Конвергенция и дивергенция: что это такое и примеры
Конвергенцией в биологии называется развитие у неродственных организмов одинаковых признаков, появившихся в результате приспособления к сходным условиям обитания.
Эти признаки могут относиться как к внешнему виду, так и к поведенческим реакциям живых существ.
Дивергенция — расхождение признаков и свойств у первоначально близких групп организмов в ходе эволюции: ласты кита и роющие конечности крота; разные формы клюва у вьюрков.
Конвергенция — процесс сближения, схождения признаков у не родственных групп организмов: крылья птицы и крылья бабочки; обтекаемая форма тела дельфина и акулы; крылья летучей мыши и крылья совы.
Обычно при изучении биологии в школе приводятся самые очевидные примеры конвергенции. Скажем, кит, как известно, никакого отношения к рыбам не имеет.
Это типичное млекопитающее, как и его предки, обитавшие на суше. Но приспособление к водной среде обитания вызвало у китов появление «рыбьего» внешнего вида с присущими ему атрибутами: обтекаемым корпусом и плавниками.
Столь же ярким примером являются летучие мыши, летучие лисицы — тоже млекопитающие, приобретшие при освоении воздушной среды крылья, подобные птичьим.
Примеры конвергенции можно наблюдать и в аквариуме.
В качестве такового можно привести живорождение мальков. Они вынашиваются в теле самки, икра получает кислород и питательные вещества через ее кровь (т.е. это своеобразная форма беременности, а не ложное живорождение, когда яйца просто задерживаются в теле самки до вылупления из них потомства), мальки рождаются без желточного пузыря, и сразу готовы к активному плаванию и питанию.
Живорождение свойственно как американским пецилиям, так и южно-азиатским полурылам. Но гуппи, пецилии. меченосцы относятся к отряду ципри-нодонтид, а хемирамфусы. дермогенисы — к отряду Сарганообразных.
Примером конвергенции является и вынашивание потомства в специальном горловом мешке одного из рыб-родителей. Оно характерно для африканских цихлид и лабиринтовых (ряд видов бойцовых рыбок, шоколадные гурами).
Способность сбивать насекомых с листьев над водой проявляют лялиусы и рыба-брызгун.
Сходные условия обитания формируют и конвергентный облик у рыб. Так, плоскоперы, входящие в отряд карпообразных, по внешнему виду неотличимы от некоторых сомов из отряда сомообразных.
Конвергентный внешний вид сформировался в сходных условиях существования и у многих водных растений. В водной среде растения нуждаются в увеличении ассимилирующей (поглощающей при дыхании и питании) поверхности листовой пластинки.
Однако, если бы эволюционная адаптация пошла по пути простого наращивания размеров, огромные листья стали бы затенять друг друга, мешать обтеканию их водой.
Поэтому адаптация происходила не за счет увеличения листа, а за счет его различных геометрических модификаций, при которых ассимилирующая поверхность листьев увеличивается не в ущерб свето- и водойропускающей структуре растения в целом.
У валлисиерий, сагиттарий и ряда кринумов сформировались длинные лентовидные листья, свободно стелющиеся но течению.
У кабомб, хоттоний. лимнофил, мириофиллумов, некоторых людвигий и ряда других водных трав листья сегментированы на узкие дольки-иголочки, свободно пропускающие свет и омываемые со всех сторон водой.
У плавающих растений и представителей водной флоры с плавающими листьями другая проблема: им надо иметь обсыхающие верхние поверхности листа (для улавливания света и испарения влаги) и обеспечивать листу плавучесть за счет включения в его ткань аэрокамер — заполненных воздухом полостей.
Свободно плавающий на поверхности воды филлантус внешне похож на плавающий папоротник сальвинию.
Нимфоидесы имеют такие же плавающие листья, как кувшинки, а те, в свою очередь, внешне похожи на гндроклейсы.
Особенно приходится изощряться растениям, обитающим в бедных питательными веществами водах.
А таких в тропиках немало. Чтобы не голодать, растениям требуется увеличить листовую пластинку, максимально развить ее ассимилирующую поверхность.
Противоречие между стремлением к компактности листовой пластинки и необходимостью увеличения поглощающей поверхности природа разрешила оригинальным способом, «придумав» буллоидиую (т.е. покрытую буграми и ямками) поверхность листа.
Это решение позволило при сохранении габаритов листовой пластины в 3-4 раза увеличить его общую ассимиляционную поверхность.
