Evolution 101: Naturligt urval

Denna veckas Evolution 101-inlägg är skrivet av en tvärvetenskaplig grupp av BEACON-medlemmar, som alla använder sig av principerna för naturligt urval i sin forskning: MSU:s doktorand Nikki Cavalieri (zoologi), MSU:s postdoc Prakarn Unachak (evolutionär beräkning) och NC A&T doktorand Patrick Wanko (industriell & systemteknik).

Om djuren är nära anpassade till sina livsmiljöer, varför ser vi då överlappningar?

Till exempel verkar grå trädgrodor (Hyla versicolor) och gröna trädgrodor (Hyla cinerea) i södra USA vara ekologiskt likvärdiga. Båda arterna äter insekter, lever på vegetation utanför marken och lägger sina ägg i små pooler. Så varför finns det inte bara en art?

Även om grå och gröna trädgrodor verkar ha samma livsmiljö, kan vi när vi tittar närmare se att även om deras utbredningsområden överlappar varandra, lever grå trädgrodor längre norrut än gröna trädgrodor. Vi kan också se att grå trädgrodor föredrar skogsområden med tillfälliga pooler, medan gröna trädgrodor föredrar mer öppna våtmarker med kattstjärtar och annan vattenvegetation.

På ett träd i ett skogsområde är den grå trädgrodan mycket svårare att upptäcka.

I en våtmark är situationen omvänd.

Vad är naturligt urval?

Naturligt urval är den process i naturen genom vilken organismer som är bättre anpassade till sin miljö tenderar att överleva och föröka sig mer än de som är mindre anpassade till sin miljö.

Till exempel äts trädgrodor ibland upp av ormar och fåglar. Grå trädgrodor passar bra in i mörka skogsområden på trädbark och gröna trädgrodor passar bra in i den gröna vegetationen som finns i kärr och träsk. En grön trädgroda på barken på ett träd är lättare för ett rovdjur att hitta, jämfört med en grön trädgroda på ett grönt blad. Gröna trädgrodor som går in i livsmiljöer där de inte är kamouflerade löper alltså större risk att bli uppätna av rovdjur. Eftersom trädgrodor som har blivit uppätna inte lever för att få fler trädgrodebarn har det naturliga urvalet gynnat trädgrodor som lever i livsmiljöer där de är mer kamouflerade.

Detta förklarar fördelningen av grå och gröna trädgrodor. Den grå trädgrodans trädbevuxna livsmiljö är större och sträcker sig längre norrut, medan den gröna trädgrodans träsk- och sumpmiljö är koncentrerad i söder. I det område där grå och gröna trädgrodor överlappar varandra förekommer båda livsmiljöerna, men på olika ställen.

Det naturliga urvalet går dock inte alltid till det optimala. Det går bara till det som fungerar. Kaniner är till exempel växtätare, som har bakre tarmfermentering (jäsning av mat efter att den passerat magen). De har ett särskilt organ som kallas för caecum och som hjälper dem att smälta maten. Till skillnad från andra djur ligger kaninens cekum för långt ner i kaninens tarmar för att kaninen ska kunna få ut alla näringsämnen ur sin mat. Så när den smälta maten stöts ut ur kroppen innehåller den fortfarande en stor mängd näringsämnen. För att kompensera för att de förlorar dessa näringsämnen är kaniner koprofager (de äter sina egna avföringspellets). De har två typer av avföringspellets: De har två olika typer av fekaliska pellets: 1) pellets som bara har smält en gång och som de placerar i en särskild latrin för att äta senare, och 2) pellets som har smält två gånger och som inte sparas. Kaniner har utvecklats för att få ut maximalt med näringsämnen ur sin föda trots att de inte har ett optimalt arrangemang av matsmältningsorgan.

För att vara mer allmän är naturligt urval en process som resulterar i att vissa djur och växter med vissa egenskaper är bättre anpassade än andra till sin naturliga miljö. Dessa växter och djur har då större chans att överleva, föröka sig och öka sin population mer än de som är mindre anpassade till sin miljö. De bättre anpassade växterna och djuren kan därför föra sina fördelaktiga egenskaper (som kodas av gener) vidare till sin avkomma genom arv.

