Почему существуют виды, а не континуум различных животных?

Ответ математика/программиста здесь:

Существует континуум различных животных — на самом деле справедливо будет сказать, что каждое животное занимает свое место в этом континууме. Они просто неравномерно распределены по континууму; они сгруппированы вокруг форм, которые с наибольшей вероятностью выживут и размножатся, и путей между ними с наименьшими затратами энергии.

Это связано с тем, что эволюция — это алгоритм стохастической оптимизации , который находит «лучший» набор параметров для максимизации некоторой функции путем случайного возмущения начального набора входных значений. Фактически, некоторые из лучших алгоритмов оптимизации сегодня основаны на идеях, почерпнутых непосредственно из эволюции и называемых «эволюционными алгоритмами».

В математике при наличии достаточного количества времени все эти алгоритмы сходятся к одному оптимальному решению и ни к чему другому. Почему в природе не так? Потому что в математике «функция пригодности», которую мы оптимизируем, остается неизменной для данной задачи, пока работает алгоритм. Он представляет конкретную проблему, которую мы пытаемся решить. В природе нет внешней силы, навязывающей фитнес-функцию; выживание организма зависит от миллионов факторов окружающей среды, которые со временем меняются, многие из которых зависят от выживания и свойств другихорганизмов в окружающей среде (конкуренция, симбиоз, отношения хищник/жертва и т. д.). Это хаотическая система, настолько сложная, что она могла бы легко существовать в течение миллиардов лет, не достигая устойчивого состояния, а даже если бы это произошло, внешние изменения (например, странное столкновение с астероидом, если использовать крайний пример) все равно придет, чтобы все встряхнуть.

Другая причина кластеризации заключается в том, что многие «промежуточные состояния» в генетическом пространстве имеют нулевую приспособленность — это состояния между видами, которые не могут скрещиваться или иметь бесплодное потомство. На этом основана категоризация «видов», и хотя это не точно, в целом верно то, что чем более разные два существа, тем меньше вероятность того, что они могут иметь жизнеспособное потомство. Это повышает вероятность того, что эволюция будет исследовать пространства рядом с уже успешными организмами, и с меньшей вероятностью произведет радикально новые вещи путем гибридизации.

Короткий ответ

Почему существуют виды, а не длинный континуум?

Три важные причины, которые я мог бы придумать, это пол, неоднородный адаптивный ландшафт и происхождение.

Длинный ответ

Я не уверен, что отвечу на ваш вопрос, поэтому дайте мне знать, если я пропущу вашу точку зрения или если я помогу!

Для начала вы можете прочитать этот ответ о семантических трудностях, стоящих за концепцией видов.

Какие факторы определяют, «прилипают» ли некоторые виды?

Естественный отбор — это не что иное, как дифференциальная приспособленность (приспособленность — это мера как репродуктивного успеха, так и выживания) среди генотипов в популяции. Люди с большей приспособленностью оставят больше потомства, и поэтому частота генов этих людей в популяции увеличивается. Можно сделать несколько общих выводов о том, какие фенотипические признаки полезны в данной популяции. Например, «белый мех» — очень хорошая черта для белого медведя, но очень вредная для мучного червя.

Однако существует такая вещь, как селекция видов , при которой, по крайней мере, в данной линии можно выявить определенные черты, которые, по-видимому, либо снижают скорость вымирания, либо увеличивают скорость видообразования. Это, например, случай полиплоидии у покрытосеменных растений ( Whitton and Otto, 2000 ) .

если один вид произошел от другого, это произошло потому, что он в чем-то лучше, верно?

Если вы наблюдаете за различными существующими видами, вы не можете сказать, что какой-либо из этих видов произошел от любого другого, который вы можете наблюдать сегодня. Правильный взгляд на два вида состоит в том, что они имеют общего предка в данном прошлом. Поэтому, глядя на кошку и лазоревку , нельзя сказать, что один вид произошел от другого, а можно только сказать, что у этих двух видов есть общий предок (как и у любой другой пары видов), который не был ни кошкой, ни собакой. лазоревка. Пример очевиден, потому что кошки и лазоревки «не так тесно связаны» (все относительно), но та же логика справедлива для любой пары видов.

Почему существуют виды, а не длинный континуум?

Секс

Самая простая и очевидная причина того, почему существуют виды, внутри которых особи более похожи друг на друга, чем на особи других видов, связана с определением (наиболее распространенным определением, потому что существуют разные определения!) самого вида. Вид – это группа особей, которые могут скрещиваться . См. это для получения дополнительной информации о концепции видов.

