Phenotypic plasticity affects the response of a sexually selected trait to anthropogenic noise

Sexually selected traits are shaped by an interaction between sexual selection and other natural selection pressures in the environment. However, there is little understanding of how recent anthropogenic environmental change affects the elaboration of sexually selected traits. Most sexually selected traits are complex displays comprising multiple components that interact in a functional way, thereby affecting overall trait expression. To understand how environmental change may shape the expression of sexually selected traits, we have to consider not only (i) the phenotypic plasticity of individual components of traits but also their (ii) phenotypic integration, that is, the correlations among trait components, as well as (iii) plasticity integration, that is, the correlations among the plasticities of trait components. Here, we show that background noise is a considerable pressure in shaping a sexually selected multicomponent acoustic signal, bird song. We compared singing behavior of European robins (Erithacus rubecula) in territories that differed in levels of anthropogenic noise and conducted noise-exposure experiments to test if behavioral plasticity caused immediate changes in song components, for example, minimum frequency, song complexity, and song length. We found that song components differed in their plasticity to background noise and that plasticity integration between components may further restrict the elaboration of song. Thus, the altered expression of song components under noise exposure leads to increased phenotypic integration, which is linked with reduced song complexity. Our findings demonstrate that plasticity integration restricts the elaboration of a sexually selected trait, which raises the question of how changing environments may modify sexual selection.

Parallel and nonparallel ecological, morphological and genetic divergence in lake-stream stickleback from a single catchment

Parallel phenotypic evolution in similar environments has been well studied in evolutionary biology; however, comparatively little is known about the influence of determinism and historical contingency on the nature, extent and generality of this divergence. Taking advantage of a novel system containing multiple lake-stream stickleback populations, we examined the extent of ecological, morphological and genetic divergence between three-spined stickleback present in parapatric environments. Consistent with other lake-stream studies, we found a shift towards a deeper body and shorter gill rakers in stream fish. Morphological shifts were concurrent with changes in diet, indicated by both stable isotope and stomach contents analysis. Performing a multivariate test for shared and unique components of evolutionary response to the distance gradient from the lake, we found a strong signature of parallel adaptation. Nonparallel divergence was also present, attributable mainly to differences between river locations. We additionally found evidence of genetic substructuring across five lake-stream transitions, indicating that some level of reproductive isolation occurs between populations in these habitats. Strong correlations between pairwise measures of morphological, ecological and genetic distance between lake and stream populations supports the hypothesis that divergent natural selection between habitats drives adaptive divergence and reproductive isolation. Lake-stream stickleback divergence in Lough Neagh provides evidence for the deterministic role of selection and supports the hypothesis that parallel selection in similar environments may initiate parallel speciation.

On Irish stickleback:Morphological diversification in a secondary contact zone

Question: How parallel is adaptive evolution when it occurs from different genetic backgrounds? Background: Divergent evolutionary lineages of several post-glacial fish species including the threespine stickleback are found together in Ireland. Goals: To investigate the morphological diversity of stickleback populations in Ireland and assess whether morphology evolved in parallel between evolutionary lineages. Methods: We sampled stickleback from lake, river, and coastal habitats across Ireland. Microsatellite and mitochondrial DNA data revealed evolutionary history. Geometric morphometrics and linear trait measurements characterized morphology. We used a multivariate approach to quantify parallel and non-parallel divergence within and between lineages. Results: Repeated evolution of similar morphologies in similar habitats occurred across Ireland, concordant with patterns observed elsewhere in the stickleback distribution. A strong pattern of habitat-specific morphology existed even among divergent lineages. Furthermore, a strong signal of shared morphological divergence occurred along a marine-freshwater axis. Evidently, deterministic natural selection played a more important role in driving freshwater adaptation than independent evolutionary history. © 2013 Mark Ravinet.

