Bridging the gap between micro and macroevolution in island systems using biomechanics and dynamic modelling
Faire le lien entre micro et macroévolution au sein des systèmes insulaires par le biais de modélisations biomécaniques dynamiques
Résumé
The emergence of phenotypic diversity can be the result of evolutionary processes including natural and sexual selection, founder effects and stochastic processes such as genetic drift. A significant part of the current phenotypic and specific diversity is thought to originate from radiation events where the colonization of novel environments and unexploited niches is associated with phenotypic variation. Island systems are considered natural laboratories offering replicates of natural populations, making them the perfect venue to address key questions on evolution and organismal biology. Radiation events on islands provide opportunities to understand how and whether variation in morphology evolves along with environmental constraints as suggested by ecological theory. However, how changes in morphology can give rise to significant changes in performance and subsequently ecology remains unclear and needs to be studied. To tackle this question, we used an island system, the Adriatic archipelago, where numerous populations of Podarcis lizards (Sauria, Lacertidae) have remained isolated since the end of the last glacial epoch. We carried out a comparative study combining field observations, quantitative dissections and three-dimensional geometric morphometric analyses to investigate how macroevolutionary variation in bite force, behavior, head shape and the underlying musculature correlates with environmental constraints including resource use and intraspecific competition. We then utilized computational engineering methods (Multibody Dynamics Analyses, and Finite Element Analyses) to test for the mechanical significance of subtle morphological variation observed between populations. The present study suggests that head shape variation impacts the mechanical efficiency of the musculoskeletal system of the feeding apparatus. Moreover, variation in morphology, musculature, behavior, and performance reflect dietary specialization among populations. Our results provide evidence of how microevolutionary changes in morphology can ultimately result in macroevolutionary patterns of ecological variation. They further suggest the Adriatic system to be in the initial stages of an adaptive radiation.
L’émergence de la diversité phénotypique peut résulter de processus évolutifs tels que la sélection naturelle ou sexuelle, les effets de fondations, ou des processus stochastiques comme la dérive génétique. On considère aujourd’hui qu’une part non-négligeable de la diversité actuelle a pour origine des évènements radiatifs pendant lesquels la colonisation de nouvelles niches écologiques est accompagnée d’une variation phénotypique. Les systèmes insulaires peuvent être comparés à des laboratoires à ciel ouvert parce qu’ils offrent des réplicas de populations naturelles, essentiels pour répondre à des questions centrales en biologies des organismes et de l’évolution. Les radiations insulaires offrent des opportunités intéressantes d’étudier comment la variation morphologique évolue en relation avec les contraintes environnementales, comme le suggère la théorie écologique. Cependant, il reste encore à comprendre dans quelle mesure les variations morphologiques peuvent donner lieu à des changements significatifs dans l’écologie et la performance des organismes. Nous proposons de répondre à cette question en utilisant un système insulaire, l’archipel croate de la mer Adriatique, où sont établies des populations de lézards du genre Podarcis (Sauria, Lacertidae) qui sont restées isolées les unes des autres depuis la fin de la dernière glaciation. Pour ce faire, nous avons combiné des observations de terrain, des dissections quantitatives et des analyses en morphométrie géométrique 3D pour comprendre les relations entre les variations macroévolutives de la force de morsure, du comportement, de la forme du crâne et de sa musculature avec les contraintes environnementales, comme l’exploitation des ressources ou la compétition intraspécifique. Nous avons ensuite eu recours à des méthodes d’ingénierie (modélisation dynamique multicorps, et modélisation en éléments finis) pour tester les conséquences biomécaniques des variations morphologiques subtiles observées au sein des populations. La présente étude suggère que la variation de la forme du crâne influence l’efficacité mécanique du système musculosquelettique de l’appareil masticateur. De plus, les variations de morphologie, musculature, comportement et performance reflètent des spécialisations de régime alimentaire. Nos résultats apportent une démonstration de la façon dont les changements microévolutifs de la morphologie peuvent finalement aboutir à des patrons macroévolutifs de variation écologique. Ils suggèrent également que le système insulaire de l’Adriatique se trouve dans une phase initiale de radiation adaptative.
Origine : Version validée par le jury (STAR)