Koncepcja gatunku biologicznego - jeden z najbardziej skomplikowanych problemów biologii
Codziennie stykamy się z pojęciem gatunku. Usiłujemy rozróżnić gatunki ptaków na podwórku szkolnym, kwiatów na łące, ryb w akwarium. Każdy gatunek ma swoje charakterystyczne cechy biologiczne, na różne sposoby może pomagać człowiekowi. Bardzo ważna jest umiejętność rozróżniania grzybów trujących od jadalnych. Jednak nie zawsze wiemy, jak wyznaczyć granice między gatunkami. Przedtem dla wyznaczania gatunku wykorzystywano różne kryteria: wspólne terytorium zamieszkania (geograficzne), jednakowe przystosowania się do warunków otaczającego środowiska (ekologiczne), podobieństwo składu chemicznego i przemiany substancji (biochemiczne), osobliwości anatomii i wyglądu zewnętrznego (morfologiczne). Ale pojęcie gatunku oparte na tych kryteriach nie zawsze jest zadowalające. Na przykład ludzie mimo różnego koloru skóry, przekroju oczu, kształtu czaszki należą do jednego gatunku - Człowiek rozumny (Homo sapiens)'. Natomiast niektóre gatunki świstunek są tak podobne do siebie, że odróżnić je na podstawie wyglądu zewnętrznego potrafi tylko fachowiec (ryc. 43.1).
1 Nawet do jednego podgatunku - Homo sapiens
Jednak możemy stwierdzać, że te ptaki należą do różnych gatunków. Więc jakie ma być kryterium, które pozwoliłoby wyodrębniać gatunki? W tym paragrafie przytoczymy najbardziej pełną i dogodną do wykorzystania w biologii definicję gatunku biologicznego.
Gatunek biologiczny-to populacja lub grupa populacji, których członkowie mogą krzyżować się między sobą i wydawać płodne potomstwo, ale nie potrafią krzyżować się i wydawać płodnego potomstwa z członkami innych podobnych grup.
Zastosowawszy tę definicję do człowieka, wykryjemy, że wszyscy ludzie są przedstawicielami jednego gatunku, ponieważ międzyrasowe śluby są możliwe i w tych związkach rodzą się zdrowe dzieci. Natomiast pierwiosnek nie krzyżuje się z piecusz-kiem, więc te ptaki należą do różnych gatunków biologicznych.
Określeniem gatunku biologicznego dogodnie jest posługiwać się w biologii ewolucyjnej, ale można go zastosowywać nie zawsze. Na przykład nie można go stosować do organizmów, które nie rozmnażają się drogą płciową (czyli do wszystkich bakterii (ryc. 43.2, A),
większości pierwotniaków i wielu organizmów wielokomórkowych) czy rozwijają się wyłącznie z niezapłodnionych komórek jajowych1. Są to na przykład mikroskopowe wrotki lub mniszek (ryc. 43.2, В, C) .W tych przypadkach krzyżowanie nie zachodzi, dlatego zaproponowana wcześniej definicja gatunku biologicznego jest tu nie do przyjęcia.
Nie można również wykorzystać tej definicji do opisu wymarłych zwierząt: nie możemy określić, czy krzyżowały się podobne gatunki dinozaurów w przyrodzie. Problem polega na tym, że te gatunki opisano wyłącznie na podstawie budowy szkieletu, a one mogły być po prostu różnymi osobnikami jednego różnorodnego gatunku (ryc. 43.2, D).
A. Bakterie nie rozmnażają się drogą płciową, dlatego pojęcie gatunku biologicznego do nich nie można zastosowywać. B. Większość wrotek - rozpowszechnionych wszędzie mikroskopowych organizmów wodnych - nie posiada samców, a samice rozwijają się z niezapłodnionych jaj. One się nie krzyżują. C. Brzegowe kwiaty mniszka nie posiadają pręcikowi są płonne. D. Allozaur- duży drapieżnik żyjący w jurze. Paleontolodzy wyodrębniają trzy-cztery gatunki allozaurów na podstawie budowy ich szczątków. Nie możemy jednak sprawdzić, czy one byty różnymi gatunkami biologicznymi, czy rasami jednego gatunku.
Nowe gatunki pojawiają się na skutek różnych procesów biologicznych
Charles Darwin swoją pracę epokową, w której wyjaśnił koncepcję doboru naturalnego, nazwał „O powstawaniu gatunków drogą doboru naturalnego”. Uczony stwierdzał, że głównym zadaniem teorii ewolucji jest wyjaśnienie powstawania nowych gatunków. Mimo że w owych czasach pojęcie gatunku jeszcze nie było opracowane, Darwin i jego zwolennicy dość precyzyjnie sformułowali podstawowe procesy gatunkotworcze. Najbardziej rozpowszechnionym wśród nich jest geograficzny i ekologiczny proces ga-tunkotwórczy (ryc. 43.3).
Geograficzny proces gatunkotworczy odbywa się pod warunkiem rozdzielenia terytorium zamieszkania populacji przynajmniej na dwie części, które są odizolowane za pomocą pewnej przeszkody geograficznej. Odpowiednio między dwiema nowymi populacjami powstaje izolacja reprodukcyjna. Jeśli na przykład kanał łączący jeziora ukazane na ryc. 40.2 będzie wysychał, odbędzie się powstawanie nowych gatunków ryb wskutek geograficznego procesu gatunkotwórczego. Dobitnym przykładem takiego procesu jest rozdzielenie Wielkim Kanionem terytorium istnienia (areału) gatunku wyjściowego piaszczyków. W rezultacie po różne strony kanionu powstały dwa różne gatunki gryzoni.
Do ekologicznego procesu gatunkotwórczego niezbędne jest pojawienie się reprodukcyjnej izolacji bez pojawienia się przeszkody fizycznej. To jest możliwe wtedy, kiedy z pewnych przyczyn różne osobniki krzyżują się w różnym czasie lub zamieszkują i żywią się w różnych częściach jedynego areału. Jeszcze jedną możliwością takiego procesu gatunkotwórczego jest polipioidyzacja. Tak powstały różne gatunki ziemniaków i chryzantem, które różnią się ilością chromosomów w kariotypie. Od czasu do czasu nowe gatunki powstają wskutek pomyślnego krzyżowania gatunków wyjściowych. Śliwa domowa powstała jako wynik zapylenia krzyżowego tarniny i ałyczy.
Powstanie reprodukcyjnych barierów-to ważny czynnik procesu gatunkotwórczego
Nie rozpatrzyliśmy jeszcze mechanizmów procesu gatunkotwórczego. Syntetyczna teoria ewolucji zapewnia, że jeżeli wyjściową populację podzielić na dwie, poddać wpływowi różnych warunków doboru naturalnego i dryfu genów, to z biegiem czasu one nagromadzą dostateczną ilość różnic, aby ich przedstawiciele nie mogli krzyżować się ze sobą. W ten sposób między populacjami powstanie bariera reprodukcyjna. Powstanie barier reprodukcyjnych - podstawowy mechanizm procesu gatunkotwórczego. Bariera reprodukcyjna - to dowolna przeszkoda stojąca na drodze powstania płodnego potomstwa. Rozpatrzmy podstawowe typy takich barier (ryc. 43.4).
Z początku rozpatrzmy izolację prezygotyczną - przyczyny zapobiegające zapłodnieniu i powstawaniu zygoty.
Pierwszą barierą jest izolację przestrzenna: osobniki nie mogą krzyżować się, ponieważ ich miejsce zamieszkania jest różne. Znany nam już przykład - ryby zamieszkujące różne jeziora, które nie są połączone między sobą.
Następna bariera - izolacja sezonowa, kiedy okresy rozmnażania organizmów nie zbiegają się. Na przykład rośliny mogą kwitnąć w różnym czasie, co uniemożliwi zapylanie krzyżowe między nimi.
Bardzo ważna jest izolacja etologiczna - dotyczy gatunków zwierząt różniących się zachowaniem godowym, w wyniku czego nie może odbyć się łączenie w pary i krzyżowanie. Różnice morfologiczne piecuszków nie są znaczące, ale ich śpiewy są rażąco różne. Samice odczytują tylko sygnały godowe wysyłane przez samce swojego gatunku. Samice cykad znachodzą swoich samców w ten sam sposób. Samce robaczków świętojańskich przywabiają samek błyskami światła, charakterystycznymi dla danego gatunku i które przypominają kod alfabetu Morsea. Nawet jeśli osobniki urzeczywistniły rytuał godowy, skuteczne krzyżowanie może się nie odbyć.
Przyczyną będzie izolacja mechaniczna - struktura anatomiczna narządów rozrodczych uniemożliwia krzyżowanie się partnerów. Na przykład u owadów narządy płciowe są okryte kutykulą, są dość twarde i nieplastyczne. Aby doszło do krzyżowania, ich wielkość i kształt ma pasować tak, jak klucz do zamka. Z tego powodu większość gatunków chrząszczy i pluskwiaków różni się wyłącznie pod względem kształtu zewnętrznych narządów płciowych, co przeszkadza krzyżowaniu się między gatunkowemu.
Ostatnia bariera na drodze powstawania zygoty - zapewnienie zlania się gamet. Izolacja gametyczna polega na tym, że gamety różnych gatunków nie są zdolne do połączenia się ze sobą. Ten mechanizm izolacji ważny jest dla zwierząt o zapłodnieniu zewnętrznym (na przykład dla ryb). Wiadomo, że niektóre gatunki ryb wyrzucają ikrę i mleczko razem, ale międzygatunkowe krzyżowanie nie zachodzi, ponieważ plemniki i komórki jajowe różnych gatunków nie są zgodne: one posiadają różne komplety cząsteczek powierzchownych, które są odpowiedzialne za rozpoznanie i zlanie się gamet.
