Скритите закони на живота: Тайните правила на еволюцията и как работят те

Ваня Милева Последна промяна на 14 юли 2023 в 00:01 8379 0

Африкански слон. Слоновете намаляват до размера си, когато попаднат на остров.

Кредит Wikimedia Commons

Африкански слон. Слоновете намаляват до размера си, когато попаднат на остров.

Няколко правила управляват начина, по който еволюцията оформя живота на Земята, от островния гигантизъм до цветовете, променящи се с географската ширина – и показват признаци за това как животните и растенията могат да се адаптират към нашия затоплящ се свят.

Сал, пълен със слонове и плъхове, засяда на отдалечен остров. Животните оцеляват и се размножават. Но със смяната на поколенията се случва нещо странно: слоновете намаляват до размера на шетландските понита, а плъховете стават с размерите на котки. Те са били подложени на едно от странните правила на еволюцията.

Повечето от нас са запознати с еволюцията чрез естествен подбор, при която видовете се променят и отделят с течение на времето, тъй като онези, които успешно се адаптират към околната среда, предават гените, които са им помогнали да процъфтяват. Това, което може би не сме наясно обаче, е, че работата на еволюцията на някои места се управлява от няколко правила, които могат да доведат до доста изненадващи резултати.

В близост до полюсите например животните често стават по-големи, отколкото сме очаквали. Междувременно в тропиците птиците често имат поразително големи клюнове, докато перата им може да са необичайно тъмни. А на островите еволюцията става още по-странна – което обяснява защо Сицилия някога е била местообитание на слонове джуджета, високи само метър, и защо плъховете в Нова Зеландия са около два пъти по-големи от своите събратя на континента.

Много от биологичните правила, които предизвикват тези феномени, са предложени през 19-ти век и не е напълно ясно дали издържат на съвременна проверка. През последното десетилетие обаче биолозите не само потвърждават, че много от тези правила са верни, но и разкриват интригуващи подробности за това как и защо работят. В някои случаи изследователите дори са започнали да използват правилата, за да предвидят как видовете ще се развиват със затоплянето на света.

Правилото на Коуп: Колкото по-голям, толкова по-добре

Едуард Дринкър Коуп (Edward Drinker Cope) е знаел доста неща за големите зверове. Палеонтолог, известен до голяма степен с ролята си в откриването на множество огромни динозаври в края на 19-ти век, Коуп също така анализира древните бозайници в Северна Америка и забелязва закономерност във вкаменелостите: бозайниците развиват все по-големи размери на тялото си.

Оттогава идеята е разширена, обхващайки всички видове живот на сушата и в морето, но е противоречива. Покойният палеонтолог Стивън Джей Гулд (Stephen Jay Gould) е смятал, че просто си въобразяваме поради склонността ни да се фиксираме върху големите неща и да игнорираме малките. Но през 2015 г. екип, ръководен от Джонатан Пейн (Jonathan Payne) от Станфордския университет в Калифорния, проверява идеята, използвайки огромен набор от данни от 17 000 различни вида морски животни, съществували през последните 542 милиона години. Резултатът е, че правилото е реално, поне в морското царство: всички видове морски същества, от главоноги до риби, са имали тенденцията да стават по-големи с течение на геоложките времена.

Остава обаче загадката. Изглежда, че има някакво присъщо предимство да си по-голям, но не знаем точно какво е то.

"Моето усещане е, че по-скоро има празно екологично пространство за големи видове", коментира Пейн. "Има неща, които може да се правят от големите, които малките не могат."

Някои китове, например, могат да ловуват главоноги, които са твърде големи, за да ги изядат други животни, така че се сблъскват с по-малко конкуренция.

Следователно правилото на Коуп предполага, че океаните може да останат добро място за живот на гиганти далеч в бъдещето. И макар да не е лесно да се предскаже как ще изглеждат тези гиганти, Пейн предполага, че може да не е съвпадение, че най-големите морски същества – от китове до морски влечуги – могат или някога са могли да дишат въздух.

