Różnorodność zwierząt

Kingdom Animalia składa się z szeregu organizmów, które łączy zestaw wspólnych cech. Poza kilkoma wyjątkami, zwierzęta są wielokomórkowymi eukariontami, które poruszają się, spożywają materię organiczną i rozmnażają się płciowo. Chociaż te cechy są wspólne, gatunki w tym królestwie są również niezwykle różnorodne. Ta różnorodność wynika z adaptacji każdego gatunku do innej niszy. Nisza gatunku obejmuje obszar, funkcję i wzajemne powiązania tego gatunku z innymi czynnikami biotycznymi i abiotycznymi w jego środowisku. Specjalizacja niszowa poprzez adaptację ewolucyjną pozwala gatunkom przetrwać i skutecznie rozmnażać się w swoim środowisku i zmniejsza konkurencję między gatunkami w tym samym siedlisku^1-2.

Klasyfikacja

Różnorodność w Kingdom Animalia doprowadziła do sklasyfikowania 36 odrębnych gromad, w oparciu o ich linię ewolucyjną. Omówiono siedem z tych typów, w tym Porifera, Cnidaria, Platyhelminthes, Annelida, Mollusca, Arthropoda i Chordata. Pierwsza, gromada Porifera, jest najwcześniejszą, najprostszą i najbardziej rodową gromadą. Obejmuje wielokomórkowe, asymetryczne gąbki filtracyjne, które nie mają wyraźnych warstw tkankowych. Co ciekawe, gąbki mogą odrastać po rozbiciu na poziom pojedynczej komórki. Następnie, zwiększając złożoność, gromada Cnidaria obejmuje meduzy i koralowce. Członkowie tej gromady są promieniście symetryczni i diploblastyczni (posiadający dwie warstwy tkanki). Te warstwy tkanki nazywane są endodermą, która tworzy warstwę wewnętrzną, i ektodermą, która tworzy warstwę zewnętrzną. Organizmy z gromady Cnidaria zawierają proste jelito z pojedynczym otworem, przez który dostaje się pokarm i wydalane są odpady. Zarówno Porifera, jak i Cnidaria obejmują organizmy, które jako dorosłe osobniki prowadzą w dużej mierze osiadły tryb życia. Jednak pozostałe gromady wyewoluowały adaptacje, które umożliwiają ruch i bardziej wyrafinowane zachowanie.

Po Cnidaria istnieją dwie gromady robaków, zwane Platyhelminthes i Annelida. Robaki z obu tych typów oddychają, wymieniając gazy na skórze. W rezultacie większość robaków ma duży stosunek powierzchni do objętości i żyje w środowisku wilgotnym lub wodnym. Skóra tych organizmów musi pozostać wilgotna, aby ułatwić skuteczną dyfuzję gazów. Inną wspólną cechą robaków jest ich dwustronna symetria. Oznacza to, że organizm może być symetrycznie podzielony na pół wzdłuż płaszczyzny. Symetria obustronna jest widoczna nie tylko u robaków, ale także w każdej gromadzie od tego punktu ewolucyjnego. Taka symetria jest ważna, aby umożliwić ukierunkowany ruch i skoncentrować narządy zmysłów w pobliżu przedniego czubka lub głowy, gdzie wchodzą w interakcję z otoczeniem. Robaki, a później gromada, zawierają również dodatkową warstwę tkankową zwaną mezodermą, która leży między ektodermą a endodermą. W rezultacie organizmy te są uważane za "triploblastyczne".

Z dwóch gromad robaków Platyhelminthes jest bardziej starożytny i prosty. Należą do nich płazińce i przywry, które mogą być wolno żyjące lub pasożytnicze. Podobnie jak parzydełkowce, posiadają proste jelito z pojedynczym otworem. Gromada Annelida jest bardziej złożona, obejmuje dżdżownice, ługi i wieloszczety. Organizmy te zawierają jamę ciała, zwaną coelom, między jelitem a ścianą ciała. Różnią się również ze względu na segmentację ich ciał. Podział organizmu na segmenty był ważnym krokiem ewolucyjnym, umożliwiającym adaptację każdego segmentu do wyspecjalizowanych form i funkcji. Główne postępy ewolucyjne w tej gromadzie obejmują rozwój przednich segmentów z wyrostkami wyspecjalizowanymi do chwytania i przetwarzania pokarmu, jak również tylnych segmentów z wyrostkami wyspecjalizowanymi do poruszania się.

