Em formação

18.1D: Processos e padrões de evolução - Biologia


A seleção natural só pode ocorrer na presença de variação genética; as condições ambientais determinam quais características são selecionadas.

objetivos de aprendizado

  • Explique por que apenas a variação hereditária pode ser influenciada pela seleção natural

Pontos chave

  • A variação genética dentro de uma população é resultado de mutações e reprodução sexual.
  • Uma mutação pode ser neutra, reduzir a aptidão de um organismo ou aumentar a aptidão de um organismo.
  • Uma adaptação é uma característica hereditária que aumenta a sobrevivência e a taxa de reprodução de um organismo em seu ambiente atual.
  • A evolução divergente descreve o processo no qual duas espécies evoluem em direções diversas a partir de um ponto comum.
  • A evolução convergente é o processo no qual características semelhantes evoluem independentemente em espécies que não compartilham um ancestral comum recente.

Termos chave

  • adaptação: modificação de algo ou de suas partes que o torna mais adequado para a existência nas condições de seu ambiente atual
  • evolução divergente: o processo pelo qual uma espécie com características semelhantes se torna grupos que são tremendamente diferentes uns dos outros ao longo de muitas gerações
  • evolução convergente: um traço de evolução em que espécies não de origem recente semelhante adquirem propriedades semelhantes devido à seleção natural

Processos e padrões de evolução

Variação

A seleção natural só pode ocorrer se houver variação, ou diferenças, entre os indivíduos de uma população. É importante ressaltar que essas diferenças devem ter alguma base genética; caso contrário, a seleção não levará à mudança na próxima geração. Isso é crítico porque a variação entre os indivíduos pode ser causada por razões não genéticas, como um indivíduo ser mais alto devido a uma melhor nutrição, em vez de genes diferentes.

A diversidade genética dentro de uma população provém de dois mecanismos principais: mutação e reprodução sexuada. A mutação, uma mudança na sequência do DNA, é a fonte final de novos alelos ou nova variação genética em qualquer população. As alterações genéticas causadas pela mutação podem ter um de três resultados:

  • Muitas mutações não terão efeito na adequação do fenótipo; essas são chamadas de mutações neutras.
  • Uma mutação pode afetar o fenótipo do organismo de uma forma que reduz a aptidão (menor probabilidade de sobrevivência ou menos descendência).
  • Uma mutação pode produzir um fenótipo com um efeito benéfico na aptidão. Diferentes mutações terão uma gama de efeitos na aptidão de um organismo que as expressa em seu fenótipo, de um efeito pequeno a um grande efeito.

A reprodução sexual também leva à diversidade genética: quando dois pais se reproduzem, combinações únicas de alelos se reúnem para produzir os genótipos únicos e, portanto, os fenótipos em cada um dos descendentes. No entanto, a reprodução sexual não pode levar a novos genes, mas, ao contrário, fornece uma nova combinação de genes em um determinado indivíduo.

Adaptações

Uma característica hereditária que auxilia na sobrevivência e reprodução de um organismo em seu ambiente atual é chamada de adaptação. Os cientistas descrevem grupos de organismos que se adaptam a seu ambiente quando ocorre uma mudança na faixa de variação genética ao longo do tempo que aumenta ou mantém a "adequação" da população ao seu ambiente. Os pés palmados dos ornitorrincos são uma adaptação para a natação. O pelo grosso dos leopardos das neves é uma adaptação para viver no frio. A velocidade rápida das chitas é uma adaptação para capturar presas.

Se uma característica é ou não favorável depende das condições ambientais da época. As mesmas características nem sempre são selecionadas porque as condições ambientais podem mudar. Por exemplo, considere uma espécie de planta que cresceu em um clima úmido e não precisava conservar água. Folhas grandes foram selecionadas porque permitiam que a planta obtivesse mais energia do sol. As folhas grandes requerem mais água para manter do que as folhas pequenas, e o ambiente úmido oferece condições favoráveis ​​para sustentar as folhas grandes. Depois de milhares de anos, o clima mudou e a área não tinha mais excesso de água. A direção da seleção natural mudou de modo que as plantas com folhas pequenas foram selecionadas porque essas populações foram capazes de conservar água para sobreviver às novas condições ambientais.

A evolução das espécies resultou em uma enorme variação na forma e na função. Às vezes, a evolução dá origem a grupos de organismos que se tornam tremendamente diferentes uns dos outros. Quando duas espécies evoluem em direções diversas a partir de um ponto comum, isso é chamado de evolução divergente. Essa evolução divergente pode ser vista nas formas dos órgãos reprodutivos das plantas com flores que compartilham as mesmas anatomias básicas; no entanto, eles podem parecer muito diferentes como resultado da seleção em diferentes ambientes físicos e da adaptação a diferentes tipos de polinizadores.