"Във въздуха има много повече кислород, отколкото във водата, а въздухът е по-малко вискозен, така че е по-лесно да се диша", обяснява Пейн. "Ако може лесно да си доставят кислород на тъканите, е по-лесно да станат по-големи."

Сините китове са най-големите животни, живели някога.Сините китове са най-големите животни, живели някога. Кредит: World Animal Foundation/rawpixel.com / U.S. Embassy

Правилото на Алън: Промяна на формата, за да си намалите температурата

През 1870 г. зоологът Джоел Асалф Алън (Joel Asalph Allen) забелязва нещо необичайно за птиците и бозайниците в Северна Америка. Казано просто, колкото са по на север, зайците и лисиците имат все по-къси уши, докато гарваните и кълвачите имат все по-къси човки. Сега знаем, че Алън се е натъкнал на глобално правило, свързващо размера на телесните издатъци с температурата.

"Просто вижте туканите", обяснява Матю Саймъндс (Matthew Symonds) от Университета Дийкен в Австралия. Туканът токо от Амазонка има огромен клюн. "Но един планински тукан от по-хладните Анди има [относително] малък, масивен клюн", отбелязва Саймъндс.

Обяснението за правилото на Алън е, че тропическите животни, които са изложени на риск от прегряване, развиват големи издатъци с високо съотношение повърхностна площ към обем и ги използват за по-ефективно освобождаване на телесната топлина в околната среда. Полярните видове напротив се нуждаят от запазване на телесната топлина, така че техните издатъци са по-малки.

Но има и други начини животните да загубят или запазят телесната си топлина. През 1840 г. биологът Карл Бергман (Carl Bergmann) отбелязва, че видовете са склонни да имат по-малки тела в по-топъл климат и по-големи в по-студен климат – закономерност, която се предполага, че е валидна за всички видове животни, от синята сойка до саламандрите. Интересното е, че правилото на Бергман има подобно обяснение на правилото на Алън. Тропическо животно, което трябва да загуби телесна топлина, може да повиши съотношението си повърхност-обем, просто еволюирайки към по-малък размер.

По-рано тази година Саймъндс и колегите му са публикували анализ на взаимодействието между двете правила в 99,7% от видовете птици в света.

"Двете правила си взаимодействат", посочва Саймъндс.

Например правилото на Бергман предвижда, че видовете трябва да се свиват с повишаване на температурата. Но големите птици могат да останат големи, нарушавайки правилото на Бергман, ако развият особено големи издатъци, за да могат да се освобождават от топлината.

И има последен обрат. Със затоплянето на света правилото на Алън може да накара животните да придобият по-големи издатъци, за да останат хладни. Но в крайна сметка температурите на въздуха в някои региони ще надвишат телесните температури на животните – след което правилото вече не важи.

"В този момент наличието на голям клюн се превръща е пасив, защото той всъщност абсорбира енергия от околната среда", отбелязва Саймъндс.

Така че, макар издатъците да могат да нараснат в краткосрочен план, те могат да се свият отново в по-дългосрочен план.

Вляво: тукан токо, вдясно: планински тукан. Кредит: Wikimedia Commons

Правилото на Фостър: Странната сила на островите

Времето, прекарано на Чарлз Дарвин на Галапагоските острови, е от решаващо значение за развитието на неговата теория за еволюцията чрез естествен подбор. Но има още нещо в островите, което той не забелязва: животните, живеещи на тях, често еволюират до необичайно големи или малки.

Има основателна причина, поради която Дарвин не е успял да забележи това, което сега е известно като правилото на острова или правилото на Фостър, кръстено на Дж. Бристол Фостър (J. Bristol Foster), който пише за него през 60-те години на миналия век.

Правилото на Фостър става очевидно само след като се реконструират еволюционните връзки между видовете на островите и на континентите. Това предполага, че големите животински видове, които остават изолирани на остров, често намаляват размера си, докато малките животински видове са склонни да го увеличават. Какапо например е голям нелетящ папагал в Нова Зеландия, еволюирал от по-малки предци – докато някои индонезийски острови са местообитания на бирмански питони, които са наполовина по-малки от своите 5-метрови роднини на континента.

