Establishing reliable frameworks for predicting unknown outcomes from empirical observations is of great interest to ecologists and evolutionary biologists. Strong predictability in evolutionary responses has been previously demonstrated by the repeated observation of similar phenotypes or genotypes across multiple natural or experimental populations in analogous environments. However, the degree to which evolutionary outcomes can be predicted across environmental gradients, or in fluctuating environments, remains largely unexplored. Presumably, the phenotypic evolution in an intermediate environment could be interpolated from the evolved phenotypes observed in two extreme environments, but this assumption remains to be fully tested. Here, we report on the experimental evolution of Escherichia coli under three nutritional transfer periods: every day, every 10 days, and every 100 days, representing increasing severity in feast/famine cycles. After 900 days of experimental evolution, populations experiencing intermediate durations of starvation had evolved longer times to reach maximum growth rate, smaller colony sizes, higher biofilm formation, and higher mutation rates than populations evolving in the other environmental extremes. Because the intermediately starved populations exhibit significantly high molecular parallelism, these distinct phenotypes are likely due to non-monotonic deterministic forces instead of increased stochastic forces commonly associated with fluctuating environments. Our results demonstrate novel complexities associated with evolutionary predictability across environmental gradients and highlight the risk of using interpolation in evolutionary biology.

中文翻译：

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对资源剥夺的进化反应：并行性和非单调性

建立可靠的框架以根据经验观察结果预测未知结果对生态学家和进化生物学家来说非常重要。先前已经通过在相似环境中跨多个自然或实验种群重复观察相似的表型或基因型，证明了进化反应的强可预测性。然而，在整个环境梯度或在动荡的环境中可预测进化结果的程度仍未得到充分探索。据推测，中间环境中的表型进化可以从在两种极端环境中观察到的进化表型进行内插，但是这一假设有待充分检验。在这里，我们报告了三种营养转移时期下大肠杆菌的实验演变：每天，每10天和每100天，这表示宴餐/饥荒周期的严重性不断提高。经过900天的实验进化，与处于其他环境极端条件下的种群相比，经历饥饿持续时间中等的种群已经进化了更长的时间，以达到最大的生长速度，更小的菌落大小，更高的生物膜形成和更高的突变率。因为中间挨饿的种群表现出明显的高分子平行性，所以这些不同的表型可能是由于非单调的确定性力，而不是由于环境波动引起的随机性增加。我们的结果证明了跨环境梯度与进化可预测性相关的新颖复杂性，并突出了在进化生物学中使用内插法的风险。每10天和每100天一次，代表着节日/饥荒周期的严重性不断提高。经过900天的实验进化，与处于其他环境极端条件下的种群相比，经历饥饿持续时间中等的种群已经进化了更长的时间，以达到最大的生长速度，更小的菌落大小，更高的生物膜形成和更高的突变率。