Em outros casos, fenótipos semelhantes evoluem independentemente em espécies aparentadas de maneira distante. Por exemplo, o vôo evoluiu tanto em morcegos quanto em insetos; ambos têm estruturas às quais nos referimos como asas, que são adaptações ao vôo. No entanto, as asas de morcegos e insetos evoluíram a partir de estruturas originais muito diferentes. Esse fenômeno é chamado de evolução convergente, em que características semelhantes evoluem independentemente em espécies que não compartilham um ancestral comum recente. As duas espécies desempenhavam a mesma função, voando, mas o faziam separadamente.

Essas mudanças físicas ocorrem em enormes extensões de tempo e ajudam a explicar como a evolução ocorre. A seleção natural atua em organismos individuais, que por sua vez podem moldar uma espécie inteira. Embora a seleção natural possa funcionar em uma única geração em um indivíduo, pode levar milhares ou até milhões de anos para que o genótipo de uma espécie inteira evolua. Foi durante esses longos períodos de tempo que a vida na Terra mudou e continua a mudar.


Biologia, sistemática e evolução de samambaias e licófitas na era ômica

Samambaias e licófitas são linhagens distintas, com licófitas sendo a linhagem mais antiga entre as plantas vasculares existentes, e samambaias o grupo irmão das plantas com sementes. Historicamente, ambas as linhagens foram estudadas juntas e tratadas como o grupo parafilético das pteridófitas, principalmente porque ambas as linhagens são portadoras de esporos e compartilham muitas outras características biológicas, como o ciclo de vida geral. Portanto, apesar de sua menor diversidade de espécies existentes em comparação com plantas com flores, a biologia de samambaias e licófitas é extremamente importante para entender as origens, evolução e diversificação das plantas terrestres.

Por cerca de três décadas, os insights de dados moleculares contribuíram para revolucionar nossa compreensão da evolução da samambaia e da licófita. Apesar dos dados de sequenciamento de alto rendimento disponíveis agora, as publicações envolvendo estudos sobre a escala ômica visando samambaias e licófitas ainda são incipientes. O acesso a todos os tipos de dados ômicos (por exemplo, genômicos, metagenômicos, transcriptômicos, proteômicos) forneceu uma perspectiva renovada para inferir processos e padrões evolutivos em todos os grupos de organismos.

Este tópico de pesquisa tem como objetivo reunir artigos baseados em abordagens ômicas (incluindo museomics) para revelar mecanismos evolutivos por trás da diversificação de samambaias e licófitas. Estamos interessados ​​em receber pesquisas originais, análises ou mini-análises, opiniões e perspectivas que abordem os seguintes tópicos:

• Padrões de diversificação em escala genômica
• Padrões e processos de especiação
• Funções de reticulação (por exemplo, hibridização) e poliploidização na diversificação
• Biologia evolutiva do desenvolvimento
• Evolução fenotípica
• Genômica da população
• Biogeografia
• Biologia reprodutiva.

Palavras-chave: Evolução de samambaias e licófitas, filogenômica, genômica, transcriptômica, especiação, sistemática, biogeografia

Nota importante: Todas as contribuições para este Tópico de Pesquisa devem estar dentro do escopo da seção e do periódico ao qual são enviadas, conforme definido em suas declarações de missão. A Frontiers reserva-se o direito de orientar um manuscrito fora do escopo para uma seção ou periódico mais adequado em qualquer estágio da revisão por pares.

Samambaias e licófitas são linhagens distintas, com licófitas sendo a linhagem mais antiga entre as plantas vasculares existentes, e samambaias o grupo irmão das plantas com sementes. Historicamente, ambas as linhagens foram estudadas juntas e tratadas como o grupo parafilético das pteridófitas, principalmente porque ambas as linhagens são portadoras de esporos e compartilham muitas outras características biológicas, como o ciclo de vida geral. Portanto, apesar de sua menor diversidade de espécies existentes em comparação com plantas com flores, a biologia de samambaias e licófitas é extremamente importante para entender as origens, evolução e diversificação das plantas terrestres.

Por cerca de três décadas, os insights de dados moleculares contribuíram para revolucionar nossa compreensão da evolução da samambaia e da licófita. Apesar dos dados de sequenciamento de alto rendimento disponíveis agora, as publicações envolvendo estudos sobre a escala ômica visando samambaias e licófitas ainda são incipientes. O acesso a todos os tipos de dados ômicos (por exemplo, genômicos, metagenômicos, transcriptômicos, proteômicos) forneceu uma perspectiva renovada para inferir processos e padrões evolutivos em todos os grupos de organismos.