Критиците обаче твърдят, че промените в размера със същата вероятност могат да се появят и на континентите, което означава, че правилото за островите съществува само ако се подбират субективно данните.

"Това ме заинтригува и ме накара да искам да проуча въпроса", разказва Ана Бенитес-Лопес (Ana Benítez-LÓpez) от биологичната станция Доняна в Испания.

За статия, публикувана през 2021 г., тя и нейните колеги анализират данни за размера на тялото на повече от 1000 вида животни, живеещи на острови, и приблизително подобен брой техни роднини, живеещи на континентите, за да оценят нивото на подкрепа за правилото. Те заключават, че островното правило е широко разпространено сред съществуващите бозайници, птици и влечуги. Нещо повече, ефектът е по-изразен на по-малки, по-отдалечени острови.

Вероятно има няколко причини, поради които съществува това правило, посочва Бенитес-Лопес. Един малък остров може да няма достатъчно храна, за да поддържа популация от големи животни например, което прави по-полезно намаляването на размера, а и оттам и нуждите от храна. Освен това островите може да са свободни от хищници и някои еколози твърдят, че това намалява натиска върху малките животни да се крият - така че те стават по-големи, тъй като това им помага да се конкурират по-добре за храна или партньори за чифтосване.

Бенитес-Лопес също така посочва, че загадъчното островно правило е само част от по-широк феномен, наречен островен синдром. В отсъствието на сухоземни хищници, островните птици например са склонни да еволюират в нелетящи форми и често губят страха си от хищници, което ги прави доверчиви към човека. Това помага да се обясни защо островните видове са особено уязвими към изчезване. "Птицата додо не можеше да лети и хората я хващаха лесно", разказва Бенитес-Лопес.

Примери на островен гигантизъм. Кредит:  ZooChat

Законът на Ван Вален: Неизбежно изчезване

През 70-те години на миналия век покойният биолог Лий Ван Вален (Leigh Van Valen) стига до изненадващо заключение: вид, който е бил на Земята от няколко милиона години, доказвайки, че е успял да оцелее, е също толкова вероятно да изчезне, колкото и вид, който се е появил просто преди няколко хиляди години.

Ван Вален има обяснение за този "закон за постоянно изчезване" или закона на Ван Вален. Той твърди, че един вид никога не може да подобри шансовете си за оцеляване, защото винаги се конкурира с други видове. Гепардите, да кажем, може да еволюират, за да тичат по-бързо, но тъй като антилопите, които преследват, също еволюиратда тичат по-бързо, гепардите не увеличават шанса си да хванат плячката, от която се нуждаят, за да оцелеят.

Гепардът е тясно специализиран убиец. Той е станал най-бързото животно на Земята за да може да настига Томпсъновата газела. Двете животни се развиват в тандем като пример за коеволюция. Газелата е бърза, така че гепардът трябва да стане по-бърз за да я хване, после газелата още по-бърза за да избяга, а гепардът още по-бърз за да я стигне. И етап след етап стигат определено ниво, след което развитието не е изгодно и на двете животни. Така 20 минути след като убие газелата, гепардът е така изморен, че не може да се възползва от жертвата си и докато си почива, лъвове и хиени понякога не само му отмъкват плячката, но даже убива изчерпалия силите си гепард. За да се увеличи бързината се удължават крайниците и се олекотяват костите. Това повишава риска от счупване на костите. По-бързи крака – повече мускулна маса – по-голямо сърце. Спринтът изисква много енергия, която трудно се набавя и изисква често хранене. Все пак процесът не може да ескалира до безкрай. Кредит: tploy.com

Правилото може да изглежда още по-изненадващо, като се има предвид, че макар един нов вид обикновено да е ограничен до няколко индивида, живеещи в малка област, популацията му след това може да се увеличи така, че  да включва милиони индивиди в цял континент. Как може винаги да е също толкова вероятно да изчезне?

Преди няколко години Индре Жлиобайте (Indrė Žliobaitė) от Университета в Хелзинки, Финландия, и нейните колеги се опитват да отговорят на този въпрос. Те изграждат компютърен модел, който показва, че нивата на изчезване остават същите поради взаимодействието между биологичната конкуренция и небиологичните фактори - природни бедствия или изменение на климата например.

