Adaptacja biologiczna — definicja, mechanizmy, selekcja naturalna i przykłady

Adaptacja jest przede wszystkim procesem, a nie fizyczną częścią ciała.

Adaptacja... nie może być już dłużej uważana za warunek statyczny, produkt twórczej przeszłości, a zamiast tego stała się ciągłym, dynamicznym procesem. Ernst Mayr.

Dobrym przykładem jest pasożyt wewnętrzny (np. grypa): ma bardzo prostą budowę ciała, ale mimo to organizm jest bardzo dobrze przystosowany do swojego szczególnego środowiska. Z tego wynika, że adaptacja nie jest tylko kwestią widocznych cech: u takich pasożytów krytyczne adaptacje zachodzą w cyklu życia, który często jest dość złożony.

Jednak jako termin praktyczny często stosuje się adaptację produktu: te cechy gatunku, które wynikają z tego procesu. Wiele aspektów zwierzęcia lub rośliny można poprawnie nazwać adaptacją, choć zawsze istnieją pewne cechy, których funkcja jest wątpliwa. Używając terminu adaptacja dla procesu ewolucyjnego, oraz cechy adaptacyjnej dla części ciała lub funkcji (produktu), można rozróżnić dwa zmysły tego słowa.

Adaptacja jest jednym z dwóch głównych procesów wyjaśniających różnorodność gatunków, które widzimy w biologii. Drugim jest specjacja (podział na gatunki lub kladogeneza). Ulubionym przykładem wykorzystywanym dziś do badania wzajemnego oddziaływania adaptacji i specjacji jest ewolucja pielęgnicowatych w jeziorach afrykańskich.

Organizm musi być zdolny do życia na wszystkich etapach swojego rozwoju i na wszystkich etapach swojej ewolucji. Nakłada to ograniczenia na ewolucję rozwoju, zachowania i struktury organizmów.

Ogólna idea jest taka, że każda zmiana genetyczna i fenotypowa podczas ewolucji powinna być stosunkowo niewielka, ponieważ systemy rozwojowe są tak złożone i wzajemnie powiązane. Ale poliploidalność u roślin jest dość powszechną dużą zmianą genetyczną. Pochodzenie eukarioty przez symbiozę mikroorganizmów jest bardziej egzotycznym przykładem.

Wszystkie adaptacje pomagają organizmom przetrwać w ich ekologicznych niszach. Oznacza to wzrost sprawności biologicznej.

Te cechy adaptacyjne mogą mieć charakter strukturalny, behawioralny lub fizjologiczny. Strukturalne adaptacje są fizycznymi cechami organizmu (kształt, pokrycie ciała, uzbrojenie; a także organizacja wewnętrzna).

Na adaptacje behawioralne składają się odziedziczone łańcuchy zachowań i/lub zdolność do uczenia się: zachowania mogą być dziedziczone szczegółowo (instynkty) lub tendencja do uczenia się może być dziedziczona (patrz neuropsychologia). Przykłady: poszukiwanie pożywienia, płeć, wokalizacje.

Adaptacje fizjologiczne pozwalają organizmowi na pełnienie specjalnych funkcji (np. wytwarzanie jadu, wydzielanie śluzu, fototropowość); ale także bardziej ogólnych, takich jak wzrost i rozwój, regulacja temperatury, równowaga jonowa i inne aspekty homeostazy. Adaptacja wpływa zatem na wszystkie aspekty życia organizmu.

Ważne adaptacje nie przychodzą pojedynczo. Pojawiają się one w grupach, które wspólnie pracują nad tym, aby zwierzę lub roślina odniosły sukces w swojej szczególnej niszy lub stylu życia.

Dzięcioły

Adaptacje dzięciołów są dobrym przykładem na to, jak bardzo potrzebny jest cały zestaw funkcji dla udanego stylu życia.

1. Rachunek: jego końcówka jest dłuta, a samoostrzenie przez dziobanie na drewnie. Ptak używa go, aby dostać się do gąsienic pod korą, poszerzyć dziurę, aby zrobić gniazdo i zasygnalizować swoje terytorium przez bębnowanie. Wiele zachowań żerowania, lęgowych i sygnalizacyjnych dzięciołów polega na bębniarstwie i młotkowaniu za pomocą dziobaka.
2. Długie, lepkie języki chwytają owady, które żyją pod korą.
3. Na milisekundę przed kontaktem z drewnem zamyka się zagęszczona membrana fałdowa, która chroni oko przed latającymi odłamkami. Chronione są również nozdrza; często są one rozcięte i mają specjalne pióra, które je przykrywają.
4. Aby zapobiec uszkodzeniu mózgu w wyniku gwałtownego i powtarzającego się spowolnienia, dzięcioły wyewoluowały szereg adaptacji, które chronią mózg. Należą do nich

