Adaptácia v biológii: definícia, príklady a prírodný výber

Adaptácia je predovšetkým proces, a nie fyzická súčasť tela.

Adaptácia... sa už nemohla považovať za statický stav, za produkt tvorivej minulosti, a namiesto toho sa stala pokračujúcim dynamickým procesom. Ernst Mayr.

Dobrým príkladom je vnútorný parazit (napr. hlísta): má veľmi jednoduchú telesnú stavbu, ale napriek tomu je organizmus veľmi dobre prispôsobený svojmu konkrétnemu prostrediu. Z toho vidíme, že adaptácia nie je len záležitosťou viditeľných znakov: u takýchto parazitov prebiehajú kritické adaptácie v životnom cykle, ktorý je často dosť zložitý.

Ako praktický termín sa však adaptácia často používa pre produkt: tie vlastnosti druhu, ktoré sú výsledkom procesu. Mnohé aspekty živočíchov alebo rastlín možno správne nazvať adaptáciami, hoci vždy existujú vlastnosti, ktorých funkcia je otázna. Používaním termínu adaptácia pre evolučný proces a adaptívna vlastnosť pre telesnú časť alebo funkciu (produkt) možno odlíšiť dva významy slova.

Prispôsobenie je jedným z dvoch hlavných procesov, ktoré vysvetľujú rozmanitosť druhov, s ktorou sa stretávame v biológii. Druhým je speciácia (delenie druhov alebo kladogenéza). Obľúbeným príkladom, ktorý sa dnes používa na štúdium vzájomného pôsobenia adaptácie a speciácie, je evolúcia cichlíd v afrických jazerách.

Organizmus musí byť životaschopný vo všetkých fázach svojho vývoja a vo všetkých fázach svojho vývoja. To kladie obmedzenia na vývoj vývoja, správania a štruktúry organizmov.

Všeobecná myšlienka je, že každá genetická a fenotypová zmena počas evolúcie by mala byť relatívne malá, pretože vývojové systémy sú veľmi zložité a vzájomne prepojené. Ale polyploidia u rastlín je pomerne bežná veľká genetická zmena. Vznik eukaryota symbiózou mikroorganizmov je exotickejším príkladom.

Všetky adaptácie pomáhajú organizmom prežiť v ich ekologických nikách. To znamená zvýšenie biologickej zdatnosti.

Tieto adaptačné znaky môžu byť štrukturálne, behaviorálne alebo fyziologické. Štrukturálne adaptácie sú fyzické vlastnosti organizmu (tvar, telesná pokrývka, výzbroj; a tiež vnútorná organizácia).

Adaptácie správania sa skladajú zo zdedených reťazcov správania a/alebo schopnosti učiť sa: správanie môže byť zdedené v detailoch (inštinkty) alebo môže byť zdedená tendencia k učeniu (pozri neuropsychológia). Príklady: hľadanie potravy, sex, vokalizácia.

Fyziologické adaptácie umožňujú organizmu vykonávať špeciálne funkcie (napríklad tvorbu jedu, vylučovanie slizu, fototropizmus), ale aj všeobecnejšie funkcie, ako je rast a vývoj, regulácia teploty, iónová rovnováha a iné aspekty homeostázy. Adaptácia teda ovplyvňuje všetky aspekty života organizmu.

Dôležité úpravy nie sú ojedinelé. Prichádzajú v skupinách, ktoré spolupracujú na tom, aby boli živočíchy alebo rastliny úspešné v ich konkrétnej nike alebo životnom štýle.

Ďatle

Prispôsobenie ďatľa je dobrým príkladom toho, že pre úspešný spôsob života je potrebný celý súbor vlastností.

1. Klobúk: jeho špička je dlátovitá a samoostrí sa ďobaním do dreva. Vták ho používa, aby sa dostal k húseniciam pod kôrou, rozšíril dieru na stavbu hniezda a bubnovaním signalizoval svoje teritórium. Mnohé z činností ďatľov pri hľadaní potravy, hniezdení a signalizácii zahŕňajú bubnovanie a udieranie pomocou zobáka.
2. Dlhými lepkavými jazykmi chytá hmyzie larvy, ktoré žijú pod kôrou.
3. Milisekundu pred kontaktom s drevom sa zatvorí zhrubnutá nikotínová membrána, ktorá chráni oko pred letiacimi úlomkami. Chránené sú aj nosné dierky, ktoré sú často štrbinovité a majú špeciálne perie na ich zakrytie.
4. Aby sa predišlo poškodeniu mozgu v dôsledku rýchleho a opakovaného spomalenia, ďatle si vyvinuli množstvo adaptácií, ktoré chránia mozog. Medzi ne patria

