Radiacja adaptacyjna: definicja, przyczyny i przykłady

Radiacja adaptacyjna — definicja, przyczyny i przykłady. Dowiedz się, jak szybkie promieniowanie ewolucyjne tworzy różnorodność gatunków i wypełnia nisze ekologiczne.

Promieniowanie adaptacyjne to szybkie promieniowanie ewolucyjne, czyli gwałtowny wzrost liczby i różnorodności form organizmów wywodzących się z danej linii filogenetycznej. W praktyce oznacza to powstawanie wielu nowych gatunków oraz zajmowanie przez nie szerokiego spektrum siedlisk i nisz ekologicznych w stosunkowo krótkim (geologicznie) czasie. Proces ten prowadzi zarówno do wzrostu liczby taksonów, jak i do zwiększenia zróżnicowania morfologicznego i ekologicznego w danej grupie.

Definicja i zasięg pojęcia

W niektórych definicjach promieniowanie opisuje się w kategoriach jednej klady: "Promieniowanie adaptacyjne to szybkie rozprzestrzenianie się nowych taksonów z jednej grupy przodków". Jednak w najbardziej uderzających przypadkach — na przykład w okresach odnawiania życia po masowych wymieraniach — wiele różnych linii filogenetycznych może przejść równoczesne gwałtowne radiacje. Tak było m.in. w triasie po największym wyginięciu w historii Ziemi, gdy swoboda ekologiczna i dostępność pustych nisz sprzyjały szybkiej dywersyfikacji.

Przykłady w historii życia

Fauny i flory Ediacaran są przykładem wczesnego promieniowania metazoanowego, zaś najszerzej znanym i najintensywniejszym epizodem tego typu była eksplozja kambryjska: na początku kambryjskiego doszło do gwałtownego pojawienia się większości głównych typów zwierząt — patrz Lista fauny zwierzęcej. Inne dobrze znane przykłady adaptacyjnej radiacji to m.in. promieniowania ssaków po wymieraniu kredowo‑paleogeńskim, różnicowanie ptaków, promieniowanie ryb oraz liczne radiacje na wyspach (np. wróble Darwina, anolisy, grupa cichlidów w jeziorach Afryki, hawajskie rośliny i inne).

Przyczyny i mechanizmy

Promieniowanie adaptacyjne jest napędzane przez kombinację czynników ekologicznych, genetycznych i historycznych. Do najważniejszych mechanizmów należą:

• Okazja ekologiczna (ecological opportunity) — pojawienie się wolnych lub słabo eksploatowanych nisz (np. po masowym wymieraniu lub przy zasiedlaniu nowych środowisk, jak wyspy czy jeziora) umożliwia szybkie różnicowanie się linii rodowej.
• Brak konkurencji — redukcja presji konkurencyjnej pozwala na eksplorowanie nowych strategii życiowych.
• Innowacje kluczowe — ewolucja nowych cech (np. aparatu gębowego, skrzydeł, kwiatu) może otworzyć drzwi do nowych zasobów i nisz, przyspieszając dywersyfikację.
• Geograficzne podziały i specjacja allopatryczna — izolacja populacji sprzyja szybkiemu powstawaniu nowych gatunków, które następnie mogą ulegać dalszej adaptacji do różnych nisz.
• Selekcja płciowa i adaptacje behawioralne — mogą prowadzić do szybkich różnic w cechach trudnych do przewidzenia jedynie na podstawie ekologii.
• Hybrydyzacja i przepływ genów — w niektórych grupach (np. cichlidy, rośliny) mieszanie linii i transfer adaptacyjnych alleli przyspiesza powstawanie nowych form.

Kryteria rozpoznawania promieniowania adaptacyjnego

Naukowcy rozpoznają promieniowanie adaptacyjne na podstawie kilku powiązanych cech:

• wspólne pochodzenie taksonów (monofiletyzm) pochodzących z krótkiego odcinka czasu;
• silna korelacja między zróżnicowaniem cech morfologicznych/ekologicznych a różnicowaniem nisz środowiskowych;
• dowody na szybką specjację (wzrost liczby gatunków) w porównaniu z tempo tła w danej grupie;
• dane sugerujące, że różnicowanie jest napędzane przez adaptację (selekcję naturalną) — np. adaptacyjne dopasowanie cech do warunków środowiska).

Różnice między radiacją adaptacyjną a innymi formami radiacji

Nie każda szybka radiacja jest adaptacyjna. W niektórych przypadkach mamy do czynienia z radiacją nieadaptacyjną, gdzie powstaje wiele gatunków o podobnej morfologii z powodu rozbijania się populacji geograficznie, a nie przez eksplorację różnych nisz. Istotne jest więc rozróżnienie między zróżnicowaniem gatunkowym a zróżnicowaniem funkcjonalnym i ekologicznym.

Znaczenie dla biologii i ochrony bioróżnorodności

Badanie promieniowań adaptacyjnych pozwala zrozumieć mechanizmy generowania bioróżnorodności, rolę masowych wymierań i innowacji w historii życia oraz przewidywać, jak linie organizmów mogą reagować na nowe warunki środowiskowe. Wiedza o tym, które czynniki sprzyjają radiacji, jest też przydatna w ochronie przyrody — np. przy odbudowie ekosystemów po zaburzeniach lub w ocenie wartości unikatowych siedlisk.

Termin ten został wprowadzony i omówiony przez George'a Gaylorda Simpsona, paleontologa, który przyczynił się do współczesnej syntezy ewolucyjnej. Inni wolą nie używać tego terminu. Robert L Carroll woli używać terminu "główne przejścia ewolucyjne", choć okazuje się, że wszystkie lub większość z nich można również określić jako adaptacyjne promieniowanie. Inni używają terminów takich jak makroewolucja, a nawet megaewolucja, tak jakby procesy te różniły się od tych, które zachodzą poniżej poziomu gatunku. Częścią teorii ewolucji jest to, że wszystkie procesy zachodzą na poziomie populacji. Wszyscy jednak zgadzają się, że prędkość ewolucji zmienia się, niezależnie od tego, jak jest mierzona.

Przyczyny

Innowacja

Ewolucja nowej cechy może pozwolić na zróżnicowanie grupy, ponieważ umożliwia nowe sposoby życia. Najbardziej uderzającym przykładem jest jajo cleidoic, które rozwinęło się we wczesnych płodozmianach i pozwoliło kręgowcom na wtargnięcie na ten teren. Jajo kliydynowe musi być rozwinięte w ostatnim dewońskim lub wczesnym karbonie. Płazy, które rozgałęziały się przed tym wydarzeniem, nadal składają swoje jaja w wodzie, a więc są ograniczone w zakresie, w jakim mogą eksploatować środowisko lądowe.

Przykładem skromniejszej innowacji jest ewolucja czwartego guzka w zębie ssaka. Cecha ta pozwala na znaczne zwiększenie asortymentu środków spożywczych, którymi można się żywić. Ewolucja tej cechy zwiększyła tym samym liczbę nisz ekologicznych dostępnych dla ssaków. W okresie kenozoiku cecha ta powstawała wielokrotnie w różnych grupach, a w każdym przypadku natychmiast następowało po niej promieniowanie adaptacyjne. Wraz z pojawieniem się ptaków ewolucja lotu otworzyła nowe możliwości i pojawiły się co najmniej dwa ogromne promieniowanie adaptacyjne (jedno przed i jedno po wyginięciu K/T). Jeszcze bardziej uderzająca była ewolucja lotu owadów, która doprowadziła do ogromnego promieniowania w erze mezozoicznej. Następnie te grupy owadów opracowały sposoby żerowania na kwitnących roślinach. Obecnie przewyższają one dość znacznie wszystkie inne formy życia zwierząt.

Okazja

Adaptacyjne promieniowanie często występuje, gdy organizmy dostają się do środowisk z niezajętymi niszami, takich jak nowo utworzone jezioro lub odizolowany łańcuch wyspowy. Kolonizująca(e) populacja(y) może(ą) szybko się różnicować i wykorzystywać wszystkie możliwe nisze. Okazje pojawiają się, gdy pomiędzy obszarami, które wcześniej były od siebie oddzielone, tworzą się mosty lądowe i gdy gatunki docierają w nowe miejsce na świecie.

W Jeziorze Wiktorii, odizolowanym jeziorze, które niedawno powstało w afrykańskiej dolinie szczelinowej, ponad 300 gatunków pielęgnic wypromieniowało w ciągu zaledwie 15.000 lat jeden gatunek rodzicielski.

Wolne wyspy

Na powierzchni około 6.500 m² (17.000 km2) Wyspy Hawajskie mają najbardziej zróżnicowaną kolekcję much drozofilnych na świecie, żyjących od lasów deszczowych po górskie łąki. Znanych jest około 800 hawajskich gatunków drosofilów.

Badania wykazują wyraźny "przepływ" gatunków ze starszych do nowszych wysp. Zdarzają się również przypadki kolonizacji z powrotem na starsze wyspy i przeskakiwania wysp, ale są one znacznie rzadsze. Według dat radioaktywności potasu/argonu obecne wyspy pochodzą sprzed 0,4 miliona lat (mya) (Mauna Kea) do 10mya (Necker). Najstarszym członkiem archipelagu Hawajów nadal znajdującym się nad morzem jest Atol Kure, który może być datowany na 30 mya. Sam archipelag, produkowany przez płytę pacyficzną poruszającą się w gorącym miejscu, istnieje już znacznie dłużej, przynajmniej w kredzie. Hawajskie wyspy oraz dawne wyspy, które obecnie znajdują się pod morzem, tworzą łańcuch gór podwodnych Hawajean-Emperor; a wiele z podwodnych gór to guyoty.

Wszystkie rodzime gatunki drozofilów na stronie Hawaiʻi pochodzą najwyraźniej od jednego gatunku przodków, który skolonizował wyspy, około 20 milionów lat temu. Późniejsze promieniowanie adaptacyjne zostało pobudzone przez brak konkurencji i dużą ilość pustych nisz. Chociaż możliwe jest skolonizowanie wyspy przez pojedynczą ciężarną samicę, jest bardziej prawdopodobne, że była to grupa z tego samego gatunku.

Istnieją inne zwierzęta i rośliny na archipelagu hawajskim, które przeszły podobne, choć mniej spektakularne, adaptacyjne promieniowanie.

Masowe wyginięcia

Promieniowanie adaptacyjne zazwyczaj towarzyszy masowemu wyginięciu. Po wyginięciu wiele nisz pozostaje pustych. Klasycznym przykładem jest zastąpienie dinozaurów innych niż jawajskie na końcu kredy ssakami w paleocenie.

1. Gatunek A migruje ze stałego lądu na pierwszą wyspę. 2. Odizolowany od lądu gatunek A ewoluuje do gatunku B. 3. Gatunek B migruje na drugą wyspę. 4. Gatunek B rozwija się w gatunek C. 5. Gatunek C rekonolonizuje pierwszą wyspę, ale nie jest już w stanie rozmnażać się z gatunkiem B. 6. Gatunek C migruje na trzecią wyspę. 7. Gatunek C rozwija się w gatunek D. 8. Gatunek D migruje na pierwszą i drugą wyspę. 9. Gatunek D przekształca się w gatunek E. Proces ten może trwać w nieskończoność, aż do osiągnięcia dużej różnorodności.

Pytania i odpowiedzi

P: Co to jest promieniowanie adaptacyjne?

P: Jak działa promieniowanie adaptacyjne?

P: Kto wprowadził termin "promieniowanie adaptacyjne"?

P: Czy istnieje jakaś inna terminologia dotycząca promieniowania adaptacyjnego?

P: Czy promieniowanie adaptacyjne ma miejsce na poziomie populacji?

P: Jaki był przykład wczesnej radiacji metazoanów?

P: Kiedy rozwinęły się największe grupy zwierząt?

Szukaj według litery