Este tópico de pesquisa tem como objetivo reunir artigos baseados em abordagens ômicas (incluindo museomics) para revelar mecanismos evolutivos por trás da diversificação de samambaias e licófitas. Estamos interessados ​​em receber pesquisas originais, análises ou mini-análises, opiniões e perspectivas que abordem os seguintes tópicos:

• Padrões de diversificação em escala genômica
• Padrões e processos de especiação
• Funções de reticulação (por exemplo, hibridização) e poliploidização na diversificação
• Biologia evolutiva do desenvolvimento
• Evolução fenotípica
• Genômica da população
• Biogeografia
• Biologia reprodutiva.

Palavras-chave: Evolução de samambaias e licófitas, filogenômica, genômica, transcriptômica, especiação, sistemática, biogeografia

Nota importante: Todas as contribuições para este Tópico de Pesquisa devem estar dentro do escopo da seção e do periódico ao qual são enviadas, conforme definido em suas declarações de missão. A Frontiers reserva-se o direito de orientar um manuscrito fora do escopo para uma seção ou periódico mais adequado em qualquer estágio da revisão por pares.


Biogeografia e Paleobiologia

A pesquisa de Catherine Badgley envolve os processos ecológicos e evolutivos, incluindo especiação, extinção e mudanças de alcance geográfico, que determinam a diversidade de espécies e a estrutura ecológica das assembléias de mamíferos ao longo do tempo. Ela também trabalha com as implicações ambientais e sociais de diferentes práticas agrícolas.

Paul E. Berry

A pesquisa de Paul Berry se concentra na sistemática, biogeografia e evolução do caráter de grandes grupos de plantas com flores, como os gêneros Croton e Euphorbia na família spurge.

Robyn Burnham

Robyn Burnham estuda as florestas tropicais de alta diversidade do Equador, Peru e Brasil, identificando as espécies dominantes nas comunidades de lianas na Bacia Amazônica e determina as características que predispõem as espécies trepadeiras a proliferar sob alterações florestais.

Liliana Cortés-Ortiz

Liliana Cortés-Ortiz integra abordagens genéticas, citogenéticas, morfológicas e comportamentais para compreender a evolução e diversificação dos primatas e estabelecer estratégias de conservação dos primatas. Sua pesquisa atual inclui investigações sistemáticas e filogeográficas de primatas neotropicais e o estudo da hibridização em duas espécies irmãs bem definidas de macacos bugios.

Christopher Dick

Christopher Dick está interessado na ecologia e história evolutiva de florestas tropicais ricas em espécies. Sua pesquisa tem se concentrado principalmente na filogenia, filogeografia e genética populacional de árvores neotropicais. Ele também está ansioso para colaborar em projetos envolvendo árvores de florestas temperadas.

Thomas Duda

Thomas Duda investiga os processos associados à diversificação ecológica. Este trabalho inclui estudos de campo e de laboratório que envolvem análises de ecologia alimentar, filogenética e filogeografia, e investigações moleculares da evolução de venenos de membros do gênero predatório de gastrópodes marinhos. Conus.

Paul Dunlap

A pesquisa de Paul Dunlap investiga o início e o desenvolvimento de simbioses específicas de espécies entre bactérias emissoras de luz e peixes teleósteos. Os estudos de laboratório examinam as interações simbionte-hospedeiro a partir das perspectivas da genética bacteriana, fisiológica e genômica, o trabalho de campo aborda a ecologia comportamental dos peixes e a ecologia populacional das bactérias, e os estudos de maricultura se concentram na biologia reprodutiva e de desenvolvimento dos peixes.

Daniel Fisher (pode servir apenas como co-presidente de graduação)

Daniel Fisher está interessado em paleobiologia e extinções do Pleistoceno.

Philip Gingerich (pode servir como co-presidente de graduação apenas)

Philip Gingerich estuda o registro fóssil e a evolução dos mamíferos.

L. Lacey Knowles

Os interesses de pesquisa de Lacey Knowles são em especiação, filogeografia e radiações evolutivas.

Hernán López-Fernández

Hernán López-Fernández estuda a evolução dos peixes de água doce com ênfase nas Américas do Sul e Central, que abrigam a mais diversa fauna de peixes de água doce do planeta. O laboratório costuma usar a família Cichlidae como modelo por ser um objeto de estudo icônico na evolução adaptativa de vertebrados e a terceira família mais diversa de peixes neotropicais. A pesquisa no laboratório combina trabalho de campo, filogenética / filogenômica molecular e métodos comparativos para integrar ecologia, morfologia funcional, histórias de vida e geografia em análises macroevolutivas da diversificação de peixes de água doce.

Diarmaid O'Foighil

Diarmaid Ó Foighil estuda a evolução e sistemática de invertebrados, e malacologia.