Następny gromada, Mollusca, zawiera wysoce zróżnicowane morfologicznie organizmy, w tym ośmiornice, ślimaki, ślimaki i małże. Istnieje kilka cech definiujących tę grupę. Jednak wszystkie posiadają płaszcz, który działa jak osłona ochronna dla narządów oddechowych, przewodu pokarmowego i struktur rozrodczych. Następną najbardziej zróżnicowaną grupą organizmów jest gromada Arthropoda. Sama ta gromada stanowi około trzech czwartych wszystkich znanych obecnie żyjących i wymarłych gatunków, w tym skorupiaków, owadów i pajęczaków. Wszyscy członkowie tej gromady mają twardą, zewnętrzną powłokę wykonaną z chityny, zwaną egzoszkieletem. Ten egzoszkielet jest okresowo zrzucany, aby nowy, większy zajął jego miejsce. Podobnie jak Annelida, stawonogi są podzielone na segmenty. Jednak zamiast wielu powtarzających się sekcji, stawonogi są podzielone na trzy odrębne segmenty zwane głową, klatką piersiową i brzuchem. Większość z nich ma wyspecjalizowane struktury czuciowe przymocowane do głowy zwane antenami.

Wreszcie gromada Chordata obejmuje wszystkie zwierzęta z kręgosłupem i kilka bez. Dwie cechy charakterystyczne, które łączą tę grupę, to obecność struny nerwowej i struny grzbietowej. Rdzeń nerwowy jest główną częścią układu nerwowego struny, a struna grzbietowa jest strukturą chrzęstną, która biegnie między rdzeniem nerwowym a przewodem pokarmowym. Gromada Chordata obejmuje osłonice (które tracą rdzeń nerwowy i strunę grzbietową po metamorfozie z stadium larwalnego do dorosłego życia), ryby,, ptaki, i ssaki (w tym ludzie)³.

Forma i funkcja

Ogromna różnorodność w budowie ciała, siedliskach i zachowaniu obserwowana we wszystkich 36 typach w Kingdom Animalia jest naprawdę zdumiewająca. Aby lepiej zrozumieć te różnice, ważne jest, aby wziąć pod uwagę związek między formą a funkcją. "Forma" oznacza po prostu kształt, rozmiar i substancję struktury lub organizmu, podczas gdy "funkcja" oznacza sposób, w jaki ta struktura jest używana. W związku z tym funkcję struktury można przewidzieć na podstawie obserwowanej postaci lub odwrotnie. Na przykład przewiduje się, że ptak specjalizujący się w rozłupywaniu twardych orzechów będzie miał mocny, ostry dziób, podczas gdy ptak, który je owoce, może mieć mniejszy, bardziej zaokrąglony dziób.

Co ważne, forma organizmu jest ograniczona przez jego wymagania fizjologiczne. Na przykład wszystkie zwierzęta muszą spożywać i trawić materię organiczną oraz wymieniać gazy z otoczeniem. W związku z tym wszelkie adaptacje do formy zwierzęcia muszą nadal skutecznie ułatwiać te procesy. Na przykład u mniejszych zwierząt dyfuzja gazów po skórze jest możliwa i często przydatna. Jednak wraz ze wzrostem wielkości zwierzęcia jego stosunek powierzchni do objętości zmniejsza się, aż dyfuzja przez skórę nie jest już w stanie zapewnić wystarczającej wymiany gazowej. Takie większe zwierzęta rozwinęły złożone systemy radzenia sobie z wymianą gazową, takie jak płuca wieloryba lub skrzela ryby. W rezultacie morfologia systemów wymiany gazowej zależy zarówno od wielkości organizmu, jak i jego środowiska.

