Konvergencinė evoliucija: pavyzdžiai, homologija ir analogija
Konvergencinė evoliucija yra biologijos procesas, kai dviem nesusijusioms rūšims arba evoliucinėms linijoms nepriklausomai išsivysto panašūs požymiai ar savybės. Tai vyksta tada, kai organizmai gyvena panašiose ekologinėse buveinėse ir susiduria su panašiomis selekcijos jėgomis, todėl turi išvystyti tų pačių rūšių išlikimo sprendimus.
Kaip atsiranda konvergencija
Konvergencinė evoliucija nėra dėl to, kad rūšys būtų artimai susijusios — priešingai, ji kyla dėl to, kad skirtingos linijos nepriklausomai adaptuojasi prie panašių aplinkos sąlygų. Konkrečios mutacijos ir vystymosi keliai gali skirtis, tačiau galutinis morfologinis ar funkcionalinis sprendimas (pvz., plaukimas, skraidymas, nuryti vieną tipą maisto) yra panašus. Tokios savybės vadinamos analogiškomis (apie tai žemiau).
Pavyzdžiai
- Streamlined kūno forma: delfinai (žinduoliai) ir ryklių rūšys (žuvys) turi panašų kūno profilį, pritaikytą greitam judėjimui vandenyje — tai tipinis konvergencijos pavyzdys.
- Skraidymas: skirtingos gyvūnų grupės (vabzdžiai, paukščiai, žinduoliai kaip šikšnosparniai) nepriklausomai išvystė skraidymo gebėjimą. Kai kurių struktūrų kilmė skirtinga, nors funkcija — ta pati.
- Analoginės formos augaluose: kaktusai Naujuosiuose pasauliuose ir euphorbijos Afrikoje tapo stambiašakiai, su storu stiebu ir spygliais — abi grupės prisitaikė prie sausringų sąlygų.
- Echolokacija: kai kurios šikšnosparnių ir dantytųjų banginių (delfinų) rūšys nepriklausomai išvystė sugebėjimą vietovę „matyti“ aidu — tai tiek morfologinė, tiek molekulinė konvergencija (pvz., kai kurie girdėjimo baltymų pokyčiai yra panašūs abiejose linijose).
- Akies struktūra: žinduolių ir kalmarų „kamera tipo“ akys labai panašios funkcionaliai, tačiau jos susiformavo nepriklausomai — pavyzdys, kaip sudėtingi organai gali atsirasti convergentiškai.
- Marsiupialai ir placentiniai analogai: Australijos marsupialai (pvz., thylacine) ir vietiniai placentiniai plėšrūnai kituose žemynuose kartais panašūs išvaizda ir ekologija dėl nepriklausomų prisitaikymų.
Homologija ir analogija — koks skirtumas?
Požymių panašumas gali būti paaiškintas dviem pagrindiniais būdais:
- Homologija: kai savybė paveldėta iš bendro protėvio. Tokiu atveju struktūros yra homologinės — pavyzdžiui, keturkojų galūnės (žmogaus ranka, sparnas, paprasta letena) kilusios iš to paties pirminio skeletinio plano. Tai reiškia, kad jų morfologija ir vystymosi kelias turi bendrų požymių, nors jos gali būti įvairiai pritaikytos (pvz., vaikščiojimui, skraidymui, plaukimui).
- Analogija: kai dvi struktūros atlieka panašią funkciją, bet kilusios nepriklausomai — tai yra konvergencijos rezultatas. Tokias struktūras vadiname analogiškomis. Pavyzdys — paukščių ir vabzdžių sparnai kaip skraidymo organai: funkcija panaši, kilmė skirtinga.
Reikia pažymėti, kad tas pats organas gali būti ir homologiškas, ir analogiškas, priklausomai nuo lygmens, kuriuo jį nagrinėjame. Pavyzdžiui, paukščio ir šikšnosparnio sparnas yra analogiški kaip skraidymo organai, bet jų vidinė kaulų struktūra (pirminė keturkojų galūnė) yra homologinė.
