Bringing the Modern Synthesis into ecology ? (1927-1967)

47
Bringing the Modern Synthesis into ecology ? (19271967)

Transcript of Bringing the Modern Synthesis into ecology ? (1927-1967)

Bringing  the  Modern  Synthesis  into  ecology  ?  (1927-­‐1967)  

INTORDUCTORY  REMARKS:  ECOLOGY  AND  EVOLUTION  ??  

An  ambiguity  in  the  definiAon  of  ecology  

•  Ecology:    – “science  of  the  struggle  for  existence”  (Haeckel)  

– Science  of  the  relaAonships  between  organisms  and  their  environments         “those  sciences  that  

consider  organisms  in  relaCon  to  their  environments  and  to  one  another.  “  Hutchinson  &  Deevey  1949  

•  Def  1:  immediately  darwinian  

•  Def  2.  non  immediately  linked  to  natural  selecAon;  can  be  organisms-­‐centered  or  not.  

•  Ecology/  evoluAon  a  “simple”  relaAon  • ecology-­‐>  selecAve  pressure  • PopulaAon  geneAcs-­‐>  change  in  allelic  frequency  via  selecAon  and  other  eovluAonary  forces  (fitness  values    reflect  selecAve  pressure  swithin  the  PG  models)  

Lynch  2007:  nothing  in  evoluAonary  biology  makes  sense  except  in  the  light  of  populaAon  geneAcs  

Heterogeneity  ecology/evoluAon  

•  A  causal  difference:  predaAon,  compeAAon,  etc.,  ecological  interac,on//  selecAon  mutaAon  migraAon  driZ  as  evolu,onary  forces  

– Ecology  :  organismic  interac,ons  consAtute  environmental  demands  

–  In  an  evoluAonary  viewpoint  they  are  selec,ve  pressures  – Natural  selecAon  is  cons,tuted  by  selecAve  pressures  

The  whole  causal  picture.  

•  Causes  of  selecAon  (environmental  demands,  etc.)  

•  Fitness  values  

•  Change  in  gene  frequencies,  then  trait  values    -­‐>  evoluAon  (adaptaAon,  diversity).  

Ecology.  Compe,,on,  preda,on,  resources.    Development,  Physiology…  

Popula1on  gene1cs.  Modeling  allelic  frequency  change    as  an  output  of  fitnesses,  popula,on  size,  structure  etc.    Dri@,  selec,on,  muta,on,  migra,on  as  forces.  

Ecology’s  dual  nature:    behavioural  ecology  //  community  ecology    (level  of  organisms  vs  collec1ves  (species&  popula1ons)  

Simple  arCculaCon:  inverCng  variants  and  invariants  

Ecology:  varying  species  (exAncAon,  speciaAon,  colonizaAon),  nonvarying  genes  

EvoluCon:    one  focal  species  populaAon,  relaAve  environmental  constancy  (hence  species  constancy),  variaAon  of  genic  frequencies  

     

•  Unity  of  ecology  ???  

–  Community  ecology,  populaAon  ecology,  funcAonal  ecology,  community  ecology,  biogeography,  landcscape  ecology,  ecosystems  ecology,  behavioural  ecology  

–  Gradient:        ecology  with  evoluAonary/biology  main  concepts  

Thermodynamic  inspired  ecology  (fctl  ecology,  ecosystems  ecology  –  Odum)  

Merging  ecology  and  evoluAon  is  sAll    a  crucial  problem;    Think  “niche  construcAon  theory”,  “ecophylogeneAcs”,  etc   ((Roughgarden))  

Temporal  scales  

MicroévoluAon  PopulaAon  geneAcs  

macroevoluAon  

Behavioural  ecology  

Community  Ecology  

FuncAonal  Ecology  

•  One  crucial  quesAon:  explaining  diversity.  

–  In  evoluAon:  macroevoluAonary  quesAon  about  phylogeny  (divergence,  etc)  

– Hutchinson  1959  –  “why  are  there  so  many  animals”  now  ?  :  ecological  quesAon  

•  Ecology  aZer  the  MS:  concern  with  general  paferns  of  bidiversity,  and  how  to  mechanisAcally  explain  them.    

