Коэволюция

Мезозойская эра

В начале триасового периода (248-208 миллионов лет назад) скудная летопись окаменелостей указывает на сокращения флоры Земли. С середины до позднего триаса современные семейства папоротников, хвойных деревьев и ныне вымершей группы растений, беннеттитовых, обитали в большинстве наземных экосистем. После массового вымирания беннеттиты переместились в свободные экологические ниши.

Поздняя триасовая флора в экваториальных широтах представлена ​​широким диапазоном папоротников, хвощей, саговников, беннеттитов, гинкго и хвойных деревьев. Комбинации растений в небольших широтах сходные, но не богатые видами. Это отсутствие вариаций растений в низких и средних широтах отражает глобальный безморозный климат.

В юрский период (208-144 миллионов лет назад) появилась наземная растительность, похожая на современную флору, и потомками папоротников этого геологического отрезка времени можно считать современные семейства, такие как Dipteridaceae, Matoniaceae, Gleicheniaceae, и Cyatheaceae.

К хвойным этого возраста также могут относится современные семейства: подокарповых, араукариевых, сосновых и тисовых. Эти хвойные породы, во время мезозоя, создали значительные залежи такого полезного ископаемого, как уголь.

Во время раннего и среднего юрского периода, в экваториальных широтах западной части Северной Америки, Европы, Средней Азии и Дальнего Востока, произрастала разнообразная растительность. Она включала: хвощи, саговники, беннеттиты, гинкго, папоротники и хвойные деревья.

Гинкго

Теплые, влажные условия также существовали в северных средних широтах (Сибирь и северо-запад Канады), поддерживая гинкговые леса. Пустыни встречались в центральной и восточной частях Северной Америки и Северной Африки, а наличие беннеттитов, саговников, хейролепидиевых и хвойных деревьев свидетельствовали о приспособленности растений к засушливым условиям.

Южные широты имели сходную растительность с экваториальными, но из-за более сухих условий хвойные породы были обильными, а гинкговые – дефицитными. Южная флора распространилась на очень высокие широты, включая Антарктиду, из-за отсутствия полярного льда.

Хейролипидиевые

В меловом периоде (144-66,4 миллионов лет назад) в Южной Америке, Центральной и Северной Африке, и Центральной Азии существовали сухие, полупустынные природные условия. Таким образом, в наземной растительности преобладали хвойные породы хейролипидиевых и матониевые папоротники.

Северные средние широты Европы и Северной Америки имели более разнообразную растительность, состоящую из беннеттитовых, саговниковых, папоротников и хвойных деревьев, а в южных средних широтах преобладали беннеттиты.

В позднем меловом периоде произошли значительные изменения в растительности Земли, с появлением и распространением цветущих семенных растений, покрытосеменных. Присутствие покрытосеменных означало конец типичной мезозойской флоры с преобладанием голосеменных растений и определенное снижение беннеттитовых, гинкговых и саговниковых.

Нотофагус или южный бук

Во время позднего мела в Южной Америке, Центральной Африке и Индии преобладали засушливые условия, в результате чего среди тропической растительности доминировали пальмы. На средние южные широты также влияли пустыни, а растения, окаймлявшие эти районы, включали: хвощи, папоротники, хвойные и покрытосеменные, в частности, нотофагус (южный бук).

Секвойя Гиперион

Высокоширотные районы были лишены полярного льда; из-за более теплых условий климата, покрытосеменные смогли процветать. Самая разнообразная флора была обнаружена в Северной Америке, где присутствовали вечнозеленые растения, покрытосеменные и хвойные деревья, особенно красное дерево, секвойя.

Мел-палеогеновое массовое вымирание (К-Т вымирание) произошло около 66,4 миллионов лет назад. Это событие, которое внезапно вызвало глобальные климатические изменения и исчезновение многих видов животных, особенно динозавров.

Наибольший “шок” для наземной растительности произошел в средних широтах Северной Америки. Показатели пыльцы и спор чуть выше границы К-Т в летописи окаменелостей показывают преобладание папоротников и вечнозеленых растений. Последующая колонизация растений в Северной Америке демонстрирует преобладание лиственных растений.

Множественные

Длинноязычные пчелы и цветы с длинными трубками развивались одновременно, попарно или «диффузно» в группах, известных как гильдии.

Перечисленные до сих пор типы коэволюции были описаны так, как если бы они действовали попарно (также называемая специфической коэволюцией), при которой черты одного вида развивались в прямом ответе на черты второго вида, и наоборот. Это не всегда так. Другой способ эволюции возникает, когда эволюция является взаимной, но происходит между группой видов, а не двумя. Это по-разному называется гильдейской или диффузной коэволюцией. Например, признак у нескольких видов цветковых растений , такой как поднесение нектара на конце длинной трубки, может сочетаться с признаком одного или нескольких видов насекомых-опылителей, таких как длинный хоботок. В более общем плане , цветущие растения опыляются насекомыми из разных семей , включая пчела , муха и жук , все из которых образуют широкую гильдию из опылителей , которые реагируют на нектар или пыльцу цветов.

Примеры коэволюции

Хищник-добыча Коэволюция

Отношения хищник-жертва – один из наиболее распространенных примеров коэволюции. В этом отношении на жертву оказывается избирательное давление, чтобы избежать захвата, и поэтому хищник должен развиваться, чтобы стать более эффективными охотниками. Таким образом, коэволюция хищник-жертва аналогична эволюционной гонке вооружений и разработке специфических приспособлений, особенно у видов добычи, чтобы избежать или препятствовать хищничество.

Травоядные и растения

Подобно отношениям хищник-жертва, другим распространенным примером коэволюции являются отношения между травоядными видами и растениями, которые они потребляют. Одним из примеров является то, что семена сосны lodgepole, которые и красные белки и клесты едят в различных регионах Скалистых гор. У обоих травоядных животных есть различная тактика для извлечения семян из сосновой шишки lodgepole; белки будут просто грызть сосновую шишку, тогда как клесты имеют специальные мандибулы для извлечения семян. Таким образом, в регионах, где красные белки более распространены, сосновые шишки домика более плотные, содержат меньше семян и имеют более тонкие чешуйки, чтобы белок не мог получить семена. Однако в регионах, где клесты являются более распространенными, шишки более легкие и содержат толстые чешуйки, чтобы препятствовать доступу клестов к семенам. Таким образом, сосна-ложанка одновременно развивается вместе с обоими этими видами травоядных.

Муравьи акации и акации

Пример коэволюции, которая не характерна для гонки вооружений, но дает взаимную выгоду обоим растение виды и насекомые – это то, что у акаций и акаций. В этих отношениях растение и муравьи эволюционировали, чтобы иметь симбиотические отношения, в которых муравьи обеспечивают растению защиту от других потенциально вредных насекомых, а также других растений, которые могут конкурировать за питательные вещества и солнечный свет. В свою очередь, растение обеспечивает муравьев укрытием и необходимыми питательными веществами для муравьев и их растущих личинок (показано ниже).

Цветущие растения и опылители

Другим примером полезной совместной эволюции является связь между цветущими растениями и соответствующими видами насекомых и птиц, которые их опыляют. В этом отношении цветущие растения и опылители разработали коадаптации, которые позволяют цветам привлекать опылители, а насекомые и птицы разработали специальные приспособления для извлечения нектара и Цветочная пыльца из растений (показано ниже).

Исследования показывают, что есть по крайней мере три признака, которые цветущие растения развили, чтобы привлечь опылителей:

• Отличительные визуальные сигналы: у цветущих растений появились яркие цвета, полосы, узоры и цвета, характерные для опылителя. Например, цветущие растения, стремящиеся привлечь насекомых-опылителей, обычно являются синим ультрафиолетом, тогда как красные и оранжевые предназначены для привлечения птиц.
• Аромат: цветущие растения используют запахи как средство обучения насекомых относительно их местоположения. Поскольку запахи становятся сильнее ближе к растению, насекомое может оттачивать и садиться на это растение, чтобы извлечь его нектар.
• Некоторые цветы используют химические и тактильные средства для имитации видов женских насекомых, чтобы привлечь мужские виды. Например, орхидеи выделяют такое же химическое вещество, как феромоны пчел и ос. Когда мужское насекомое приземляется на цветок и пытается совокупиться, пыльца передается ему.

Колибри – другой тип опылителей, которые развивались для взаимной выгоды. Колибри служат опылителями, а цветы снабжают птиц богатым питательными веществами нектаром. Цветущие растения привлекают колибри с определенными цветами, форма цветка приспосабливает счет птицы, и такие цветы имеют тенденцию цвести, когда колибри размножаются. Совместная эволюция таких цветущих растений с различными видами колибри очевидна по четкой форме и длине трубок венчика цветка, которые адаптировались к форме и длине клочка колибри, которая опыляет это растение. Форма цветка также адаптировалась таким образом, что пыльца прикрепляется к определенной области птицы, в то время как она потребляет нектар из цветка (показано ниже).

Особенности цветковых растений

Во-первых, стремительная эволюция и распространение по разным точкам земного шара создало новые условия для возникновения новых живых организмов. В отличие от хвойных деревьев и их родственников, цветковые растения улавливают больше солнечной энергии. По мнению эволюциониста Эрве Соке (Herve Sauquet) из Королевского ботанического сада Сиднея, этот фактор мог повлиять на всю экосистему планеты.

Возникновение цветковых растений совпало с массовым расширением биоразнообразия современных растений, грибов и животных

Получившие дополнительные источники питательных веществ от растений насекомые и другие животные тоже могли начать процветать и создавать благополучные условия для жизни других животных. Речь идет о своего рода эффекте бабочки, в начале которого стоят растения с яркими цветками.

В природе все взаимосвязано, из одного вытекает другое

Что касается облика Земли, цветковые растения могли повлиять на нее за счет того, что обладают свойством извлекать из почвы большое количество влаги и передавать ее в атмосферу. Это, несомненно, оказало большое влияние на круговорот воды в природе и климат в целом. В результате повышения влажности, на Земле могли возникнуть новые тропические леса, которые стали домом для существующих и «колыбелью» для новых видов живых организмов.

Этапы эволюции растений

Водоросли решили развиваться в двух направлениях: одни выбрали дорогу мохообразных, другие — риниофитов.

Мохообразные. У мхов, как и у водорослей, нет настоящих корней: они прикрепляются к земле ризоидами. В отличие от корней, ризоиды — одноклеточные нитевидные образования. У них нет специальных зон со своей специализацией. Мхи относятся к элементарным растениям, не способным к запасанию.

Мхи

Риниофиты. Другое название — псилофиты. Растения, которые выбрали это направление, выиграли в эволюционной гонке. Сами риниофиты вымерли, но большинство растительных организмов, которые мы наблюдаем сейчас, являются их потомками. У риниофитов не было листьев. Это были первые высшие растения с развитыми проводящими (древесина, луб) и покровными тканями (эпидерма). Благодаря сосудам, их останки хорошо сохранились в окаменевших породах. Остатки служат доказательством эволюции растений.

Риниофиты

Также учёные находят остатки папоротникообразных в залежах каменного угля и цианобактериальные маты — отложения древних сообществ. Всё это служит напоминанием об эволюции растительных организмов.

Цианобактериальные маты

Псилофиты существовали совсем недолго. От риниофитов произошли папоротникообразные: папоротники, хвощи и плауны. У них развиты ткани, но имеется один существенный недостаток. Половое размножение папоротникообразных зависит от воды: сперматозоид и яйцеклетка сливаются с друг другом и образуют зиготу только во время дождя.

Папоротникообразные

Далее появились голосеменные растения. У них вместо сперматозоида образуется спермий — неподвижная мужская половая клетка. Пыльца становится пыльцевой трубкой, формируя неподвижные безжгутиковые спермии. Они соединяются с яйцеклеткой. Из сформировавшейся зиготы вырастает семя. Шишка одревесневает, открывается, освобождая семена для дальнейшего распространения. Однако, всё это время семена беззащитны перед неблагоприятными условиями среды.

Голосеменные растения

Покрытосеменные довели процесс полового размножения практически до совершенства. Вегетативная клетка удлиняется и становится пыльцевой трубкой. Она вырастает и пробирается к зародышевому мешку. Генеративная клетка делится на 2 неподвижных спермия. Один из них соединяется с яйцеклеткой, образуя зиготу. Второй объединяется с центральной клеткой, формируя в дальнейшем эндосперм. Этот процесс именуется двойным оплодотворением. В отличие от голосеменных растений, далее семя защищается от неблагоприятных воздействий мощным околоплодником.

Покрытосеменные растения

Именно в таком порядке появились привычные растения. Порядок их образования изображают в виде дерева, которое называется филогенетическим.

Филогенетическое древо растительного мира

Вне биологии

Коэволюция — это в первую очередь биологическое понятие, но по аналогии оно применяется к другим областям.

В алгоритмах

Коэволюционные алгоритмы используются для создания искусственной жизни, а также для оптимизации, игрового обучения и машинного обучения . Дэниел Хиллис добавил «совместно развивающихся паразитов», чтобы процедура оптимизации не застревала на локальных максимумах. Карл Симс — соавтор виртуальных существ.

В архитектуре

Концепция коэволюции была введена в архитектуру датским архитектором-урбанистом Хенриком Валёром как антитеза «звездной архитектуре». В качестве куратора Датского павильона на Венецианской биеннале архитектуры 2006 года он создал выставочный проект, посвященный совместной эволюции городского развития в Китае; он выиграл «Золотого льва» за лучший национальный павильон.

В Школе архитектуры, планирования и ландшафта Университета Ньюкасла коэволюционный подход к архитектуре был определен как практика проектирования, которая вовлекает студентов, волонтеров и членов местного сообщества в практическую экспериментальную работу, направленную на «установление динамических процессов обучения между пользователи и дизайнеры «.

В космологии и астрономии

В своей книге самоорганизующейся Вселенной , Эрих Янч приписывал всю эволюцию космоса в коэволюции.

В астрономии появляющаяся теория предполагает, что черные дыры и галактики развиваются взаимозависимым образом, аналогично биологической коэволюции.

В исследованиях менеджмента и организации

С 2000 года все большее количество исследований в области менеджмента и организаций обсуждает коэволюцию и коэволюционные процессы. Несмотря на это, Abatecola el al. (2020) обнаруживает преобладающую нехватку объяснений того, какие процессы в значительной степени характеризуют коэволюцию в этих областях, а это означает, что конкретные анализы о том, где находится эта точка зрения на социально-экономические изменения и к чему она может двигаться в будущем, все еще отсутствуют.

В социологии

В книге «Преданное развитие: конец прогресса и коэволюционный пересмотр будущего» (1994) Ричард Норгаард предлагает коэволюционную космологию, чтобы объяснить, как социальные и экологические системы влияют и меняют друг друга. В книге «Коэволюционная экономика: экономика, общество и окружающая среда» (1994) Джон Гауди предполагает, что: «Экономика, общество и окружающая среда связаны между собой коэволюционными отношениями».

В технологии

Компьютерное программное обеспечение и оборудование можно рассматривать как два отдельных компонента, но неразрывно связанных совместной эволюцией. Точно так же операционные системы и компьютерные приложения , веб-браузеры и веб-приложения .

Все эти системы зависят друг от друга и шаг за шагом продвигаются через своего рода эволюционный процесс. Изменения в оборудовании, операционной системе или веб-браузере могут вводить новые функции, которые затем включаются в соответствующие приложения, работающие параллельно. Эта идея тесно связана с концепцией «совместной оптимизации» в анализе и проектировании социотехнических систем , где система понимается как состоящая из «технической системы», включающей инструменты и оборудование, используемые для производства и обслуживания, и «социальной системы». «отношений и процедур, посредством которых технология связана с целями системы и всеми другими человеческими и организационными отношениями внутри и вне системы. Такие системы работают лучше всего, когда технические и социальные системы целенаправленно разрабатываются вместе.

примеров

Коэволюционные процессы рассматриваются как источник биоразнообразия планеты Земля. Это конкретное явление присутствовало в наиболее важных событиях в эволюции организмов.

Далее мы опишем очень общие примеры коэволюционных событий между различными линиями, а затем поговорим о более конкретных случаях на уровне видов..

Происхождение органелл у эукариот

Одним из наиболее важных событий в эволюции жизни было нововведение эукариотической клетки. Они характеризуются наличием истинного ядра, ограниченного плазматической мембраной, и представляют субклеточные компартменты или органеллы.

Существуют очень веские доказательства, подтверждающие происхождение этих клеток посредством коэволюции с симбиотическими организмами, которые уступили место современным митохондриям. Эта идея известна как эндосимбиотическая теория.

То же относится и к происхождению растений. Согласно эндосимбиотической теории, хлоропласты возникли благодаря симбиозу между бактерией и другим организмом большего размера, который в итоге поглотил наименьшее.

Обе органеллы — митохондрии и хлоропласты — имеют определенные характеристики, напоминающие бактерии, такие как тип генетического материала, кольцевая ДНК и ее размер..

Происхождение пищеварительной системы

Пищеварительная система многих животных представляет собой целую экосистему, в которой обитает чрезвычайно разнообразная микробная флора.

Во многих случаях эти микроорганизмы играют решающую роль в переваривании пищи, помогая перевариванию питательных веществ, а в некоторых случаях могут синтезировать питательные вещества для хозяина..

Коэволютивные отношения между крио и сорока

У птиц есть очень специфическое явление, связанное с откладыванием яиц в чужих гнездах. Эта система коэволюции интегрированаКламатор гландариус) и его хозяин, сорока (Пика Пика).

Откладка яиц производится не случайно. Напротив, твари выбирают пары сорока, которые больше всего вкладывают в родительскую заботу. Таким образом, новый человек получит лучшую заботу от своих приемных родителей.

Как ты это делаешь? Использование сигналов, связанных с половым отбором хозяина, таких как большее гнездо.

В ответ на это поведение сороки уменьшили размер гнезда почти на 33% в областях, где существует криало. Таким же образом, они также имеют активную защиту гнезда.

Криало также может уничтожать яйца сороки, чтобы способствовать размножению своих птенцов. В ответ сороки увеличили количество яиц на гнездо, чтобы повысить их эффективность.

Самая важная адаптация — способность распознать паразитическое яйцо, чтобы изгнать его из гнезда. Хотя у птиц-паразитов развились яйца, очень похожие на яйца.

Определение коэволюции

Коэволюция происходит, когда два или более вида влияют на эволюцию другого. Строго говоря, коэволюция относится к взаимному влиянию между видами. Необходимо отличать его от другого события, называемого последовательной эволюцией, так как между этими явлениями обычно возникает путаница.

Последовательная эволюция происходит, когда один вид влияет на эволюцию другого, но то же самое не происходит в противоположном направлении — взаимности нет.

Термин был впервые использован в 1964 году исследователями Эрлихом и Равеном.

Работы Эрлиха и Ворона о взаимодействии чешуекрылых и растений вдохновили на последовательные исследования «коэволюции». Тем не менее, термин был искажен и со временем потерял смысл.

Однако первым, кто провел исследование, связанное с коэволюцией между двумя видами, был Чарльз Дарвин, когда в Происхождение вида (1859) упомянул отношения между цветами и пчелами, хотя он не использовал слово «коэволюция» для описания явления.

Определение слова Janzen

Таким образом, в 60-х и 70-х годах не было конкретного определения, пока Янцен в 1980 году не опубликовал записку, в которой удалось исправить ситуацию..

Этот исследователь определил термин коэволюция как: «характеристика особей популяции, которая изменяется в ответ на другую характеристику особей второй популяции, за которой следует эволюционная реакция второй популяции на изменение, произведенное в первой».

Хотя это определение является очень точным и предназначено для выяснения возможных двусмысленностей коэволюционного явления, оно не практично для биологов, так как его трудно доказать.

Точно так же простая совместная адаптация не подразумевает процесс коэволюции. Другими словами, наблюдение взаимодействия между двумя видами не является надежным доказательством того, что мы сталкиваемся с событием коэволюции..

Условия для совместной эволюции

Есть два требования к явлению коэволюции. Одним из них является специфичность, поскольку эволюция каждой характеристики или признака у вида обусловлена ​​избирательным давлением, оказываемым характером других видов, участвующих в системе..