On Irish sticklebacks: morphological diversification in a secondary contact zone

Question: How parallel is adaptive evolution when it occurs from different genetic backgrounds?
Background: Divergent evolutionary lineages of several post-glacial fish species including the threespine stickleback are found together in Ireland.
Goals: To investigate the morphological diversity of stickleback populations in Ireland and assess whether morphology evolved in parallel between evolutionary lineages.
Methods: We sampled stickleback from lake, river, and coastal habitats across Ireland. Microsatellite and mitochondrial DNA data revealed evolutionary history. Geometric morphometrics and linear trait measurements characterized morphology. We used a multivariate approach to quantify parallel and non-parallel divergence within and between lineages.
Results: Repeated evolution of similar morphologies in similar habitats occurred across Ireland, concordant with patterns observed elsewhere in the stickleback distribution. A strong pattern of habitat-specific morphology existed even among divergent lineages. Furthermore, a strong signal of shared morphological divergence occurred along a marine–freshwater axis. Evidently, deterministic natural selection played a more important role in driving freshwater adaptation than independent evolutionary history.

A genomic island linked to ecotype divergence in Atlantic cod

The genomic architecture underlying ecological divergence and ecological speciation with gene flow is still largely unknown for most organisms. One central question is whether divergence is genome-wide or localized in 'genomic mosaics' during early stages when gene flow is still pronounced. Empirical work has so far been limited, and the relative impacts of gene flow and natural selection on genomic patterns have not been fully explored. Here, we use ecotypes of Atlantic cod to investigate genomic patterns of diversity and population differentiation in a natural system characterized by high gene flow and large effective population sizes, properties which theoretically could restrict divergence in local genomic regions. We identify a genomic region of strong population differentiation, extending over approximately 20 cM, between pairs of migratory and stationary ecotypes examined at two different localities. Furthermore, the region is characterized by markedly reduced levels of genetic diversity in migratory ecotype samples. The results highlight the genomic region, or 'genomic island', as potentially associated with ecological divergence and suggest the involvement of a selective sweep. Finally, we also confirm earlier findings of localized genomic differentiation in three other linkage groups associated with divergence among eastern Atlantic populations. Thus, although the underlying mechanisms are still unknown, the results suggest that 'genomic mosaics' of differentiation may even be found under high levels of gene flow and that marine fishes may provide insightful model systems for studying and identifying initial targets of selection during ecological divergence.

Inbreeding uncovers fundamental differences in the genetic load affecting male and female fertility in a butterfly

Inbreeding depression is most pronounced for traits closely associated with fitness. The traditional explanation is that natural selection eliminates deleterious mutations with additive or dominant effects more effectively than recessive mutations, leading to directional dominance for traits subject to strong directional selection. Here we report the unexpected finding that, in the butterfly Bicyclus anynana, male sterility contributes disproportionately to inbreeding depression for fitness (complete sterility in about half the sons from brother-sister matings), while female fertility is insensitive to inbreeding. The contrast between the sexes for functionally equivalent traits is inconsistent with standard selection arguments, and suggests that trait-specific developmental properties and cryptic selection play crucial roles in shaping genetic architecture. There is evidence that spermatogenesis is less developmentally stable than oogenesis, though the unusually high male fertility load in B. anynana additionally suggests the operation of complex selection maintaining male sterility recessives. Analysis of the precise causes of inbreeding depression will be needed to generate a model that reliably explains variation in directional dominance and reconciles the gap between observed and expected genetic loads carried by populations. This challenging evolutionary puzzle should stimulate work on the occurrence and causes of sex differences in fertility load.

A fuzzified systematic adjustment of the robotic Darwinian PSO

The Darwinian Particle Swarm Optimization (DPSO) is an evolutionary algorithm that extends the Particle Swarm Optimization using natural selection to enhance the ability to escape from sub-optimal solutions. An extension of the DPSO to multi-robot applications has been recently proposed and denoted as Robotic Darwinian PSO (RDPSO), benefiting from the dynamical partitioning of the whole population of robots, hence decreasing the amount of required information exchange among robots. This paper further extends the previously proposed algorithm adapting the behavior of robots based on a set of context-based evaluation metrics. Those metrics are then used as inputs of a fuzzy system so as to systematically adjust the RDPSO parameters (i.e., outputs of the fuzzy system), thus improving its convergence rate, susceptibility to obstacles and communication constraints. The adapted RDPSO is evaluated in groups of physical robots, being further explored using larger populations of simulated mobile robots within a larger scenario.