The  paradox  of  ecology  aRer  the  MS:    

•  Struggle  for  existence  =  natural  selecAon  

•  No  populaAon  thinking  in  ecology      

–  Even  more  than  “no  genes”  

The  Modern  Synthesis  Core  (Huxley  1951)    "Natural  selecAon,  acAng  on  

the  heritable  variaAon  provided  by  the  mutaAons  and  recombinaAon  of  a  Mendelian  geneAc  consAtuAon,  is  the  main  agency  of  biological  evoluAon”    

•  StarAng  point  1927:  populaAon  biology,  life  history  tables,  physiology,  animal  ecology,  plant  ecology  

•  Endpoint  1967:  populaAon  ecology,  funcAonal  ecology,  community  ecology,  behavioural  ecology,  biogeography  

StarAng  point  

•  Plant  ecology  :  ‘community’  ecology,  issues  of  succession  and  assemblage,  Clements  1926  vs  Gleason,  etc.  

•  Animal  ecology:  populaAon  biology  mostly  • Lotka  Volterra  cycles  

-­‐>  Main  quesAon:  populaAon  regulaAon    

Landmarks  

•  Elton  1927  (Animal  ecology),  1958  (Invasions)  –  Studied  with  Huxley  

•  Ford,  Ecological  gene,cs  1964  –  Student  of  Fisher  

•  Hutchinson  1941,  1957  –  Limnologist  

•  Lack  (1947,  Finches,  1947,  clutch  size)  –  Ornithology;  studied  with  Mayr  

•  Cold  Harbour  spring  symposium  1957  •      Nicholson,  Andrewartha,  LewonAn,  Chify,  Dobzhansky,  etc.  

•  McArthur  &  Wilson  Theory  of  Island  Biogeography  1967;  Levins,  “Fitness  in  changing  environments”  papers,  1966  

•  Mc  Arthur,  Odum,  students  of  Hutchinson    

Episode  0.  Elton  

•  1927,  Animal  ecology.    –  Ecology  is  "  the  sociology  and  economics  of  animals.”    

•  Foreword  by  Huxley  (Spitzberg  expediAon  1923)  –  Mayr  on  Elton  

•  NoAon  of  succession,  niche,  food  chain,  pyramid  of  numbers  •  Journal  of  animal  ecology  1931;    •  Bureau  of  animal  populaAons,  1932  

–  Wytham  Hill  estate,  Oxford  –  20  years  survey  –  Invasions  of  rats,  etc  -­‐>    Ecology  of  invasions  by  animal  and  plants,  1958  (“geneAc”:  8  

occurrences);  PaQerns  of  animal  communites,  1966  (16  occurrences)  •  Emergence  of  “invasion  ecology”  and  concern  with  stability    

Compare  :  Elton  1966  –  some  changes  introduced  

•  1928-­‐1942  –  First  stages  of  the  Modern  Synthesis  

•  Gause  1932-­‐1935:compeAAve  exclusion  principle  experiments  on  Paramecia  

• Gause,  GF.  1932.  Experimental  studies  on  the  struggle  for  existence.  Journal  of  Experimental  Biology  9:  389-­‐402.    

“ecology”  in  the  MS  

•  Haldane  1932,  Causes  of  eovlu,on  1  occurrence  

•  Dobzhansky  1937,  Gene,cs  and  the  Origins  of  species,  3  occurrences  

•  Huxlery.  The  modern  synthesis  (1942),  36  occurrences,  many  citaAons  of  Elton  

Episode  #1.  Ecological  geneAcs  

•  Ford  1946,  47..  1964  –  Evaluate  natural  selecAon  in  the  

wild  –  Studies  on  Triphanena  comes    

moths  in  England,  lepidoptera  Polyommatus  icarus,  Maniola  jur,na  (with  Fisher)in  Sicily:  polymorphisms  mimicry,  founder  effect..  

–  Ecology  =  experimental  study  of  natural  selecAon  on  popuaAons  geneAcally  defined    

–  Finding:  higher  than  expected  intensiAes  of  natural  selecAon  1  to  20  magnitudes  higher)  

–  Moderate  the  role  of  gene,c  dri@      –  Ford  &  Fisher  1947  Heredity  –  these  chromosome  inversions  are  in  fact  subject  

to  a  delicate  balance  of  selecAve  intensity.  