Второе условие — взаимность — персонажи должны развиваться вместе (чтобы избежать путаницы с последовательной эволюцией).

Типы взаимодействия

Прежде чем углубляться в проблемы, связанные с коэволюцией, необходимо упомянуть типы взаимодействий, которые происходят между видами, поскольку они имеют очень важные эволюционные последствия.

конкуренция

Виды могут конкурировать, и это взаимодействие приводит к негативным последствиям для роста или размножения вовлеченных людей. Конкуренция может быть внутривидовой, если она происходит между представителями одного и того же вида, или межвидовой, когда особи принадлежат к разным видам..

В экологии применяется принцип конкурентного исключения. Эта концепция предполагает, что виды, которые конкурируют за одни и те же ресурсы, не могут конкурировать стабильно, если остальные экологические факторы остаются постоянными. Другими словами, два вида не занимают одну и ту же нишу.

В этом типе взаимодействия один вид всегда заканчивался, исключая другой. Или они разделены на некоторые измерения ниши. Например, если два вида птиц питаются одним и тем же и имеют одинаковые зоны отдыха, для продолжения сосуществования они могут иметь пики активности в разное время дня..

эксплуатация

Второй тип взаимодействия между видами — эксплуатация. Здесь вид X стимулирует развитие вида Y, но этот Y препятствует развитию X. Типичными примерами являются взаимодействия между хищником и его добычей, паразиты с хозяевами и растения с травоядными животными.

В случае травоядных животных происходит постоянная эволюция механизмов детоксикации против вторичных метаболитов, которые производит растение. Таким же образом, растение превращается в более эффективные токсины, чтобы убрать их.

То же самое происходит во взаимодействии с добычей хищников, когда жертва постоянно улучшает свои способности к бегству, а хищники повышают свои навыки атаки.

мютюэлизм

Последний тип отношений предполагает пользу или позитивные отношения для обоих видов, которые участвуют во взаимодействии. Говорят о «взаимной эксплуатации» между видами.

Например, взаимность, существующая между насекомыми и их опылителями, приводит к выгодам для обоих: насекомые (или любой другой опылитель) извлекают выгоду из питательных веществ растений, в то время как растения получают рассеивание своих гамет. Симбиотические отношения — еще один известный пример взаимности.

Теории и гипотезы

Есть несколько теорий, связанных с явлениями коэволюции. Среди них гипотеза географической мозаики и красная королева.

Географическая мозаичная гипотеза

Эта гипотеза была предложена в 1994 году Томпсоном и рассматривает динамические явления коэволюции, которые могут происходить в разных популяциях. Другими словами, каждый географический район или регион представляет свои локальные адаптации.

Процесс миграции особей играет фундаментальную роль, поскольку вход и выход вариантов имеют тенденцию к гомогенизации локальных фенотипов популяций..

Эти два явления — локальные адаптации и миграции — являются силами, ответственными за географическую мозаику. Результатом события является возможность найти разные популяции в разных коэволюционных состояниях, поскольку один дом с течением времени следует своей траектории.

Благодаря наличию географической мозаики можно объяснить тенденцию исследований коэволюции, проводимых в разных регионах, но с одним и тем же видом, которые несовместимы друг с другом или в некоторых случаях противоречивы..

Гипотеза Красной Королевы

Гипотеза Красной Королевы была предложена Ли Ван Валеном в 1973 году. Исследователь был вдохновлен книгой, написанной Льюисом Кэрроллом Алиса сквозь зеркало. В отрывке истории автор рассказывает, как персонажи бегут так быстро, как могут, и все еще остаются на том же месте..

Ван Вален разработал свою теорию, основанную на постоянной вероятности вымирания, испытываемой линиями организмов. То есть они не способны «улучшаться» со временем и вероятность вымирания всегда одинакова.

Например, хищники и жертвы испытывают постоянную гонку вооружений. Если в каком-то аспекте хищник улучшит свою способность к атаке, добыча должна будет улучшиться в такой же степени — если этого не произойдет, они могут исчезнуть.

То же самое происходит в отношениях паразитов с их хозяевами или у травоядных животных и растений. Это постоянное улучшение обоих вовлеченных видов известно как гипотеза Красной Королевы..