Daniel L. Rabosky

Daniel Rabosky estuda macroevolução, especiação e ecologia de comunidade evolutiva. Ele está especialmente interessado em como os fatores ecológicos influenciam os processos de especiação, extinção e evolução de características ao longo do tempo e do espaço. Sua pesquisa inclui estudos de campo de diversificação ecológica em répteis australianos, filogenética molecular e modelagem matemática e computacional da dinâmica evolutiva em uma ampla gama de grupos taxonômicos.

Tony Reznicek (pode servir apenas como co-presidente de graduação)

O principal interesse de pesquisa de Tony Reznicek é a sistemática e a evolução dos juncos (Cyperaceae), especialmente o grande e complexo gênero Carex. Ele enfatiza uma abordagem de vários níveis concentrando-se em vários aspectos, incluindo o desenvolvimento de novos personagens úteis na sistemática, estudos monográficos de grupos principais e processos e padrões de evolução. Ele também realiza pesquisas sobre a biogeografia da flora nordestina da América do Norte, com ênfase na região dos Grandes Lagos.

Nate Sanders

A pesquisa de Nate Sanders está na interface da ecologia de comunidades, ecologia de ecossistemas e macroecologia, com foco em como os motores de mudança global e interações interespecíficas influenciam as causas e consequências da perda de biodiversidade. Meu programa de pesquisa aproveita gradientes ambientais e manipulações experimentais organizadas em vários locais com o objetivo de prever os efeitos das mudanças ambientais na biodiversidade. Eles fazem experimentos com formigas, interações planta-inseto, comunidades de plantas montanas e uma grande variedade de outros táxons.

Stephen A. Smith

Stephen Smith está interessado em filogenética, evolução molecular computacional, biogeografia e macroevolução. Sua pesquisa inclui o desenvolvimento e implementação de métodos para a construção e análise de árvores filogenéticas. Além de construir árvores, ele também trabalha em métodos para examinar a evolução geográfica e os padrões evolutivos em grande escala. Ele se concentra principalmente em espécies de plantas, embora esteja interessado em abordar essas questões através da árvore da vida.

Benjamin Winger

Ben Winger estuda especiação, biogeografia, montagem de comunidades e ecologia do movimento (migração e dispersão) em pássaros. Ele usa uma variedade de abordagens e tipos de dados em sua pesquisa, incluindo genética populacional, genômica, filogenética, coleções de museus e trabalho de campo.


2. Modelos teóricos de evolução urbana

Carecemos de modelos teóricos explícitos que examinem como os processos evolutivos adaptativos e não adaptativos interagem para influenciar a evolução urbana. Neste artigo especial, Santangelo et al. [24] usam simulações espacialmente explícitas para examinar como o fluxo gênico, a deriva genética e a seleção natural afetam simultaneamente a evolução de clinos fenotípicos urbanos & # x02013rurais na expressão de uma característica hereditária mendeliana discreta controlada por genes que interagem epistaticamente. Os autores descobriram que uma deriva mais forte nas populações urbanas levou a mudanças consistentes na distribuição da característica, resultando em clines de expressão diminuída da característica com o aumento da urbanização, mesmo na ausência de seleção natural. No entanto, os clines formados por deriva foram consistentemente mais fracos do que aqueles formados por seleção, sugerindo um limite superior para a força dos clines evolutivos que podem ser formados por deriva genética em populações urbanas. Este trabalho implica que mudanças direcionais na distribuição de características com herança genética não aditiva (por exemplo, devido à epistasia) podem ser particularmente prováveis ​​em ambientes urbanos onde a deriva genética é frequentemente mais forte devido a populações menores e mais isoladas causadas pela fragmentação do habitat. Sempre que possível, os estudos de mudança fenotípica urbana devem levar em conta a arquitetura genética subjacente às características fenotípicas para gerar modelos nulos específicos do sistema para os efeitos esperados do fluxo gênico, deriva genética e seleção natural na evolução.


VARIAÇÕES PROPRIEDADES DOS MECANISMOS BÁSICOS DE DESENVOLVIMENTO

Cada uma das três categorias de mecanismos básicos de desenvolvimento descritos acima tem suas características propriedades variacionais, isto é, capacidade de gerar novos resultados morfológicos se um elemento do mecanismo for alterado. Mecanismos autônomos estão envolvidos principalmente no desenvolvimento inicial e são incapazes de produzir muitas variações de padrão. Isso ocorre porque a extensão na qual as assimetrias espaciais celulares internas podem ser usadas para fundar linhagens distintas é limitada. Da mesma forma, o acoplamento da dinâmica temporal interna à mitose é restrito ao número e arranjo de tipos de células que podem ser gerados por restrições na duração intrínseca do ciclo celular em relação a qualquer relógio interno de estado da célula (Newman, 1993 Salazar-Ciudad et al., 2001b).