Gener förs dock inte alltid vidare till avkomman i exakt samma form som föräldrarnas gener. Förändring i en gensekvens kan ske genom två mekanismer som kallas crossover och mutation.

Crossover? Mutation? Vad är det?

Vi kan inte se gener med blotta ögat, men vi kan observera produkterna av dem genom fysiska egenskaper, så kallade fenotyper (typ av hår, ögonfärg/hudfärg, kön…). Gregor Mendel, ”den moderna genetikens fader”, experimenterade med ärtplantor mellan 1856 och 1863. Mendel visade att genom att befrukta en grön ärtväxt av en viss form med pollen från en gul ärtväxt av en annan form skulle man få en mängd gröna och gula ärtor av många olika former. De resulterande ärtorna kommer att ha samma färg eller form som de ursprungliga ärtorna. Det som Mendel gjorde kallas idag för korspollinering, och det faktum att de resulterande ärtorna kommer att dela vissa gemensamma egenskaper beror på arv.

Generna är grupperade tillsammans på kromosomer. För att korsning ska kunna ske behöver vi två kromosomer som utbyter material. En mutation å andra sidan är en förändring eller ett fel i en gen eller kromosom som kan leda till en förändring av genetiska funktioner och uttryck. När felet uppstår modifierar det en gen vilket kan förändra växtens eller djurets fenotyp, vilket kan vara mer än bara en förändring av utseendet. Mutationer kan innebära deletioner, duplikationer, insättningar, inversioner eller translokationer av delar av den genetiska sekvensen. Mutationer och korsningar är det råmaterial som det naturliga urvalet kan arbeta med genom att skapa variation bland organismer.

Hur får vi så många olika organismer genom naturligt urval?

Naturligt urval leder till att organismer med olika egenskaper (orsakade av mutationer och korsningar) trivs i olika miljöer. Förutom den gröna och grå trädgrodan (vårt exempel ovan, som visar anpassning genom kamouflage) finns det många sätt på vilka det naturliga urvalet formar organismer:

• Vissa bakterier kan leva vid temperaturer på 60 °C (140 °F) och högre. En art, Methanopyrus kandleri, kan till och med klara sig i extrem värme så hög som 120°C (248°F)! Andra bakterier anpassar sig också till till synes ogästvänliga miljöer – sura, radioaktiva eller under den djupaste delen av havet, där det inte finns någon konventionell födokälla. Oavsett hur fientlig en miljö är är det mycket troligt att man hittar någon form av mikroorganismer som utvecklats för att leva där.
• Penguiner är vid första anblicken fåglar som inte kan flyga, vilket inte verkar göra dem till bra kandidater för överlevnad. I stället för att flyga har dock pingviner anpassat sig till att vara mästerliga simmare, vilket är till stor nytta för dem när de ska hitta mat och undkomma rovdjur. På Antarktis och andra platser där pingviner lever finns det dessutom inga naturliga rovdjur på land, vilket innebär att det inte är någon nackdel att förlora förmågan att flyga. Det finns andra flyglösa fåglar, och alla har anpassat sig för att kompensera sin brist på flygförmåga på andra sätt. Antingen genom att vara en snabb löpare (struts), gömma sig bra (osynlig räls) eller kunna försvara sig effektivt (kasuari).

• Vissa växter, till exempel Venusflugan, är köttätande. Vanligtvis hämtar växter kväve, ett kemiskt element som är avgörande för en växts överlevnad, från jorden genom sina rötter. Dessa växter växer dock vanligtvis i områden där jorden har brist på kväve. De kan inte få tillräckligt med kväve bara genom att ta det ur marken. För att trivas i en sådan miljö fångar dessa köttätande växter insekter i fällliknande blad. Dessa insekter blir en alternativ källa till kväve för växten som gör att den kan överleva i en kvävefattig miljö.

Miljöerna förändras med tiden, och det naturliga urvalet verkar på den genetiska mångfalden hos arterna. Individer med bättre egenskaper för den nya miljön får fler avkommor. Efter många generationer i denna nya miljö kanske den nuvarande populationen inte ser ut som sina förfäder eftersom det naturliga urvalet har förändrat dem – de har utvecklats – för att överleva i den nya miljön.