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Evan Twomeys Forschung konzentriert sich auf die Farbentwicklung bei Pfeilgiftfröschen (Dendrobatidae), die für ihre leuchtenden Warnfarben bekannt sind, mit denen sie Raubtieren ihre Toxizität signalisieren. Die Färbung spielt jedoch auch eine Rolle bei der Partnerwahl, der Populationsdifferenzierung und der Artbildung. In seiner Doktorarbeit befasste er sich mit drei grundlegenden Fragen zur Färbung: Wie treibt Mimikry die Farbdiversifizierung voran? Fördert die Farbdiversifizierung die Artbildung? Welche Rolle spielt die Farbe bei der Partnerwahl? Während seiner Postdoktorandenforschung untersucht er die Fragen: Welche physikalischen Mechanismen liegen den leuchtenden Farben dieser Frösche zugrunde? Findet die konvergente Farbevolution durch die Entwicklung neuartiger Mechanismen statt oder durch die wiederholte Nutzung eines konservierten mechanistischen „Werkzeugkastens“? Welche Gene sind für die Färbung verantwortlich? Durch die Untersuchung eines komplexen Phänotyps sowohl auf der proximalen als auch auf der ultimativen Ebene zielt Evans Forschung darauf ab, zu verstehen, wie wichtige evolutionäre Prozesse (Artenbildung, konvergente Evolution) auf der kleinsten Ebene (Ultrastruktur der Haut, Genetik) ablaufen.