Episode#2.  CompeAAon  and  density-­‐dependence  –  purng  natural  selecAon  at  the  center  

•  Huthcinson  &  Deevey  1949.  Autecology  vs  synecology  

•  “All  these  branches  of  invesCgaCon,  autecology,  biocoenology,  biodemography,  biogeochemistry,  may  conveniently  be  regarded  as  branches  of  ecology,  though  they  deal  with  different  levels  of  integraCon  or  employ  different  degrees  and  kinds  of  abstracCon”  

•  Most  simple  abstract  models  –  ecology  of  homogeneous  populaAons,  up  to  2  species-­‐  as  a  “topical  &  of  enduring  interest”  way  of  tackling  the  problem  

•     

The  paradigmaAc  role  of    populaAon  ecology  

Parallel  with  MS  

•  Elton,  C  ,  and  Nicholson,  M  .  1942a.  FluctuaAons  in  numbers  of  the  muskrat  (Ondatra  zibethica)  in  Canada.  Jour.  Anim.  Ecol.  11:  96-­‐126.  

•  Lack  D.  1947-­‐8.  The  significance  of  clutch-­‐size.  Ibis  89,  302–352  

•  Clutch  opAmises  the  number  of  offspring  

•  Darwin’s  finches.  Cambridge  UP.  1946  •  Lack’s  training.  Ornithology.  Stays  with  Mayr  1938  

•  Hutchinson,  G.  E.  1941.  Ecological  aspects  of  succession  in  natural  populaAons.  Amer.Nat.  75:  406-­‐418.  

CompeAAve  exclusion  principle  

•  “The  generalizaCon  implicit  in  cases  (2)  and  (3),  that  two  species  with  the  same  niche  requirements  cannot  form  mixed  steady-­‐state  populaCons  in  the  same  region  has  become  one  of  the  chief  foundaCons  of  modern  ecology.”.  In  1957  (“Concluding  remarks”  CHS)  it’s  empirical  

•  Paradox  of  the  plankton  first  formulaCon  1941,  famous  one  1959  “Homage  to  santa  rosalia”)  

•  “intrinsic”  vs  “extrinsic”  reasons  for  ecological  cycles    

» Hutchinson  &  Deevey  p346.  

– ReflecAon  of  debates  on  the  reasons  of  populaAon  regulaAon  

–      Timescale  consideraAons  

•  Cold  Spring  Harbour  Symosium  on  populaAons  (1957).  Controversy  on  density-­‐dependance  as  an  explanans  of  community  composiAon  and  dynamics  

•  Anderwartha,  Birch.  RegulaAon  by  environemental  changes,  not  compeAAon  (food  supply  almost  unlimited)  

• Nicholson,  Hutchinson,  etc  :  compe,,on  is  the  main  driver  of  biodiversity  – >  role  of  natural  selecAon    

•  Issue:  compared  strength  of  intraspecific  vs  interspecific  compeAAon    

Hutchinson  Concluding  Remarks  1959  

Niche  theory  (Hutchinson  1959)  :  

•  Hypervolume  –  property  of  the  species    

–  like  Grinell’s  niche  rather  than  Elton’s  

•  “fundamental”  (McArthur)  vs  “realized”  niches  

•  LimiAng  similarity  explains  coexistence  

Niche  theory  (Hutchinson  1959)  :  

•  Hypervolume  –  property  of  the  species    

–  like  Grinell’s  niche  rather  than  Elton’s  

•  “fundamental”  (McArthur)  vs  “realized”  niches  

•  LimiAng  similarity  explains  coexistence  

Niche  theory  (Hutchinson  1959)  :  

•  Hypervolume  –  property  of  the  species    

–  like  Grinell’s  niche  rather  than  Elton’s  

•  “fundamental”  (McArthur)  vs  “realized”  niches  

•  LimiAng  similarity  explains  coexistence  

•  Equilbrium  ecology  (Comp  .  Excl)  vs  non  equilibrium  (plankton?)  

2  remarks  

•  Natural  selecAon  plays  a  crucial  role  in  Hutchinson’s  formal  model  of  niche  and  CEP  (decoupling  realised  and  fundamental  niches)  

•  CompeAAve  exclusion  including  paradox  of  the  plancton  contrasts  with  adaptaAonism  in  ecological  geneAcs  and  Lack  

Episode  #3.  the  theoreAcal  ecology/populaAon  geneAcs  parallelism  

• McArthur  &  Wilson  1967.  Prospects.  A.  Island  Biogeography  

•  Wilson’s  recollecAon  :    •  “We  became  friends,  and  one  of  our  common  concerns  was  the  growing  

decrepitude  of  our  specialAes  (as  we  saw  it),  in  dismaying  con-­‐  trast  to  the  newly  triumphant  emergence  of  molecular  biology.  Ecology  and  evoluAonary  biology  seemed  like  the  aforemenAoned  rhinos  and  archaic  carnivores,  surrendering  university  chairs  and  grants  to  the  new  wave  of  biologists  coming  out  of  the  physical  sciences.  It  was  clear  in  the  1960s  that  their  achievements  were  to  be  the  hallmark  of  twenAeth-­‐  century  biology.”  

