Αποσαφηνίσεις & η Φυσική Επιλογή εν Δράσει
Ο πληθυσμός ως μονάδα εξέλιξης, τοπικά και χρονικά προσδιορισμένη επιλογή, βιομηχανικός μελανισμός, ανθεκτικότητα στα αντιβιοτικά
Στο Μάντσεστερ του 1800 σχεδόν όλες οι πεταλούδες ενός είδους ήταν ανοιχτόχρωμες. Εκατό χρόνια μετά, σχεδόν όλες ήταν μαύρες. Και στα νοσοκομεία του κόσμου εμφανίζονται βακτήρια που δεν «νοιάζονται» για αντιβιοτικά που πριν από λίγες δεκαετίες τα σκότωναν. Είναι η εξέλιξη που συμβαίνει μπροστά στα μάτια μας.
Χρήσιμες αποσαφηνίσεις
1. Πού δρα η φυσική επιλογή; Στον πληθυσμό· ο πληθυσμός είναι η μικρότερη μονάδα που μπορεί να εξελιχθεί. Φαίνεται παράδοξο, αφού η επιλογή αφορά αλληλεπιδράσεις μεμονωμένων ατόμων με το περιβάλλον. Όμως ένα άτομο μπορεί να παρουσιάσει ένα, το πολύ, νέο χαρακτηριστικό — λόγω μετάλλαξης του γενετικού υλικού ή λόγω του περιβάλλοντος (επίκτητο γνώρισμα). Η εξέλιξη απαιτεί συσσώρευση πολλών νέων κληρονομήσιμων χαρακτηριστικών που εδραιώνονται σε πληθυσμούς διαδοχικών γενεών.
2. Η φυσική επιλογή είναι τοπικά και χρονικά προσδιορισμένη. Οι συνθήκες διαφέρουν από περιοχή σε περιοχή και από εποχή σε εποχή· ένα χαρακτηριστικό προσαρμοστικό σε μια περιοχή και χρονική στιγμή μπορεί να είναι άχρηστο ή και δυσμενές αλλού ή αργότερα.
Ποια είναι η μικρότερη μονάδα που μπορεί να εξελιχθεί;
Η φυσική επιλογή εν δράσει: Biston betularia
Η πεταλούδα Biston betularia (Αγγλία, Σκωτία) εμφανίζεται σε δύο παραλλαγές: ανοιχτόχρωμη με σκούρες κηλίδες και εξ ολοκλήρου μαύρη.
- Πριν από τη Βιομηχανική Επανάσταση οι κορμοί των δέντρων ήταν ανοιχτόχρωμοι. Οι ανοιχτόχρωμες πεταλούδες (που τρέφονται τη νύχτα και αναπαύονται την ημέρα στους κορμούς) διακρίνονταν δυσκολότερα από τα εντομοφάγα πτηνά → επικρατούσαν.
- Μετά, οι κορμοί μαύρισαν από τη βιομηχανική ρύπανση. Το πλεονέκτημα πέρασε στις μαύρες, πιο δυσδιάκριτες → βαθμιαία επικράτησαν (στις αρχές του 20ού αιώνα σχεδόν μοναδική παραλλαγή σε βιομηχανικές περιοχές, όπως το Μάντσεστερ).
Το φαινόμενο ονομάστηκε βιομηχανικός μελανισμός και έχει παρατηρηθεί σε δεκάδες είδη εντόμων.
Κρίσιμη επισήμανση: οι πεταλούδες δεν απέκτησαν νέο γνώρισμα επειδή μαύρισαν οι κορμοί (όπως θα υποστήριζε ένας οπαδός του Λαμάρκ)· η μαύρη παραλλαγή προϋπήρχε. Η φυσική επιλογή απλώς ευνόησε από τα υπάρχοντα κληρονομήσιμα χαρακτηριστικά εκείνο που έδινε μεγαλύτερες πιθανότητες επιβίωσης.
Άλλα παραδείγματα
- Ανθεκτικότητα βακτηρίων στα αντιβιοτικά: σε έναν πληθυσμό βακτηρίων μπορεί να υπάρχουν λίγα ανθεκτικά στελέχη (π.χ. λόγω μετάλλαξης). Το αντιβιοτικό σκοτώνει τα ευαίσθητα· τα ανθεκτικά επιβιώνουν, πολλαπλασιάζονται και επικρατούν. Η αλόγιστη χρήση αντιβιοτικών επιταχύνει τη διαδικασία.
- Πυρκαγιές και μεσογειακά φυτά: σε οικοσυστήματα όπου η φωτιά είναι περιοδική, επικράτησαν φυτά με μηχανισμούς αναγέννησης (υπόγειοι οφθαλμοί, σπέρματα που φυτρώνουν μετά τη φωτιά).
Η φυσική επιλογή είναι κόσκινο, όχι εργοστάσιο: δεν φτιάχνει νέα γνωρίσματα, κοσκινίζει αυτά που ήδη υπάρχουν στον πληθυσμό. Όταν αλλάζει το περιβάλλον (κορμοί, αντιβιοτικό), αλλάζει το «μέγεθος της τρύπας» του κόσκινου.
Γιατί ο βιομηχανικός μελανισμός δεν υποστηρίζει τη θεωρία του Λαμάρκ;
Μέθοδος: ανάλυση ενός παραδείγματος φυσικής επιλογής
- Ποια παραλλαγή υπήρχε ήδη στον πληθυσμό;
- Ποια αλλαγή του περιβάλλοντος έγινε (ρύπανση, αντιβιοτικό, φωτιά);
- Ποιος είναι ο επιλεκτικός παράγοντας (θηρευτές, αντιβιοτικό) και ποιους ευνοεί;
- Πώς αλλάζει η συχνότητα της παραλλαγής στις επόμενες γενιές;
- Έλεγχος: μήπως η απάντησή σου λέει ότι το γνώρισμα εμφανίστηκε λόγω ανάγκης; Αν ναι, είναι λαμαρκική — διόρθωσέ την.
Άσκηση: Να εξηγήσεις γιατί «η δράση της φυσικής επιλογής είναι τοπικά και χρονικά προσδιορισμένη», με παράδειγμα τη Biston betularia.
Λύση:
Το ίδιο γνώρισμα (μαύρο χρώμα) ήταν δυσμενές πριν από τη Βιομηχανική Επανάσταση (οι μαύρες ξεχώριζαν στους ανοιχτούς κορμούς) και προσαρμοστικό μετά (οι κορμοί μαύρισαν). Επίσης, σε μη βιομηχανικές περιοχές εξακολουθούσαν να ευνοούνται οι ανοιχτόχρωμες. Άρα το αν ένα χαρακτηριστικό είναι ευνοϊκό εξαρτάται από τον τόπο και τον χρόνο.
Άσκηση τύπου διαγωνίσματος: Σε ένα νοσοκομείο χρησιμοποιείται για χρόνια το ίδιο αντιβιοτικό και σταδιακά γίνεται αναποτελεσματικό. (α) Να εξηγήσεις το φαινόμενο με τη θεωρία της φυσικής επιλογής. (β) Γιατί το άτομο-βακτήριο δεν «εξελίσσεται»; (γ) Να προτείνεις ένα μέτρο.
Λύση:
(α) Στον αρχικό πληθυσμό υπήρχαν λίγα ανθεκτικά βακτήρια (π.χ. από μετάλλαξη). Το αντιβιοτικό σκότωνε τα ευαίσθητα· τα ανθεκτικά επιβίωναν, πολλαπλασιάζονταν και μεταβίβαζαν την ανθεκτικότητα. Γενιά με τη γενιά η συχνότητα των ανθεκτικών αυξανόταν, ώσπου επικράτησαν.
(β) Κάθε βακτήριο είτε είναι ανθεκτικό είτε όχι· η αλλαγή γίνεται στη σύνθεση του πληθυσμού σε διαδοχικές γενιές — ο πληθυσμός είναι η μονάδα της εξέλιξης.
(γ) Σωστή και όχι αλόγιστη χρήση αντιβιοτικών (μόνο όταν χρειάζεται, στη σωστή δόση και διάρκεια) και ανάπτυξη νέων αντιβιοτικών.
Η ιστορία της Biston betularia είχε και συνέχεια: μετά τους νόμους για καθαρότερο αέρα στη Βρετανία (από το 1956), οι κορμοί των δέντρων ξαναέγιναν ανοιχτόχρωμοι και οι μελετητές κατέγραψαν ότι οι ανοιχτόχρωμες πεταλούδες ξαναέγιναν οι πιο συχνές. Η φυσική επιλογή «γύρισε ανάποδα» — όπως προβλέπει η θεωρία.
Σε ένα δάσος το 90% μιας πεταλούδας είναι ανοιχτόχρωμο και το 10% μαύρο. Οι κορμοί μαυρίζουν από ρύπανση και σε κάθε γενιά τα πουλιά τρώνε το 50% των ανοιχτόχρωμων αλλά μόνο το 10% των μαύρων (υπόθεσε ότι όσα επιβιώνουν αφήνουν τον ίδιο αριθμό απογόνων και το χρώμα κληρονομείται πιστά). (α) Ποιο θα είναι το ποσοστό των μαύρων στην επόμενη γενιά; (β) Γιατί αυτό δείχνει ότι η επιλογή δρα στον πληθυσμό;
Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση
(α) Σε 100 πεταλούδες: επιβιώνουν ανοιχτόχρωμες και μαύρες, σύνολο 54. Ποσοστό μαύρων (από 10%).
(β) Καμία πεταλούδα δεν άλλαξε χρώμα· άλλαξε η συχνότητα των παραλλαγών στον πληθυσμό από γενιά σε γενιά. Με την επανάληψη του φαινομένου, οι μαύρες θα γίνουν η πλειονότητα.
Πότε ένα άτομο μπορεί να παρουσιάσει νέο χαρακτηριστικό;
- Το άτομο εξελίσσεται. Εξελίσσεται ο πληθυσμός, σε διαδοχικές γενιές.
- Η ρύπανση «έβαψε» τις πεταλούδες. Η μαύρη παραλλαγή προϋπήρχε· η ρύπανση άλλαξε ποια ευνοείται.
- Το αντιβιοτικό δημιουργεί την ανθεκτικότητα. Επιλέγει τα ήδη ανθεκτικά βακτήρια.
- Ένα γνώρισμα είναι πάντα ευνοϊκό. Η επιλογή είναι τοπικά και χρονικά προσδιορισμένη.
- Η φυσική επιλογή δρα στον πληθυσμό, τη μικρότερη μονάδα εξέλιξης· το άτομο αποκτά το πολύ ένα νέο γνώρισμα.
- Η επιλογή είναι τοπικά και χρονικά προσδιορισμένη.
- Biston betularia: βιομηχανικός μελανισμός· η μαύρη παραλλαγή προϋπήρχε και ευνοήθηκε όταν μαύρισαν οι κορμοί.
- Ανθεκτικότητα βακτηρίων στα αντιβιοτικά και προσαρμογές μεσογειακών φυτών στις πυρκαγιές.
- Η φυσική επιλογή «κοσκινίζει» υπάρχοντα κληρονομήσιμα γνωρίσματα — δεν τα δημιουργεί.