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什么是收敛进化?

海豚和鲨鱼分别进化出非常相似的身体特征,帮助它们成为成功的海洋捕食者。(图片:)Shutterstock)

聚合进化是指不同的生物独立进化出相似的特征。

例如,鲨鱼和海豚看起来相对相似,尽管它们完全不相关。鲨鱼是产卵鱼,具有嗅出水中血液的致命能力,而海豚则是好奇的哺乳动物,它们通过发出咔嚓声和倾听回声来导航。考虑到这对组合的最后一个共同祖先在大约2.9亿年前游过海洋,这些差异并不太令人惊讶。来自那个远古共同祖先的

一个血统在陆地上灭绝,进化成哺乳动物,包括狼一样的帕克塞特斯,后者后来会回到水里,进化成鲸鱼和海豚。另一个血统留在海洋中,正在经历调整,成为现代鲨鱼。然而,尽管它们的路径曲折,这两种动物最终都进入了相似的进化生态位:皮肤光滑的流线型游泳者和水切鳍,是追逐猎物的理想选择。

地球上的每一个栖息地都呈现出自己的挑战。有时,不同的物种对同一个问题有着相同的解决方案。生物学家称这一过程为趋同进化(当两个有机体具有共同祖先没有共同继承的特征时)。

趋同进化与

进化的经典例子,如达尔文的雀类,证明了相反的过程:发散进化。这个术语在19世纪末由美国传教士和博物学家J.T.Gulick推广,用来描述一个单一的物种变得越来越多,以适应特定环境中的不同角色。例如,在加拉帕戈斯雀中,喙形改变(或分叉)以更好地匹配不同岛屿上的不同食物类型。

相反,当物种开始不同,然后变得更相似时,会发生聚合进化。例如,假设你要把一堆鹦鹉和巨嘴鸟扔到同一个岛上。有喙的个体在捕捉虫子时效率不高,它们可能会饥饿而死,而不会把它们的坏喙基因传给后代。但是鹦鹉和巨嘴鸟有足够幸运的喙,能够更成功地抓住虫子,它们会存活下来,并传递那些抓虫子的喙的基因。几代以后,这两个物种的后代可以在相同的喙形上会聚,因为这是在那个栖息地生存的最成功的设计。

会聚进化的概念可以追溯到理查德欧文,一位英国生物学家,他尽管怀疑达尔文的进化论,但在19世纪中期指出找出身体部位构造相似的动物(同系物)和目的相似的动物(类似物)之间的区别。例如,海豚的鳍和人的手是同源的,因为它们具有相同的骨骼结构,尽管它们的功能自我们的上一个共同祖先开始就出现了分化。另一方面,海豚的鳍是鲨鱼鳍的一个类似物,它们有相同的目的,但形状不同,因为它们是独立进化的(并且是聚合的)。

人类和章鱼分别进化出了带虹膜的相机状眼睛,一个镜头和一个视网膜-所有成像设备的基本部分。(Shutterstock)收敛进化的例子

收敛进化的例子比比皆是,但它们在熟悉的动物物种中最容易看到。例如,正如生物学家史蒂芬·杰伊·古尔德(Stephen Jay Gould)在20世纪70年代的《自然》杂志上所描述的那样,大熊猫的身体部位类似于拇指,用来抓握竹子。人类和章鱼的眼睛都像照相机一样,有虹膜、晶状体和视网膜——这些都是成像设备的基本组成部分。蝙蝠和鸟类都有翅膀。

与这些特征相似,仔细观察就会发现它们的独立起源。熊猫爪我的手指和一根拇指状的,从手掌伸出的残骨,看起来一点也不像人的手。这是有道理的,因为灵长类动物在5000万年前进化出了它们相对的拇指,而熊猫在不到2000万年前就进化出了拇指(我们最后的共同祖先生活在6500万到9000万年前)。同样,章鱼眼睛独特的线路意味着它们没有盲点。而鸟类的翅膀更类似于“手臂”,蝙蝠的翅膀看起来更像“手”和细长的手指。使用欧文的分类,这些是相似的,而不是同源的身体部位。

收敛进化的驱动力是环境提供的特定角色的可用性。无论是鲨鱼还是海豚,海洋都会释放出快速游动的掠食者。天空需要飞行者,生活在树上或与树打交道广泛的生物需要能够用尾巴、手或爪子抓住树枝。

最引人注目的现代例子之一是两个完全趋同的动物群体:澳大利亚有袋哺乳动物,它们早期在育儿袋中度过,以及从胎盘中出生的哺乳动物,它们生活在世界其他地方。由于澳大利亚在数千万年前与其他大陆分离,它的动物物种在某种程度上独立进化。尽管如此,许多壁龛里的动物看起来与非洲、美洲和欧亚大陆的同类非常相似。

用于挖掘地下,有鼹鼠和有袋鼹鼠。在澳大利亚的马尔加拉斯,老鼠们在地上蹦蹦跳跳。为了猎 ... 其他小型哺乳动物,现在已经灭绝的乙酰乙酸看起来和走路的样子和狼一模一样,只是它也像袋鼠一样把幼崽放在袋子里。因为类似的角色,例如挖掘机、ScAMPER和猎人,都存在于海洋的两面,进化在两个地方都聚集在相似的设计上。“KdSPE”“KDSPs”“KDSPE”,袋鼠看起来就像一只狗,但是它独立地发展了许多相同的特征。(图像信用:快门)是趋同进化不可避免的吗?”化石记录显示,同样的模式已经在亿万年和多次灭绝事件中上演,鳍、腿、甲壳和爪子在相似的环境中看起来像是熟悉的包裹。这一现象使得进化生物学家开始质疑进化在多大程度上是一个随机过程,以及进化的结果在多大程度上是由环境决定的。正如古尔德所想的,如果我们能从头重演地球的历史,生命之树会不会有同样的形状?

清楚地描述了收敛进化的实例,然而,并不是黑白的。它与平行进化密切相关,在平行进化中,一个物种发现自己处于两个不同的环境中,并进化出对每个环境的相同适应。从同一个身体计划开始,进化是循序渐进的,而不是完全“融合”在一个新的和类似的适应上。一些科学家认为有袋类动物的进化与胎盘类哺乳动物的进化是平行的,而另一些科学家则争论平行进化是否只是收敛进化的一种不那么极端的形式。

收敛进化和平行进化都提醒人们,自然选择没有可取的道路,从基本到高级没有内在弧。物种可以再次分化、聚合和分化。进化论只强调物种采用在特定环境中工作的生存策略,而不管这些策略来自何方。

附加资源:

观察:“外星生命是否与地球上的生命相似?”从大思考中。从生态学家埃里克·皮安卡那里找到更多收敛进化的例子。观看:PBS数字工作室的《负鼠如何变成狼》。

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