Един новоразвил се вид може да притежава някакво ново предимство в начина, по който се храни или придвижва, което означава, че е изправен пред относително малка конкуренция. Но тъй като популацията е малка и ограничена до малка географска област, тя е изложена на повишен риск от изчезване от местни събития, като вулканично изригване например. Обратното, зрял вид, разпространен в огромен район, е изложен на по-малък риск от локално природно бедствие. От друга страна, ако този вид вече не е до голяма степен изолиран, с течение на времето той е изправен пред все по-голям риск от изчезване заради биологичната конкуренция от еволюцията на други нови видове. Заплахата може дори да възникне от свързани видове: например, докато съвременните хора се разпространяват по света, те може да са допринесли за изчезването на много древни човешки видове.

Жлиобайте и нейните колеги подозират, че тяхната работа може дори да даде един поглед в бъдещето на човешкото общество. Екипът наскоро е започнал да изследва дали техните компютърни модели могат да обяснят възхода и падението на индустриалните компании, човешките езици или дори музикалните жанрове.

"Искаме да знаем как субектите се заменят един друг", споделя Жлиобайте.

Правилото на Глогер: По-скапано бъдеще?

Видовете на екватора обикновено са с по-тъмен цвят от техните роднини по-близо до полюсите. Например, мухите Drosophila melanogaster в Субсахарска Африка са по-тъмни от тези, по-близо до екватора. Константин Глогер (Constantin Gloger) е един от първите биолози, които забелязват това през 1830-те години. Но защо този модел съществува, все още е предмет на дебат.

Проучване от 2019 г. преглежда доказателствата и предполага, че това може да е страничен ефект от еволюцията . Идеята е, че тъй като паразитите и патогените са по-многобройни в топли и влажни местообитания, животните, живеещи по-близо до екватора, еволюират, за да имат по-силна имунна система от тези, живеещи другаде. Случайно гените на имунната система са свързани с тези, кодиращи телата с по-тъмен цвят.

Но това не е единствената причина, поради която цветът може да варира в зависимост от географската ширина.

Тропиците обикновено получават повече ултравиолетова радиация от слънцето, отколкото районите, които са по-близо до полюсите, посочва Матю Коски (Matthew Koski) от Университета Клемсън, Южна Каролина. По принцип някои видове по-близо до екватора може да са по-тъмни, защото носят пигменти, абсорбиращи ултравиолетовите лъчи, които предпазват биологичната тъкан от радиационно увреждане.

През 2015 г. Коски и неговият колега Тиа-Лин Ашман (Tia-Lynn Ashman) от Университета в Питсбърг, Пенсилвания, откриват, че това може да е така за растение, наречено сребролист (Argentina anserina). Въпреки че цветовете му изглеждат жълти за нашите очи, под ултравиолетова светлина те имат черно "биче око" поради наличието на UV-абсорбиращи пигменти – а "окото" е по-голямо за цветя, растящи по-близо до екватора.

Кредит: Koski, M., Ashman, TL. Floral pigmentation patterns provide an example of Gloger's rule in plants. Nature Plants 1, 14007 (2015). https://doi.org/10.1038/nplants.2014.7

Този ясен географски модел може да се разпадне в бъдеще, тъй като промените в модела на облачната покривка, предизвикани от изменението на климата, биха могли да променят нивата на UV радиация, достигаща земната повърхност. Проучване от 2020 г. представя доказателства, че растенията в различни региони могат бързо да променят външния вид на цветята си, когато условията се променят. Притеснението е, че това може да обърка насекомите опрашители, докато търсят храна.

Коски и Ашман вече са показали, че някои насекоми са по-малко склонни да посещават цветя с по-големи петна с абсорбиращи пигменти, което предполага, че такива цъфтящи растения може да останат неоплодени.

"Това не е добре за репродукцията на растенията", коментира Коски. В по-широк план това може да е зловещ знак за екосистемите по света, които в крайна сметка разчитат на успеха на растенията.

Източник: Life’s hidden laws: The arcane rules of evolution and how they work, Colin Barras, New Scientist

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !