Główna zawartość
Kurs: Biologia - program rozszerzony > Rozdział 7
Lekcja 8: SpecjacjaGatunki & specjacja
Co definiuje gatunek. Jak nowe gatunki mogą powstać z istniejących gatunków. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji HASCO-LEK
Kluczowe informacje
- Zgodnie z biologiczną koncepcją gatunku, organizmy należą do tego samego gatunku, jeśli mogą się krzyżować w celu wydania zdolnego do życia, płodnego potomstwa.
- Między gatunkami powstają bariery prezygotyczne i postzygotyczne, które uniemożliwiają krzyżowanie się wydawanie zdolnego do życia, płodnego potomstwa.
- Specjacja to proces, w którym powstają nowe gatunki. Występuje, gdy grupy w obrębie gatunku stają się reprodukcyjnie odizolowane i odłączają się.
- W specjacji allopatrycznej grupy z populacji przodków ewoluują tworząc oddzielne gatunki z powodu wystąpienia okresu separacji geograficznej.
- W specjacji sympatrycznej grupy z tej samej populacji przodków ewoluują tworząc oddzielne gatunki bez udziału żadnej separacji geograficznej.
Wprowadzenie
Z pewnego poziomu idea gatunku jest dość intuicyjna. Nie musisz być zoologiem, aby klasyfikować organizmy, takie jak ludzie, pandy wielkie lub słoneczniki, na grupy na podstawie ich wyglądu. Ta metoda działa dobrze, gdy dane gatunki bardzo się od siebie różnią. Prawdopodobnie nie pomyliłbyś pandy ze słonecznikiem - chyba że naprawdę potrzebujesz okularów!
Ale kiedy się w to zagłębimy, co tak naprawdę sprawia, że gatunek jest gatunkiem? Organizmy, które wyglądają podobnie, często należą do tego samego gatunku, ale nie zawsze tak jest. Ja na przykład nie potrafię odróżnić bielika afrykańskiego i bielika amerykańskiego przedstawionych na zdjęciach poniżej. Ale w rzeczywistości są to różne gatunki.
Z drugiej strony organizmy należące do tego samego gatunku mogą bardzo różnić się od siebie. Na przykład psy mają różną budowę i rozmiary - od malutkich chihuahua do masywnych dogów niemieckich - ale wszystkie należą do tego samego gatunku: Canis familiaris, pies domowy.
Jeśli wygląd nie definiuje wiarygodnie gatunku, to co to robi? W przypadku większości eukariontów - takich jak zwierzęta, rośliny i grzyby - naukowcy definiują gatunek na podstawie zgodności reprodukcyjnej. Oznacza to, że organizmy są zwykle uważane za członków tego samego gatunku, jeśli mogą z powodzeniem rozmnażać się między sobą.
W tym artykule przeanalizujemy bardziej szczegółowo, jak definiuje się gatunki. Przyjrzymy się również specjacji, czyli procesowi, w wyniku którego powstają nowe gatunki.
Biologiczna koncepcja gatunku
Zgodnie z najpowszechniej stosowaną definicją gatunku, biologiczną koncepcją gatunku, gatunek to grupa organizmów, które mogą potencjalnie krzyżować się ze sobą w celu wydania zdolnego do życia, płodnego potomstwa.
Zgodnie z tą definicją przedstawiciele tego samego gatunku muszą mieć możliwość krzyżowania się. Nie oznacza to jednak, że w prawdziwym życiu muszą należeć do tej samej grupy mającej ze sobą na co dzień kontakt. Na przykład pies mieszkający w Australii i pies mieszkający w Afryce raczej się nie spotkają, ale mogą mieć szczenięta, jeśli by chcieli.
Aby w biologicznej koncepcji gatunku grupa organizmów mogła zostać uznana za jeden gatunek, musi wydawać zdrowe, płodne potomstwo. W niektórych przypadkach organizmy różnych gatunków mogą krzyżować się i wydawać zdrowe potomstwo, ale potomstwo to jest bezpłodne i nie może się rozmnażać.
