Evoluce 101: Přirozený výběr

Příspěvek Evoluce 101 pro tento týden připravila interdisciplinární skupina členů BEACONu, kteří ve svém výzkumu vycházejí z principů přirozeného výběru: Nikki Cavalieri (zoologie), postdoktorand MSU Prakarn Unachak (evoluční výpočty) a absolvent NC A&T Patrick Wanko (průmyslové & systémové inženýrství).

Jestliže jsou zvířata úzce přizpůsobena svému prostředí, proč dochází k jejich překrývání?

Například žáby šedé (Hyla versicolor) a žáby zelené (Hyla cinerea) na jihu Spojených států se zdají být ekologicky rovnocenné. Oba druhy se živí hmyzem, žijí mimo zem na vegetaci a kladou vajíčka do malých tůněk. Proč tedy neexistuje jen jeden druh?

Ačkoli se zdá, že mloci šedí a mloci zelení obývají stejná stanoviště, při bližším pohledu zjistíme, že ačkoli se jejich areály překrývají, mloci šedí žijí severněji než mloci zelení. Můžeme si také všimnout, že žáby šedé dávají přednost zalesněným oblastem s dočasnými tůněmi, zatímco žáby zelené dávají přednost otevřenějším mokřadům s ostřicemi a další vodní vegetací.

Na stromě v zalesněné oblasti je žábu šedou mnohem těžší odhalit

V mokřadu je situace opačná.

Co je to přírodní výběr?

Přírodní výběr je proces v přírodě, při kterém mají organismy lépe přizpůsobené svému prostředí tendenci přežívat a rozmnožovat se více než organismy méně přizpůsobené svému prostředí.

Například stromové žáby jsou někdy požírány hady a ptáky. Stromovky šedé dobře splývají s tmavými lesními oblastmi na kůře stromů a stromovky zelené dobře splývají se zelenou vegetací vyskytující se v bažinách a močálech. Stromovku zelenou na kůře stromu predátor snáze najde ve srovnání se stromovkou zelenou na zeleném listu. U zelených stromových žab, které se dostanou do prostředí, kde nejsou maskovány, je tedy větší pravděpodobnost, že je predátoři sežerou. Protože se sežrané stromové žáby nedožívají dalších mláďat, přírodní výběr zvýhodnil stromové žáby, které žijí na stanovištích, kde jsou lépe maskované.

Tím se vysvětluje rozšíření šedých a zelených stromových žab. Lesní biotop stromové žáby šedé je větší a zasahuje dále na sever, zatímco biotop stromové žáby zelené v bažinách a močálech je soustředěn na jihu. V oblasti, ve které se stromové žáby šedé a zelené překrývají, se vyskytují oba biotopy, ale na různých místech.

Přirozený výběr však ne vždy směřuje k optimu. Jde pouze k tomu, co funguje. Například králíci jsou býložravci, kteří mají zadní střevní fermentaci (kvašení potravy po průchodu žaludkem). Mají speciální orgán zvaný slepé střevo, který jim pomáhá trávit potravu. Na rozdíl od jiných zvířat se slepé střevo králíka nachází příliš hluboko ve střevech králíka na to, aby králík mohl z potravy získat všechny živiny. Když je tedy natrávená potrava vyloučena z těla, stále obsahuje velké množství živin. Aby králíci ztrátu těchto živin kompenzovali, jsou koprofágní (jedí vlastní výkaly). Mají dva typy výkalů: 1) granule, které byly stráveny pouze jednou a které ukládají do speciální latríny, aby je později zkonzumovali, a 2) granule, které byly stráveny dvakrát a nejsou skladovány. Králíci se vyvinuli tak, aby z potravy získali maximum živin, přestože mají neoptimální uspořádání trávicích orgánů.

Pokud budeme obecnější, přírodní výběr je proces, jehož výsledkem je, že někteří živočichové a rostliny s určitými vlastnostmi jsou lépe přizpůsobeni svému přirozenému prostředí než jiní. Tyto rostliny a živočichové pak mají větší šanci přežít, rozmnožit se a zvýšit svou populaci více než ti, kteří jsou svému prostředí přizpůsobeni méně. Lépe přizpůsobené rostliny a živočichové jsou proto schopni předávat své výhodné vlastnosti (zakódované geny) svým potomkům prostřednictvím dědičnosti.