Genetinė konvergencija ir jos reikšmė
Konvergencija gali būti matoma ne tik morfologijoje, bet ir molekuliniame lygmenyje: skirtingose linijose gali atsirasti panašūs genų pokyčiai arba tų pačių genų reguliacijos variantai, lemiančios panašias adaptacijas. Pavyzdžių yra žinoma tiek proteinuose, tiek genų reguliacijos tinkluose. Tokie atvejai rodo, kad evoliucijos sprendimai kartais yra riboti ir tam tikrose ekologinėse situacijose „optimalių“ sprendimų galimybių nėra daug.
Kodėl svarbu atskirti konvergenciją nuo homologijos?
Teisingas skirtumo nustatymas turi didelę reikšmę sistematikai ir fylogenetikai: konvergencijos sukeliami panašumai gali klaidinti medžių atkūrimą, jeigu remiamasi tik morfologiniais požymiais. Todėl biologai palygina:
- anatominę padėtį ir vystymosi kilmę (embriologinius duomenis),
- fossilinius įrašus ir laiko sudėtingumą,
- molekulinius duomenis (DNR/RNR ir baltymų sekas),
- funkcinius ir ekologinius aspektus.
Tokiu būdu galima atskirti, ar panašumas yra dėl bendro kilmės ar dėl nepriklausomos adaptacijos.
Santrauka
Konvergencinė evoliucija parodo, kad panašios ekologinės problemos veda prie panašių sprendimų net ir nepriklausomose linijose. Tokie sprendimai sukuria analogiškas struktūras, o priešingai — bendro protėvio paveldėtos struktūros yra homologinės. Tinkamai atpažinti šiuos skirtumus padeda įvairūs duomenų šaltiniai: morfologija, embriologija, fosilijos ir molekulinė analizė.
Šios dvi sukulentinių augalų gentys - Euphorbia ir Astrophytum - yra tik tolimi giminaičiai. Nepriklausomai nuo jų susiformavo labai panaši kūno forma
Pavyzdžiai
- Sparnai: vabzdžių, paukščių, šikšnosparnių ir pterozaurų sparnai iš dalies panašūs. Visų pirma jie visi yra ploni ir stiprūs, turi didelį paviršiaus plotą. Sparnai gali būti mechaniškai judinami taisyklingai, kad sukurtų keliamąją jėgą; ir t. t. Kiekvienu atveju sparnai išsivystė atskirai, todėl jų forma atspindi tam tikrus fizinius poreikius. Visi trys didesni gyvūnai turi izoliaciją ir temperatūros reguliavimą, taigi ir didelį medžiagų apykaitos greitį. Tai taip pat būtina skrydžiui, kuriam reikia daug energijos.
- Akys: vienas iš garsiausių konvergentinės evoliucijos pavyzdžių yra galvakojų (pvz., kalmarų), stuburinių (pvz., žinduolių) ir vėžiagyvių (pvz., dumblių) kameros akis. Jų paskutinis bendras protėvis turėjo paprastą fotorecepcinę dėmę, tačiau dėl įvairių procesų ši struktūra palaipsniui ištobulėjo iki pažangios kameros akies. Struktūrų panašumas daugeliu atžvilgių, nepaisant sudėtingo organo pobūdžio, parodo, kad gali būti biologinių uždavinių, kurie turi optimalų sprendimą.
- Nektarais mintantys paukščiai: Keturios giesmininkų grupės, priklausančios skirtingoms šeimoms skirtingose šalyse, specializuojasi maitintis nektaru. Tai kolibriai (Trochilidae; Amerika), sauliniai paukščiai (Nectariniidae; Pietų Afrika), medunešiai (Meliphagidae; Australija) ir medunešiai (Drepanididae; Havajai).p224 Jų prisitaikymas panašus, nes visi jie liežuviu maitinasi nektaru iš žiedų vidurio.
