Konvergentna evolucija: kako nastanejo analogne lastnosti pri različnih vrstah

Konvergentna evolucija je proces v biologiji, pri katerem neodvisne evolucijske linije razvijejo podobne lastnosti ali značilnosti, ker živijo v podobnih življenjskih okoljih in se soočajo z enakimi ali podobnimi selekcijskimi pritiskih. Takšne podobnosti ne izvirajo nujno iz istega prednika, temveč so posledica neodvisnih prilagoditev na podobne okoljske razmere ali življenjski slog.

Do podobnosti lastnosti lahko pride na dva načina. Obe vrsti sta lahko lastnost pridobili s potomstvom od skupnega prednika. V tem primeru sta strukturi homologni — imata skupen evolucijski izvor. Primer je okončina tetrapodov, ki je bila podedovana od zgodnjih tetrapodov v poznem devonu/začetku karbona, pred približno 360 milijoni let. Po drugi strani pa sta lahko obe strukturi neodvisni prilagoditvi na podobne razmere v njunem življenjskem okolju. V tem primeru sta strukturi analogni in gre za konvergentno evolucijo.

Primeri konvergentne evolucije

Oči pri vretenčarjih (npr. sesalci) in nekaterih glavonožcev (npr. hobotnice): gre za podobno »kamerno« zgradbo očesa, a so se te strukture razvile neodvisno.
Hitra, tokokončna telesa pri delfinih (morski sesalci), kitih in nekaterih izumrlih morskih plazilcih ter pri morskih ribah (npr. morski psi): podobna oblika telesa je prilagoditev na plavanje pri velikih hitrostih.
Kaktusi (Amerika) in nekateri sukulenti iz Afrike (Euphorbia): neodvisno razvite sposobnosti shranjevanja vode in bodičasti listi kot odgovor na sušno okolje.
Eholokacija pri netopirjih in določenih kitih (npr. delfini): podobna senzorična strategija za orientacijo in lov v temi ali motnem okolju.
Marsupialni in placentalni primeri konvergentnih oblik (npr. tasmanijski volk vs. psi, leteči vrečarček vs. leteči veveričar): podobne ekološke niše so vodile do podobnih telesnih oblik ne glede na različni razvojni poti.

Kako ločimo homologijo in analogijo

Razlikovanje temelji na primerjavi vrst, anatomskih podrobnostih, embriološkem razvoju in molekularnih podatkih. Če imata dve strukturi skupen izvor v evolucijski zgodovini, sta homologni. Če pa sta podobni zaradi neodvisne prilagoditve, sta analogni. Biologi pogosto uporabljajo filogenetske (prereze dreves) analize in molekularno zaporedje DNA/proteinov, da ugotovijo, ali je podobnost posledica sorodstva ali konvergence.

Mehanizmi in omejitve

Konvergentna evolucija nastane zaradi podobnih selekcijskih pritiskov: naravna selekcija izbere lastnosti, ki nudijo prednost v določenem okolju. Prav tako igrajo vlogo razvojne omejitve in genetske poti — včasih so nekatere rešitve »enostavnejše« ali bolj verjetne glede na razpoložljive genske in razvojne možnosti. Obstaja tudi pojmovanje paralelne evolucije, kjer sorodne vrste razvijejo podobne lastnosti preko podobnih genetskih sprememb; razlikovanje med konvergenco in paralelizmom je v tem, kako podobne so genetske in razvojne osnove sprememb.

Molekularna konvergenca

Konvergenca se ne pojavi le pri telesnih oblikah, temveč tudi na molekularni ravni — npr. podobne aminokislinske zamenjave v enakih proteinih pri oddaljenih vrstah, čeprav so te spremembe prišle iz različnih evolucijskih izhodišč. Primeri vključujejo nekatere primere prilagoditev na mrzlo vodo ali prilagoditve diete.

Pomen za biologijo

Konvergentna evolucija poudarja moč naravne selekcije in kaže, da so določene funkcionalne rešitve v naravi ponovljive. Vendar konvergenca lahko tudi zavaja pri rekonstruiranju evolucijskih odnosov, saj podobnosti, ki niso posledica sorodstva, lahko napačno nakazujejo bližnje sorodstvo. Razumevanje konvergence pomaga razložiti, kako okoljski pritiski oblikujejo življenje in katere rešitve so »privlačne« z vidika prilagoditve.

Skupno te pojave uvrščamo v širši pojem homoplazije — to so podobnosti med organizmi, ki niso posledica skupnega izvora (nasprotno od homologije) in vključujejo konvergenco ter paralelizem.