Podobnie, z innymi typami adaptacji, na ogół wynika to, że forma podąża za funkcją, ograniczoną jedynie przez fizjologiczne wymagania organizmu. Zdarzają się jednak przypadki, w których forma nie podąża za funkcją. Struktury szczątkowe to te, które służyły celowi u przodka organizmu, ale nie są już użyteczne w swojej obecnej formie. Takie struktury mają niewielki lub żaden wpływ na przystosowanie osobnika, a zatem nie są ewolucyjnie selekcjonowane za lub przeciw w obrębie populacji. W rezultacie niektóre struktury utrzymują się z ograniczoną zdolnością funkcjonalną. Na przykład ludzki wyrostek robaczkowy, mała kieszeń na końcu jelita grubego, jest ewolucyjną pozostałością po naszych przodkach. Chociaż przypuszcza się, że struktura ta przechowuje pożyteczne bakterie jelitowe, usunięcie wyrostka robaczkowego jest możliwe bez szkodliwych skutków.

Ewolucja konwergentna

Wśród adaptacji widocznych w Kingdom Animalia, wiele z nich rozwijało się wielokrotnie w historii ewolucji. Weźmy na przykład skrzydła nietoperza i ptaka. Struktury te nie są wynikiem ewolucyjnego pokrewieństwa, ale powstały w wyniku ewolucji zbieżnej4. Ewolucja konwergentna zachodzi, gdy dwa organizmy niezależnie ewoluują podobne cechy z powodu podobnych presji środowiskowych lub nisz. Skrzydła nietoperzy, ptaków i wypustki rozwinęły się niezależnie i mówi się, że są to "cechy zbieżne". Oczywiście takie cechy są bardzo korzystne dla nisz, w których powstają.

Odwołania

1. Hollins, J. i in. (2018). "Fizjologiczne spojrzenie na ewolucję wywołaną przez rybołówstwo". Evol Appl 11(5): 561-576.
2. Leong, M. i in. (2017). "Siedliska zapewniane przez człowieka: czynniki wpływające na różnorodność i skład stawonogów w domach". Sci Rep 7(1): 15347.
3. Wray, GA (2015). "Zegary molekularne i wczesna ewolucja układów nerwowych metazoan". Philos trans r soc lond b biol sci 370 (1684).
4. Foll, M. i in. (2014). "Powszechne sygnały zbieżnej adaptacji do dużych wysokości w Azji i Ameryce". Am J Hum Genet 95(4): 394-407.

Co oprócz nazw mają ze sobą wspólnego konie i koniki morskie? Chociaż wyglądają bardzo różnie, oba są zwierzętami. Ogólnie rzecz biorąc, definiujemy zwierzęta jako organizmy wielokomórkowe, które są ruchliwe, co oznacza, że są zdolne do niezależnego ruchu, zużywają materię organiczną na energię i są zdolne do rozmnażania płciowego. Gatunki wyewoluowały swoje różne cechy z określonymi funkcjami, aby zmaksymalizować ich przydatność w swoich siedliskach, takich jak na przykład płuca i skrzela. Dobrą zasadą jest to, że forma podąża za funkcją, co oznacza, że funkcję funkcji można przewidzieć na podstawie jej struktury i wyglądu. Na przykład różne gatunki zięb na Wyspach Galapagos wyewoluowały różne dzioby do określonych diet, takie jak cienkie dzioby do spożywania nektaru i grube dzioby do otwierania dużych nasion. W ten sposób możemy przewidzieć dietę gatunku, obserwując struktury związane z żerowaniem.

Pewne cechy wyznaczają punkty rozgałęzień na drzewie ewolucyjnym i jest to prawdą na całej długości drzewa życia zwierzęcego. Jeśli spojrzymy na podstawową strukturę drzewa ewolucyjnego zwierząt, zobaczymy, że jest ono podzielone na wiele różnych typów, z których każda jest zdefiniowana przez główne wspólne cechy. Przyjrzyjmy się im pokrótce.

