionären Mustern herstellen. In einem neuen Bericht über Science Advances analysierten Daniel R. Rhoda und ein Team von Wissenschaftlern der Evolutionsbiologie an der University of Chicago und dem Jackson Laboratory in den USA einen zuvor veröffentlichten Datensatz von Schädeln von Wiederkäuern (Säugetieren).

Die Ergebnisse wurden durch die hochkonservierte kraniofaziale Evolutionsallometrie (CREA) verzerrt, bei der größere Arten proportional längere Gesichter aufwiesen. Die Ergebnisse hoben das Merkmal als eine evolutionäre Linie des geringsten Widerstands hervor, die eine morphologische Diversifizierung im Einklang mit dem Browser-Grazer-Spektrum erleichtert. Die Ergebnisse zeigen, wie Einschränkungen auf Populationsebene stark gerichtete Muster der phänotypischen Evolution auf makroevolutionärer Ebene erzeugen können. Die Arbeit beleuchtet die Erforschung der Rolle der kraniofazialen evolutionären Allometrie bei Säugetiergruppen.

Die natürliche Selektion beeinflusst die phänotypische Variation in einer Population, wobei die Entwicklung der Population auf die Selektion reagiert. Die Richtung der größten Variation wird als Linie des geringsten Widerstands (LLR) bezeichnet und stellt die potenzielle Richtung der größten evolutionären Veränderung dar. Wenn die Selektion an der Linie des geringsten Widerstands ausgerichtet ist, erwarten Biologen, dass sich die Populationen auf direktem Weg zu einem adaptiven Höhepunkt entwickeln. Wenn die Auswahl jedoch anderswo ausgerichtet ist, wird die Reaktion auf die Auswahl auf die Linie des geringsten Widerstands ausgerichtet. Infolgedessen bestimmen Wechselwirkungen zwischen der adaptiven Landschaft und den Variationsgrenzen innerhalb einer Art auf Populationsebene den Weg der phänotypischen Evolution.

Evolutionsbiologen versuchen, globale Muster der Biodiversität als grundlegendes Ziel der biologischen Forschung zu erklären, um die mikroevolutionären Mechanismen aufzudecken, die makroevolutionären Mustern zugrunde liegen. Sie erwarten, dass diese Muster die Einschränkungen der Makroevolution auf Bevölkerungsebene beeinflussen. In dieser Arbeit haben Rhoda et al. legen starke Beweise für den Einfluss der kraniofazialen evolutionären Allometrie (dh Merkmale von Lebewesen, die sich mit der Größe ändern) auf die Mikro- und Makroevolution vor, die entlang der Linie des geringsten Widerstands untersucht werden können, um die morphologische Vielfalt zu fördern.

Der Schädel von Säugetieren weist ein hochkonserviertes Muster ontogenetischer und evolutionärer Allometrie auf, wobei größere Arten als Beispiel für kraniofaziale evolutionäre Allometrie proportional längere Gesichter haben. Während die Allometrie eine Grenze für die phänotypische Evolution darstellt, bietet sie die Möglichkeit, dass extreme Phänotypen ohne entwicklungstechnische Neuheit entstehen.

Beispielsweise sind größere, kurzgesichtige Säugetiere unwahrscheinlich, während die langgesichtigen, unerreichbaren Phänotypen aufgrund dieser Allometrie entstehen. Die kraniofaziale evolutionäre Allometrie schien daher eine Evolutionslinie mit dem geringsten Widerstand zu sein, was lediglich darauf hinwies, dass größere Säugetiere aufgrund größenbedingter Einschränkungen bei der Schädelbildung längere Gesichter hatten. Die Paläontologen stellten einen starken Zusammenhang zwischen der Größe und der Schädelform zwischen den Arten fest, wobei größere Arten längere Gesichter darstellten und die Steigung der evolutionären Allometrie zwischen den Unterfamilien deutlich variierte.

Beispielarbeiten zeigten, dass sich die Schädelformen von Dik-Diks aufgrund der stärker zurückgezogenen Nase von denen anderer kleiner Wiederkäuer unterscheiden. Allerdings besaßen alle kleinen Wiederkäuer kürzere Gesichter als ihre massigeren, langgesichtigeren Verwandten. Mithilfe der phylogenetischen Hauptkomponentenanalyse zeigte das Team klare Größentrends auf, die die Hauptvariationsachsen dominieren, um die Ergebnisse weiter zu untermauern. Rhoda et al. hat den interspezifischen Morphoraum zwischen Kladen nachgebildet, um verschiedene Evolutionsmuster besser zu verstehen und gleichzeitig die kraniofaziale evolutionäre Allometrie zu erforschen.

