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27 febrero 2015 5 27 /02 /febrero /2015 16:11

Animals tend to evolve toward larger size over time, Stanford study finds

 

 

 

Los animales tienden a evolucionar hacia un tamaño más grande según estudio de Stanford

¿Tiene la evolución que seguir ciertas reglas? Una nueva investigación sugiere que por lo menos para un importante rasgo biológico, el tamaño del cuerpo, la respuesta es sí


En uno de los estudios más completos sobre la evolución del tamaño corporal jamás realizados, científicos de Stanford han encontrado un nuevo apoyo para la Regla de Cope, que establece que los linajes de animales tienden a evolucionar hacia tamaños más grandes con el tiempo.

¿Tiene que seguir la evolución ciertas reglas? Si, en las palabras del famoso biólogo evolutivo Stephen Jay Gould, uno pudiera "rebobinar la cinta de la vida" ... ¿se reanudaría ciertas tendencias biológicas? ... ¿se puede predecir la evolución?

 

"Es sabido que los mayores organismos vivos de hoy son más grandes que los de cualquier otra Era", dijo Jonathan Payne, un paleobiólogo de Stanford's School of Earth, Energy & Environmental Sciences.

Lo que no estaba claro, sin embargo, era si el tamaño medio de los animales ha ido cambiando con el tiempo y, en caso afirmativo, si eso refleja una tendencia, o direccionalidad, en la evolución del tamaño corporal. "No es algo que se puede saber con sólo estudiar los organismos vivos o extrapolando lo que se vemos en escalas de tiempo cortas. Si lo hacemos, a pesar de todo, estaremos equivocados acerca de la tasa, y posiblemente también la dirección", dijo Payne.

El estudio, publicado en la edición del 20 de febrero de la revista Science, revela que en los últimos 542 millones de años, la media de tamaño de los animales marinos ha aumentado 150 veces. "Esa es la diferencia de tamaño entre un erizo de mar de unos 2 centímetros y otro de 32 centímetros de largo", dijo Heim. "Esto puede no parecer mucho, pero representa un gran salto."

La investigación también encontró que el aumento en el tamaño del cuerpo que se ha producido desde que los animales aparecieron por primera vez en el registro fósil hace unos 550 millones de años, no se debe a que todos los linajes de animales esten en constante crecimiento, sino más bien a la diversificación de los grupos de organismos que ya eran más grande que otros grupos tempranos, en la historia de la evolución animal.

"Eso también es algo que no sabíamos antes", dijo Payne. "Por razones que no comprendemos por completo, las clases con un gran tamaño corporal parecen ser las que con el tiempo se han convertido en diferencialmente más diversas".

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Family-level evolutionary tree of the Eurypterida.
El gigantismo estuvo generalizado entre los artrópodos paleozoicos, sin embargo, los mecanismos causales, en particular el papel de factores ambientales (abióticos) frente la competencia (factor biótico), siguen siendo desconocido. Los euriptéridos (Arthropoda: Chelicerata) incluyen los artrópodos más grandes; pterygotidos depredadores gigantes (Eurypterina) del Siluro-Devónico y escorpiones marinos que barrían alimentándose los fondos oceánicos (hibbertopteridos) del Carbonífero al Pérmico

El análisis del origen y extinción a nivel de familia entre euriptéridos y vertebrados del Paleozoico muestran que la diversidad de artrópodos Eurypterina disminuyó durante el Devónico, mientras que los peces placodermos se irradiaban, pero los escorpiones marinos Stylonurina permanecieron relativamente poco afectados; la adopción de una estrategia de barrido alimenticio de fondos mantuvo su gran tamaño corporal, evitando la competencia, y persistió durante todo el Paleozoico tardío, mientras que los artrópodos Eurypterina nectónicos depredadores que se desplazan activamente en el agua (incluyendo los pterygotidos gigantes) disminuyó de tamaño durante el Devónico, posiblemente por competición con otros depredadores, incluyendo vertebrados con mandíbulas.

 

http://scienceblog.com/wp-content/uploads/2012/11/Largestdinosaursbysuborder_scale.jpg

 

Una tendencia universal?

Identificada y nombrada por el paleontólogo Edward Cope, la Regla de Cope formulada en el siglo XIX después de que los paleontólogos notaron que los tamaños de cuerpo de los mamíferos terrestres, como los caballos, en general, aumentaron con el tiempo.

Los científicos han intentado probar la Regla de Cope en los demás grupos de animales, pero las conclusiones han sido mixtas, ambigüas. Los corales y los dinosaurios parecen seguir la Regla de Cope, pero los pájaros y los insectos no lo hacen. Como resultado, algunos científicos se han preguntado si el patrón observado en los mamíferos terrestres es un fenómeno evolutivo real o simplemente una estadística resultante de la evolución al azar, no selectiva, también conocida como deriva neutral. "Es posible que a medida que prosigue la evolución, realmente no haya inclinación o tendencia por ser más grande o más pequeño," dijo Noel Heim, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Payne. "Lo que parece ser un aumento en el tamaño promedio del cuerpo puede ser debido a la deriva neutral."