Буллондные листья характерны для мадагаскарских аноногетонов A.boivinianus и A.bernierianus. у некоторых форм других видов этого же рода с острова Мадагаскар и у A.bullosus, обитающего в Австралии.
Аналогичные «скомканные» листья появились у африканского «плавающего» (на самом деле он полностью погружен) кринума Crinum natans и у ряда кринтокорин (C.bullosa. C.huidoroi. C.usteriana, C.aponogetifolia), причем последняя даже в научном названии (апоиогетонолистная) содержит фактическое признание ее конвергентности с апоногетонами.
Как видим, конвергентность — довольно распространенное явление, не чуждое в том числе и обитателям аквариума, как полноценным участникам биокинетических, ассимиляционных и эволюционных процессов Природы.
Сравнительно-анатомические доказательства эволюции
Рудименты – органы, которые были хорошо развиты у древних эволюционных предков, а сейчас они недоразвиты, но полностью еще не исчезли, потому что эволюция идет очень медленно. Например, кита – кости таза.
У человека:
- волосы на теле,
- третье веко,
- копчик,
- мышца, двигающая ушную раковину,
- аппендикс и слепая кишка,
- зубы мудрости.
Атавизмы – органы, которые должны находиться в рудиментарном состоянии, но из-за нарушения развития достигли крупного размера. У человека – волосатое лицо, мягкий хвост, способность двигать ушной раковиной, многососковость. Отличия атавизмов от рудиментов: атавизмы – это уродства, а рудименты есть у всех.
Гомологичные органы – внешне отличаются, потому что приспособлены к разным условиям, но имеют сходное внутреннее строение, поскольку возникли из одного исходного органа в процессе дивергенции. (Дивергенция – процесс расхождения признаков.) Пример: крылья летучей мыши, рука человека, ласта кита.
Аналогичные органы – внешне похожи, потому что приспособлены к одним и тем же условиям, но имеют разное строение, потому что возникли из разных органов в процессе конвергенции.
Пример: глаз человека и осьминога, крыло бабочки и птицы.
Конвергенция – процесс схождения признаков у организмов, попавших в одинаковые условия. Примеры:
- водные животные разных классов (акулы, ихтиозавры, дельфины) имеют сходную форму тела;
- быстро бегающие позвоночные имеют мало пальцев (лошадь, страус).
Эмбриологические, палеонтологические, биогеографические, биохимические доказательства эволюции.
Формы эволюции (дивергенция, конвергенция, параллелизм)
Данные систематики, палеонтологии, сравнительной анатомии и других биологических дисциплин дают возможность с большой точностью восстановить ход эволюционного процесса на надвидовом уровне.
Среди форм эволюции групп живых организмов можно выделить: дивергенцию, конвергенцию и параллелизм.
Дивергенция
Появление новых форм всегда связано с приспособлением к местным географическим и экологическим условиям существования.
Так, класс млекопитающих состоит из многочисленных отрядов, представители которых отличаются родом пищи, особенностями мест обитания, то есть условиями существования (насекомоядные, рукокрылые, хищные, парнокопытные, китообразные и т. д.).
Каждый из этих отрядов включает подотряды и семейства, которые, в свою очередь характеризуются не только специфическими морфологическими признаками, но и экологическими особенностями (формы бегающие, скачущие, лазающие, роющие, плавающие). Внутри любого семейства виды и роды различаются образом жизни, объектами питания и т. п.
Как указывал Дарвин, в основе всего эволюционного процесса лежит дивергенция. Дивергенция любого масштаба есть результат действия естественного отбора в форме группового отбора (сохраняются или устраняются виды, роды, семейства и т. д.). Групповой отбор так же основан на индивидуальном отборе внутри популяции. Вымирание вида происходит за счёт гибели отдельных особей.
Своеобразие морфологических особенностей организмов, приобретаемых в процессе дивергенции, имеет некоторую единую основу в виде генофонда родственных форм.
Конечности всех млекопитающих сильно отличаются, но имеют единый план строения и представляют собой пятипалую конечность.
Поэтому органы, соответствующие друг другу по строению и имеющие общее происхождение, независимо от выполняемой функции, называют гомологичными. Примером гомологичных органов у растений являются усы гороха, колючки кактуса – всё это видоизменённые листья.
Конвергенция
В одинаковых условиях существования животные, относящиеся к разным систематическим группам, могут приобретать сходное строение.