1. malá veľkosť mozgu
2. poloha mozgu rozprestiera oblasť kontaktu medzi mozgom a lebkou
3. krátke trvanie kontaktu
4. nerovnaká dĺžka hornej a dolnej časti zobáka (dolná je dlhšia). To usmerňuje silu nárazu smerom nadol, preč od mozgu.
5. mozog ďatľa je uložený v lebke s nerovnými hubovitými plôškami, ktoré absorbujú nárazy.
6. ďatle majú zvláštnu jazylku, ktorá sa tiahne od zobáka, prekrýva vrch lebky a úplne obklopuje mozog. Tým udržiava mozog na svojom mieste. Otras mozgu spôsobuje skôr pohyb mozgu v lebke počas nárazu ako samotný úder. Ak je mozog udržiavaný na mieste, riziko poranenia sa výrazne znižuje.

5. Ďatle majú zygodaktylné nohy. Tieto nohy majú štyri prsty, pričom prvý a štvrtý smerujú dozadu a druhý a tretí dopredu. Toto usporiadanie nôh je vhodné na uchopenie konárov a kmeňov stromov. Príslušníci tejto čeľade môžu chodiť po kmeni stromu vertikálne. Okrem silných pazúrov a chodidiel majú ďatle krátke silné nohy. To je typické pre vtáky, ktoré sa živia potravou na kmeňoch.
6. Chvosty ďatľov sú vystužené, a keď vták sedí na zvislom povrchu, chvost a nohy ho spoločne podopierajú.
7. Celému systému pomáhajú zmeny v mozgu, nervovom systéme, svaloch a väzivách, ktoré boli u ich predkov bežné.

Predkovia ďatľov, ktorí prešli na šplhanie po kmeňoch stromov, mali predkovskú stavbu nôh a chvosta. To naznačuje, že zmena správania, možno s cieľom dostať sa k lepšiemu zdroju potravy, bola jednou z prvých vecí, ktoré sa stali v reťazci udalostí. Spôsob, akým sa evolučné novinky začínajú, je dôležitou témou.

Vlastnosti bez funkcie

Nie všetky vlastnosti organizmu sú adaptácie. Možno bude potrebné vykonať terénne výskumy alebo experimenty, aby sa zistilo, či má nejakú funkciu v živote druhu.

Prispôsobenia zvyčajne odrážajú minulý život druhu. Ak druh nedávno zmenil svoj spôsob života, kedysi hodnotná adaptácia sa môže stať mizivým pozostatkom. Zvieratá, ktoré žijú v tmavých jaskyniach, často počas dlhého obdobia stratia farby a zrak.

Dôvody môžu byť rôzne. Strata štruktúry a funkcie môže byť pozitívnou adaptáciou, ktorá šetrí energiu a materiály. Ale môže to byť jednoducho vedľajší produkt génov vybraných pre iné funkcie (pleiotropia). Alebo môže byť štruktúra spojená vo vývoji a ovplyvnená selekciou na nejakú inú štruktúru.

Je všeobecným pravidlom, že všetky adaptácie, ktoré už nie sú užitočné, sa buď stanú vestigiálnymiorgánmi (pozri vermiformný apendix), alebo môžu byť vybrané a prispôsobené iným funkciám (pozri ušné kostičky).

Prispôsobenia s viacerými funkciami

Mnohé adaptácie plnia viac ako jednu funkciu. To je často dôvod, prečo sa niektoré znaky stanú takými nápadnými, že takmer definujú príslušný druh. Nohy koňa sú tiež hlavnou obrannou funkciou: konský kopanec je veľmi ničivý. Parožie jeleních samcov plní sexuálnu funkciu, ako aj obranu pred predátormi. Veľký mozog človeka slúži nielen na jazyk, ale aj na myslenie a riešenie problémov. Vtáčie perie neslúži len na lietanie; je základom jeho ochrany tepla, regulácie teploty a signalizácie.

Kompromis a konflikt medzi adaptáciami

Je hlbokou pravdou, že príroda nevie všetko najlepšie, že genetická evolúcia... je príbehom plytvania, provizória, kompromisov a omylov. Peter Medawar.

Adaptácie nie sú nikdy dokonalé. Vždy existujú kompromisy medzi rôznymi funkciami a štruktúrami v tele. Organizmus ako celok žije a rozmnožuje sa, preto sa na ďalšie generácie prenáša kompletný súbor adaptácií.

