13. Lajiutuminen

Keskeinen kysymys

2018-11-19T04:47:11+02:00

Miten uusia lajeja kehittyy?

Luvun sisältö

2018-03-15T06:45:34+02:00

13. Johdanto

13.1 Miten uudet lajit syntyvät?
13.2 Lisääntymisesteet ovat osoitus lajiutumisesta
13.3 Allopatrinen lajiutuminen johtuu maantieteellisestä isolaatiosta
13.4 Sympatrinen lajiutuminen tapahtuu ilman maantieteellistä isolaatiota

13.5 Sopeutumislevittäytyminen
13.6 Kotoperäiset eli endeemiset lajit
13.7 Koevoluutio
13.8 Konvergenttinen ja divergenttinen evoluutio

13. Johdanto

2016-05-04T04:53:34+03:00

Evoluutio on luonnonilmiö, jossa populaatiot ja lajit muuttuvat vähitellen niin, että jälkeläiset ovat kantamuotoihinsa verrattuna erilaisia. Lajiutuminen tarkoittaa uuden lajin kehittymistä.

Kaikki maapallolla eläneet ja nykyisin elävät lajit ovat syntyneet lajiutumisen kautta. Mitä tekijöitä lajiutuminen vaatii?

Opetus.tv: Mitä evoluutio on ? I

Opetus.tv: Mitä evoluutio on ? II

13.1 Miten uudet lajit syntyvät?

2017-11-12T09:38:17+02:00

Biologisen lajimääritelmän mukaan yksilöt, jotka lisääntyvät keskenään ja saavat lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä, kuuluvat samaan lajiin. Niinpä yksilöt, joiden välillä on lisääntymisesteitä, kuuluvat eri lajeihin.

Tämä määritelmä ei ole kovin käyttökelpoinen: sillä ei pysty ottamaan kantaa esimerkiksi suvuttomasti lisääntyvien eliöiden, kuten bakteerien, lajisuhteisiin.

Tarhaolosuhteissa myös lajit, jotka ovat melko kaukaista sukua, voivat lisääntyä keskenään, vaikka sitä ei koskaan tapahtuisi luonnossa. Esimerkiksi halli ja itämerennorppa lisääntyivät Tukholmassa Skansenin altaassa vuonna 1928, vaikka luonnossa tällaista risteymää ei ole koskaan havaittu.

Halli eli harmaahylje.

Toinen tapa hahmottaa lajeja on fylogeneettinen lajimääritelmä: samaan lajiin kuuluvat yksilöt muodostavat yhden yhtenäisen sukupuun haaran. Näin ollen saman lajin populaation välillä tapahtuu geenivirtaa: yksilöt siirtyvät vapaasti populaatiosta toiseen, jolloin eri populaatioiden alleelit sekoittuvat, eikä yksikään populaatio pääse erilaistumaan omaan kehityssuuntaansa.
Fylogeneettinen lajimääritelmä: samaan lajiin kuuluvat yksilöt muodostavat yhden yhtenäisen sukupuun haaran.

Lajin eri populaatiot voivat elää hyvin erilaisissa ympäristöissä. Erilaisissa olosuhteissa menestyvät ominaisuuksiltaan erilaiset yksilöt. Valinnan seurauksena voi eri alueiden populaatioiden välille muodostua perinnöllisiä eroja, jolloin populaatioiden geenikoostumus muuttuu. Kehitystä, jossa saman lajin populaatiot muuttuvat perimältään erilaisiksi, sanotaan mikroevoluutioksi. Tämä on evoluution perusaskel.

Kun populaatioiden välille tulee lisääntymiseste, populaatioiden välinen geenivirta estyy. Tämä voi johtaa lajiutumiseen. Jos populaatioiden välillä ei ole geenivirtaa, populaatiot kehittyvät erilaisiin suuntiin ja populaatioista voi kehittyä uusia lajeja. Tätä kutsutaan makroevoluutioksi.

13.2 Lisääntymisesteet ovat osoitus lajiutumisesta

2017-08-29T22:35:08+03:00

Lisääntymisesteet ovat eliön ominaisuuksia, jotka estävät lajien risteytymisen keskenään tai heikentävät lajiristeymien selviämistä. Tunnetuin esimerkki lisääntymisesteestä on maantieteellinen isolaatio – sen lisäksi lisääntymisesteisiin kuuluvat parittelua ja hedelmöitystä edeltävät ja niiden jälkeiset lisääntymisesteet. Lisääntymisesteet ovat osoitus siitä, että saman lajin kaksi populaatiota ovat kehittyneet eri lajeiksi.

Uuden lajin kehittymiseen vaaditaan geenivirran loppuminen eli isolaatio. Maantieteellinen isolaatio voi johtua esimerkiksi populaatioiden välissä olevasta epäedullisesta alueesta, kuten merestä, vuoristosta tai aavikosta. Lajin populaatioita voivat erottaa myös pienemmät tekijät, kuten moottoritie, pelto tai asuinalue.

