Konvergentsiaalne evolutsioon: määratlus, põhjused ja näited

Konvergentsiaalne evolutsioon on bioloogias toimuv protsess. See toimub siis, kui kahel mittesugulastest liinidest pärit liigil tekivad samad tunnused või omadused. See juhtub seetõttu, et nad elavad sarnastes elupaikades ja peavad arendama lahendusi samalaadsetele probleemidele.

Tunnuste sarnasus võib esineda kahel viisil. Mõlemad liigid võivad olla omandanud tunnuse ühise esivanema põlvnemise teel. Sel juhul on struktuurid homoloogilised. Näiteks on tetrapoodide jäsemed, mis on päritud varajastelt tetrapoodidelt devoni ajastu lõpust/varasest karbonaadist, umbes 360 miljonit aastat tagasi. Teisest küljest võivad mõlemad olla iseseisvad kohandused sarnaste elupaigatingimustega. Sel juhul on struktuurid analoogsed. Konvergentne evolutsioon viib analoogsete tunnuste tekkimiseni.

Miks konvergentsiaalne evolutsioon tekib?

Konvergentsi põhjuseks on tavaliselt sarnased valiku- ja keskkonnatingimused. Kui eri liinid satuvad samalaadsetesse ökoloogilistesse niššidesse, siis piiratud arv funktsionaalseid lahendusi loob tugeva valiku samade omaduste suunas. Peamised põhjused on:

Sarnased selektiivsed survetegurid (nt vajadus lennuks, varjeks, veekogus liikumiseks või kuiva kliimaga toimetulekuks).
Füüsikalised ja biokeemilised piirangud, mis lubavad ainult teatud tüüpi lahendusi (näiteks aerodünaamiline kuju lennuks).
Sarnased elupaikade tingimused, mis soodustavad samu kohandusi (nt kõrbetüüpi tingimused sukulentide arenguks).

Konvergents vs paralleelne evolutsioon

Kuigi mõnikord neid termineid kasutatakse vaheldumisi, on vahe:

Konvergents — sarnased omadused tekivad kaugetes, mittesugulastes rühmades (nt linnu ja nahkhiirte tiivad).
Paralleelne evolutsioon — sarnased muutused toimuvad lähisugulastel liinidel, sageli samasuguste geneetiliste muutuste tõttu.

Kuidas eristada homoloogiat ja analoogiat?

Erinevuse kindlakstegemiseks kasutavad teadlased mitmeid meetodeid:

Võrdlev anatoomia ja arengu (embrioloogia) uurimine — homoloogilised struktuurid jagavad sageli sarnast arengu- ja internatsionaalset struktuuri.
Filogeneetiline analüüs — sugulussuhete rekonstrueerimine DNA ja morfoloogia põhjal näitab, kas tunnus pärineb ühest esivanemast või tekkis iseseisvalt.
Võrdlev genoomika — sama tunnuse aluseks olevate geenide ja molekulaarsete radade sarnasuse uurimine võib näidata kas ühest või mitmest sõltumatust allikast.

Iseloomulikud näited

Tiivad: linnud, nahkhiired (imetajad) ja putukad on kõik arendanud lennuvõime, kuid nende tiibade ehitus ja arengulised taustad on erinevad — tegemist on analoogsete lahendustega.
Kaamerasilm: selgrootutel nagu kalad ja imetajatel ning kaheksajalgadel (kaheksajalad) on sarnane keerukas silm, kuid selle areng ja mõningad struktuursed detailid erinevad.
Ekolokatsioon: nahkhiired ja delfiinid on sõltumatult välja arendanud helipõhise navigeerimise ja saagi leidmise süsteemi.
Mesofaasilised imetajad: Austraalias arenenud kängurulaadsed ja Ameerikas olevad maismaaimetajad võivad sarnaste toitumis- või liikumisharjumuste tõttu omandada üldjoontes sarnased kehaehitused (nt thylacine'i ehk tavaliselt „tasmaania tiiger” võrdlus koertega).
Sukulendid: Ameerika kaktused ja Aafrika ekvivalentidest mitmesugused Euphorbia-liigid on mõlemas piirkonnas arendanud paksendatud, vee salvestavad varred ja okkad vastuseks kuivusele.
Fotosünteesi strateegiad: C4-fotosüntees on tekkinud iseseisvalt kümneid kordi erinevatel taimeliikidel, sest see annab eelise kuumas ja kuivas kliimas.
Antifrisi valgud: külma vastased valgud on arenenud sõltumatult erinevates kalaliikides, mis elavad väga külmades vetes.

Mõju teadusele ja rakendused

Konvergentsialne evolutsioon on oluline, sest:

See näitab, kuidas looduslik valik võib suunata erinevaid liine samadele lahendustele.
Konvergents võib eksitada klassikalist taksonoomiat, kui morfoloogiat kasutatakse ilma filogeneetiliste andmeteta.
See pakub inspiratsiooni inseneri- ja tehnoloogialahendustele (biomimeetika) — loomade või taimede lahendused probleemidele on sageli efektiivsed ja praktilised.

Kuidas teadlased seda uurivad?

Uuringutes kombineeritakse morfoloogiat, arengubioloogiat, filogeneetikat ja genoomikat. Filogeneetilised puud paljastavad sõltumatud tekked, molekulaaranalüüs näitab, kas samalaadseid tunnuseid toetavad samad geenid või erinevad molekulaarsed lahendused. Selline mitmekülgne lähenemine aitab eristada tõelist konvergentsi paralleelsusest või homoloogiast.

Kokkuvõttes on konvergentsiaalne evolutsioon näide sellest, kuidas sarnased valiku- ja keskkonnatingimused viivad erinevatest esivanematest pärit organismidel tihti samalaadsete ja funktsionaalsete omadusteni.