Para probar si la Regla de Cope se aplica a los animales marinos en su conjunto, Payne y un equipo que incluyó estudiantes de pregrado e internos de High School, compiló un conjunto de datos que incluye más de 17.000 grupos o géneros de animales marinos que abarcan cinco grandes filos-artrópodos, braquiópodos, cordados, equinodermos y moluscos - y los últimos 542 millones de años. "Nuestro estudio es la prueba más completa de la Regla de Cope jamás realizada", dijo Heim. "Casi el 75% de todos los géneros marinos en el registro fósil y casi el 60% de todos los géneros de animales que han existido están incluidos en nuestra base de datos."

Para compilar tan vasto conjunto de datos, el equipo se basó en gran medida en el Treatise on Invertebrate Paleontology (Tratado sobre Paleontología de Invertebrados), una obra en 50 volúmenes que incluye información detallada sobre cada género de animales invertebrados con su registro fósil conocido por la ciencia. Con el uso de fotografías e ilustraciones detalladas de fósiles del Tratado, el equipo fue capaz de calcular y analizar el tamaño corporal y el volumen de 17.208 géneros marinos.

Un patrón de pronto se hizo evidente: no todas las clases/grupos de especies relacionadas y géneros de animales mostró una tendencia hacia un tamaño más grande, pero los que son más grandes tienden a ser más diversos en el tiempo. El equipo sospecha que esto se debe a las ventajas asociadas a un tamaño más grande, como la capacidad de moverse más rápido, excavar más profundamente y de manera eficiente en los sedimentos, o capturar presas más grandes.

"Es realmente una historia de supervivencia y diversificación de los grandes seres en relación a los pequeños seres", dijo Heim

 

Evolución virtual

Para investigar lo que podría motivar estas tendencias hacia tamaños más grandes del cuerpo, el equipo ingresó sus datos en un programa de computadora diseñado para simular la evolución del tamaño corporal. A partir de las especies más pequeñas de cada phylum, el modelo simula cómo sus tamaños corporales podrían cambiar a medida que evolucionaban en nuevas especies. "A medida que el tiempo transcurre, a cada especie se le asigna cierta probabilidad de producir una nueva especie, de permanecer igual o de extinguirse", dijo Heim.

Cuando se creaba una nueva especie virtual, el modelo asignaba a la nueva criatura un tamaño de cuerpo que podría ser más grande o más pequeño que el de su antecesor. Los científicos corrieron simulaciones múltiples, cada una con diferentes supuestos. Un escenario, por ejemplo, supone un modelo de deriva neutral de la evolución, en el que el tamaño del cuerpo fluctúa aleatoriamente sin afectar a la supervivencia de la especie. Otra asumió la selección natural, o la "evolución activa," del tamaño del cuerpo, en el que tener un mayor tamaño corporal confiere ciertas ventajas de supervivencia y por lo tanto más probabilidades de reproducirse por generaciones.

El equipo encontró que la simulación de la deriva neutra no podía explicar las tendencias de tamaño corporal observadas en el registro fósil. "El grado de aumento tanto del tamaño medio como del máximo del cuerpo, simplemente no está bien explicado por la deriva neutral", dijo Heim. "Parece que en realidad se necesita algún proceso evolutivo activo que promueva tamaños más grandes."

El equipo cree que la gran base de datos que recopiló será útil para el estudio de otras cuestiones relacionadas con el tamaño del cuerpo, como si los organismos que viven cerca del ecuador son, en promedio, más grandes o más pequeños que los que viven en latitudes más altas.


Los hallazgos también podrían llevar a otros científicos a investigar si existe una tendencia en la evolución de otros rasgos. "El descubrimiento de que el tamaño del cuerpo a menudo evoluciona de una manera direccional hace que al menos valga la pena preguntar si vamos a encontrar direccionalidad en otros rasgos si los medimos cuidadosa y sistemáticamente", dijo Payne.

 


IMAGE: Prof. Jonathan Payne (right) and Noel Heim, a postdoctoral researcher in Payne's lab, stand next to stacks of the Treatise on Invertebrate Paleontology, which they recently used to provide fresh... view more


Does evolution follow certain rules? If, in the words of the famed evolutionary biologist Stephen Jay Gould, one could "rewind the tape of life", would certain biological trends reemerge? Asked another way: can evolution be predicted?

New research suggests that, for at least one important biological trait-body size-the answer is yes.

In one of the most comprehensive studies of body size evolution ever conducted, Stanford scientists have found fresh support for Cope's rule, a theory in biology that states that animal lineages tend to evolve toward larger sizes over time.

"We've known for some time now that the largest organisms alive today are larger than the largest organisms that were alive when life originated or even when animals first evolved," said Jonathan Payne, a paleobiologist at Stanford's School of Earth, Energy & Environmental Sciences.