Das Team stellte fest und bestätigte, dass die Morphospace-Ähnlichkeiten in der Analyse auf die Allometrie zurückzuführen sind – den Haupteinfluss auf die Diversifizierung des Rinderschädels. Die Forscher stellten einen klaren Größentrend für die evolutionäre Variation im Rinderschädel fest, wo sich der große, grasende Stamm Alcephini und der kleine Weidestamm Neotragini im Verhältnis zu ihrer beobachteten Evolutionsrate stärker diversifizierten als erwartet. Die Arbeit stimmte mit den makroevolutionären Diversifizierungsmustern bei Rindern und Hirschen überein, die offenbar weiter von ihrem Vorfahren entfernt waren. Die Daten stellten die evolutionäre Labilität der Wiederkäuerernährung im Neogen dar und verdeutlichten gleichzeitig die abnehmende Diversität von Perissodactlys im gesamten Känozoikum.

Rhoda et al. untersuchten die Formvariation, die mit dem Browser-Graser-Kontinuum verbunden ist, und waren sich nicht sicher, ob die außergewöhnlich langgesichtigen Schädel großer Weidearten wie Alcelaphini auf (1) die direkte Auswahl von Schädeln zurückzuführen sind, die besser für die Beweidung geeignet sind und zufälligerweise lange Gesichter hatten , oder (2) waren gegenüber der Auswahl für die Nahrungsökologie agnostisch. Im letztgenannten Szenario gingen sie davon aus, dass sich längere Gesichter passiv während der mit der Beweidung einhergehenden Körpergrößenzunahme entwickelten, was aufgrund des engen Zusammenhangs zwischen Nahrungsaufnahme und -verarbeitung unwahrscheinlich erschien.

In beiden wahrscheinlichen Szenarien lieferte die Nahrungsökologie einen adaptiven Wert für evolutionäre Größenänderungen und beeinflusste die Diversifizierung der Schädelmorphologie von Wiederkäuern. Rhoda et al. untersuchten, ob die kraniofaziale evolutionäre Allometrie (CREA) eine Evolutionslinie mit dem geringsten Widerstand bei Artiodactylen von Wiederkäuern ist, und analysierten ihren Einfluss auf die morphologische Vielfalt. Sie maßen direkt die mit einem hypothetischen CREA verbundene Variationsachse, um deren Beziehung zur evolutionären Variation auf Populationsebene zu untersuchen, und führten phylogenetische verallgemeinerte Regressionen der kleinsten Quadrate durch, um Zusammenhänge zwischen morphologischer Divergenz und dem Divergenzwinkel relativ zu CREA zu messen.

Auf diese Weise untersuchten Daniel R. Rhoda und Kollegen die mikroevolutionären Prozesse, die den makroevolutionären Mustern während der Diversifizierung des Schädels von Säugetieren (Wiedern) zugrunde liegen. Sie untersuchten die kraniofaziale evolutionäre Allometrie (CREA) als einen Aspekt der Linie des geringsten Widerstands (LLR). Als sie während der Arbeit Matrizen von Arten erstellten, waren die Ergebnisse eng an CREA angelehnt; Dies deutet darauf hin, dass sich die Art weiter von ihren Vorfahren entfernt hatte als die weniger verwandten Arten.

Die Arbeit untersuchte intrinsische und extrinsische Faktoren, die den Unterschieden zwischen Kladen und ihren Diversifizierungsmustern im Vergleich zu Rindern und Hirschen im Browser-Graser-Spektrum zugrunde liegen. Und hob den Einfluss intrinsischer Faktoren auf die Diversifizierung der Schädelmorphologie von Wiederkäuern hervor. Die Ergebnisse zeigten im Großen und Ganzen den Einfluss intrinsischer Grenzen auf makroevolutionäre Muster und ermöglichten es den Wissenschaftlern, sich weitere Forschungen zur Rolle von CREA in anderen Säugetiergruppen vorzustellen.

Mehr Informationen: Daniel P. Rhoda et al., Diversifizierung des Wiederkäuerschädels entlang einer evolutionären Linie des geringsten Widerstands, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade8929

Ryan N. Felice et al., Entwicklungsursprünge der Mosaikentwicklung im Vogelschädel, Proceedings of the National Academy of Sciences (2017). DOI: 10.1073/pnas.1716437115

Zeitschrifteninformationen:Proceedings of the National Academy of Sciences, Science Advances

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