Need kaks mahlakate taimede perekonda, Euphorbia ja Astrophytum, on vaid kaugelt sugulased. Nad on iseseisvalt lähenenud väga sarnasele kehakujule.

Näited

Tiivad: putukate, lindude, nahkhiirte ja pterosauruste tiivad on teatud määral sarnased. Eelkõige on nad kõik õhukesed ja tugevad, suure pindalaga. Tiibu saab mehaaniliselt liigutada korrapäraselt, et tekitada tõste jne. Mõlemal juhul on tiivad arenenud eraldi, nii et nende kuju peegeldab teatavaid füüsilisi vajadusi. Kõigil kolmel suuremal loomal on isolatsioon ja temperatuuri reguleerimine ning seega suur ainevahetus. See on vajalik ka lendamiseks, mis nõuab palju energiat.
Silmad: Üks kuulsamaid näiteid konvergentsest evolutsioonist on peajalgsete (nt kalmaaride), selgroogsete (nt imetajate) ja nakkusjalgsete (nt karploomade) kaamerasilm. Nende viimasel ühisel esivanemal oli lihtne fotoretseptor, kuid mitmesugused protsessid viisid selle struktuuri järkjärgulise täiustumiseni täiustatud kaamerasilmaks. Struktuuride sarnasus enamikus aspektides, hoolimata organi keerukusest, näitab, kuidas võib olla bioloogilisi probleeme, millele on olemas optimaalne lahendus.
Nektarisööjad: Nektarisööjatele on spetsialiseerunud neli eri riikide eri perekondade laululindude rühma. Need on kolibrid (Trochilidae; Ameerika), päikeselinnud (Nectariniidae; Lõuna-Aafrika), mesilinnud (Meliphagidae; Austraalia) ja mesilinnud (Drepanididae; Hawaii).^p224 Nende kohandused on sarnased, sest kõik nad kasutavad keelt, et süüa nektarit õite keskelt.
Vana ja Uue Maailma vingerjad on pärit erinevatest, kuigi omavahel seotud perekondadest. Vanas maailmas elavad salakotkad kuuluvad perekonda Accipitridae, kuhu kuuluvad ka kotkad, haugid, haugid ja haugid. Vana Maailma salakotkad leiavad korjuseid ainult silmaga. Uue maailma salakotkad kuuluvad Cathartidae perekonda ja kasutavad nii lõhna kui ka nägemist. Mõlemad on suured, lendavad linnud, kes on spetsialiseerunud surnud korjuste toitmisele. Neil on võimsad nokad, pikad sulgedeta kaelad, tugevad maohapped, ulatuslik saak, et söömise ajal toitu säilitada jne. Need tunnused on kujunenud sõltumatult.
Suurte, kiiresti liikuvate veeloomade kuju kaldub torpeedo kuju poole: tuunid, haid, delfiinid, tapja vaalad, ihtüosaurused on kõik sarnase kujuga. Selline voolujooneline kuju vähendab vees liikudes takistust. Mõnede (ihtüosaurused, haid) uimed paiknevad kehal samades kohtades. Sellise kuju on nad saavutanud väga erinevatest lähtepunktidest.
Saabalhammaste eluviis kujunes iseseisvalt vähemalt viis korda imetajatel.

Näiteid konvergentsest evolutsioonist on äärmiselt palju: see on evolutsiooni oluline tunnusjoon.

Parallelophyly

Paralleelofiilia on erijuhtum, kus kaks või enam liini, millel on lähedane ühine esivanem, omandavad sama märgi sõltumatult. Ida-Aafrikas asuva Tanganjika järve tsichliidikaladel on kuues erinevas liinis välja kujunenud sama toitumisviis. Silmade varred esinevad ebakorrapäraselt ja sõltumatult akalüütidel. Nad on selgelt pärinud selliste silmade geneetilise võime. See võime on valitud ainult mõnes liinis. ^{p62, 225}

Küsimused ja vastused

K: Mis on lähenev areng?

V: Konvergentne evolutsioon on protsess bioloogias, mille puhul kaks eri liinidest pärit liiki arendavad välja samu tunnuseid või omadusi tänu sellele, et nad elavad sarnastes elupaikades ja peavad välja töötama lahendusi samalaadsetele probleemidele.

K: Miks toimub konvergentne evolutsioon?

V: See toimub seetõttu, et kaks liiki elavad sarnastes elupaikades ja peavad arendama lahendusi samalaadsetele probleemidele.

K: Kuidas võib tekkida tunnuste sarnasus?

V: Tunnuste sarnasus võib tekkida kahel viisil. Mõlemad liigid võivad olla omandanud tunnuse ühisest esivanemast põlvnemise teel või mõlemad võivad olla iseseisvad kohanemised sarnaste elupaigatingimustega.

K: Mis on homoloogilised struktuurid?

V: Homoloogilised struktuurid on struktuurid, mis on sarnased, sest mõlemad liigid on omandanud selle tunnuse ühiselt esivanemalt põlvnemise teel.

K: Nimetage näide homoloogilise struktuuri kohta.
V: Üks näide homoloogilise struktuuri kohta on tetrapoodide jäsemed, mis on päritud varajastelt tetrapoodidelt devoni ajastu lõpust/varasest karbonaalsest ajastust, umbes 360 miljonit aastat tagasi.

K: Mis on analoogsed struktuurid?

V: Analoogilised struktuurid on struktuurid, mis on sarnased, sest nad on sõltumatud kohandused sarnastele tingimustele oma elupaigas.

K: Millega kaasneb konvergentne evolutsioon?

V: Konvergentne evolutsioon toob kaasa analoogsed tunnused.