Evolúció 101: Természetes szelekció

Az Evolúció 101 e heti bejegyzését egy interdiszciplináris BEACON-csoport írta, akik mindannyian a természetes szelekció elveire támaszkodnak kutatásaik során: Nikki Cavalieri, az MSU végzős hallgatója (zoológia), Prakarn Unachak, az MSU posztdoktorandusza (evolúciós számítások) és Patrick Wanko, az NC A&T végzős hallgatója (ipari & rendszertechnika).

Ha az állatok szorosan alkalmazkodnak az élőhelyükhöz, miért látunk átfedéseket?

Az Egyesült Államok déli részén élő szürke fabéka (Hyla versicolor) és zöld fabéka (Hyla cinerea) például ökológiailag egyenértékűnek tűnik. Mindkét faj rovarokat eszik, a talajon kívül, a növényzeten élnek, és tojásaikat kis tócsákba rakják. Akkor miért nem csak egy faj létezik?

Noha a szürke és a zöld facsemeték látszólag ugyanazt az élőhelyet foglalják el, ha jobban megnézzük, láthatjuk, hogy bár elterjedési területük átfedi egymást, a szürke facsemeték északabbra élnek, mint a zöld facsemeték. Azt is láthatjuk, hogy a szürke pillecseppek az erdős területeket kedvelik, ideiglenes tócsákkal, míg a zöld pillecseppek a nyíltabb vizes területeket, a cattails és más vízi növényzetet.

Egy fán, erdős területen a szürke fakopáncsot sokkal nehezebb felismerni.

Vizes élőhelyen fordított a helyzet.

Mi a természetes szelekció?

A természetes szelekció az a folyamat a természetben, amelynek során a környezetükhöz jobban alkalmazkodott szervezetek hajlamosabbak a túlélésre és a szaporodásra, mint a környezetükhöz kevésbé alkalmazkodottak.

A facsemetéket például néha megeszik a kígyók és a madarak. A szürke farontó békák jól illeszkednek a sötét erdős területeken a fák kérgén, a zöld farontó békák pedig jól illeszkednek a mocsarakban és mocsarakban található zöld növényzethez. A fa kérgén ülő zöld levelibékát a ragadozók könnyebben megtalálják, mint a zöld leveleken ülő zöld levelibékát. Így azok a zölddecis békák, amelyek olyan élőhelyekre mennek, ahol nem álcázzák magukat, nagyobb valószínűséggel esnek áldozatul a ragadozóknak. Mivel a megevett facsemeték nem élnek meg, hogy több facsemete szülessen, a természetes szelekció előnyben részesítette azokat a facsemetéket, amelyek olyan élőhelyeken élnek, ahol jobban álcázzák magukat.

Ez magyarázza a szürke és a zöld facsemeték elterjedését. A szürke fás élőhelye nagyobb és északabbra húzódik, míg a zöld fáska mocsaras és lápos élőhelye délre koncentrálódik. Azon a területen, ahol a szürke és a zöld levelibéka átfedésben van, mindkét élőhely előfordul, de különböző helyeken.

A természetes szelekció azonban nem mindig az optimumot választja. Csak arra megy, ami működik. A nyulak például növényevők, amelyeknek hátsó bélrendszeri erjedésük van (a táplálék erjedése a gyomron való áthaladás után). Van egy speciális, vakbélnek nevezett szervük, amely segít nekik megemészteni a táplálékukat. Más állatokkal ellentétben a nyúl vakbele túlságosan mélyen helyezkedik el a nyúl beleiben ahhoz, hogy a nyúl minden tápanyagot ki tudjon venni a táplálékából. Így amikor az emésztett táplálék távozik a szervezetből, még mindig nagy mennyiségű tápanyagot tartalmaz. E tápanyagveszteség kompenzálására a nyulak koprofágak (saját ürülékszemcséiket eszik). Kétféle ürülékszemcséjük van: 1) az egyszer emésztett pelletek, amelyeket egy speciális latrinába helyeznek, hogy később elfogyasszák, és 2) a kétszer emésztett pelletek, amelyeket nem tárolnak. A nyulak úgy fejlődtek ki, hogy az emésztőszervek nem optimális elrendezése ellenére a lehető legtöbb tápanyagot nyerjék ki a táplálékukból.

A természetes szelekció olyan folyamat, amelynek eredményeként egyes állatok és növények bizonyos tulajdonságokkal jobban alkalmazkodnak természetes környezetükhöz, mint mások. Ezeknek a növényeknek és állatoknak ilyenkor nagyobb esélyük van a túlélésre, a szaporodásra és a populációjuk nagyobb mértékű növelésére, mint azoknak, amelyek kevésbé alkalmazkodtak a környezetükhöz. A jobban alkalmazkodott növények és állatok ezért képesek előnyös (gének által kódolt) tulajdonságaikat öröklés útján továbbadni utódaiknak.