Na przykład, gdy samica konia i samiec osła połączą się w parę, wydadzą potomstwo hybrydowe zwane mułem. Chociaż muł, przedstawiony na zdjęciu poniżej, jest całkowicie zdrowy i może dożyć dojrzałej starości, jest bezpłodny i nie może mieć własnego potomstwa. Z tego powodu uważamy konie i osły za odrębne gatunki.
Biologiczna koncepcja gatunku łączy ideę gatunku z procesem ewolucji. Ponieważ przedstawiciele gatunku mogą się krzyżować, gatunek jako całość ma wspólną pulę genów, zbiór wariantów genów.
Z drugiej strony, geny nie są wymieniane między różnymi gatunkami. Nawet jeśli organizmy różnych gatunków połączą swoje DNA, aby wydać potomstwo, potomstwo będzie bezpłodne i nie będzie w stanie przekazać swoich genów. Z powodu tego ograniczonego przepływu genów każdy gatunek ewoluuje jako grupa odrębna od innych gatunków.
Co wyróżnia gatunki?
Biologiczna koncepcja gatunku definiuje organizmy jako należące, lub nie, do tego samego gatunku na podstawie tego, czy mogą się krzyżować, aby wydać płodne potomstwo. Ale dlaczego jest tak, że różne gatunki nie mogą z powodzeniem się rozmnażać? To pytanie może wydawać się głupie dla bardzo różnych gatunków (takich jak roślina i zwierzę), ale dla innych przypadków, takich jak koń i osioł powyżej, jest znacznie mniej oczywiste.
Mówiąc najogólniej, różne gatunki nie są w stanie krzyżować się i wydawać zdrowe, płodne potomstwo ze względu na bariery zwane mechanizmami izolacji rozrodczej.
Bariery te można podzielić na dwie kategorie w zależności od tego, kiedy mają miejsce: prezygotyczne i postzygotyczne.
Bariery prezygotyczne
Bariery prezygotyczne zapobiegają krzyżowaniu się przedstawicieli różnych gatunków w celu wytworzenia zygoty, jednokomórkowego zarodka. Oto kilka przykładowych scenariuszy:
- Dwa gatunki mogą preferować różne siedliska i dlatego jest mało prawdopodobne, aby się ze sobą spotkały. Nazywa się to izolacją geograficzną.
- Dwa gatunki mogą rozmnażać się o różnych porach dnia lub roku i dlatego jest mało prawdopodobne, że spotkają się podczas poszukiwania partnerów. Nazywa się to izolacją czasową.
- Dwa gatunki mogą mieć odmienne zachowania godowe lub preferencje co do partnera, przez co mogą uważać się za „nieatrakcyjne”. Nazywa się to izolacją behawioralną.
- Dwa gatunki mogą wytwarzać komórki jajowe i plemniki, które nie mogą łączyć się podczas zapłodnienia, nawet jeśli spotykają się podczas krycia. Nazywa się to izolacją gametyczną.
- Dwa gatunki mogą mieć ciała lub struktury rozrodcze, które po prostu nie pasują do siebie. Nazywa się to izolacją mechaniczną.
Są to przykłady barier prezygotycznych, ponieważ uniemożliwiają one powstanie hybrydowej zygoty.
Bariery postzygotyczne
Bariery postzygotyczne uniemożliwiają hybrydowym zygotom - jednokomórkowym zarodkom z rodziców dwóch różnych gatunków - rozwój do zdrowych, płodnych dorosłych. Bariery postzygotyczne są często związane z mieszanym zestawem chromosomów zarodka hybrydowego, który może nie pasować prawidłowo lub nie zawierać pełnego zestawu informacji.