Jednak nawet po utworzeniu się zygoty wynikają przeszkody na drodze międzyga-tunkowego krzyżowania - postzygotyczne bariery.
Po pierwsze mieszańce mogą być niezdolne do życia. Często międzygatunkowe mieszańce giną na wczesnych stadiach rozwoju embrionalnego, jak to ma miejsce przy krzyżowaniu się północnej i południowej rasy lamparciej żaby Ameryki Północnej.
Po drugie nawet zdolne do życia mieszańce mogą być sterylne. Zwykle sterylność mieszańców związana jest z tym, że one posiadają nietypowy zestaw chromosomów, co jest mieszanką z kariotypów obojga rodziców, dlatego normalna mejoza nie może zachodzić. Takie zjawisko obserwujemy na przykład przy krzyżowaniu klaczy i osła. Klacz ma w diploidalnym zestawie 64 chromosomy, osioł - 62 chromosomy. Mieszaniec osła i klaczy - muł - posiada nieparzystą liczbę chromosomów - 63, która nie może podzielić się na pary podczas mejozy. Inny przykład, który już był rozpatrywany - to diploidalne i tetraploidalne odmiany arbuza. Przy krzyżowaniu one dają sterylne triploidalne rośliny.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
Kryterium reprodukcyjnego gatunku biologicznego NIE można zastosować do gatunku A Mysz domowa В Człowiek rozumny C Stułbia pospolita
D Jabłoń domowa E Tyranozaur
2
Geograficznemu procesowi gatunkotwórczemu odpowiada taki przykład jak:
A powstanie nowego gatunku pszenicy z dwukrotnie większą ilością chromosomów В powstanie na wyspach różnych gatunków jer od wspólnego przodka macierzystego C zmiana zabarwienia sierści zająca umożliwiająca maskowanie się w zimie D pojawienie się muła w wyniku krzyżowania klaczy i osła E odrastanie ogona u jaszczurki po jego utracie
з
Jedna rasa muszki owocowej rozmnaża się zwykle na głogu, a inna - na jabłoni. Powstał typ (1) i podtyp (2) bariery reprodukcyjnej A 1 - prezygotyczny, 2 - izolacja przestrzenna В 1 - postzygotyczny, 2 - izolacja czasowa C 1 - prezygotyczny, 2 - izolacja etologiczna D 1 - postzygotyczny, 2 - izolacja mechaniczna E 1 - prezygotyczny, 2 - izolacja gametyczna
4
Koń i osioł - to różne gatunki biologiczne, ponieważ A one się nie krzyżują В przy krzyżowaniu nie są płodne C ich potomstwo nie jest płodne D ich mieszańce giną we wczesnych stadiach rozwoju E ich gamety nie są zdolne do połączenia się
5
W obecności bariery reprodukcyjnej odbywa się A powstawanie nowych gatunków
В zwiększenie się częstości krzyżowania między osobnikami C zmniejszenie się liczebności osobników tego gatunku D zmniejszenie się ilości gatunków E rozmnażanie bezpłciowe w populacjach
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
6
Porównaj geograficzny i ekologiczny proces gatunkotwórczy wg szeregu kryteriów.
7
Jak będzie się odbywać geograficzny proces gatunkotwórczy wraz z powstaniem nie dwóch, lecz trzech lub czterech gatunków od wyjściowych?
8
W celu przeprowadzenia sztucznego krzyżowania zwierząt uczeni mogą przenosić gamety jednego organizmu do dróg płciowych innego. Pod jakim warunkiem w wyniku takich eksperymentów mogą powstać nowe gatunki?
9
Jakie cechy działalności życiowej powinien posiadać organizm, aby względem niego można było zastosować definicję gatunku biologicznego?
10
Dlaczego dla roślin nie jest charakterystyczna izolacja etologiczna?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
11
Jakie jeszcze typy procesów gatunkotwórczych wyodrębniają biolodzy.
12
Podaj charakterystykę możliwych przyczyn sterylności hybrydów międzygatunkowych.
13
Biologowi Ch. Szaposznykowowi udało się w ciągu kilku miesięcy otrzymać nowe gatunki mszyc. Jak on przeprowadzał eksperyment i dlaczego otrzymane formy można zaliczyć do oddzielnych gatunków biologicznych?
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
14
Opisz inne kryteria, które mogą być wykorzystane w celu odróżnienia organizmu jednego gatunku od organizmu innego gatunku.
15
Jakie są podejścia do definicji pojęcia „gatunek”? Dlaczego sformułowano tak wiele definicji gatunku?
Źródło: Biologia podręcznik dla klasy 9 Szałamow