A gének azonban nem mindig pontosan ugyanolyan formában öröklődnek az utódokra, mint a szülők génjei. A génszekvenciában bekövetkező változás két mechanizmus, a kereszteződés és a mutáció révén történhet.

Kereszteződés? Mutáció? Mik azok?

A géneket szabad szemmel nem láthatjuk, de megfigyelhetjük a gének termékeit a fizikai tulajdonságokon, az úgynevezett fenotípuson keresztül (hajszín, szem-/bőrszín, nem…). Gregor Mendel, a “modern genetika atyja” 1856 és 1863 között borsónövényekkel kísérletezett. Mendel kimutatta, hogy egy adott alakú zöld borsónövényt egy másik alakú sárga borsónövény pollenjével megtermékenyítve sokféle alakú zöld és sárga borsót kapunk. Az így kapott borsók színükben vagy alakjukban megegyeznek az eredeti borsóval. Amit Mendel csinált, azt ma keresztbeporzásnak nevezzük, és az, hogy a keletkező borsónak lesznek közös tulajdonságai, az öröklődésnek köszönhető.

A gének a kromoszómákon csoportosulnak. A kereszteződéshez két kromoszómára van szükség, amelyek anyagot cserélnek. A mutáció viszont olyan változás vagy hiba egy génen vagy kromoszómán belül, amely a genetikai funkciók és kifejeződések megváltozását eredményezheti. Amikor ez a hiba bekövetkezik, módosítja a gént, ami megváltoztathatja a növény vagy állat fenotípusát, ami több lehet, mint pusztán a megjelenés megváltozása. A mutációk a genetikai szekvencia szakaszainak delécióját, duplikációját, inszercióját, inverzióját vagy transzlokációját foglalhatják magukban. A mutációk és kereszteződések biztosítják a természetes szelekció számára a nyersanyagot, amellyel a szervezetek közötti változatosság létrehozásával dolgozhat.

Hogyan kapunk ennyi különböző szervezetet a természetes kiválasztódás révén?

A természetes szelekció eredményeképpen a különböző tulajdonságokkal rendelkező (mutációk és kereszteződések által okozott) szervezetek különböző környezetben boldogulnak. A zöld és szürke fagolyó mellett (a fenti példánk, amely az álcázáson keresztül történő alkalmazkodást mutatja) a természetes szelekció számos módon alakítja a szervezeteket:

• Egyes baktériumok 60 °C-os és magasabb hőmérsékleten is képesek élni. Az egyik faj, a Methanopyrus kandleri, akár 120°C-os (248°F) extrém hőségben is képes boldogulni! Más baktériumok alkalmazkodnak a látszólag barátságtalan környezethez is – savas, radioaktív vagy a tenger legmélyebb része alatt, ahol nincsenek hagyományos táplálékforrások. Nem számít, mennyire ellenséges egy környezet, nagyon valószínű, hogy találunk ott valamilyen mikroorganizmust, amely úgy fejlődött ki, hogy ott éljen.
• A pingvinek első ránézésre olyan madarak, amelyek nem tudnak repülni, ami látszólag nem teszi őket jó jelöltekké a túlélésre. A repülés helyett azonban a pingvinek mesteri úszókká alkalmazkodtak, ami nagy előnyükre válik a táplálékkeresésben és a ragadozók elől való menekülésben. Ráadásul az Antarktiszon és más helyeken, ahol a pingvinek élnek, nincsenek természetes ragadozók a szárazföldön, így a repülés képességének elvesztése nem jelent hátrányt. Vannak más röpképtelen madarak is, és mindegyikük más módon alkalmazkodott ahhoz, hogy a repülés hiányát kompenzálja. Vagy úgy, hogy gyorsan futnak (strucc), jól elrejtőznek (láthatatlan korlát), vagy képesek hatékonyan védekezni (kaszowári).

• Egyes növények, például a Vénusz légycsapda, húsevők. A növények általában a gyökereiken keresztül a talajból nyerik a nitrogént, a növény túléléséhez létfontosságú kémiai elemet. Ezek a növények azonban általában olyan területeken nőnek, ahol a talaj nitrogénhiányos. Nem tudnak elegendő nitrogénhez jutni pusztán a talajból való kivonással. Az ilyen környezetben való boldogulás érdekében ezek a húsevő növények csapdaszerű levelekkel fogják el a rovarokat. Ezek a rovarok alternatív nitrogénforrássá válnak a növény számára, lehetővé téve számára a túlélést a nitrogénben szegény élőhelyen.

A környezet idővel változik, és a természetes szelekció hat a fajok genetikai változatosságára. Az új környezethez jobban alkalmazkodó tulajdonságokkal rendelkező egyedeknek több utódjuk van. Sok generáció után ebben az új környezetben a jelenlegi populáció már nem biztos, hogy úgy néz ki, mint az őseik, mert a természetes szelekció megváltoztatta őket – fejlődtek -, hogy túléljenek az új környezetben.