Возьмите две изначально разные группы особей и позвольте им скрещиваться. Их черты смешаются, и вы не сможете отличить две разные группы друг от друга. Все особи в новой смешанной группе представляют собой смесь особей из двух предыдущих групп (при некоторых обстоятельствах этот процесс иногда называют «обратным видообразованием»). Если теперь взять одну-единственную группу лиц. Вы разделяете их на две группы в том смысле, что не позволяете особям из группы 1 спариваться с особями из группы 2. Вы увидите, что по прошествии некоторого эволюционного времени особи из группы 1 будут иметь тенденцию гораздо больше походить на особей из группы 2. группе 1 (своей собственной группе), чем особям группы 2. Если вы подождете достаточно долго, чтобы эти две группы особей стали настолько разными, чтобы они моглипроизошло видообразование (вы можете заглянуть в вики-статью о «видообразовании»), и поэтому у вас есть два новых вида вместо одного предкового вида.

почему две группы имеют тенденцию расходиться во времени?

Вы можете задаться вопросом: «Но почему две группы имеют тенденцию расходиться во времени?». Есть несколько процессов, объясняющих это расхождение:

• Мутации
  • В разных группах происходят разные мутации (просто случайно)
• Естественный отбор
  • Окружающая среда различается, и давление отбора различается, выбирая разные черты у двух видов. Кроме того, накопление различных мутаций влияет на давление отбора в других локусах.
• Генетический дрейф
  • Короче говоря, генетический дрейф обусловлен случайными событиями. Между двумя популяциями происходят разные случайные события. Для получения дополнительной информации о генетическом дрейфе см. этот пост

Если вы не очень хорошо знакомы с этими концепциями, я рекомендую вам взглянуть на Understanding Evolution (UC Berkeley) .

Адаптивный ландшафт

Отметим также, что есть и другие причины, объясняющие эту закономерность. Еще одна причина: «Потому что адаптивный ландшафт не является плоской функцией». Для неспециалиста это означает, что есть некоторые комбинации черт, которые на самом деле не могут быть полезными.

Родословная

Кроме того, отдельные фенотипы не являются независимыми друг от друга и не только по экологическим причинам, но и из-за общего происхождения. Если вы рассмотрите две семьи, вы легко примете не континуум фенотипов, а две отдельные группы (возможно, в одной семье курчавые волосы обычны, а в другой все они имеют прямые волосы).

С ними ничего не происходит. Организмы существуют. Они размножаются с другими организмами, которые генетически совместимы. Мы, люди, можем попытаться классифицировать их по определенным признакам, но наши ярлыки — это всего лишь ярлыки, биология ими не руководствуется.

Со временем мы могли бы увидеть, что популяция имела один признак, а его потомки уже не имеют его, они выглядят по-другому. Ничего сверхъестественного не произошло, никакой яркой черты не было пересечено, просто произошло изменение частот аллелей.

если один вид произошел от другого, это произошло потому, что он в чем-то лучше, верно?

Нет. Это просто неправильно с вашей стороны.

Это просто другое. Может быть, он изменился, чтобы его черты лучше соответствовали текущей среде, или, может быть, это изменение было случайным. Вы не можете легко классифицировать один вид как «лучший», чем другой.

Обычно, когда и новые, и старые виды все еще существуют, это происходит потому, что эволюция подтолкнула новый вид к другой среде обитания или другой роли.

В качестве гипотетического примера рифовая рыба по сравнению с глубоководной рыбой и их относительный размер. Допустим, глубоководная рыба превратилась в рифовую, но у нас все еще есть глубоководная рыба. Так появились глубоководные рыбы, которые были немного меньше остальных глубоководных рыб, и это давало им доступ к новому месту, где можно было спрятаться от акул, — мелководьям возле рифов. Со временем это оказывает эволюционное давление на рыбу, чтобы она уменьшалась, чтобы лучше прятаться в рифе, те рыбы «ни здесь, ни там», возможно, получали некоторую выгоду от пребывания рядом с рифом, но более мелкие рыбы получали еще больше выгоды и в конечном итоге превзошел средний вид. И наоборот, для глубоководных рыб по сравнению с этим средним видом. В глубокой воде он был не так хорош, поэтому и там он проиграл. Это продолжается до тех пор, пока эволюция не разделит их на два новых вида.

редактировать:

Какие факторы определяют, «прилипают» ли некоторые виды?

Эволюция оптимизирует текущую среду, пока эта среда стабильна и вид хорошо подходит для нее, тогда нет необходимости меняться. Если окружающая среда изменится, то вид приспособится к ней. Здесь окружающая среда — это все, что имеет отношение к виду: хищники, доступность пищи, погода, все, что влияет на их жизнь.

Организмы на Земле не развивались в однородной среде. Критической частью видообразования (когда вы переходите от одного вида к двум или более) является репродуктивный барьер.