W niektórych przypadkach niedopasowanie chromosomów jest śmiertelne dla zarodka lub powoduje, że osobnik może przeżyć, ale jest chory. W innych przypadkach hybryda może dożyć do dorosłości w dobrym zdrowiu, ale jest niepłodna, ponieważ nie może równomiernie podzielić niedopasowanych chromosomów na komórki jajowe i plemniki. Na przykład ten typ niedopasowania wyjaśnia, dlaczego muły są bezpłodne i nie mogą się rozmnażać
Bariery prezygotyczne i postzygotyczne nie tylko zachowują odrębność gatunków, ale także odgrywają rolę w tworzeniu nowych gatunków, o czym przekonamy się dalej.
Jak powstają nowe gatunki?
Nowe gatunki powstają w procesie zwanym specjacją. Podczas specjacji gatunek przodków ulega podziałowi na dwa lub więcej gatunków potomnych, które różnią się od siebie pod względem genetycznym i nie mogą się już krzyżować.
Darwin wyobraził sobie specjację jako rozgałęzienie. W rzeczywistości uznał to za tak ważne, że przedstawił je na jedynej ilustracji do swojej słynnej książki „O powstawaniu gatunków” (poniżej, po lewej). Współczesne przedstawienie idei Darwina jest przedstawione na drzewie filogenetycznym słoni i ich krewnych (poniżej, po prawej), które rekonstruuje wydarzenia specjacyjne podczas ewolucji tej grupy.
Aby nastąpiła specjacja, dwie nowe populacje muszą powstać z jednej pierwotnej populacji i muszą ewoluować w taki sposób, aby krzyżowanie się osobników z dwóch nowych populacji stało się niemożliwe. Biolodzy często dzielą sposoby, w jakie może zachodzić specjacja, na dwie szerokie kategorie:
- Specjacja allopatryczna
- "allo" znaczy inna, zaś "patria" znaczy ojczyzna - obejmuje geograficzne oddzielenie populacji od gatunku rodzicielskiego i późniejszą ewolucję.
- Specjacja sympatryczna
- "sym" znaczy to samo, zaś "patria" znaczy ojczyzna - obejmuje specjację zachodzącą w obrębie gatunku rodzicielskiego pozostającego w jednym miejscu.
Przyjrzyjmy się bliżej tym formom specjacji i ich działaniu.
Specjacja allopatryczna
W specjacji allopatrycznej organizmy z gatunku przodków ewoluują w dwa lub więcej gatunków potomnych po okresie fizycznego oddzielenia spowodowanego barierą geograficzną, taką jak pasmo górskie, lawina lub rzeka.
Czasami bariery, takie jak strumień lawy, rozdzielają populacje, zmieniając krajobraz. Innym razem populacje zostają rozdzielone po pokonaniu przez niektórych członków wcześniej istniejącej bariery. Na przykład członkowie populacji kontynentalnej mogą zostać odizolowani na wyspie, jeśli dostaną się tam np. dryfując na kawałku kłody.
Po tym, jak grupy zostaną poddane reprodukcyjnej izolacji, mogą one podlegać dywergencji genetycznej. Oznacza to, że przez wiele pokoleń mogą stopniowo coraz bardziej różnić się pod względem genetycznym i cech dziedzicznych. Dywergencja genetyczna jest związana z doborem naturalnym, który może faworyzować różne cechy w zależności od środowiska, oraz innymi mechanizmami ewolucyjnymi, takimi jak dryf genetyczny.
W trakcie różnicowania się grup, mogą ewoluować w nich cechy, które pełnią rolę prezygotycznych i/lub postzygotycznych barier reprodukcyjnych. Na przykład, jeśli jedna grupa podczas ewolucji wykształci duże rozmiary ciała, a druga małe, organizmy mogą nie być fizycznie zdolne do krzyżowania się - jest to bariera prezygotyczna - jeśli populacje zostaną ponownie połączone.