Introducing the fractional-order Darwinian PSO

One of the most well-known bio-inspired algorithms used in optimization problems is the particle swarm optimization (PSO), which basically consists on a machinelearning technique loosely inspired by birds flocking in search of food. More specifically, it consists of a number of particles that collectively move on the search space in search of the global optimum. The Darwinian particle swarm optimization (DPSO) is an evolutionary algorithm that extends the PSO using natural selection, or survival of the fittest, to enhance the ability to escape from local optima. This paper firstly presents a survey on PSO algorithms mainly focusing on the DPSO. Afterward, a method for controlling the convergence rate of the DPSO using fractional calculus (FC) concepts is proposed. The fractional-order optimization algorithm, denoted as FO-DPSO, is tested using several well-known functions, and the relationship between the fractional-order velocity and the convergence of the algorithm is observed. Moreover, experimental results show that the FO-DPSO significantly outperforms the previously presented FO-PSO.

Classes Alléliques d’Haplotypes et Sélection Positive dans le Génome Humain

L'identification de régions génomiques cibles de la sélection naturelle positive permet de mieux comprendre notre passé évolutif et de trouver des variants génétiques fonctionnels importants. Puisque la fréquence des allèles sélectionnés augmente dans la population, la sélection laisse des traces sur les séquences d'ADN et ces empreintes sont détectées lorsque la variabilité génétique d'une région est différente de celle attendue sous neutralité sélective. On propose une nouvelle approche pour analyser les données de polymorphismes : le calcul des classes alléliques d’haplotypes (HAC), permettant d'évaluer la diversité globale des haplotypes en étudiant leur composition allélique. L'idée de l'approche est de déterminer si un site est sous sélection positive récente en comparant les distributions des HAC obtenues pour les deux allèles de ce site. Grâce à l'utilisation de données simulées, nous avons étudié ces distributions sous neutralité et sous sélection en testant l'effet de différents paramètres populationnels. Pour tester notre approche empiriquement, nous avons analysé la variation génétique au niveau du gène de lactase dans les trois populations inclues dans le projet HapMap.

Statistical potentials for evolutionary studies

Les séquences protéiques naturelles sont le résultat net de l’interaction entre les mécanismes de mutation, de sélection naturelle et de dérive stochastique au cours des temps évolutifs. Les modèles probabilistes d’évolution moléculaire qui tiennent compte de ces différents facteurs ont été substantiellement améliorés au cours des dernières années. En particulier, ont été proposés des modèles incorporant explicitement la structure des protéines et les interdépendances entre sites, ainsi que les outils statistiques pour évaluer la performance de ces modèles. Toutefois, en dépit des avancées significatives dans cette direction, seules des représentations très simplifiées de la structure protéique ont été utilisées jusqu’à présent. Dans ce contexte, le sujet général de cette thèse est la modélisation de la structure tridimensionnelle des protéines, en tenant compte des limitations pratiques imposées par l’utilisation de méthodes phylogénétiques très gourmandes en temps de calcul. Dans un premier temps, une méthode statistique générale est présentée, visant à optimiser les paramètres d’un potentiel statistique (qui est une pseudo-énergie mesurant la compatibilité séquence-structure). La forme fonctionnelle du potentiel est par la suite raffinée, en augmentant le niveau de détails dans la description structurale sans alourdir les coûts computationnels. Plusieurs éléments structuraux sont explorés : interactions entre pairs de résidus, accessibilité au solvant, conformation de la chaîne principale et flexibilité. Les potentiels sont ensuite inclus dans un modèle d’évolution et leur performance est évaluée en termes d’ajustement statistique à des données réelles, et contrastée avec des modèles d’évolution standards. Finalement, le nouveau modèle structurellement contraint ainsi obtenu est utilisé pour mieux comprendre les relations entre niveau d’expression des gènes et sélection et conservation de leur séquence protéique.