Ta dva rodu sočnih rastlin, Euphorbia in Astrophytum, sta si le malo sorodna. Neodvisno sta se približala zelo podobni telesni obliki

Primeri

Krila: krila žuželk, ptic, netopirjev in pterozavrov so si do neke mere podobna. Zlasti so vsa tanka in močna ter imajo veliko površino. Krila se lahko mehansko premikajo na pravilen način, tako da ustvarjajo vzgon; in tako naprej. V vsakem primeru so se krila razvila ločeno, zato njihova oblika odraža določene fizične potrebe. Vse tri večje živali imajo izolacijo in uravnavanje temperature ter s tem visoko stopnjo presnove. To je potrebno tudi za letenje, ki zahteva veliko energije.
Oči: Eden najbolj znanih primerov konvergentne evolucije je oko kamere pri glavonožcih (npr. lignjih), vretenčarjih (npr. sesalcih) in ceponožcih (npr. školjkah). Njihov zadnji skupni prednik je imel preprosto fotorecepcijsko točko, vendar je vrsta procesov pripeljala do postopnega izpopolnjevanja te strukture do naprednega očesa kamere. Podobnost struktur v večini vidikov kljub kompleksni naravi organa ponazarja, kako lahko obstajajo nekateri biološki izzivi, ki imajo optimalno rešitev.
Nektarjedi: Štiri skupine ptic pevk iz različnih družin v različnih državah so specializirane za prehranjevanje z nektarjem. To so kolibriji (Trochilidae; Amerika), sončne ptice (Nectariniidae; Južna Afrika), medojedi (Meliphagidae; Avstralija) in medojedi (Drepanididae; Havaji).^p224 Imajo podobne prilagoditve, saj vse uporabljajo jezik za uživanje nektarja iz sredine cvetov.
Supi Starega in Novega sveta so iz ločenih, čeprav sorodnih družin. Stari svet je iz družine Accipitridae, v katero spadajo tudi orli, kanje, kanje in jastrebi. Stari svetovni supi najdejo trupla izključno s pogledom. Novosvetski supi spadajo v družino Cathartidae in poleg vida uporabljajo tudi vonj. Obe vrsti sta veliki, vzletajoči ptici, ki se prehranjujeta z mrtvimi trupli. Imajo močan kljun, dolg vrat brez perja, močne želodčne kisline, obsežno žrelo za shranjevanje hrane med prehranjevanjem itd. Te lastnosti so se razvile neodvisno.
Oblika velikih, hitro gibajočih se vodnih živali se nagiba k obliki torpeda: tuni, morski psi, delfini, kiti ubijalci, ihtiozavri imajo podobno obliko. Takšna oblika zmanjšuje zračni upor pri gibanju po vodi. Plavuti nekaterih (ihtiozavrov, morskih psov) so na istih mestih na telesu. Do te oblike so prišli iz zelo različnih izhodišč.
Življenjski slog sabljezobe mačke se je pri sesalcih neodvisno razvil vsaj petkrat.

Primeri konvergentne evolucije so zelo številni: gre za pomembno značilnost evolucije.

Vzporedno

Paralelopilija je poseben primer, ko dve ali več linij z bližnjim skupnim prednikom neodvisno pridobi isti znak. Ribe cihlide v jezeru Tanganika v vzhodni Afriki so v šestih različnih linijah razvile enak način hranjenja. Oči s peclji se pri mušicah iz rodu acalypteran pojavljajo neredno in neodvisno. Jasno je, da so podedovale genetsko sposobnost za takšne oči. Ta sposobnost je izbrana le v nekaterih linijah. ^{p62, 225}

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je konvergentna evolucija?

O: Konvergentna evolucija je proces v biologiji, pri katerem dve vrsti iz različnih linij razvijeta enake lastnosti ali značilnosti, ker živita v podobnih življenjskih okoljih in morata razviti rešitve za iste vrste problemov.

V: Zakaj prihaja do konvergentne evolucije?

O: Do nje pride, ker dve vrsti živita v podobnih življenjskih okoljih in morata razviti rešitve za iste vrste problemov.

V: Kako lahko pride do podobnosti lastnosti?

O: Do podobnosti lastnosti lahko pride na dva načina. Obe vrsti sta lahko lastnost pridobili s potomstvom od skupnega prednika ali pa sta se neodvisno prilagodili na podobne razmere v svojem življenjskem okolju.

V: Kaj so homologne strukture?

O: Homologne strukture so strukture, ki so si podobne, ker sta obe vrsti to lastnost pridobili od skupnega prednika.

V: Navedi primer homologne strukture.
O: Primer homologne strukture je okončina tetrapodov, ki je bila podedovana od zgodnjih tetrapodov v poznem devonu in zgodnjem karbonu, pred približno 360 milijoni let.

V: Kaj so analogne strukture?

O: Analogne strukture so strukture, ki so si podobne, ker so neodvisne prilagoditve na podobne razmere v njihovem življenjskem okolju.

V: Do česa vodi konvergentna evolucija?

O: Konvergentna evolucija vodi do analognih lastnosti.