Biologisk anpassning: definition, evolution och naturligt urval

Anpassning är först och främst en process, snarare än en fysisk del av kroppen.

Anpassning ... kunde inte längre betraktas som ett statiskt tillstånd, en produkt av ett kreativt förflutet, utan blev i stället en kontinuerlig dynamisk process. Ernst Mayr.

En inre parasit (t.ex. en fläck) är ett bra exempel: den har en mycket enkel kroppsstruktur, men organismen är ändå mycket väl anpassad till sin speciella miljö. Av detta ser vi att anpassning inte bara är en fråga om synliga egenskaper: hos sådana parasiter sker viktiga anpassningar i livscykeln, som ofta är ganska komplex.

Som praktisk term används dock anpassning ofta för produkten: de egenskaper hos en art som är resultatet av processen. Många aspekter av ett djur eller en växt kan korrekt kallas anpassningar, även om det alltid finns vissa egenskaper vars funktion är tveksam. Genom att använda termen anpassning för den evolutionära processen och adaptiva egenskaper för den kroppsliga delen eller funktionen (produkten) kan man skilja mellan de två betydelserna av ordet.

Anpassning är en av de två huvudprocesser som förklarar den mångfald av arter som vi ser i biologin. Den andra är artbildning (artdelning eller kladogenes). Ett favoritexempel som används idag för att studera samspelet mellan anpassning och artbildning är utvecklingen av cichlidfiskar i afrikanska sjöar.

En organism måste vara livskraftig i alla stadier av sin utveckling och i alla stadier av sin evolution. Detta innebär begränsningar för organismernas utveckling, beteende och struktur.

Den allmänna tanken är att varje genetisk och fenotypisk förändring under evolutionen bör vara relativt liten, eftersom utvecklingssystemen är så komplexa och sammankopplade. Men polyploidi hos växter är en ganska vanlig stor genetisk förändring. Eukaryotas uppkomst genom symbios av mikroorganismer är ett mer exotiskt exempel.

Alla anpassningar hjälper organismer att överleva i sina ekologiska nischer. Detta innebär en ökning av den biologiska lämpligheten.

Dessa adaptiva egenskaper kan vara strukturella, beteendemässiga eller fysiologiska. Strukturella anpassningar är fysiska egenskaper hos en organism (form, kroppsbeklädnad, beväpning och även den inre organisationen).

Beteendeanpassningar består av nedärvda beteendekedjor och/eller förmågan att lära sig. Beteenden kan nedärvas i detalj (instinkter), eller så kan en tendens till inlärning nedärvas (se neuropsykologi). Exempel: sökning efter föda, sex, vokalisering.

Fysiologiska anpassningar gör det möjligt för organismen att utföra speciella funktioner (t.ex. tillverkning av gift, utsöndring av slem, fototropism), men också mer allmänna funktioner som tillväxt och utveckling, temperaturreglering, jonbalans och andra aspekter av homeostas. Anpassning påverkar alltså alla aspekter av en organisms liv.

Viktiga anpassningar kommer inte ensamma. De kommer i grupper som tillsammans gör att djuret eller växten lyckas i sin nisch eller livsstil.

Hackspettar

Spettarnas anpassningar är ett bra exempel på hur en hel uppsättning egenskaper behövs för att ett framgångsrikt sätt att leva ska fungera.

1. Billen: dess spets är mejselliknande och skärps själv genom att den hackar på trä. Fågeln använder den för att komma åt larver under barken, för att vidga ett hål för att bygga ett bo och för att signalera sitt revir genom att trumma. Många av hackspettens födosökande, häckande och signalerande beteenden innebär att man trummar och hamrar med näbben.
2. Långa klibbiga tungor tar tag i insektslarver som lever under barken.
3. Millisekunden innan träet kommer i kontakt med träet stängs det förtjockade nickhinnan som skyddar ögat från flygande föremål. Näsborrarna är också skyddade; de är ofta spaltliknande och har speciella fjädrar som täcker dem.
4. För att förhindra att hjärnan skadas av de snabba och upprepade inbromsningarna har hackspettar utvecklat ett antal anpassningar som skyddar hjärnan. Dessa inkluderar