Pierwszą główną gromadą jest Porifera, co oznacza po prostu łożysko porów. Stacjonarne jako dorosłe Porifera zawierają podajniki filtrów, takie jak gąbki. Brak symetrii i wyraźnych warstw tkankowych oddziela Porifera od innych grup i daje im ogromną zdolność regeneracji, gdzie cały organizm może odrosnąć z małej grupy komórek.

Następna gromada, Cnidaria, obejmuje ukwiały i meduzy, a grupa ta charakteryzuje się mackami z wyspecjalizowanymi komórkami w końcówkach, których używają do żądlenia i ujarzmiania zdobyczy. Parzydełkowce są promieniście symetryczne, ponieważ można je podzielić na równe części wzdłuż osi centralnej i posiadają dwie warstwy tkankowe, endodermę wewnątrz i ektodermę na zewnątrz. Umożliwiło to parzydełkowcom rozwinięcie prostego jelita z pojedynczym otworem.

Platyhelminthes, dosłownie oznaczające płazińce, to nasza kolejna grupa. Płazińce wykazują dwustronną symetrię, co oznacza, że mają połówki lustrzanego odbicia wzdłuż jednej osi. Obustronna symetria umożliwiła cefalizację, która jest koncentracją narządów zmysłów w pobliżu przedniego końca lub głowy, gdzie zwierzęta te będą stale wchodzić w interakcje z otoczeniem. Cefalizacja z kolei umożliwiła ruch kierunkowy, taki jak przemieszczanie się w kierunku źródła pożywienia. Platyhelminthes rozwinął również trzecią warstwę tkanki, mezodermę, która jest umieszczona między ektodermą a endodermą.

W miarę jak zwierzęta stawały się coraz bardziej złożone, to właśnie segmentowana gromada, pierścienice, takie jak dżdżownice, rozwinęła jamę ciała wyłożoną mezodermą, zwaną celomem. Ta nowa cecha umożliwiła dalszą specjalizację tkanek i utorowała drogę do rozwoju narządów.

Złożoność tej specjalizacji wzrasta w przypadku mięczaków, grupy, która obejmuje plany ciała tak różnorodne, jak ośmiornice, ślimaki i małże. Ta grupa ma wiele wyspecjalizowanych organów pokrytych i utrzymywanych na miejscu za pomocą płaszcza.

Stawonogi są prawdopodobnie najbardziej zróżnicowaną gromadą i obejmują owady, skorupiaki i pajęczaki. Była to pierwsza grupa, która rozwinęła przegubowe wyrostki i dlatego zostały odpowiednio nazwane. Mają również czułki czuciowe, a ich ciała są podzielone na trzy wyspecjalizowane segmenty, głowę, klatkę piersiową i brzuch, wszystkie pokryte egzoszkieletem.

Wreszcie, gromada strunowców obejmuje naszego starego przyjaciela zjadacza nasion i wszystkie inne ptaki, a także osłonice lub żachwy morskie, ryby, płazy, gady i ssaki. Strunowce zawdzięczają swoją nazwę nowej cesze fizycznej, którą rozwinęły, rdzeniowi nerwowemu, wyraźnie widocznemu w tym typowym zarodku strunowca. Rozwija się w mózgu i rdzeniu kręgowym u większości dorosłych. Mają również strukturę chrzęstną, strunę grzbietową, która staje się kręgosłupem lub kręgosłupem.

Tutaj scharakteryzowaliśmy główną gromadę zwierząt w niezwykle uproszczony sposób. Ale jak widać, nawet w obrębie jednej gromady można znaleźć wiele różnic w formie i funkcji. Oznacza to, że możemy obserwować różnorodne struktury i fizjologie różnych członków tej samej gromady oraz przewidywać ich funkcje i historie życia.

W tym laboratorium będziesz obserwować struktury raków i świerszczy oraz przewidywać ich funkcje.