As propriedades variacionais dos mecanismos indutivos são discutidas em trabalhos anteriores (Salazar-Ciudad et al., 2000 Salazar-Ciudad et al., 2001a). Em essência, para a mesma quantidade de variação molecular, os mecanismos indutivos que contêm um componente auto-organizador ('emergente') normalmente produzem mais e mais complexos padrões do que aqueles que são organizados de forma hierárquica. Em contraste com os mecanismos emergentes, nos quais redes construídas de forma semelhante podem gerar padrões muito diferentes, os mecanismos hierárquicos baseados em redes de genes semelhantes tendem a gerar padrões semelhantes entre si. Além disso, padrões complexos são difíceis de atingir por redes hierárquicas: em geral, uma rede hierárquica capaz de produzir um determinado padrão complexo teria que conter muito mais genes e muito mais conexões entre eles do que uma rede emergente capaz de produzir esse padrão. Essas características implicam em uma relação mais complexa entre fenótipo e genótipo em mecanismos emergentes do que hierárquicos.

As propriedades variacionais dos mecanismos morfogenéticos também foram amplamente discutidas (Newman e Müller, 2000 Beloussov, 1998 Alberch, 1982 Oster e Alberch, 1981). Os mecanismos morfogenéticos têm forte dependência do contexto epigenético e mudanças em seus componentes moleculares ou microambientes podem ter efeitos fenotípicos dramáticos. Além disso, os mecanismos morfogenéticos frequentemente envolvem interações mecânicas entre as células e a matriz extracelular. Isso implica que seus resultados dependem de aspectos do sistema em desenvolvimento como as propriedades do material (por exemplo, viscoelástica, coesiva) das células e da matriz extracelular ou de sua distribuição espacial (Newman e Müller, 2000). Em particular, os tecidos e as matrizes extracelulares podem responder de maneira muito diferente às tensões, dependendo de sua forma e da orientação relativa das tensões a que estão sujeitos (Beloussov, 1998).


As unidades, processos e padrões fundamentais de evolução e o enigma da Árvore da Vida

Resumo Antecedentes A elucidação do papel dominante da transferência horizontal de genes (HGT) na evolução dos procariotos levou a uma grave crise do conceito da Árvore da Vida (TOL) e intensos debates sobre o assunto. Conceito Impulsionados pela crise do TOL, tentamos definir as unidades primárias e os padrões e processos fundamentais de evolução. Postulamos que a replicação do material genético é o processo biológico fundamental singular e que a replicação com uma taxa de erro abaixo de um certo limite permite e necessita de evolução por deriva e seleção. A partir dessa proposição, esboçamos um conceito geral de evolução que consiste em três preceitos principais. 1. A agência primária de evolução consiste em Unidades Fundamentais de Evolução (FUEs), isto é, unidades de material genético que possuem um grau substancial de independência evolutiva. Os FUEs incluem elementos egoístas genuínos, como vírus, viróides, transposons e plasmídeos, que codificam algumas das informações necessárias para sua própria replicação, e genes regulares que possuem quase independência devido ao seu valor seletivo distinto que fornece para sua transferência entre conjuntos de FUEs (genomas) e replicação preferencial junto com o resto do genoma receptor. 2. A história da replicação de um elemento genético sem recombinação é representada isomorficamente por um grafo de árvore direcionado (uma arborescência, na linguagem da teoria dos grafos). A recombinação dentro de um FUE é comum entre sequências muito próximas, onde a recombinação homóloga é viável, mas torna-se insignificante para distâncias evolutivas mais longas. Em contraste, o embaralhamento de FUEs ocorre em todas as distâncias evolutivas. Assim, uma árvore é uma representação natural da evolução de um FUE individual na escala macro, mas não de um conjunto de FUEs como um genoma. 3. A história da vida é adequadamente representada pela & # 34floresta & # 34 das árvores evolucionárias para FUEs individuais (Floresta da Vida, ou FOL). A busca por tendências e padrões no FOL é uma direção produtiva de estudo que leva ao delineamento de conjuntos de FUEs que evoluem coerentemente por um determinado período de tempo devido a uma história compartilhada de herança vertical ou transferência horizontal de genes. Esses conjuntos são comumente conhecidos como genomas , taxa ou clados, dependendo do nível de análise. Um pequeno conjunto de genes (o núcleo genético universal da vida) pode mostrar uma tendência evolutiva (principalmente) coerente que transcende toda a história das formas de vida celular. No entanto, pode não ser útil denotar esta tendência & # 34a árvore da vida & # 34, ou organismo, ou árvore de espécies porque nem os organismos nem as espécies são unidades fundamentais da vida. Conclusão Uma análise lógica das unidades e processos de evolução biológica sugere que a unidade fundamental natural de evolução é um FUE, ou seja, um elemento genético com uma história evolutiva independente. A evolução de um FUE na escala macro é naturalmente representada por uma árvore. Apenas o compêndio completo de árvores para FUEs individuais (o FOL) é uma representação adequada da evolução da vida. A evolução coerente de FUEs em intervalos evolutivos estendidos é um aspecto crucial da história da vida, mas uma árvore de & # 34espécies & # 34 ou & # 34organismal & # 34 não é um conceito fundamental. Revisores Este artigo foi revisado por Valerian Dolja, W. Ford Doolittle, Nicholas Galtier e William Martin