Sélection et polymorphisme chez des grenouilles mimétiques du Pérou (Dendrobatidae)

La diversification des signaux aposématiques dans un cadre de mimétisme müllérien est un phénomène intrigant. Alors que la théorie relative à l'aposématisme et au mimétisme suggère l'évolution vers un signal aposématique unique, d'impressionnantes variations peuvent être observées entre les populations, et cela à petite échelle spatiale. Il a été supposé que la variation spatiale des pressions de sélection engendrées par différents prédateurs puisse être à l'origine de ce phénomène. Afin de tester cette hypothèse, nous avons étudié la transition entre deux systèmes géographiques caractérisés par des patrons aposématiques distincts chez des grenouilles mimétiques et toxiques du nord du Pérou (Dendrobatidae) en combinant les outils de génétique des populations aux outils écologiques. Dans chacun de ces systèmes, Ranitomeya imitator vit en sympatrie avec R. ventrimaculata ou R. variabilis. Il s'agit du principal exemple empirique suggérant que dans un cadre de mimétisme müllérien, il n'y a pas convergence des signaux aposématiques des deux espèces, mais plutôt convergence unidirectionnelle où R. imitator, étant polymorphe, imite des espèces monomorphes avec lesquelles elle est sympatrique. Premièrement, les résultats réfutent les prémisses qui suggèrent que R. imitator converge vers le signal aposématique d’une autre espèce. La haute similarité génétique entre les espèces modèles suggère qu'elles ont divergé plus récemment que les populations de R. imitator ou qu'elles sont encore connectées par du flux génique. Ces résultats indiquent que ces espèces ont été identifiées à tort comme des espèces différentes. De fait, l'identification de l'espèce imitatrice basée sur la variabilité phénotypique est invalidée dans ce système puisque R. imitator et R. variabilis/ventrimaculata démontrent la même variabilité. Deuxièmement, nos résultats démontrent que la prédation varie spatialement, autant en intensité qu'en direction, créant ainsi un paysage hétérogène de pressions de sélection. Ainsi, de fortes pressions de prédation stabilisatrice permettent le maintien de l'organisation géographique de différents signaux aposématiques et expliquent l'uniformité de ces signaux ainsi que les relations mimétiques. Par contre, le relâchement temporaire des pressions de prédation permet l'apparition de nouveaux phénotypes aposématiques via les processus évolutifs neutres, conduisant à un haut polymorphisme au niveau de ces populations. L'interaction de ces modes sélectifs nous a permis de démontrer pour la première fois comment la théorie évolutive de Wright (shifting balance theory) permet la diversification adaptative dans un système naturel. Pour conclure, cette étude a permis de mettre en évidence à quel point les systèmes de mimétisme müllérien peuvent être dynamiques. L'alternance spatiale entre les processus évolutifs neutres et la sélection naturelle permet l'émergence de nouveaux phénotypes aposématiques à une échelle locale, ainsi que l'apparition d'une organisation géographique des signaux d'avertissement et des relations de mimétisme müllérien.

Le langage humain est-il une adaptation biologique? : un regard critique sur une explication adaptationniste

Pinker et Bloom (1990), deux représentants de la psychologie évolutionniste, soutiennent que le langage est une adaptation biologique ayant pour fonction la communication. Ils prétendent ainsi jeter un éclairage sur l’origine et l’évolution du langage. Le présent mémoire propose une analyse critique de leur argumentation, et ce, du point de vue de la philosophie de la biologie. D’une part, il tente de dissiper la confusion entourant la conception du langage adoptée par Pinker et Bloom, afin de mieux définir le trait censé constituer une adaptation biologique. Ce faisant, ce mémoire fait ressortir certains présupposés de leur conception du langage et en souligne l’aspect problématique. En ce sens, les concepts d’innéité, de modularité, de grammaire universelle et de systématicité sont abordés de façon critique. D’autre part, ce travail entend expliciter un concept clé de l’argumentation de Pinker et Bloom : celui d’adaptation. L’analyse montre que l’opposition entre adaptationnisme et anti-adaptationnisme tient, dans le cas présent, à une divergence quant à la façon de définir l’adaptation biologique. Une distinction importante doit être faite entre une adaptation résultant exclusivement de la sélection naturelle dans un contexte fonctionnel particulier et une adaptation qui n’exclut pas a priori d’autres facteurs évolutifs, dont l’exaptation. Dans la mesure où l’argumentation de Pinker et Bloom conduit à affirmer que le langage constitue une adaptation seulement au deuxième sens du terme, ce mémoire montre qu’ils ne sont pas à même de rendre compte de l’origine du langage.