Это может быть буквальный, физический барьер – между двумя популяциями возникает горный хребет, долина посреди среды обитания затопляется и изолирует две половины популяции, небольшая группа выбрасывается какой-то катастрофой на отдаленный остров и не может спастись и т. д.

Это также может быть генетическим барьером: представьте себе вид птиц, у которого самцы соревнуются за самок с их ярко-синими гребнями, а редкие мутации иногда приводят к появлению самцов с красными хохолками, которые вообще не могут спариваться. Если некоторым самкам случится спариваться с нежелательными краснохохлыми самцами в течение нескольких поколений, могут развиться две параллельные субпопуляции: птицы, предпочитающие краснохохлых, и птицы, предпочитающие синих хохолков. Маловероятно, что эти популяции будут скрещиваться.

Могут быть и более сложные способы возведения барьера. Например, популяция цветковых растений, которая раньше могла произвольно скрещиваться, может обнаружить, что экосистема пережила некоторый кризис, и теперь насекомые-опылители стали привередливыми и посещают только определенные цветы, а не другие. Другой пример: хотя люди в настоящее время представляют собой единый вид, из-за культуры (например, языка) некоторые человеческие субпопуляции (например, европейские нации) с гораздо большей вероятностью будут размножаться внутри себя, чем между собой.

Независимо от того, как возникает барьер, как только барьер может разделить вид на субпопуляции, запускается механизм видообразования. Все виды эволюционируют с течением времени по-разному, особенно если их окружающая среда не имеет очень долгой истории необычайной стабильности. По мере развития популяции они стараются оставаться в какой-то степени связными — изменения, как правило, таковы, что они по-прежнему позволяют всем членам популяции спариваться друг с другом; в противном случае они наложили бы стоимость фитнеса.

Однако, если две субпопуляции не находятся в контакте, ничто не обеспечивает совместимость между ними. Следовательно, по мере того, как эволюция делает свое дело, они могут дико расходиться друг с другом. Вспомните пример с видами птиц, у которых самцы с голубым хохолком успешно размножаются. Цвет сам по себе особого значения не имеет, но важно, чтобы все самцы имели хохолок одинакового цвета, а самки предпочитали один и тот же цвет. По мере развития этих птиц цвет гребня может постепенно меняться.

Теперь предположим, что вы взяли этих птиц и выпустили на волю нескольких из них на одном континенте, а другую группу на другом континенте. Опять же, со временем цвет гребня будет меняться. Однако ничто не мешает цвету на континенте А измениться на красный, а цвет на континенте В на зеленый. В конце концов, нет никакого преимущества в том, чтобы быть совместимым с населением, с которым вы не контактируете.

Приведенный выше пример в значительной степени поведенческий, но возможны и неповеденческие примеры. Очень фундаментальным процессом является оплодотворение: у яйцеклетки есть внеклеточный матрикс, состоящий из белков, уникальных для этого вида, в то время как у сперматозоидов есть ферменты для переваривания оболочки своего вида. Из-за этого межвидовое оплодотворение очень затруднено. Опять же, как только вы устанавливаете некий барьер между двумя популяциями, системы белков оболочки и ферментов в гаметах любой популяции могут развиваться по-разному — они развиваются небольшими шагами, так что белок-партнер по взаимодействию всегда может не отставать, но совместимость с изолированной популяцией не выбирается, и если изолированные группы воссоединятся через очень долгое время, их гаметы могут оказаться неспособными оплодотворять друг друга.

Я познакомлю вас с явлением, называемым кольцевыми видами .

Примеры включают чаек, саламандр Ensatina, домовую мышь и т. д.

Кольцевой вид представляет собой серию соседних популяций, которые могут скрещиваться друг с другом. Скажем население A, B, C, D, E.

A can interbreed with B
B can interbreed with A and C
C can interbreed with B an D
D can interbreed with E

Все очень хорошо. Похоже на обычный вид. Но вот странная часть. Наиболее удаленные друг от друга популяции не могут скрещиваться. т.е. популяция А не может скрещиваться с популяцией Е.

А и Е по определению разные виды. И тем не менее, популяции А и Е связаны между собой, гены могут передаваться между А и Е через соседние популяции.

Скорее всего, происходит постепенное изменение генных вариаций между популяциями, так что постепенно увеличивается барьер между успешной гибридизацией. Этот барьер увеличивается до тех пор, пока терминальные концы кольца не смогут гибридизоваться.

Кроме того, если какая-либо промежуточная популяция внутри кольца вымрет и разорвет кольцо, два конца кольца станут двумя отдельными видами.

Кольцевой вид — это снимок одного вида, который находится на расстоянии одного локального вымирания от превращения в два вида.