Robert L. Carroll

Carroll começa com uma visão geral dos problemas atuais da teoria da evolução e, em particular, da "lacuna" entre os processos de evolução de curto e longo prazo e entre a paleontologia e outras disciplinas. Ele também discute a escolha dos vertebrados como campo de testes (que é abordada no final do livro em uma breve comparação com metazoários invertebrados, procariontes, protistas e plantas vasculares). Ele então fornece uma visão geral das teorias da evolução, no nível de populações e espécies, de Darwin a Dobzhansky e Mayr a Gould e Eldredge.

Dois capítulos apresentam alguns antecedentes essenciais. O primeiro examina a evolução das populações modernas, em particular as taxas de evolução entre os tentilhões das ilhas Galápagos, onde uma mudança direcional significativa ocorre e não parece estar correlacionada com a especiação. O segundo considera algumas das limitações da evidência fóssil, a irregularidade da fossilização e outras questões estratigráficas e problemas com a datação de eventos e processos e a medição das taxas de evolução.

Em seguida, vêm dois estudos de caso. As taxas e direções de mudança entre os mamíferos do Cenozóico tardio são examinadas com o objetivo de testar teorias de equilíbrio pontuado e seleção de espécies. Muitas linhagens exibem estase "de personagens particulares e complexos de caráter", mas em nenhuma há estase de todos os personagens e a evolução filética é comum. E "nenhuma tendência importante envolvendo um complexo de mudanças de caráter pode ser demonstrada como tendo resultado da seleção de espécies." Em contraste, a rápida radiação dos peixes ciclídeos dos Grandes Lagos da África Oriental fornece algumas evidências para a evolução em nível de espécie e uma ponte entre a macroevolução e a microevolução.

Quatro capítulos separados enfocam disciplinas relacionadas, em uma tentativa de reunificar diferentes campos. A taxonomia influencia nossos conceitos básicos de padrões evolutivos, além de fornecer ferramentas para descobri-los, a sistemática filogenética (cladística) tem sido particularmente influente, oferecendo "uma maneira objetiva de comparar padrões de evolução em grande escala de grupo para grupo e dentro de grupos ao longo do tempo" e forçando a reconsideração dos esquemas de nomenclatura tradicionais nos vertebrados. Com a genética evolutiva, Carroll apresenta alguns modelos básicos, com foco em características quantitativas, ele toca no enigma dos baixos coeficientes de seleção e nas restrições genéticas.

Voltando-se para a biologia do desenvolvimento, Carroll pesquisas heterocronia, genes homeobox e Hox, e o estágio filotípico. Ele então aplica isso à origem dos craniatos e ao desenvolvimento do crânio e do esqueleto axial, mas acima de tudo aos membros dos tetrápodes, às suas origens, processos de desenvolvimento, morfogênese e evolução. Ele também considera a integração da biologia do desenvolvimento com a síntese evolutiva e suas possíveis conexões com a macroevolução. Outras restrições são impostas pela física: Carroll considera a locomoção dos vertebrados na água, no ar e na terra, e toca no transporte da membrana, transferência de calor e escala de tamanho.

Em seguida, três capítulos examinam a estrutura e os padrões de evolução em grande escala. Um capítulo sobre "grandes transições" enfoca os movimentos entre ambientes: o estudo mais detalhado é da origem dos pássaros, mas outros cobrem as origens dos vertebrados terrestres, mosassauros e baleias. Os períodos críticos viram taxas de mudança superiores às dos grupos ancestrais e descendentes, mas não aquelas observadas nas populações modernas, o que é mais importante, as direções de mudança foram sustentadas por longos períodos. Voltando-se para as radiações, Carroll trata longamente a explosão cambriana e a radiação dos primeiros mamíferos Cenozóicos: ocorrendo em intervalos de 10 milhões de anos ou menos, essas radiações diferem de outras radiações mais lentas em ambientes já ocupados e "podem certamente ser atribuídos a fatores que foram não considerado por Darwin ". Em escalas maiores, a evolução dos vertebrados tem sido irregular, impulsionada por "forças" que não podem ser extrapoladas daquelas que operam no nível de populações e espécies: entre elas, tendências evolutivas sustentadas, deriva continental e extinções em massa.