因为中间挨饿的种群表现出明显的高分子平行性，所以这些不同的表型可能是由于非单调的确定性力，而不是由于环境波动引起的随机性增加。我们的结果证明了跨环境梯度与进化可预测性相关的新颖复杂性，并突出了在进化生物学中使用内插法的风险。每10天和每100天一次，代表着节日/饥荒周期的严重性不断提高。经过900天的实验进化，与处于其他环境极端条件下的种群相比，经历饥饿持续时间中等的种群已经进化了更长的时间，以达到最大的生长速度，更小的菌落大小，更高的生物膜形成和更高的突变率。因为中间挨饿的种群表现出明显的高分子平行性，所以这些不同的表型可能是由于非单调的确定性力，而不是由于环境波动引起的随机性增加。我们的结果证明了跨环境梯度与进化可预测性相关的新颖复杂性，并突出了在进化生物学中使用内插法的风险。每100天一次，代表着盛宴/饥荒周期的严重性不断提高。经过900天的实验进化，与处于其他环境极端条件下的种群相比，经历饥饿持续时间中等的种群已经进化了更长的时间，以达到最大的生长速度，更小的菌落大小，更高的生物膜形成和更高的突变率。因为中间挨饿的种群表现出明显的高分子平行性，所以这些不同的表型可能是由于非单调的确定性力，而不是由于环境波动引起的随机性增加。我们的结果证明了跨环境梯度与进化可预测性相关的新颖复杂性，并突出了在进化生物学中使用内插法的风险。每100天一次，代表着盛宴/饥荒周期的严重性不断提高。经过900天的实验进化，与处于其他环境极端条件下的种群相比，经历饥饿持续时间中等的种群已经进化了更长的时间，以达到最大的生长速度，更小的菌落大小，更高的生物膜形成和更高的突变率。因为中间挨饿的种群表现出明显的高分子平行性，所以这些不同的表型可能是由于非单调的确定性力，而不是由于环境波动引起的随机性增加。我们的结果证明了跨环境梯度与进化可预测性相关的新颖复杂性，并突出了在进化生物学中使用内插法的风险。代表着在饥荒/饥荒中日趋严重。经过900天的实验进化，与处于其他环境极端条件下的种群相比，经历饥饿持续时间中等的种群已经进化了更长的时间，以达到最大的生长速度，更小的菌落大小，更高的生物膜形成和更高的突变率。因为中间挨饿的种群表现出明显的高分子平行性，所以这些不同的表型可能是由于非单调的确定性力，而不是由于环境波动引起的随机性增加。我们的结果证明了跨环境梯度与进化可预测性相关的新颖复杂性，并突出了在进化生物学中使用内插法的风险。代表着在饥荒/饥荒中日趋严重。经过900天的实验进化，与处于其他环境极端条件下的种群相比，经历饥饿持续时间中等的种群已经进化了更长的时间，以达到最大的生长速度，更小的菌落大小，更高的生物膜形成和更高的突变率。因为中间挨饿的种群表现出明显的高分子平行性，所以这些不同的表型可能是由于非单调的确定性力，而不是由于环境波动引起的随机性增加。我们的结果证明了跨环境梯度与进化可预测性相关的新颖复杂性，并突出了在进化生物学中使用内插法的风险。经过900天的实验进化，与处于其他环境极端条件下的种群相比，经历饥饿持续时间中等的种群已经进化了更长的时间，以达到最大的生长速度，更小的菌落大小，更高的生物膜形成和更高的突变率。因为中间挨饿的种群表现出明显的高分子平行性，所以这些不同的表型可能是由于非单调的确定性力，而不是由于环境波动引起的随机性增加。我们的结果证明了跨环境梯度与进化可预测性相关的新颖复杂性，并强调了在进化生物学中使用内插法的风险。经过900天的实验进化，与处于其他环境极端条件下的种群相比，经历饥饿持续时间中等的种群已经进化了更长的时间，以达到最大的生长速度，更小的菌落大小，更高的生物膜形成和更高的突变率。因为中间挨饿的种群表现出明显的高分子平行性，所以这些不同的表型可能是由于非单调的确定性力，而不是由于环境波动引起的随机性增加。我们的结果证明了跨环境梯度与进化可预测性相关的新颖复杂性，并强调了在进化生物学中使用内插法的风险。与处于其他环境极端情况下的种群相比，经历饥饿持续时间中等的种群已经进化了更长的时间，以达到最大的生长速度，更小的菌落大小，更高的生物膜形成和更高的突变率。因为中间挨饿的种群表现出明显的高分子平行性，所以这些不同的表型可能是由于非单调的确定性力，而不是由于环境波动引起的随机性增加。我们的结果证明了跨环境梯度与进化可预测性相关的新颖复杂性，并强调了在进化生物学中使用内插法的风险。与在其他环境极端情况下进化的种群相比，经历饥饿持续时间中等的种群进化了更长的时间，以达到最大的生长速度，更小的菌落大小，更高的生物膜形成和更高的突变率。因为中间挨饿的种群表现出明显的高分子平行性，所以这些不同的表型可能是由于非单调的确定性力，而不是由于环境波动引起的随机性增加。我们的结果证明了跨环境梯度与进化可预测性相关的新颖复杂性，并强调了在进化生物学中使用内插法的风险。并且突变率比其他极端环境中进化的种群更高。因为中间挨饿的种群表现出明显的高分子平行性，所以这些不同的表型可能是由于非单调的确定性力，而不是由于环境波动引起的随机性增加。我们的结果证明了跨环境梯度与进化可预测性相关的新颖复杂性，并突出了在进化生物学中使用内插法的风险。并且突变率比其他极端环境中进化的种群更高。因为中间挨饿的种群表现出明显的高分子平行性，所以这些不同的表型可能是由于非单调的确定性力，而不是由于环境波动引起的随机性增加。我们的结果证明了跨环境梯度与进化可预测性相关的新颖复杂性，并突出了在进化生物学中使用内插法的风险。