Effet de l'échantillonnage non proportionnel de cas et de témoins sur une méthode de vraisemblance maximale pour l'estimation de la position d'une mutation sous sélection

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Analyse épistémologique du potentiel créateur de la sélection naturelle ; entre darwinisme et postdarwinisme

Ce mémoire propose de faire l’analyse épistémologique du pouvoir créateur de la sélection naturelle. L’objectif sera de déterminer en quelle mesure il est légitime ou non de lui attribuer un tel pouvoir. Pour ce faire, il sera question de savoir si l’explication sélectionniste peut répondre à la question de l’origine des formes structurelles du vivant. Au premier chapitre, nous verrons le raisonnement qui mena Darwin à accorder un pouvoir créateur à la sélection naturelle. Nous comprendrons alors qu’un cadre exclusivement darwinien n’est peut-être pas à même de répondre au problème de la nouveauté évolutionnaire. Au deuxième chapitre, nous verrons dans une perspective darwinienne qu’il est possible de conserver l’essence de la théorie darwinienne et d’accorder à la sélection naturelle un pouvoir créateur, bien que deux des piliers darwiniens fondamentaux doivent être remis en question. Au troisième chapitre, nous verrons dans une perspective postdarwinienne que le pouvoir cumulatif de la sélection naturelle n’est peut-être pas à même d’expliquer l’adaptation sur le plan individuel, ce qui remet lourdement en question le pouvoir créateur de la sélection naturelle. Nous comprendrons alors que le débat, entre partisans d’une vision positive et partisans d’une vision négative de la sélection naturelle, dépend peut-être d’un présupposé métaphysique particulier.

Les origines biologiques de la musique.

La musique est un comportement humain incontestablement universel, elle demeure néanmoins peu abordée par l’anthropologie. Si les connaissances empiriques accumulées à ce jour ont permis de bien la caractériser à des niveaux proximaux d’analyse, la question de son origine évolutionniste est, en contrepartie, souvent délaissée. Or, toute tentative sérieuse de comprendre ce phénomène requiert une investigation de sa fonction adaptative et de sa phylogénèse. Le projet entrepris ici consiste en une tentative de définition du concept de musique en terme d’universaux, d’une comparaison interspécifique du phénomène et d’un résumé de l’histoire phylogénétique des comportements musicaux, ainsi que d’une analyse de deux modèles portant sur les origines de la musique (Miller, 2000; Mithen, 2006). De ces modèles sont extraites des prévisions qui sont confrontées à des données empiriques provenant de disciplines diverses afin d’évaluer leur valeur scientifique. L’analyse des données disponibles permet de produire un inventaire des universaux musicaux aux plans cognitif, structurel, émotionnel, fonctionnel et symbolique et d’identifier ainsi certaines des bases biologiques du phénomène. Plusieurs mécanismes évolutionnistes, dont la sélection naturelle, la sélection sexuelle, la sélection de groupe et la sélection parentale sont employés par les divers auteurs afin d’expliquer l’apparition du phénomène musical. Il appert que la musique a joué un rôle important dans la relation parent-enfant au cours de l’évolution humaine, de même que dans la cohésion sociale, la coordination des activités et la formation de l’identité de groupe. En ce qui a trait aux deux modèles analysés ici, chacun ne traite que d’une partie des invariants musicaux et leur comparaison permet d’établir qu’ils sont mutuellement exclusifs. En guise de conclusion, nous tentons de formuler un scénario évolutif qui concilie les différentes hypothèses abordées.