Entre as conclusões gerais de Carroll:

Padrões e processos na evolução dos vertebrados combina uma exposição clara de detalhes & # 8212 e o que parece ser um conhecimento enciclopédico da história dos vertebrados & # 8212 com uma disposição para lidar com grandes questões. Às vezes, Carroll parece tomar os dois lados dos debates, mas isso é um reflexo do respeito pela complexidade, não de um cerco não engajado. O resultado é uma visão geral útil para estudantes ou pessoas de fora, também parece ter se estabelecido como um pequeno clássico dentro da área.


Conteúdo

Exemplos de formação de padrão podem ser encontrados em biologia, química, física e matemática, [1] e podem ser prontamente simulados com computação gráfica, conforme descrito abaixo.

Biologia Editar

Padrões biológicos como marcações de animais, segmentação de animais e filotaxia são formados de maneiras diferentes. [2]

Na biologia do desenvolvimento, a formação de padrões descreve o mecanismo pelo qual células inicialmente equivalentes em um tecido em desenvolvimento em um embrião assumem formas e funções complexas. [3] Embriogênese, como da mosca da fruta Drosófila, envolve o controle coordenado dos destinos das células. [4] [5] [6] A formação do padrão é geneticamente controlada e muitas vezes envolve cada célula em um campo de detecção e resposta à sua posição ao longo de um gradiente de morfogênio, seguido por comunicação de curta distância célula a célula por meio de vias de sinalização celular para refinar o padrão inicial. Nesse contexto, um campo de células é o grupo de células cujos destinos são afetados pela resposta ao mesmo conjunto de pistas de informação posicional. Este modelo conceitual foi descrito pela primeira vez como o modelo da bandeira francesa na década de 1960. [7] [8] Mais geralmente, a morfologia dos organismos é padronizada pelos mecanismos da biologia evolutiva do desenvolvimento, como a mudança do tempo e do posicionamento de eventos específicos de desenvolvimento no embrião. [9]

Os possíveis mecanismos de formação de padrões em sistemas biológicos incluem o modelo clássico de reação-difusão proposto por Alan Turing [10] e o mecanismo de instabilidade elástica mais recentemente encontrado, que se acredita ser responsável pelos padrões de dobras no córtex cerebral de animais superiores, entre outros coisas. [11] [12]

Crescimento de colônias Editar

As colônias bacterianas mostram uma grande variedade de padrões formados durante o crescimento da colônia. As formas resultantes dependem das condições de crescimento. Em particular, as tensões (dureza do meio de cultura, falta de nutrientes, etc.) aumentam a complexidade dos padrões resultantes. [13] Outros organismos, como os fungos viscosos, exibem padrões notáveis ​​causados ​​pela dinâmica da sinalização química. [14] A modalidade celular (alongamento e adesão) também pode ter um impacto nos padrões de desenvolvimento. [15]

Padrões de vegetação Editar

Os padrões de vegetação, como arbusto de tigre [16] e ondas de abeto [17], se formam por diferentes razões. Tiger bush consiste em faixas de arbustos em encostas áridas em países como o Níger, onde o crescimento das plantas é limitado pela chuva. Cada faixa aproximadamente horizontal de vegetação absorve a água da chuva da zona nua imediatamente acima dela. [16] Em contraste, ondas de abeto ocorrem em florestas nas encostas das montanhas após a perturbação do vento, durante a regeneração. Quando as árvores caem, as árvores que elas protegiam ficam expostas e, por sua vez, têm maior probabilidade de serem danificadas, de modo que as lacunas tendem a se expandir a favor do vento. Enquanto isso, a barlavento, crescem árvores jovens, protegidas pela sombra do vento das árvores altas restantes. [17] In flat terrains additional pattern morphologies appear besides stripes - hexagonal gap patterns and hexagonal spot patterns. Pattern formation in this case is driven by positive feedback loops between local vegetation growth and water transport towards the growth location. [18] [19]

Chemistry Edit

Pattern formation has been well studied in chemistry and chemical engineering, including both temperature and concentration patterns. [20] The Brusselator model developed by Ilya Prigogine and collaborators is one such example that exhibits Turing instability. [21] Pattern formation in chemical systems often involve oscillatory chemical kinetics or autocatalytic reactions [22] such as Belousov–Zhabotinsky reaction or Briggs–Rauscher reaction. In industrial applications such as chemical reactors, pattern formation can lead to temperature hot spots which can reduce the yield or create hazardous safety problems such as a thermal runaway. [23] [20] The emergence of pattern formation can be studied by mathematical modeling and simulation of the underlying reaction-diffusion system. [20] [22]

Physics Edit

In the 1980s Lugiato and Lefever developed a model of light propagation in an optical cavity that results in pattern formation by the exploitation of nonlinear effects.