What was unclear, however, was whether the average size of animals has been changing over time and, if so, whether that reflects a trend, or directionality, in body size evolution. "It's not something that you can know by just studying living organisms or extrapolating from what you see over short time scales. If you do that, you will absolutely be wrong about the rate, and possibly also the direction," Payne said.

The study, published in the Feb. 20 issue of the journal Science, reveals that over the past 542 million years, the mean sized of marine animals has increased 150-fold. "That's the size difference between a sea urchin that is about 2 inches long versus one that is nearly a foot long," Heim said. "This may not seem like a lot, but it represents a big jump."

The research also found that the increase in body size that has occurred since animals first appeared in the fossil record around 550 million years ago is not due to all animal lineages steadily growing bigger, but rather to the diversification of groups of organisms that were already larger than other groups early in the history of animal evolution.

"That's also something we didn't know before," Payne said. "For reasons that we don't completely understand, the classes with large body size appear to be the ones that over time have become differentially more diverse."

A universal trend?

Named after paleontologist Edward Cope, Cope's rule was formulated in the late 19th century after paleontologists noticed that the body sizes of terrestrial mammals such as horses generally increased over time.

Scientists have attempted to test Cope's rule in other animal groups, but the conclusions have been mixed. Corals and dinosaurs seem to follow Cope's rule, for example, but birds and insects do not. As a result, some scientists have wondered whether the pattern observed in land mammals is a real evolutionary phenomenon or merely a statistical one resulting from random, non-selective evolution, also known as neutral drift. "It's possible that as evolution proceeds, there really is no preference for being larger or smaller," said Noel Heim, a postdoctoral researcher in Payne's lab. "What appears to be an increase in average body size may be due to neutral drift."

To test whether Cope's rule applies to marine animals as a whole, Payne and a team that included undergraduates and high school interns compiled a dataset including more than 17,000 groups, or genera, of marine animals spanning five major phyla-Arthropods, Brachiopods, Chordates, Echinoderms, and Mollusks-and the past 542 million years. "Our study is the most comprehensive test of Cope's rule ever conducted," Heim said. "Nearly 75 percent of all of marine genera in the fossil record and nearly 60 percent of all the animal genera that ever lived are included in our dataset."

To compile such a vast dataset, the team relied heavily on the Treatise on Invertebrate Paleontology, a 50-volume book set that includes detailed information about every invertebrate animal genus with a fossil record known to science. Using photographs and detailed illustrations of fossils in the Treatise, the team was able to calculate and analyze body size and volume for 17,208 marine genera.

A pattern soon became apparent: not all classes-groups of related species and genera-of animals trended toward larger size, but those that were bigger tended to become more diverse over time. The team suspects this is due to advantages associated with a larger size, such as the ability to move faster, burrow more deeply and efficiently in sediment, or capture larger prey.

"It's really a story of the survival and diversification of big things relative to small things," Heim said.

Virtual evolution

To investigate what might drive these trends toward larger body sizes, the team entered their measurement data into a computer model designed to simulate body size evolution. Beginning with the smaller species from each phylum, the model simulated how their body sizes might change as they evolved into new species. "As time marches forward, each species is assigned some probability of producing a new species, of remaining the same, or of going extinct, at which point it drops out of the race," Heim said.

When a new virtual species was created, the model assigned the new creature a body size that could be bigger or smaller than its ancestor. The scientists ran multiple simulations, each with different assumptions. One scenario, for instance, assumed a neutral drift model of evolution, in which body size fluctuates randomly without affecting the survival of the species. Another assumed natural selection, or "active evolution," of body size, in which having a larger body size confers certain survival advantages and is thus more likely to propagate through the generations.

The team found that the neutral drift simulation could not explain the body size trends observed in the fossil record. "The degree of increase in both mean and maximum body size just aren't well explained by neutral drift," Heim said. "It appears that you actually need some active evolutionary process that promotes larger sizes."

The team believes that the vast database they compiled will be useful for studying other questions related to body size, such as whether or not organisms near the equator are, on average, bigger or smaller than those living at higher latitudes.

The findings could also prompt other scientists to investigate whether there is a trend in the evolution of other traits. "The discovery that body size often does evolve in a directional way makes it at least worth asking whether we're going to find directionality in other traits if we measure them carefully and systematically," Payne said.

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Ker Than is the associate director of communications for the Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences.

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Published by Malcolm Allison H malcolm.mallison@gmail.com - en FRONTERAS DE LA BIOLOGÍA
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  • : Ecología y sostenibilidad socioambiental, énfasis en conservación de ríos y ecosistemas, denuncia de impacto de megaproyectos. Todo esto es indesligable de la política y por ello esta también se observa. Ecology, social and environmental sustainability, emphasis on conservation of rivers and ecosystems, denounces impact of megaprojects. All this is inseparable from politics, for it, the politics is also evaluated.
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  • Biólogo desde hace más de treinta años, desde la época en que aún los biólogos no eran empleados de los abogados ambientalistas. Actualmente preocupado …alarmado en realidad, por el LESIVO TRATADO DE(DES)INTEGRACIÓN ENERGÉTICA CON BRASIL
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