Geny však nejsou vždy předávány potomkům v přesně stejné podobě jako geny rodičů. Ke změně v sekvenci genů může dojít dvěma mechanismy známými jako křížení a mutace.

Křížení? Mutace? Co to je?

Geny pouhýma očima nevidíme, ale jejich produkty můžeme pozorovat prostřednictvím fyzických znaků, tzv. fenotypu (typ vlasů, barva očí/kůže, pohlaví…). Gregor Mendel, „otec moderní genetiky“, experimentoval v letech 1856-1863 s rostlinami hrachu. Mendel ukázal, že oplozením určitého tvaru zelené rostliny hrachu pylem jiného tvaru žluté rostliny hrachu získáme různorodý zelený a žlutý hrách mnoha tvarů. Výsledný hrášek bude mít s původním hráškem společnou barvu nebo tvar. To, co Mendel provedl, se dnes nazývá křížové opylení a skutečnost, že výsledný hrášek bude mít některé společné znaky, je způsobena dědičností.

Geny jsou seskupeny na chromozomech. Aby došlo ke křížení, potřebujeme dva chromozomy, které si vyměňují materiál. Mutace je naproti tomu změna nebo chyba v genu nebo chromozomu, která může vést ke změně genetických funkcí a projevů. Když tato chyba nastane, modifikuje gen, který může změnit fenotyp rostliny nebo zvířete, což může být více než jen změna vzhledu. Mutace mohou zahrnovat delece, duplikace, inzerce, inverze nebo translokace úseků genetické sekvence. Mutace a křížení poskytují přírodnímu výběru surovinu, s níž může pracovat tím, že vytváří variabilitu mezi organismy.

Jak přírodním výběrem získáme tolik různých organismů?

Přirozeným výběrem vznikají organismy s různými vlastnostmi (způsobenými mutacemi a křížením), kterým se daří v různých prostředích. Kromě zeleného a šedého stromového žabáka (náš příklad výše, který ukazuje přizpůsobení díky maskování) existuje mnoho způsobů, jak přírodní výběr formuje organismy:

• Některé bakterie mohou žít při teplotách 60 °C a vyšších. Jeden druh, Methanopyrus kandleri, může dokonce prosperovat v extrémním horku až 120 °C (248 °F)! Jiné bakterie se přizpůsobují i zdánlivě nehostinným prostředím – kyselým, radioaktivním nebo pod nejhlubšími částmi moře, kde nejsou žádné běžné zdroje potravy. Bez ohledu na to, jak nehostinné prostředí je, je velmi pravděpodobné, že se v něm najde nějaký druh mikroorganismů vyvinutých pro život v něm.
• Penguini jsou na první pohled ptáci, kteří neumějí létat, což z nich zdánlivě nedělá dobré kandidáty na přežití. Místo létání se však tučňáci přizpůsobili tomu, že jsou mistrnými plavci, což jim velmi prospívá při hledání potravy a úniku před predátory. Navíc v Antarktidě a na dalších místech, kde tučňáci žijí, nejsou na souši žádní přirození predátoři, takže ztráta schopnosti létat není nevýhodou. Existují i jiní nelétaví ptáci a všichni se přizpůsobili, aby nedostatek letu kompenzovali jiným způsobem. Buď tím, že jsou rychlí běžci (pštros), dobře se skrývají (neviditelná kolejnice), nebo se dokáží účinně bránit (kasuár).

• Některé rostliny, jako je například Venušina muška, jsou masožravé. Obvykle rostliny získávají dusík, chemický prvek nezbytný pro přežití rostliny, z půdy prostřednictvím svých kořenů. Tyto rostliny však obvykle rostou v oblastech, kde je v půdě nedostatek dusíku. Nemohou získat dostatek dusíku pouhým odběrem z půdy. Aby se těmto masožravým rostlinám v takovém prostředí dařilo, chytají hmyz do pastovitých listů. Tento hmyz se pro rostlinu stává alternativním zdrojem dusíku, což jí umožňuje přežít v prostředí chudém na dusík.

Prostředí se v průběhu času mění a na genetickou rozmanitost druhů působí přírodní výběr. Jedinci s lepšími vlastnostmi pro nové prostředí mají více potomků. Po mnoha generacích v tomto novém prostředí nemusí současná populace vypadat jako jejich předci, protože je přírodní výběr změnil – vyvinuli se – tak, aby přežili v novém prostředí.