Evolution 101: Natural Selection

W tym tygodniu post Evolution 101 jest autorstwa interdyscyplinarnej grupy BEACONites, z których wszyscy polegają na zasadach doboru naturalnego w swoich badaniach: MSU graduate student Nikki Cavalieri (Zoology), MSU postdoc Prakarn Unachak (Evolutionary Computation), i NC A&T graduate student Patrick Wanko (Industrial & Systems Engineering).

Jeśli zwierzęta są ściśle dostosowane do swoich siedlisk, dlaczego widzimy nakładanie się?

Na przykład, Gray Treefrogs (Hyla versicolor) i Green Treefrogs (Hyla cinerea) w południowych Stanach Zjednoczonych wydają się być ekologicznie równoważne. Oba gatunki jedzą owady, żyją poza ziemią na roślinności i składają jaja w małych basenach. Dlaczego więc nie istnieje tylko jeden gatunek?

While Gray Treefrogs i Green Treefrogs wydają się zajmować to samo siedlisko, kiedy przyjrzymy się bliżej możemy zobaczyć, że chociaż ich zakresy zachodzą na siebie, Gray Treefrogs żyją dalej na północ niż Green Treefrogs. Widzimy również, że żaby szare preferują obszary zalesione z tymczasowymi basenami, podczas gdy żaby zielone preferują bardziej otwarte obszary podmokłe z ogonami i inną roślinnością wodną.

Na terenach podmokłych sytuacja jest odwrotna.

Co to jest dobór naturalny?

Dobór naturalny to proces w przyrodzie, w którym organizmy lepiej przystosowane do środowiska mają tendencję do przetrwania i rozmnażania się bardziej niż te mniej przystosowane do środowiska.

Na przykład, żaby drzewne są czasami zjadane przez węże i ptaki. Gray Treefrogs mieszanka dobrze w ciemnych obszarach zalesionych na korze drzew i Green Treefrogs mieszanka dobrze z zielonej roślinności znalezionych w bagnach i mokradłach. Green Treefrog na korze drzewa jest łatwiejsze dla drapieżnika, aby znaleźć, w porównaniu do Green Treefrog na zielonym liściu. Tak więc, Green Treefrogs, które idą do siedlisk, gdzie nie są one zakamuflowane są bardziej prawdopodobne, aby być spożywane przez drapieżników. Ponieważ Treefrogs, które zostały zjedzone nie żyją mieć więcej dzieci Treefrogs, dobór naturalny faworyzuje Treefrogs, które żyją w siedliskach, w których są one bardziej zakamuflowane.

To wyjaśnia dystrybucję szarych i zielonych Treefrogs. Zalesione siedlisko szarej żaby drzewnej jest większe i rozciąga się dalej na północ, podczas gdy siedlisko zielonej żaby drzewnej na bagnach i mokradłach jest skoncentrowane na południu. W obszarze, w którym szary i zielony Treefrogs nakładają się, oba siedliska występują, ale w różnych miejscach.

Jednakże dobór naturalny nie zawsze idzie do optimum. Idzie tylko do tego, co działa. Na przykład króliki są roślinożercami, które mają tylną fermentację jelitową (fermentacja pokarmu po przejściu przez żołądek). Mają specjalny organ zwany kątnicą, który pomaga im trawić pokarm. W przeciwieństwie do innych zwierząt, kątnica królika znajduje się zbyt daleko w jelitach królika, aby mógł on wydobyć wszystkie składniki odżywcze ze swojego pożywienia. Więc kiedy strawiony pokarm jest wydalany z organizmu, nadal zawiera dużą ilość składników odżywczych. Aby zrekompensować utratę tych składników odżywczych, króliki są koprofagami (zjadają własne odchody). Mają dwa rodzaje odchodów: 1) granulki, które zostały strawione tylko raz, które umieszczają w specjalnej latrynie, by spożyć je później, oraz 2) granulki, które zostały strawione dwukrotnie i nie są przechowywane. Króliki ewoluowały, aby uzyskać maksymalną ilość składników odżywczych z ich żywności, pomimo posiadania nieoptymalnego układu narządów trawiennych.

Być bardziej ogólne, dobór naturalny jest procesem, który powoduje, że niektóre zwierzęta i rośliny z pewnych cech są lepiej dostosowane niż inne do ich naturalnego środowiska. Te rośliny i zwierzęta następnie mają większą szansę na przeżycie, rozmnażanie i zwiększenie ich populacji więcej niż te, które są mniej dostosowane do ich środowiska. Lepiej przystosowane rośliny i zwierzęta są zatem w stanie przekazać swoje korzystne cechy (kodowane przez geny) potomstwu poprzez dziedziczenie.

Jednakże geny nie zawsze są przekazywane potomstwu w dokładnie takiej samej formie jak geny rodziców. Zmiana w sekwencji genów może nastąpić poprzez dwa mechanizmy znane jako krzyżowanie i mutacja.

Krzyżowanie? Mutacja? Co to takiego?

Nie możemy zobaczyć genów gołym okiem, ale możemy obserwować ich produkty poprzez cechy fizyczne, znane jako fenotyp (rodzaj włosów, kolor oczu/skóry, płeć…). Gregor Mendel, „ojciec współczesnej genetyki”, eksperymentował z roślinami grochu w latach 1856-1863. Mendel wykazał, że zapładniając roślinę o danym kształcie zielonego groszku pyłkiem rośliny o innym kształcie żółtego groszku, otrzymamy różnorodny zielony i żółty groszek o wielu kształtach. Powstały w ten sposób groszek będzie dzielił swój kolor lub kształt z oryginalnym groszkiem. To, co zrobił Mendel, nazywamy dziś zapyleniem krzyżowym, a fakt, że powstałe groszki będą miały pewne wspólne cechy, wynika z dziedziczenia.

Geny są zgrupowane razem na chromosomach. Aby mogło dojść do krzyżowania, potrzebujemy dwóch chromosomów, które wymieniają się materiałem. Mutacja, z drugiej strony, jest zmianą lub błędem w obrębie genu lub chromosomu, który może spowodować zmianę funkcji i ekspresji genetycznej. Kiedy pojawia się ten błąd, modyfikuje on gen, który może zmienić fenotyp rośliny lub zwierzęcia, co może być czymś więcej niż tylko zmianą w wyglądzie. Mutacje mogą obejmować delecje, duplikacje, insercje, inwersje lub translokacje odcinków sekwencji genetycznej. Mutacje i krzyżówki dostarczają surowca do pracy doboru naturalnego, tworząc zróżnicowanie wśród organizmów.

Jak w wyniku doboru naturalnego otrzymujemy tak wiele różnych organizmów?

Dobór naturalny powoduje, że organizmy o różnych cechach (spowodowanych przez mutacje i krzyżówki) rozwijają się w różnych środowiskach. Oprócz zielono-szarej żaby drzewnej (nasz przykład powyżej, pokazujący adaptację poprzez kamuflaż), istnieje wiele sposobów, w jakie dobór naturalny kształtuje organizmy:

• Niektóre bakterie mogą żyć w temperaturze 60°C (140°F) i wyższej. Jeden gatunek, Methanopyrus kandleri, może nawet prosperować w ekstremalnym upale do 120°C (248°F)! Inne bakterie przystosowują się również do środowisk pozornie niegościnnych – kwaśnych, radioaktywnych lub znajdujących się w najgłębszych częściach morza, gdzie nie ma konwencjonalnych źródeł pożywienia. Bez względu na to, jak nieprzyjazne środowisko jest, jest bardzo prawdopodobne, że można znaleźć jakiś rodzaj mikroorganizmów ewoluowały do życia tam.
• Penguiny, na pierwszy rzut oka, są ptaki, które nie mogą latać, co nie wydaje się, aby uczynić je dobrymi kandydatami do przetrwania. Jednak w miejsce latania, pingwiny przystosowały się do bycia mistrzami pływania, co przynosi im ogromne korzyści w poszukiwaniu pożywienia i ucieczce przed drapieżnikami. Ponadto, na Antarktydzie i w innych miejscach, gdzie żyją pingwiny, nie ma naturalnych drapieżników na lądzie, więc utrata zdolności do latania nie jest wadą. Istnieją inne bezlotne ptaki, a wszystkie przystosowały się do zrekompensowania braku lotu w inny sposób. Albo przez bycie szybkim biegaczem (Ostrich), ukrywając się dobrze (Invisible Rail), lub w stanie bronić się skutecznie (Cassowary).

• Niektóre rośliny, takie jak Venus Fly Trap, są mięsożerne. Zazwyczaj rośliny pozyskują azot, pierwiastek chemiczny niezbędny do przetrwania rośliny, z gleby poprzez korzenie. Te rośliny, jednak zazwyczaj rosną w obszarach, gdzie gleba jest brak azotu. Nie mogą one uzyskać wystarczającej ilości azotu po prostu pobierając go z ziemi. Aby móc rozwijać się w takim środowisku, te mięsożerne rośliny chwytają owady w liście przypominające pułapki. Owady te stają się alternatywnym źródłem azotu dla rośliny, pozwalając jej przetrwać w ubogim w azot siedlisku.

Środowisko zmienia się w czasie, a dobór naturalny działa na genetyczną różnorodność gatunków. Osobniki o lepszych cechach dla nowego środowiska mają więcej potomstwa. Po wielu pokoleniach w nowym środowisku, obecna populacja może nie wyglądać jak ich przodkowie, ponieważ dobór naturalny zmienił ich – ewoluowali – aby przetrwać w nowym środowisku.

.