- Senojo ir Naujojo pasaulių grifai kilę iš skirtingų, nors ir giminingų šeimų. Senojo pasaulio grifai priklauso Accipitridae šeimai, kuriai taip pat priklauso ereliai, aitvarai, kikiliai ir vanagai. Senojo pasaulio grifai lavonus randa tik žvilgsniu. Naujojo pasaulio grifai priklauso Cathartidae šeimai ir naudoja ne tik regą, bet ir kvapą. Abu šie paukščiai yra dideli, kylantys aukštyn ir besimaitinantys negyvomis skerdenomis. Jie turi galingus snapus, ilgus kaklus be plunksnų, stiprias skrandžio rūgštis, platų pasėlį maistui laikyti valgant ir pan. Šie požymiai išsivystė nepriklausomai.
- Didelių, greitai judančių vandens gyvūnų forma paprastai būna torpedos formos: tunai, rykliai, delfinai, banginiai žudikai, ichtiozaurai - visi jie yra panašios formos. Ši aptaki forma sumažina pasipriešinimą judant vandeniu. Kai kurių (ichtiozaurų, ryklių) pelekai yra tose pačiose kūno vietose. Tokią formą jie įgijo iš labai skirtingų išeities taškų.
- Sabretotinių kačių gyvenimo būdas nepriklausomai vystėsi mažiausiai penkis kartus tarp žinduolių.
Konvergentinės evoliucijos pavyzdžių yra labai daug: tai svarbus evoliucijos bruožas.
Lygiagrečiai
Lygiagretafilija - tai ypatingas atvejis, kai dvi ar daugiau linijų, turinčių artimą bendrą protėvį, nepriklausomai įgyja tą patį požymį. Tanganikos ežere Rytų Afrikoje gyvenančios ciklidinės žuvys šešiose skirtingose linijose išvystė tą patį maitinimosi būdą. Akalipterinių musių akys atsiranda nereguliariai ir nepriklausomai. Jos aiškiai paveldėjo genetinį gebėjimą turėti tokias akis. Šis gebėjimas atrinktas tik kai kuriose linijose. p62, 225
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra konvergentinė evoliucija?
A.: Konvergencinė evoliucija - tai biologijos procesas, kai dviem skirtingoms rūšims, kilusioms iš skirtingų linijų, išsivysto tie patys bruožai ar savybės dėl to, kad jos gyvena panašiose buveinėse ir joms tenka kurti tos pačios rūšies problemų sprendimus.
K: Kodėl vyksta konvergentinė evoliucija?
A: Ji vyksta dėl to, kad dvi rūšys gyvena panašiose buveinėse ir joms tenka ieškoti sprendimų toms pačioms problemoms spręsti.
K: Kaip gali atsirasti požymių panašumas?
A: Panašumas tarp požymių gali pasireikšti dviem būdais. Abi rūšys gali būti įgijusios požymį iš bendro protėvio arba abu požymiai gali būti nepriklausomi prisitaikymai prie panašių buveinės sąlygų.
K: Kas yra homologinės struktūros?
A: Homologinės struktūros - tai struktūros, kurios yra panašios, nes abi rūšys tą savybę įgijo iš bendro protėvio.
K: Pateik homologinės struktūros pavyzdį.
A: Homologinės struktūros pavyzdys yra keturkojų galūnės, paveldėtos iš ankstyvųjų keturkojų devono pabaigoje - karbono pradžioje, maždaug prieš 360 mln. metų.
K: Kas yra analogiškos struktūros?
A: Analogiškos struktūros - tai struktūros, kurios yra panašios, nes nepriklausomai prisitaiko prie panašių buveinės sąlygų.
K: Prie ko veda konvergentinė evoliucija?
A: Konvergencijos evoliucija lemia analogiškų savybių atsiradimą.