1. niewielki rozmiar mózgu
2. pozycja mózgu rozciąga się na obszar kontaktu między mózgiem a czaszką
3. krótki czas trwania kontaktu
4. nierówna długość górnej i dolnej części dziobów (dolna jest dłuższa). To kieruje siłę uderzenia w dół, z dala od mózgu.
5. mózg dzięcioła jest trzymany w czaszce z nierównymi, gąbczastymi płytami, które pochłaniają wstrząs.
6. Dzięcioły mają specjalną kość hiokową, która sięga od ich dzioba, zapętla się nad czubkiem czaszki, aby całkowicie otoczyć ich mózg. To działa, aby utrzymać mózg na miejscu. To właśnie ruch mózgu wewnątrz czaszki podczas uderzenia, bardziej niż samo uderzenie, powoduje wstrząsy. Jeśli mózg jest utrzymywany na miejscu, ryzyko urazów jest znacznie zmniejszone.

5. Dzięcioły mają zygodactylowe stopy. Te stopy mają cztery palce u nóg, pierwszą i czwartą twarz do tyłu, a drugą i trzecią do przodu. Ten układ stóp jest dobry do chwytania kończyn i pni drzew. Członkowie tej rodziny mogą chodzić pionowo w górę pnia drzewa. Poza mocnymi pazurami i stopami dzięcioły mają krótkie, mocne nogi. Jest to typowe dla ptaków, które żerują na pniach.
6. Ogony dzięciołów są usztywnione, a kiedy ptak grzęźnie na pionowych powierzchniach, ogon i stopy współpracują ze sobą, aby je podtrzymywać.
7. Cały system jest wspomagany przez zmiany w mózgu, układzie nerwowym, mięśniach i więzadłach z tego co zwykle było u ich przodków.

Przodkowie dzięciołów, którzy przestawili się na wspinaczkę na pniach drzew, mieli przodkówkę i strukturę ogona. Sugeruje to, że zmiana zachowania, być może w celu uzyskania lepszego źródła pożywienia, była jedną z pierwszych rzeczy, które wydarzyły się w łańcuchu zdarzeń. Sposób, w jaki zaczynają się nowości ewolucyjne, jest ważnym tematem.

Cechy pozbawione funkcji

Nie wszystkie cechy organizmu to adaptacje. Może wymagać badań terenowych lub eksperymentów, aby dowiedzieć się, czy pełni on funkcję w życiu gatunku.

Adaptacje mają tendencję do odzwierciedlania przeszłego życia danego gatunku. Jeśli gatunek ostatnio zmienił swój styl życia, raz cenna adaptacja może stać się malejącym śladem. Zwierzęta żyjące w ciemnych jaskiniach często przez długi czas tracą swoje kolory i wzrok.

Przyczyny tego mogą być różne. Utrata struktury i funkcji może być pozytywną adaptacją, która oszczędza energię i materiały. Ale może to być po prostu produkt uboczny genów wybranych do innych funkcji (pleiotropia). Albo struktura może być połączona w rozwoju, a na nią wpływ może mieć selekcja dla innej struktury.

Ogólną zasadą jest, że wszelkie adaptacje, które nie są już przydatne, stają się narządamiszczątkowymi (patrz wyrostek robaczkowy) lub mogą być wybierane i adaptowane do innych funkcji (patrz kosteczki słuchowe).

Adaptacje z wieloma funkcjami

Wiele adaptacji służy więcej niż jednej funkcji. Jest to często powód, dla którego niektóre cechy stają się tak zauważalne, że prawie definiują dany gatunek. Nogi konia są również główną obroną: kopnięcie konia jest bardzo destrukcyjne. Jelenie samce pełnią zarówno funkcję seksualną, jak i obronną przed drapieżnikami. Wielki mózg człowieka służy nie tylko do nauki języka, ale także do myślenia i rozwiązywania problemów. Pióra ptaków są nie tylko używane do latania, ale są podstawą jego zachowania ciepła, regulacji temperatury i sygnalizacji.

Kompromis i konflikt pomiędzy dostosowaniami

To głęboka prawda, że Natura nie wie najlepiej; że ewolucja genetyczna... to historia marnotrawstwa, prowizoryczności, kompromisu i błędu. Peter Medawar.

Adaptacje nigdy nie są idealne. Zawsze istnieją kompromisy pomiędzy różnymi funkcjami i strukturami w organizmie. Jest to organizm jako całość, który żyje i rozmnaża się, dlatego jest to kompletny zestaw adaptacji, który jest przekazywany kolejnym pokoleniom.

Wszystkie adaptacje mają swoje minusy: końskie nogi świetnie nadają się do biegania po trawie, ale nie mogą drapać się po plecach; sierść ssaków pomaga w regulacji temperatury, ale oferuje niszę dla ektopasożytów. Kompromis i make-shift występują szeroko, a nie perfekcyjnie. Ciśnienia selekcyjne ciągną się w różnych kierunkach, a adaptacja, która z tego wynika, jest pewnego rodzaju kompromisem.

Ponieważ fenotyp jako całość jest celem selekcji, nie jest możliwe jednoczesne poprawienie wszystkich aspektów fenotypu w tym samym stopniu. Ernst Mayr. ^{s. 589}

Pawie

Kamuflaż w celu uniknięcia wykrycia jest niszczony, gdy żywe kolory są wyświetlane w czasie krycia. W tym przypadku ryzyko dla życia jest równoważone przez potrzebę reprodukcji. Ozdobny pociąg pawia (uprawiany na nowo w czasie każdego sezonu godowego) jest słynną adaptacją. Musi ona ograniczać jego zwrotność i lotność, jest bardzo widoczna, a jej wzrost kosztuje również zasoby pokarmowe.

Darwin wyjaśnił swoją przewagę w zakresie selekcji seksualnej: "zależy to od przewagi, jaką pewne osobniki mają nad innymi osobnikami tej samej płci i gatunku, w odniesieniu do rozmnażania". Rodzaj selekcji seksualnej reprezentowany przez pawia nazywany jest "wyborem matrymonialnym", co oznacza, że proces selekcji ma wartość przetrwania, im bardziej pasuje do siebie, tym mniej pasuje. W praktyce, niebieski paw Pavo cristatus jest dość udanym gatunkiem, z dużym naturalnym zasięgiem w Indiach, więc ogólny wynik ich systemu godowego jest dość realny.

Narodziny człowieka

Wielkość ludzkiego mózgu płodowego po urodzeniu oznacza, że mózg noworodka jest dość niedojrzały. Mózg noworodka nie może być większy niż około 400 cm3 , w przeciwnym razie nie przedostanie się przez miednicę matki. Jednak rozmiar potrzebny dla dorosłego mózgu wynosi około 1400ccs.

Najważniejsze rzeczy w życiu człowieka (ruchliwość, mowa) muszą tylko czekać, aż mózg dorośnie i dojrzeje. Jest to rezultat kompromisu urodzeniowego. Duża część problemu wynika z naszej wyprostowanej dwubiegunowej postawy, bez której nasza miednica mogłaby być lepiej ukształtowana do porodu. Neandertalczycy mieli podobny problem.

Zmiana funkcji w czasie

Funkcja danej cechy może się zmieniać i często się zmienia w czasie. Do jej opisania użyto kilku terminów: preadaptacja, ekskaptacja, współżycie. Preadaptacja" jest najczęściej stosowanym terminem, gdy istniejąca wcześniej struktura lub cecha odziedziczona po przodku rozwija inną funkcję. Takiego terminu używali Julian Huxley i Ernst Mayr. Termin "przed" nie oznacza żadnego przewidywania, a jedynie oznacza, że adaptacja była już dostępna, służąc jakiejś starszej funkcji. "Eksaptacja" była słowem Stephena J. Goulda.

Jednym z przykładów preadaptacji są dinozaury, które wyewoluowały pióra z funkcją termoizolacyjną i wyświetlają się na długo przed ich wykorzystaniem do lotu przez wczesne ptaki. Gruczoły potowe u ssaków zostały później przekształcone w gruczoły sutkowe. Innym przykładem jest długa podróż osierdzia uszu ssaków, która rozpoczęła się w osłonach skrzelowych starożytnych ryb, następnie stała się częścią dolnej szczęki gadów, a następnie stała się częścią ucha wewnętrznego ssaków. Innym przykładem są skrzydła pingwinów. Niegdyś używane do latania, teraz są używane do "latania" pod wodą.

Zmiana funkcji w organach i strukturach jest niezwykle powszechna w ewolucji. Wiele cech tetrapodów (kręgowców lądowych) wyewoluowało z cech o różnych funkcjach u przodków ryb płetwonogich (Sarcopterygii).

Poniższe definicje są głównie związane z Theodozjaszem Dobżańskim.

1. Adaptacja jest procesem ewolucyjnym, dzięki któremu organizm staje się bardziej zdolny do życia w swoim siedlisku lub siedliskach.
2. Adaptacja to stan adaptacji: stopień, w jakim organizm jest zdolny do życia i rozmnażania się w danym zbiorze siedlisk.
3. Cecha adaptacyjna jest aspektem wzorca rozwojowego organizmu, który zwiększa prawdopodobieństwo jego przetrwania i rozmnażania się.

• Ewolucja
• Promieniowanie adaptacyjne
• Wybór naturalny
• Fitness
• Specyfikacja
• Mimikra