Všetky prispôsobenia majú aj svoju nevýhodu: konské nohy sú skvelé na behanie po tráve, ale nemôžu sa škrabať na chrbte; srsť cicavcov pomáha regulovať teplotu, ale poskytuje priestor pre ektoparazity. Kompromisy a provizóriá sa vyskytujú vo veľkej miere, nie v dokonalosti. Selekčné tlaky pôsobia rôznymi smermi a adaptácia, ktorá je výsledkom, je určitým druhom kompromisu.

Keďže cieľom selekcie je fenotyp ako celok, nie je možné súčasne zlepšiť všetky aspekty fenotypu v rovnakej miere. Ernst Mayr. ^p589

Pávy

Kamufláž, ktorá má zabrániť odhaleniu, sa zničí, keď sa v čase párenia objavia živé farby. Riziko ohrozenia života je tu vyvážené potrebou rozmnožovania. Známou adaptáciou je ozdobná vlečka páva (ktorá sa v každom období párenia pestuje nanovo). Musí znižovať jeho manévrovacie schopnosti a let a je veľmi nápadná; jej rast stojí aj zdroje potravy.

Darwin vysvetľoval jej výhodu pohlavným výberom: "závisí od výhody, ktorú majú určití jedinci oproti iným jedincom rovnakého pohlavia a druhu vo vzťahu k rozmnožovaniu". Druh pohlavného výberu, ktorý predstavuje páv, sa nazýva "výber partnera", čo znamená, že tento proces vyberá vhodnejšie jedince pred menej vhodnými, a tak má hodnotu prežitia. V praxi je páv modrý (Pavo cristatus) celkom úspešný druh s veľkým prirodzeným areálom v Indii, takže celkový výsledok ich systému párenia je celkom životaschopný.

Narodenie človeka

Vzhľadom na veľkosť mozgu ľudského plodu pri narodení je mozog novorodenca pomerne nezrelý. Mozog novorodenca nemôže byť väčší ako približne 400 cm3, inak sa nedostane cez panvu matky. Mozog dospelého človeka má však veľkosť približne 1400 cm3.

Najdôležitejšie veci v ľudskom živote (pohyb, reč) musia počkať, kým mozog vyrastie a dozreje. To je výsledok kompromisu pri narodení. Veľká časť problému pochádza z nášho vzpriameného dvojnohého postoja, bez ktorého by naša panva mohla byť tvarovaná vhodnejšie na pôrod. Podobný problém mali aj neandertálci.

Zmena funkcie v priebehu času

Funkcia znaku sa môže časom meniť a často sa aj mení. Na opis tohto javu sa používa niekoľko termínov: preadaptácia, exaptácia, kooperácia. Preadaptácia je najčastejší termín, ktorý sa používa, keď sa z už existujúcej štruktúry alebo znaku zdedeného po predkovi vyvinie iná funkcia. Tento termín používali Julian Huxley a Ernst Mayr. Termín "pre-" neznamená žiadne predvídanie, znamená len, že adaptácia už bola k dispozícii a slúžila nejakej staršej funkcii. "Exaptácia" bolo slovo Stephena J. Goulda.

Jedným z príkladov preadaptácie sú dinosaury, u ktorých sa perie vyvinulo s funkciou termoizolácie a zobrazovania dávno predtým, ako ho prvé vtáky začali používať na lietanie. Potné žľazy u cicavcov sa neskôr zmenili na mliečne žľazy. Ďalším príkladom je dlhá cesta ušných kostičiek cicavcov, ktoré začali v žiabrových krytoch dávnych rýb, potom sa stali súčasťou spodnej čeľuste plazov a potom sa stali súčasťou vnútorného ucha cicavcov. Ďalším príkladom sú krídla tučniakov. Kedysi slúžili na lietanie, teraz sa používajú na "lietanie" pod vodou.

Zmena funkcie orgánov a štruktúr je v evolúcii veľmi častá. Mnohé z funkcií tetrapodov (suchozemských stavovcov) sa vyvinuli z funkcií s rôznymi funkciami u predkov lalokoplutvých rýb (Sarcopterygii).

Nasledujúce definície sú najmä zásluhou Theodosia Dobzhanského.

1. Adaptácia je evolučný proces, v rámci ktorého sa organizmus stáva schopným lepšie žiť vo svojom prostredí alebo prostrediach.
2. Adaptovanosť je stav prispôsobenia: stupeň, do akého je organizmus schopný žiť a rozmnožovať sa v danom prostredí.
3. Adaptívny znak je aspekt vývojového modelu organizmu, ktorý zvyšuje pravdepodobnosť prežitia a rozmnožovania tohto organizmu.

• Vývoj
• Adaptívne žiarenie
• Prírodný výber
• Fitness
• Špeciácia
• Mimikry