•  What  can  we  learn  from  molecular  biology  on  how  to  advance  our  own  science?  We  agreed  that  the  basic  problem  was  that  ecology  and  evoluAonary  biology  were  sAll  mostly  unrooted.  They  needed  foundaAons  from  which  explanaAons  can  be  developed  bofom-­‐up.  Theory  has  to  work  from  lower  to  higher  levels  of  biological  organizaAon.  Either  alone  will  not  do.  PopulaAon  biology  was  the  disci-­‐  pline  we  thought  could  serve  as  base  to  reinvigorate  the  theory  of  ecol-­‐  ogy  and  evoluAonary  biology  

Explicit  connecAon  with  evoluAon  built  in  the  book  

•  Island  biogeography:  simple  model  to  account  for  some  paferns  in  nature  (species  area-­‐curves)  with  minimal  plausible  assumpAons  

•  Methodology:  design  a  model  –  then  compare  with  the  data  (hypothesis  tesAng)    controversies  on  null  models  

–   (Diamond,  Simberloff  &  O  Connro,  Gotelli,  etc)  

•  Island  biogeography:  simple  model  to  account  for  some  paferns  in  nature  (species  area-­‐curves)  with  minimal  plausible  assumpAons  

•  Methodology:  design  a  model  –  then  compare  with  the  data  (hypothesis  tesAng)    controversies  on  null  models  

–   Diamond,  Simberloff  &  O’Connor,  Gotelli,  etc)  

–  ConnecAon  with  paleobiology    

•  Similar  formal  methods  as  populaAon  geneAcs  

•  SyntheAc  ambiAons:  biogeography,  geneAcs,  evoluAon,  ecology  

•  QuesAons  raised:  what’s  the  best  colonizator  strategies  ?    – new  take  on  Invasions  –  colonizaAon  is  defined  in  the  model  first:  best  increase  in  populaAon  rate  

– Concepts:    •  r  and  K  selecAon  •  Fitness  used  as  r  coefficient  •  Character  displacement  (account  for  geneAc  evoluAon)    

NoAon  of  “character  displacment”  :    geneAc  undrstanding  of  eoclogical  divergence  

Theory  of    island  biogeography    

Community  ecology  

Behavioural  ecology  

Island-­‐mainland  models  

Strategies,  K-­‐r  selecAon  

•  McArthur  &  Wilson  p89-­‐93  •  R  is  the  fitness;  character  displacement  and  allelic  models  in  chapter  7  ;  relaAon  to  populaAon  geneAcs  (cite  the  end)  

•  K  and  r  selecAon  •  ColonizaAon  strategies  (to  understand  invasibility)  

•  155  –  founder  effect  and  mechanism  of  chapter  4  changed  into  alleles  

•  156  decrease  importance  of  random  sampling  

•  Levins  1962-­‐1966  AmNat  papers  

•  Elaborate  fitness  funcAon  that  cope  with  environmental  heterogeneity  

•  Fuels  eoclogical  informaAon  in  populaAon  egneAcs  

•  And  back  

B.  Heterogeneous  environments  

•  Thesis  1.  one  of  the  main  achievment  of  imporAng  MS  in  ecology  was  in  terms  of  modeling  methodology  –  especially,  used  to  overcome  the  divide  between  plant  ecology  and  animal  ecology  into  theoreAcal  ecology  

•  Thesis  1.  one  of  the  main  achievment  of  imporAng  MS  in  ecology  was  in  terms  of  modeling  methodology  –  especially,  used  to  overcome  the  divide  between  plant  ecology  and  animal  ecology  into  theoreAcal  ecology  

•  Thesis  2.  No  integrated  import  of  MS  in  ecology  (the  field  is  sAll  divided,  especially  into  Amescales)  

Plant  ecology          animal  ecoloy     physiology     populaAon  biology                  geography  

Ecologicla  geneAcs  Genes  +NS  Few  “ecological”  topics  

Behavioural  ecology  NS,  no  genes  

Biogeography  Community  ecology  NS,  genes  

Modern  Synthesis