Конвергентна еволюция: определение, примери и биологично значение

Конвергентната еволюция е процес в биологията. Той се проявява, когато два вида от несвързани линии развиват едни и същи черти или характеристики. Това се случва, защото те живеят в сходни местообитания и трябва да развиват решения на един и същи вид проблеми.

Сходството в признаците може да се прояви по два начина. Двата вида може да са придобили признака чрез наследяване от общ прародител. В този случай структурите са хомоложни. Пример за това е крайникът на тетрапода, който е наследен от ранните тетраподи в края на девона/началото на карбона, преди около 360 милиона години. От друга страна, и двете могат да са независими адаптации към сходни условия в местообитанието им. В този случай структурите са аналогични. Конвергентната еволюция води до аналогични характеристики.

Какво предизвиква конвергенция — механизми и фактори

Основен двигател на конвергентната еволюция е естественият отбор, който избира за свойства, които повишават приспособимостта в дадена среда. Ако различни организми са изправени пред еднакви екологични предизвикателства (например необходимост от летене, плуване, ловуване нощем или оцеляване при суша и липса на вода), те често развиват сходни адаптации.

Други важни фактори:

Физични и функционални ограничения — определени форми и решения са по-ефективни за дадена функция (напр. аеродинамичен или хидродинамичен профил), затова различни линии могат да "случайно" достигнат до една и съща форма.
Достъпност на генетични решения — някои гени и генетични пътеки могат лесно да бъдат използвани повторно (co-option), което ускорява появата на сходни черти.
Ограничения от развойната биология — наличието или липсата на определени ембрионални структури влияе какви адаптации са възможни.

Често срещани примери

Крилете при птици, прилепи и насекоми — всички служат за летене, но произходът и строежът им са различни (аналогия).
Камерателното око при главоноги (напр. октопод) и при гръбначни — сходна оптична структура, развита независимо.
Ехолокация при някои прилепи и зъбатите китове (делфини) — функционално сходство при различен произход.
Стриймлайн (оптимизирана за плуване форма) при акули (риби), делфини (млекопитаещи) и иктиозаври (изчезнали морски влечуги).
Сукулентни форми и бодли при кактуси (Ново световни) и някои Euphorbia (Стария свят) — адаптации към сухи условия.
Фотосинтезата по C4 и CAM пътища — появила се многократно при различни групи растения като отговор на висока светлинна интензивност и засушаване.
Развитие на антифризни белтъци и други температурни адаптации при риби в арктични и антарктични условия (независими еволюционни решения за същия проблем).

Конвергенция срещу паралелна еволюция и хомоплазия

Паралелната еволюция обикновено се отнася до случаи, в които два близкородствени вида развиват сходни промени чрез подобни генетични и развойни механизми. При конвергентната еволюция сходството настъпва между по-далечни таксони, често чрез различни биологични пътища.

Терминът хомоплазия описва всеки подобен признак, който не е резултат от общ прародител — тоест включва както конвергенция, така и реверсия на черти.

Как се доказва конвергентната еволюция

Учени използват няколко подхода:

Филогенетичен анализ — картографиране на чертите върху дървета на родство, за да се установи дали сходството е резултат от общ прародител или от независим произход.
Молекулярни и генетични проучвания — търсене на различия или сходства в генетичните механизми, които стоят зад една черта (напр. различни мутации водещи до подобна функционалност).
Развойни (ембрионални) изследвания — определяне дали една и съща структура се образува чрез еднакви ембрионални процеси.
Комбинаторни функционални тестове — експерименти, които показват дали дадена морфология изпълнява сходна функция.

Биологично значение и последици

Конвергенцията демонстрира силата на естествения отбор и показва, че в определени екологични условия има "предпочитани" решения.
Показва както ограничеността, така и повторяемостта на еволюцията — някои адаптации са по-вероятни от други.
Подчертава важността на контекста: подобни екологични ниши често водят до сходни резултати, въпреки различен исторически произход.
Има практическо значение в биоинформатиката, палеонтологията и биомедицината — разпознаването на конвергенция помага при реконструкцията на еволюционни връзки и разбиране на адаптивни механизми (напр. однотипна резистентност към лекарства като пример за бърза конвергенция).

Ограничения и изключения

Не всяка подобност означава конвергенция — затова е важно да се използват филогенетични методи. Също така, дори при сходни екологични условия, различните генетични и развойни ограничения могат да доведат до различни адаптации.

Кратко резюме

Конвергентната еволюция е процес, при който несвързани организми независимо развиват сходни характеристики като адаптация към сходни екологични предизвикателства. Тя илюстрира принципите на естествения подбор, ролята на функционалните ограничения и понякога повтаряемостта на еволюционните решения. Разпознаването ѝ изисква комбиниран подход: филогенетика, генетика, развойна биология и функционални данни.

Тези два рода сукулентни растения, Euphorbia и Astrophytum, са само далечно свързани. Те независимо един от друг са се сближили до много сходна форма на тялото

Примери

Крила: крилата на насекомите, птиците, прилепите и птерозаврите си приличат до известна степен. По-специално, всички те са тънки и здрави, с широка повърхност. Крилата могат да се движат механично по правилен начин, така че да създават подемна сила; и т.н. Във всеки случай крилата са еволюирали отделно, така че формата им отразява определени физически нужди. И трите по-големи животни имат изолация и регулиране на температурата, а оттам и висока степен на метаболизъм. Това е необходимо и за полета, който изисква голямо количество енергия.
Очи: Един от най-известните примери за конвергентна еволюция е окото на камерата при главоногите (напр. калмарите), гръбначните животни (напр. бозайниците) и ракообразните (напр. мидите). Техният последен общ предшественик е имал просто фоторецептивно петно, но редица процеси са довели до постепенното усъвършенстване на тази структура до усъвършенстваното око-камера. Сходството на структурите в повечето отношения, въпреки сложния характер на органа, илюстрира как може да има някои биологични предизвикателства, които имат оптимално решение.
Нектароядни: Четири групи пойни птици от различни семейства в различни страни са специализирани в нектароядството. Това са колибритата (Trochilidae; Северна и Южна Америка), слънчевите птици (Nectariniidae; Южна Африка), медоносните птици (Meliphagidae; Австралия) и медоносните птици (Drepanididae; Хавай).^p224 Те имат сходни приспособления, тъй като всички използват езика си, за да се хранят с нектар от центъра на цветовете.
Лешоядите от Стария и Новия свят произхождат от отделни, макар и свързани семейства. Лешоядите от Стария свят са от семейство Accipitridae, в което влизат още орлите, змейовете, мишеловите и ястребите. Лешоядите от Стария свят откриват трупове изключително с поглед. Лешоядите от Новия свят принадлежат към семейство Cathartidae и използват миризми, както и зрение. И двата вида са големи, реещи се птици, които са специализирани в храненето с мъртви трупове. Те имат мощни клюнове, дълги шии без пера, силни стомашни киселини, обширна култура за съхраняване на храната по време на хранене и т.н. Тези черти са се развили независимо.
Формата на големите, бързо движещи се водни животни клони към формата на торпедо: риба тон, акули, делфини, косатки, ихтиозаври - всички имат подобна форма. Тази обтекаема форма намалява съпротивлението при движението им във водата. Плавниците на някои от тях (ихтиозаври, акули) се намират на едни и същи места по тялото. Те са достигнали до тази форма от много различни отправни точки.
Начинът на живот на саблезъбата котка е еволюирал независимо поне пет пъти при бозайниците.

Примерите за конвергентна еволюция са изключително много: тя е важна характеристика на еволюцията.

Паралелофилия

Паралелофилията е специалният случай, при който две или повече линии с близък общ предшественик придобиват независимо един и същ характер. Рибите цихлиди в езерото Танганика в Източна Африка са развили един и същ начин на хранене в шест различни линии. Стъбловидните очи се срещат нередовно и независимо при мухите от род Acalypteran. Те очевидно са наследили генетичната способност за такива очи. Тази способност е селектирана само в някои линии. ^{p62, 225}

Въпроси и отговори

В: Какво представлява конвергентната еволюция?

О: Конвергентната еволюция е процес в биологията, при който два вида от различни линии развиват едни и същи черти или характеристики поради това, че живеят в сходни местообитания и трябва да разработват решения на един и същи вид проблеми.

В: Защо се наблюдава конвергентна еволюция?

О: Настъпва, защото два вида живеят в сходни местообитания и им се налага да разработват решения на един и същи вид проблеми.

В: Как може да се появи сходство в признаците?

О: Сходството в признаците може да се прояви по два начина. Двата вида може да са придобили чертата чрез наследяване от общ прародител или и двата вида да са независими адаптации към сходни условия в местообитанието си.

В: Какво представляват хомоложните структури?

О: Хомоложните структури са структури, които си приличат, тъй като и двата вида са придобили признака чрез наследяване от общ прародител.

В: Дайте пример за хомоложна структура.
О: Пример за хомоложна структура е крайникът на тетрапода, който е наследен от ранните тетраподи в края на девона/началото на карбона, преди около 360 милиона години.

В: Какво представляват аналогичните структури?

О: Аналогичните структури са структури, които си приличат, защото са независими адаптации към сходни условия в местообитанието им.

В: До какво води конвергентната еволюция?

О: Конвергентната еволюция води до аналогични характеристики.