Такое сходство строения возникает при сходстве функций и ограничивается лишь органами, непосредственно связанными с одними и теми же факторами среды. Внешне очень похожи хамелеоны и агамы, лазающие по ветвям деревьев, хотя относятся к разным подотрядам
У позвоночных животных конвергентное сходство обнаруживают конечности морских рептилий и млекопитающих.
Схождение признаков затрагивает в основном лишь те органы, которые непосредственно связаны со сходными условиями среды.
Конвергенция. Сходство формы тела и плавников у неродственных быстро плавающих животных: акулы (А), ихтиозавра (Б), дельфинов (В, Г).
Конвергенция наблюдается и у групп животных, далеко отстоящих друг от друга в систематическом отношении. Организмы, обитающие в воздухе, имеют крылья
Конвергенция. Развитие приспособлений для парения в воздухе у позвоночных: А – летучая рыба, Б – летающая лягушка, В – летающая агама, Г – белка-летяга.
Органы, выполняющие сходные функции, но имеющие различное в принципе строение и происхождение, называют аналогичными.
Параллелизм
Параллелизм представляет собой форму конвергентного развития, свойственного для генетически близких групп организмов.
Например, среди млекопитающих китообразные и ластоногие независимо друг от друга перешли к обитанию в водной среде и приобрели сходные приспособления для передвижения в этой среде – ласты. Известное общее сходство имеют неродственные млекопитающие тропического пояса, обитающие на разных континентах в близких климатических условиях.
Рисунок 4. Конвергентное сходство строения между неродственными млекопитающими дождевые леса Африки (слева) и Южной Америки: А – карликовый гиппопотам, Б – водосвинка, В – африканский оленек, Г – пака, Д – карликовая антилопа, Е – агути, Ж – серый дукер, З – мазама, И – панголин, К – гигантский броненосец.
Эпигенетическая теория эволюции
Эпигенетическая теория эволюции (ЭТЭ) — одна из современных эволюционных теорий, основанная на данных эпигенетики.
Основные положения эпигенетической теории эволюции были сформулированы в1987-ом году М. А. Шишкиным на основе идей И. И. Шмальгаузена и К. Х. Уоддингтона[
В качестве основного субстрата естественного отбора теория рассматривает целостный фенотип, причём отбор не только фиксирует полезные изменения, но и принимает участие в их создании.
Общепринятая в настоящее время синтетическая теория эволюции (СТЭ) предполагает, что первичными изменениями в организме являются мутации, которые вызывают фенотипические изменения, а те, в свою очередь, подвергаются естественному отбору, закрепляя полезные мутации и отсеивая вредные.
В отличие от СТЭ, эпигенетическая теория эволюции постулирует первичность фенотипических изменений и их обратное влияние на генотип.
Как известно, генотип не обладает однозначным воздействием на фенотип.
Последний является результатом совместного действия генотипа и условий внешней среды. Кроме того, внутренние биохимические механизмы часто позволяют организму нейтрализовать действие неблагоприятных мутаций, так что из эмбриона с потенциально вредной мутацией может развиться нормально функционирующий организм.
Эти наблюдения позволили сторонникам ЭТЭ высказать предположение, что основополагающее влияние на наследственность оказывает не геном, а эпигенетическая система (ЭС) — совокупность факторов, воздействующих на онтогенез.
Согласно концепции ЭТЭ, от предков к потомкам передаётся общая организация ЭС, которая и формирует организм в ходе его индивидуального развития, причём отбор ведёт к стабилизации ряда последовательных онтогенезов, устраняя отклонения от нормы (морфозы) и формируя устойчивую траекторию развития (креод).
Эволюция по ЭТЭ заключается в преобразовании одного креода в другой при возмущающем воздействии среды.
В ответ на возмущение ЭС дестабилизируется, в результате чего становится возможным развитие организмов по отклоняющимся путям развития, возникают множественные морфозы.
Некоторые из этих морфозов получают селективное преимущество, и в течение последующих поколений их ЭС вырабатывает новую устойчивую траекторию развития, формируется новый креод. Иными словами, обладающие селективными преимуществами морфозы стимулируют возникновение мутаций, которые генетически закрепляют возникшие в организме благоприятные изменения.
Проблемы, затрагиваемые эпигенетической теорией весьма близки тем, которыми занимается быстро развивающаяся ныне в западных странах эволюционная биология развития.
Обе концепции во многом возникли независимо, но если Шишкин прямо указывает на работы Шмальгаузена, то в англоязычной литературе его работы известны не так хорошо, хотя концепция Evo-Devo во многом основана на близких принципах.