Jeśli powstałe bariery reprodukcyjne są silne - skutecznie zapobiegając przepływowi genów - grupy będą ewoluować różnymi drogami. Oznacza to, że nie będą wymieniać genów między sobą, nawet jeśli bariera geograficzna zostanie usunięta. W tym momencie grupy można uznać za odrębne gatunki.
Studium przypadku: wiewiórki i Wielki Kanion
Wielki Kanion był stopniowo rzeźbiony przez rzekę Kolorado przez miliony lat. Przed jego powstaniem, na tym terenie zamieszkiwał tylko jeden gatunek wiewiórki. Wraz z upływem czasu w miarę pogłębiania się kanionu, przemieszczanie się między północną a południową stroną stawało się dla wiewiórek coraz trudniejsze.
W końcu kanion stał się zbyt głęboki, i wiewiórki nie mogły się po nim przemieszczać, a po każdej jego stronie została odizolowana podgrupa wiewiórek. Ponieważ wiewiórki po stronie północnej i południowej były reprodukcyjnie odizolowane od siebie z powodu bariery w postaci głębokiego kanionu, ostatecznie zróżnicowały się na różne gatunki
Specjacja sympatryczna
W specjacji sympatrycznej organizmy z tego samego gatunku przodków zostają poddane izolacji reprodukcyjnej i różnicują się bez fizycznego rozdzielenia.
Na początku ten pomysł może wydawać się dziwny, zwłaszcza po przeanalizowaniu specjacji allopatrycznej. Dlaczego grupy organizmów w populacji miałyby przestać się krzyżować, skoro nadal żyją w tym samym miejscu?
Specjacja sympatryczna może mieć miejsce na kilka sposobów. Jednak jeden mechanizm, który jest dość powszechny - u roślin! - polega na błędach w rozdziale chromosomów podczas podziału komórki. Przyjrzyjmy się bliżej temu procesowi.
Poliploidalność
Poliploidalność to stan posiadania więcej niż dwóch pełnych zestawów chromosomów. W przeciwieństwie do ludzi i innych zwierząt, rośliny często tolerują zmiany w liczbie zestawów ich chromosomów, a wzrost liczby zestawów chromosomów, czyli ploidalność, może być natychmiastową receptą na specjację sympatryczną roślin.
W jaki sposób poliploidalność może prowadzić do specjacji? Jako przykład rozważmy przypadek, w którym roślina tetraploidalna - 4n, mająca cztery zestawy chromosomów - nagle pojawia się w populacji diploidalnej - 2n, mającej dwa zestawy chromosomów.
Taka tetraploidalna roślina może powstać, jeśli błędy rozdziału chromosomów w mejozie przyczyniły się do powstania diploidalnego jaja i diploidalnego plemnika, które następnie połączyły się, tworząc tetraploidalną zygotę. Proces ten przedstawiono na ogólnym schemacie poniżej, ale jeśli chcesz się dowiedzieć więcej o tym, w jaki sposób błędy w rozdziale mogą się faktycznie zdarzyć, możesz zajrzeć do artykułu o nondysjunkcji.
Kiedy roślina tetraploidalna dojrzeje, wytworzy diploidalne 2n, komórki jajowe i plemniki. Te komórki jajowe i plemniki mogą łatwo łączyć się z innymi diploidalnymi komórkami jajowymi i plemnikami poprzez samozapłodnienie, które jest powszechne u roślin, w celu wytworzenia większej liczby tetraploidów.
Z drugiej strony diploidalne komórki jajowe i plemniki mogą, ale nie muszą, skutecznie łączyć się z haploidalnymi, 1n, komórkami jajowymi i plemnikami z gatunku rodzicielskiego. Nawet jeśli diploidalne i haploidalne gamety połączą się, aby wytworzyć roślinę triploidalną z trzema zestawami chromosomów, roślina ta prawdopodobnie byłaby bezpłodna, ponieważ jej trzy zestawy chromosomów nie mogły się prawidłowo parować podczas mejozy.
Ponieważ rośliny tetraploidalne i gatunki diploidalne, z których pochodzą, nie mogą razem dać płodnego potomstwa, uważamy je za dwa odrębne gatunki. Oznacza to, że specjacja nastąpiła już w jednym pokoleniu!
Specjacja przez poliploidalność jest powszechna u roślin, ale rzadka u zwierząt. Ogólnie rzecz biorąc, gatunki zwierząt znacznie rzadziej tolerują zmiany ploidalności. Na przykład embriony ludzkie, które są triploidalne lub tetraploidalne, są niezdolne do życia - nie mogą przeżyć.
Specjacja sympatryczna bez poliploidalności
Czy specjacja sympatryczna, specjacja bez separacji geograficznej, może zachodzić przez mechanizmy inne niż poliploidalność? Trwa debata na temat tego, jak ważny lub powszechny jest to mechanizm, ale odpowiedź wydaje się być twierdząca, przynajmniej w niektórych przypadkach. Na przykład specjacja sympatryczna może mieć miejsce, gdy podgrupy populacji korzystają z różnych siedlisk lub zasobów, nawet jeśli te siedliska lub zasoby znajdują się na tym samym obszarze geograficznym.
Jednym z klasycznych przykładów jest północnoamerykańska nasionnica jabłkówka. Jak sama nazwa wskazuje, północnoamerykańskie nasionnice jabłkówka, takie jak ta na zdjęciu poniżej, mogą żerować i kopulować na jabłoniach. Pierwotną rośliną żywicielską tych much był jednak głóg. Dopiero gdy około 200 lat temu europejscy osadnicy wprowadzili jabłonie, niektóre muchy zaczęły wykorzystywać jabłka jako źródło pożywienia
Muchy urodzone w jabłkach miały tendencję do żerowania na jabłkach i rozmnażania się z innymi muchami na jabłkach, podczas gdy muchy urodzone na głogu podobnie parowały się z innymi urodzonymi na głogu
Z biegiem czasu populacja podzieliła się na dwie odrębne genetycznie grupy z adaptacjami, cechami wynikającymi z doboru naturalnego, charakterystycznymi dla owoców: jabłka i głogu. Na przykład muchy jabłoniowe i głogowe pojawiają się w różnych porach roku i ta uwarunkowana genetycznie różnica synchronizuje je z datą pojawienia się owocu, na którym żyją
Niekiedy wciąż dochodzi do krzyżowania się między muchami wyspecjalizowanymi na owoce jabłoni i muchami wyspecjalizowanymi na owoce głogu, więc nie są one jeszcze oddzielnymi gatunkami. Jednak wielu naukowców uważa, że jest to przypadek trwającej specjacji sympatrycznej.
Podsumowanie
Biologiczna koncepcja gatunku definiuje gatunek jako grupę osobników żyjących w jednej lub większej liczbie populacji, które mogą potencjalnie krzyżować się w celu wydania zdrowego, płodnego potomstwa. Istnieją inne koncepcje gatunku, które mogą być bardziej przydatne dla pewnych typów organizmów.
Między gatunkami występują prezygotyczne i postzygotyczne bariery. Bariery te powstrzymują organizmy różnych gatunków przed krzyżowaniem się w celu wydania płodnego potomstwa, oddziałując na proces odpowiednio przed i po utworzeniu zygoty. Te bariery zapewniają izolację reprodukcyjną gatunków.
Nowe gatunki powstają na drodze specjacji, podczas której populacja przodków dzieli się na dwie lub więcej genetycznie odrębnych populacji potomnych. Specjacja obejmuje reprodukcyjną izolację grup w obrębie pierwotnej populacji oraz powstawanie różnic genetycznych między dwiema grupami.
W specjacji allopatrycznej dochodzi do izolacji reprodukcyjnej grup i zróżnicowania z powodu bariery geograficznej. W specjacji sympatrycznej izolacja reprodukcyjna i dywergencja zachodzą bez barier geograficznych - na przykład przez poliploidalność.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji