Адаптация в биологията — как организмите се приспособяват и еволюират

Адаптацията е преди всичко процес, а не физическа част от тялото.

Адаптацията... вече не може да се разглежда като статично състояние, продукт на творческото минало, а се превръща в непрекъснат динамичен процес. Ернст Майр.

Добър пример за това е вътрешният паразит (например гризач): той има много проста телесна структура, но въпреки това организмът е силно адаптиран към конкретната среда. От това се вижда, че адаптацията не е само въпрос на видими белези: при такива паразити критичните адаптации се осъществяват в жизнения цикъл, който често е доста сложен.

В практиката обаче терминът адаптация често се използва за продукта: онези характеристики на даден вид, които са резултат от процеса. Много аспекти на животните или растенията могат правилно да се нарекат адаптации, въпреки че винаги има някои характеристики, чиято функция е под въпрос. Като се използва терминът адаптация за еволюционния процес и адаптивна черта за телесната част или функция (продукта), могат да се разграничат двата смисъла на думата.

Адаптацията е един от двата основни процеса, които обясняват разнообразието на видовете, които наблюдаваме в биологията. Другият е видообразуването (разделяне на видовете или кладогенеза). Любим пример, използван днес за изучаване на взаимодействието между адаптацията и видообразуването, е еволюцията на рибите цихлиди в африканските езера.

Един организъм трябва да бъде жизнеспособен на всички етапи от своето развитие и на всички етапи от своята еволюция. Това налага ограничения върху еволюцията на развитието, поведението и структурата на организмите.

Общата идея е, че всяка генетична и фенотипна промяна по време на еволюцията трябва да бъде сравнително малка, тъй като системите за развитие са много сложни и взаимосвързани. Но полиплоидията при растенията е доста често срещана голяма генетична промяна. Произходът на еукариотата чрез симбиоза на микроорганизми е по-екзотичен пример.

Всички адаптации помагат на организмите да оцелеят в своите екологични ниши. Това означава повишаване на биологичната пригодност.

Тези адаптивни черти могат да бъдат структурни, поведенчески или физиологични. Структурните адаптации са физическите характеристики на организма (форма, телесна обвивка, въоръжение; а също и вътрешната организация).

Поведенческите адаптации се състоят от унаследени поведенчески вериги и/или способност за учене: поведението може да бъде унаследено в детайли (инстинкти) или да бъде унаследена склонност към учене (вж. невропсихология). Примери: търсене на храна, секс, вокализация.

Физиологичните адаптации позволяват на организма да изпълнява специални функции (например производство на отрова, отделяне на слуз, фототропизъм), но също така и по-общи функции като растеж и развитие, регулиране на температурата, йонен баланс и други аспекти на хомеостазата. Следователно адаптацията засяга всички аспекти на живота на организма.

Важните адаптации не са единични. Те са на групи, които работят заедно, за да направят животното или растението успешно в неговата конкретна ниша или начин на живот.

Кълвачи

Адаптациите на кълвача са добър пример за това как за успешния начин на живот е необходим цял набор от характеристики.

1. Върхът на човката е подобен на длето и се самонаточва от кълването на дървото. Птицата я използва, за да се добере до личинките под кората, да разшири дупка за гнездо и да сигнализира за територията си чрез барабанене. Много от хранителните, размножителните и сигналните поведения на кълвачите включват барабанене и удряне с помощта на клюна.
2. Дългите лепкави езици хващат личинките на насекомите, които живеят под кората.
3. Милисекунда преди контакта с дървото се затваря удебелената никтитационна мембрана, която предпазва окото от летящи отломки. Ноздрите също са защитени; те често са подобни на процепи и имат специални пера, които ги покриват.
4. За да се предпазят от мозъчни увреждания, причинени от бързите и повтарящи се забавяния, кълвачите са развили редица приспособления, които защитават мозъка. Те включват

1. малък размер на мозъка
2. положението на мозъка се разпространява зоната на контакт между мозъка и черепа
3. кратката продължителност на контакта
4. нееднаквата дължина на горната и долната част на клюна (долната е по-дълга). Това насочва силата на удара надолу, далеч от мозъка.
5. мозъкът на кълвача се намира в череп с неравни, гъбести плочи, които абсорбират ударите.
6. Кълвачите имат специална хиоидна кост, която се простира от клюна, застава над черепа и напълно обгръща мозъка. Това поддържа мозъка на място. Движението на мозъка вътре в черепа по време на удара, а не самият удар, е причината за сътресението. Ако мозъкът е задържан на място, рискът от нараняване значително намалява.

5. Кълвачите имат зигодактилни крака. Тези крака имат четири пръста, като първият и четвъртият са обърнати назад, а вторият и третият - напред. Това разположение на стъпалата е подходящо за хващане на клоните и стволовете на дърветата. Членовете на това семейство могат да се изкачват вертикално по ствола на дърво. В допълнение към силните нокти и стъпала кълвачите имат къси силни крака. Това е характерно за птиците, които се хранят с храна по стволовете на дърветата.
6. Опашките на кълвачите са сковани и когато птицата каца на вертикални повърхности, опашката и краката работят заедно, за да я поддържат.
7. Цялата система е подпомогната от промените в мозъка, нервната система, мускулите и сухожилията, които са били обичайни за техните предци.

Предците на кълвачите, които са преминали към катерене по стволовете на дърветата, са имали предците на структурата на стъпалата и опашката. Това предполага, че промяната в поведението, може би за да се достигне до по-добър източник на храна, е била едно от първите неща, които са се случили във веригата от събития. Начинът, по който започват еволюционните новости, е важна тема.

Черти без функция

Не всички характеристики на даден организъм са адаптации. Може да са необходими теренни изследвания или експерименти, за да се установи дали тя има функция в живота на вида.

Адаптациите обикновено отразяват миналия живот на даден вид. Ако видът наскоро е променил начина си на живот, някогашната ценна адаптация може да се превърне в намаляваща следа. Животните, които живеят в тъмни пещери, често губят цветовете и зрението си за дълъг период от време.

Причините за това могат да бъдат различни. Загубата на структура и функции може да е положителна адаптация, която спестява енергия и материали. Но тя може да е просто страничен продукт на гени, селектирани за други функции (плейотропия). Или пък структурата може да е свързана с развитието и да е повлияна от селекцията за някаква друга структура.

Общото правило е, че всички адаптации, които вече не са полезни, или се превръщат в остатъчниоргани (вж. вермиформеното допълнение), или могат да бъдат избрани и приспособени за други функции (вж. ушните миди).

Адаптации с множество функции

Много адаптации изпълняват повече от една функция. Това често е причината някои черти да станат толкова забележими, че почти да определят съответния вид. Краката на коня също са основна защита: ритникът на коня е много разрушителен. Рогата на мъжките елени изпълняват както сексуална функция, така и функция за защита от хищници. Големият мозък на човека служи не само за езика, но и за мислене и решаване на проблеми. Перата на птиците служат не само за летене; те са в основата на съхраняването на топлината, регулирането на температурата и сигнализирането.

Компромис и конфликт между адаптациите

Дълбока истина е, че природата не знае най-добре; че генетичната еволюция... е история на разхищение, импровизации, компромиси и грешки. Питър Медауар.

Адаптациите никога не са съвършени. Винаги има компромиси между различните функции и структури в тялото. Организмът като цяло е този, който живее и се възпроизвежда, затова пълният набор от адаптации се предава на следващите поколения.

Всички приспособления имат недостатъци: краката на конете са чудесни за бягане по тревата, но те не могат да си чешат гърба; козината на бозайниците помага за регулиране на температурата, но предлага ниша за ектопаразити. Компромисът и заместването са широко разпространени, а не съвършенството. Селекционният натиск се движи в различни посоки и адаптацията, която се получава, е някакъв компромис.

Тъй като целта на селекцията е фенотипът като цяло, не е възможно да се подобрят едновременно всички аспекти на фенотипа в еднаква степен. Ернст Майр. ^p589

Пауни

Камуфлажът за избягване на откриване се разрушава, когато по време на чифтосването се появят ярки цветове. В този случай рискът за живота се компенсира от необходимостта от размножаване. Известна адаптация е декоративният влак на пауна (отглеждан наново за всеки сезон на чифтосване). Той трябва да намали маневреността и полета му и е изключително забележим; освен това растежът му струва хранителни ресурси.

Обяснението на Дарвин за това предимство е свързано със сексуалния подбор: "той зависи от предимството, което някои индивиди имат пред други индивиди от същия пол и вид по отношение на възпроизводството". Видът сексуален подбор, представен от пауна, се нарича "избор на партньор", което означава, че процесът избира по-приспособените пред по-малко приспособяващите се и по този начин има значение за оцеляването. На практика синият паун Pavo cristatus е доста успешен вид, с голям естествен ареал в Индия, така че общият резултат от тяхната система за чифтосване е доста жизнеспособен.

Раждане на човек

Размерът на мозъка на човешкия зародиш при раждането означава, че мозъкът на новороденото дете е доста незрял. Мозъкът на новороденото не може да бъде по-голям от около 400 куб. см, защото в противен случай няма да може да премине през таза на майката. Въпреки това размерът, необходим за мозъка на възрастен човек, е около 1400 куб. см.

Най-важните неща в човешкия живот (придвижване, говор) трябва да почакат, докато мозъкът порасне и узрее. Това е резултатът от компромиса при раждането. Голяма част от проблема идва от изправената ни двукрака стойка, без която тазът ни би могъл да бъде оформен по-подходящо за раждане. Неандерталците са имали подобен проблем.

Промяна на функцията с течение на времето

Функцията на даден признак може да се променя с течение на времето и често се променя. За да се опише това, се използват няколко термина: преадаптация, екзаптация, кооптация. "Преадаптация" е най-разпространеният термин, използван, когато съществуваща структура или черта, наследена от предшественик, развива различна функция. Това е терминът, използван от Джулиан Хъксли и Ернст Майр. Терминът "пре-адаптация" не означава предвиждане, а просто означава, че адаптацията вече е била налична и е изпълнявала някаква по-стара функция. "Екзаптация" е думата на Стивън Джей Гулд.

Един пример за предварителна адаптация е при динозаврите, които са развили пера с функция за термоизолация и показване много преди те да бъдат използвани за полет от първите птици. Потните жлези при бозайниците по-късно са се трансформирали в млечни жлези. Друг пример е дългият път на ушните костици при бозайниците, който започва в хрилните капаци на древните риби, след това става част от долната челюст на влечугите, а после се превръща в част от вътрешното ухо на бозайниците. Друг пример са крилата на пингвините. Някога използвани за летене, сега те се използват за "летене" под вода.

Промяната на функциите на органите и структурите е изключително често срещана в еволюцията. Много от функциите на тетраподите (сухоземни гръбначни животни) са еволюирали от функции с различни функции при предците на рибите с лопатовидни перки (Sarcopterygii).

Следващите определения се дължат главно на Теодосий Добжански.

1. Адаптацията е еволюционният процес, при който даден организъм става по-способен да живее в своето местообитание или местообитания.
2. Адаптираността е състоянието на адаптираност: степента, в която организмът е способен да живее и да се размножава в даден набор от местообитания.
3. Адаптивната черта е аспект от модела на развитие на организма, който подобрява вероятността този организъм да оцелее и да се възпроизведе.

• Еволюция
• Адаптивна радиация
• Естествен подбор
• Фитнес
• Спецификация
• Мимикрия