Mathematics Edit

Sphere packings and coverings. Mathematics underlies the other pattern formation mechanisms listed.

Computer graphics Edit

Some types of automata have been used to generate organic-looking textures for more realistic shading of 3d objects. [24] [25]

A popular Photoshop plugin, KPT 6, included a filter called 'KPT reaction'. Reaction produced reaction–diffusion style patterns based on the supplied seed image.

A similar effect to the 'KPT reaction' can be achieved with convolution functions in digital image processing, with a little patience, by repeatedly sharpening and blurring an image in a graphics editor. If other filters are used, such as emboss or edge detection, different types of effects can be achieved.

Computers are often used to simulate the biological, physical or chemical processes that lead to pattern formation, and they can display the results in a realistic way. Calculations using models like reaction–diffusion or MClone are based on the actual mathematical equations designed by the scientists to model the studied phenomena.


Ecology, Behavior & Evolution

Research in the Section of Ecology, Behavior, & Evolution is focused on investigating ecological and evolutionary processes operating at the level of individuals, populations, species, and communities. Major foci include understanding the processes structuring the distribution and abundance of organisms, behavioral adaptations to environmental and social challenges, evolution of gene networks and development, mapping genotype to phenotype, the processes and patterns of evolutionary change, and the application of all of these areas to the understanding of biodiversity.

Researchers in this section use a variety of approaches, including molecular techniques for probing the structure and phenotypic consequences of genetic variation, phylogenetic techniques for estimating genealogical relationships among taxa, field and laboratory experiments for hypothesis testing, telemetry and satellites for assessing patterns in species distributions, paleobiological data for quantifying the history of biodiversity, experimental evolution, mathematical modeling, and computer simulations of evolving systems. Unlike other subdisciplines, which concentrate on a few model taxa, evolutionary biologists use data from many different organisms from all over the world to test hypotheses about biological diversity. The unifying theme underlying all of these studies is that an evolutionary approach is needed to solve most biological problems.


Cameron D. Siler

A fundamental theme in science that has captivated researchers for generations is simply Como as e porque species evolve. I use genetic patterns to understand evolutionary processes in amphibians and reptiles. My program takes a broad, multifaceted approach to understanding vertebrate diversity, including investigating the evolution of morphology and body-form, geography, and speciation in island archipelago and mainland systems. A few active research topics in my lab are listed below.

Phylogenetics and Patterns of Diversification.—My research lab has numerous active projects exploring the patterns and processes of morphological character evolution and species-level diversification, focusing on understanding the biogeographic and evolutionary histories of Southeast Asian amphibians and reptiles. We will begin pursuing several broader, more comparative approaches to understanding processes involved in species diversification. Projects currently underway combine comparative phylogenetic, ecological modeling, and bioinformatic perspectives in studying the role that geographic and ecological forces play in diversification processes.

Phylogeography.—Southeast Asia’s complex geological history and highly variable geography and ecology provide an ideal template for testing the effects of geographic change on phylogenetic processes. My lab will continue to study phylogeographic patterns associated with amphibians and reptiles in this region. A component of this research is interested in employing statistical tests of phylogenetic topology and population genetic analyses of widespread species to explore patterns of diversity and investigate species complexes. This effort has resulted in the observation of numerous fascinating patterns and many cryptic species, all of which indicate that the processes of diversification in Southeast Asia are far more complex than previously recognized.

Conservation and Landscape Genetics.—A developing research inititiative in our lab is to study patterns of genetic diversity at the population level. We will begin investigating these patterns using SNP and microsatellite datasets for a number of focal species in Southeast Asia. Additionally, a regional aspect of this work will study employ similar datasets to study population genetic patterns of vertebrates across Oklahoma.

Biodiversity Research and Education Outreach.—The regionalized biodiversity across Southeast Asia is unique. Levels of endemism among known groups of vertebrates are astonishingly high. A large component of our research program involves massive efforts to survey the diversity of amphibians and reptiles across Southeast Asia. We are developing active field programs in the Philippines, Thailand, Borneo, and Vietnam. Data resulting from these surveys is used to direct conservation efforts and identify threatened species. Many of our surveys have resulted in the discovery of new species! In addition to survey work, my lab is in charge of the development of the PhilBREO program (Biodiversity Research and Education Outreach - Philippines), an international education outreach program aimed at bringing biodiversity information and educational tools to the public using a multi-language and multi-disciplinary approach. This project will continue to develop and implement the PhilBREO website to integrate studies of biodiversity, biogeography, education, and conservation.