1. liten hjärnstorlek
2. hjärnans läge sprider sig kontaktytan mellan hjärnan och skallen.
3. Den korta kontakttiden.
4. Den ojämna längden på den övre och nedre delen av näbben (den nedre delen är längre). Detta styr slagkraften nedåt, bort från hjärnan.
5. Hackspettens hjärna sitter i en skalle med ojämna, svampiga plattor som absorberar stötar.
6. Hackspettar har ett speciellt tungben som sträcker sig från näbben och går i en slinga över skallen för att helt omsluta hjärnan. Detta gör att hjärnan hålls på plats. Det är hjärnans rörelse inuti skallen vid en träff, mer än själva slaget, som orsakar hjärnskakningar. Om hjärnan hålls på plats minskar skaderisken avsevärt.

5. Hackspettar har zygodactylfötter. Dessa fötter har fyra tår, den första och den fjärde vetter bakåt och den andra och tredje framåt. Detta fotarrangemang är bra för att ta tag i trädens grenar och stammar. Medlemmar av den här familjen kan gå vertikalt uppför en trädstam. Förutom de starka klorna och fötterna har hackspettar korta starka ben. Detta är typiskt för fåglar som födosöker på stammar.
6. Hackspettens svansar är styva, och när fågeln sitter på vertikala ytor arbetar svansen och fötterna tillsammans för att stödja den.
7. Hela systemet påverkas av förändringar i hjärnan, nervsystemet, musklerna och ledbanden jämfört med vad som var vanligt hos deras förfäder.

De gamla hackspettarna, som övergick till att klättra på trädstammar, hade en gammal fot- och svansstruktur. Detta tyder på att en beteendeförändring, kanske för att komma åt en bättre födokälla, var en av de första sakerna som hände i händelsekedjan. Hur evolutionära nyheter startar är ett viktigt ämne.

Egenskaper utan funktion

Alla egenskaper hos en organism är inte anpassningar. Det kan behövas fältundersökningar eller experiment för att ta reda på om de har en funktion i artens liv.

Anpassningar tenderar att återspegla en arts tidigare liv. Om en art nyligen har ändrat sin livsstil kan en en gång värdefull anpassning bli en försvinnande liten kvarleva. Djur som lever i mörka grottor förlorar ofta under lång tid sina färger och sin syn.

Orsakerna till detta kan variera. Förlusten av struktur och funktion kan vara en positiv anpassning som sparar energi och material. Men det kan också vara en biprodukt av gener som valts ut för andra funktioner (pleiotropi). Eller så kan strukturen kopplas samman i utvecklingen och påverkas av urvalet för någon annan struktur.

Det är en allmän regel att alla anpassningar som inte längre är användbara antingen blir rudimentäraorgan (se vermiform appendix), eller kan väljas ut och anpassas till andra funktioner (se öronhåla).

Anpassningar med flera funktioner

Många anpassningar har mer än en funktion. Detta är ofta anledningen till att vissa egenskaper blir så påtagliga att de nästan definierar arten i fråga. Hästens ben är också ett viktigt försvar: hästens sparkar är mycket destruktiva. Hanhjortens horn har både en sexuell funktion och ett försvar mot rovdjur. Människans stora hjärna tjänar inte bara till språk utan också till att tänka och lösa problem. Fåglarnas fjädrar används inte bara för att flyga, utan utgör också grunden för värmekonservering, temperaturreglering och signalering.

Kompromisser och konflikter mellan anpassningar

Det är en djup sanning att naturen inte vet bäst; att den genetiska evolutionen ... är en historia av slöseri, provisorier, kompromisser och misstag. Peter Medawar.

Anpassningar är aldrig perfekta. Det finns alltid kompromisser mellan kroppens olika funktioner och strukturer. Det är organismen som helhet som lever och förökar sig, och därför är det den kompletta uppsättningen anpassningar som förs vidare till kommande generationer.

Alla anpassningar har en baksida: hästben är bra för att springa i gräs, men de kan inte klia sig på ryggen; däggdjurens hår hjälper till att reglera temperaturen, men erbjuder en nisch för ektoparasiter. Kompromisser och tillfälliga lösningar förekommer ofta, inte perfektion. Selektionstrycket drar åt olika håll, och den anpassning som blir resultatet är någon form av kompromiss.

Eftersom det är fenotypen som helhet som är målet för urvalet är det omöjligt att samtidigt förbättra alla aspekter av fenotypen i samma utsträckning. Ernst Mayr. ^p589

Påfåglar

Kamouflage för att undvika upptäckt förstörs när levande färger visas under parningstiden. Här vägs risken för livet upp av behovet av fortplantning. Påfågelns prydnadståg (som odlas på nytt inför varje parningssäsong) är en berömd anpassning. Det måste minska hans manövreringsförmåga och flygförmåga, och är enormt iögonfallande; dessutom kostar dess tillväxt födoresurser.

Darwins förklaring till fördelarna med detta var sexuellt urval: "Det beror på den fördel som vissa individer har gentemot andra individer av samma kön och art när det gäller fortplantning. Den typ av sexuellt urval som påfågeln representerar kallas "partnerval", vilket innebär att processen väljer de mer lämpade framför de mindre lämpade, och att den därför har ett överlevnadsvärde. I praktiken är den blå påfågeln Pavo cristatus en ganska framgångsrik art, med ett stort naturligt utbredningsområde i Indien, så det övergripande resultatet av deras parningssystem är ganska livskraftigt.

Människans födelse

Storleken på fostrets hjärna vid födseln innebär att hjärnan hos ett nyfött barn är ganska omogen. Den nyfödda hjärnan kan inte vara större än cirka 400 cm3, annars kommer den inte igenom moderns bäcken. Den storlek som krävs för en vuxen hjärna är dock cirka 1400 cm3.

De viktigaste sakerna i människans liv (rörelseförmåga, tal) måste vänta medan hjärnan växer och mognar. Detta är resultatet av kompromissen vid födseln. En stor del av problemet kommer från vår upprättstående tvåbenta hållning, utan vilken vårt bäcken skulle kunna formas mer lämpligt för födseln. Neandertalarna hade ett liknande problem.

Förändring av funktionen över tiden

En egenskaps funktion kan, och gör ofta, förändras med tiden. Flera termer har använts för att beskriva detta: preadaptation, exaptation, cooption. Föranpassning är den vanligaste termen som används när en befintlig struktur eller egenskap som ärvs från en förfader utvecklar en annan funktion. Det var den term som Julian Huxley och Ernst Mayr använde. Termen "pre-" innebär inte någon förutseende, utan betyder bara att anpassningen redan fanns tillgänglig och tjänade någon äldre funktion. Exaptation var Stephen J. Goulds ord.

Ett exempel på föranpassning är dinosaurierna, som utvecklade fjädrar för värmeisolering och för att visa upp sig långt innan de första fåglarna använde dem för att flyga. Svettkörtlar hos däggdjur omvandlades senare till bröstkörtlar. Ett annat exempel är den långa resan för däggdjurens öronbenägen, som började i gälskydden hos gamla fiskar, sedan blev en del av reptilernas underkäke och sedan en del av däggdjurens innerörat. Ett annat exempel är pingvinernas vingar. När de en gång användes för att flyga används de nu för att "flyga" under vatten.

Att organ och strukturer ändrar funktion är mycket vanligt i evolutionen. Många av tetrapodernas (landlevande ryggradsdjur) egenskaper har utvecklats från egenskaper med olika funktioner hos de ursprungliga fiskarna (Sarcopterygii).

Följande definitioner är huvudsakligen ett resultat av Theodosius Dobzhansky.

1. Anpassning är den evolutionära process genom vilken en organism blir bättre på att leva i sin livsmiljö eller sina livsmiljöer.
2. Anpassning är tillståndet att vara anpassad: den grad i vilken en organism kan leva och föröka sig i en viss uppsättning livsmiljöer.
3. Ett adaptivt drag är en aspekt av organismens utvecklingsmönster som ökar sannolikheten för att organismen ska överleva och reproducera sig.

• Utveckling
• Adaptiv strålning
• Naturligt urval
• Fitness
• Artbestämning
• Mimikry