Drivers of evolutionary change: understanding stasis and non-stasis through integration of micro- and macroevolution

Mikroevolusjon, endringer i den genetiske sammensetningen av populasjoner, kan over tid føre til dannelsen av nye arter, makroevolusjon. Gjennom «Den moderne syntesen» på 1930- og 40-tallet ble Darwins teori om evolusjon gjennom naturlig utvalg kombinert med Mendels arvelover. Det ble vist hvordan makroevolusjon potensielt kunne følge fra mikroevolusjon, og matematiske modeller som forklarte de evolusjonære endringene man observerte på kort tidsskala ble utviklet. Et gjenstående problem er at disse modellene ikke forklarer makroevolusjonære data på en tilfredsstillende måte. Der hvor man på mikroevolusjonær skala studerer genetiske forandringer i levende organismer, støtter man seg ofte til fossildata på makroevolusjonært nivå. Et fenomen man observerer i fossildataene er at noen former forblir tilsynelatende uforandret over millioner av år. Dette kalles stasis og utgjør er stort paradoks med tanke på de raske evolusjonære endringer man observerer på kort tidsskala. Et kjernespørsmål er hvorvidt evolusjonen vil stanse opp -altså føre til stasis - om abiotiske faktorer (ikke-levende faktorer som klima) holdes konstante. Nylig publiserte forskere ved CEES en studie som viser at så ikke nødvendigvis er tilfellet. Biotiske faktorer, det vil si påvirkning fra andre konkurrerende individer, utøver stor påvirkning på en organisme. Evolusjonære forandringer innen en art påvirker levemiljøet til alle sameksisterende individer, i samme eller andre arter. Dette er grunnlaget for Rød Dronning-hypotesen hvor arter til enhver tid må tilpasse seg for unngå å dø ut. Dette prosjektet vil bruke kunnskap fra både evolusjon og økologi til å utvikle nye matematiske modeller for å forene forståelsen av både mikroevolusjon og makroevolusjon. Videre vil prosjektet undersøke om stasis/ikke-stasis kan forklares ved å bruke mikroevolusjonære prosesser på makroevolusjonære data. Siden oppstarten har det blitt avholdt et kick-off møte hvor forskerne på prosjektet var samlet med samarbeidspartnere fra Oslo, Bergen og Helsinki. Forskerne på prosjektet er samlokalisert for å daglig kunne samarbeide om å utvikle modeller for å forene mikroevolusjon og makroevolusjon. En av forskerne vært på et fire ukers forskningsopphold ved Universitetet i Helsinki for å arbeide med samarbeidspartnere der om bruk av fossilmateriale i empiriske studier av biodiversitetsdynamikk. En forsker har forlatt prosjektet for fast stilling på et annet universitet og har blitt erstattet av et nytt prosjektmedlem i rapporteringsperioden. En forsker har hatt foreldrepermisjon i rapporteringsperioden (17 uker, februar-juli 2020), og vil få forlenget kontrakten til 31. desember 2020. Vi har hatt flere arbeidsmøter, både i Oslo og i Helsinki, to artikler har blitt publisert i fagfellevurderte tidsskrifter, en artikkel er publisert i et populærvitenskapelig tidsskrift, og flere manuskripter er for tiden under utarbeidelse. Flere forelesninger basert på prosjektet har blitt holdt.

As has been mentioned in the report, we have a proposal under consideration in the British Leverhulme Foundation (Stenseth being co-PI: asking for funding for one post doc over two years). In addition, as mentioned above, we will apply for a HFSP – as Norway became a member of HFSP again – for a follow-up; co-applicants will be chosen among those attending the Tømte-symposium. Nordbotten and Stenseth will in 2024 furthermore apply for FRIPRO-funding for a follow-up: we did have one in 2021 which was not funded but got reasonably good reviews – with more publications out we will, one might assume, be able to submit a much strengthened proposal.

The project will investigate whether - and how - macro-evolution can be fully understood as a result of micro-evolutionary processes. This will be achieved by integrating micro-evolutionary theory with theories on macro-evolution, hence determining whether we can explain macro-evolution within the framework of the Modern Synthesis or need to go beyond it. For answering these fundamental questions we have assembled an international and multidisciplinary team of researchers that includes world leading scientists in their relevant fields. Given the track-record, background and expertise that the team brings together, we expect cutting-edge results with broad implications within the field of evolutionary biology. The disconnect between micro- and macro-evolution is in part due to a surprisingly persistent disconnect between ecological and evolutionary research. In order to understand the whole picture we need to bring ecological and evolutionary dynamics together into a common model-framework where not only their relative weight but, we believe more importantly, their dynamic interactions including feedback loops can be investigated. For this purpose we need causality modelling/analysis, a key component of our proposed project. The project achieves focus and feasibility by investigating in depth the phenomenon of stasis vs. non-stasis of evolution. By assessing to what degree micro-evolutionary processes can explain this observed macro-evolutionary pattern we also assess to what degree we need a separate theory for macro-evolution. The crucial novelty that makes the proposed project operational is the integration of mathematical modelling with state-of-the-art analysis of fossil mammal data as well as experimental microbiological data.