Kun kaksi saman lajin populaatiota eristyy maantieteellisesti toisistaan, populaatioiden välillä ei enää tapahdu geenivirtaa. Esimerkiksi tiikeri ja leijona eivät voi risteytyä luonnossa, koska ne elävät eri alueilla (tiikeri Aasiassa ja leijona Afrikassa). Tiikerin ja leijonan lajiristeymiä voi syntyä tarhaoloissa. Tätä lajiristeymää sanotaan leikeriksi.

Kuvassa oleva tiikerin ja leijonan risteymä (liikeri eli leikeri) voi syntyä tarhaoloissa.

Joskus myös samalla alueella elävien lajin populaatioiden välille voi syntyä lisääntymiseste, jolloin geenivirta voi katketa. Tällöin populaatiot elävät samalla alueella, mutta niillä on esimerkiksi erilainen ekologinen lokero. Samalla alueella elävien populaatioiden välisenä lisääntymisesteenä voi toimia esimerkiksi käyttäytyminen: vaikkapa lajien soidin ja siihen liittyvät signaalit voivat olla niin erilaisia, että lajien välistä parittelua ei pääse tapahtumaan.

Esimerkiksi monet suulat näyttävät samalta ja pesivät samoilla alueilla. Niillä on kuitenkin pitkä ja muista suulalajeista eroava soidintanssi, jonka sekä naaras että koiras on osattava kokonaisuudessaan. Ellei toinen osapuoli osaa jotain tanssin vaihetta, se ei pääse parittelemaan.

Suulien parinmuodostukseen liittyvät kosinta- ja soidinmenot ovat moniosainen ja pitkä käyttäymisrituaali. Sen tarkoituksena varmistaa, että vain saman lajin yksilöt parittelevät keskenään.

Joskus lisääntymisesteenä on se, että lajien sukusolut eivät voi yhtyä. Esimerkiksi eri kasvilajeilla siitepölyhiukkaset voivat olla kemiallisesti ja rakenteellisesti niin erilaisia, että ne eivät pysty hedelmöittämään toiseen lajiin kuuluvaa kukkaa.

Kaksi toisilleen läheistä sukua olevat lajit voivat joskus paritella ja saada jälkeläisiä. Risteytymisen tuloksena syntyneiden jälkeläisten (esimerkiksi hevosen ja aasin jälkeläisen eli muulin) elinkyky tai lisääntymiskyky voi kuitenkin olla heikentynyt, eli niiden fertiliteetti on alentunut. Myös lisääntymisajankohdan erot, kuten eriaikainen kutu, kukinta tai pariutumisaika, voivat toimia lisääntymisesteenä.

Ennen hedelmöitystä olevat isolaatiomekanismit
Isolaatiomekanismi	Esimerkki
Erilaiset elinympäristöt	Populaatiot eivät kohtaa, esimerkiksi metsäkirvinen pesii metsässä, niittykirvinen avoimilla paikoilla.
Käyttäytymiserot	Synnynnäiset soidinliikkeet ovat niin erilaiset, että parittelua ei tapahdu. Esimerkiksi sorsilla.
Lisääntymisen ajankohta	Esimerkiksi keväällä ja kesällä lisääntyvät kalalajit.
Siittiö tai siitepölyhiukkanen ei hedelmöitä munasolua	Vaikka kasvin pölytys tai eläinten siitos onnistuisi, hedelmöitys ei onnistu sukusolujen erilaisten ominaisuuksien seurauksena.

Hedelmöityksen jälkeiset isolaatiomekanismit
Isolaatiomekanismi	Esimerkki
Risteymien elossasäilyvyys	Risteymät eli hybridit kuolevat ennen lisääntymisikää.
Risteymä steriili	Risteymä ei pysty tuottamaan hyvälaatuisia sukusoluja. Esimerkiksi hevosen ja aasin risteymä eli muuli ei pysty tuottamaan lisääntymisen mahdollistavia sukusoluja.

Opetus.tv: isolaatiomekanismit

13.3 Allopatrinen lajiutuminen johtuu maantieteellisestä isolaatiosta

2018-08-21T07:43:53+03:00

Esimerkiksi vuoriston tai meren aiheuttaman maantieteellisen isolaation seurauksena tapahtuvaa lajiutumista kutsutaan allopatriseksi lajiutumiseksi. Useimmiten allopatrinen lajiutuminen on tapahtunut ympäristömuutosten tai mannerliikuntojen takia. Esimerkiksi merenkorkeuden vaihtelut ovat esimerkiksi eristäneet hyljepopulaatiota, kuten saimaannorpan ja laatokannorpan, omille alueilleen. Jääkauden aikaiset ympäristönmuutokset ovat merkittävä Euroopan lajiston lajiutumisen selittäjä.

Toisistaan eristyksissä olevat populaatiot kehittyvät geneettisesti eri suuntiin, ja niiden välille kehittyy myös muita lisääntymisesteitä. Lopulta populaatioiden välillä on niin paljon perinnöllisiä eroja, etteivät näiden eri populaatioiden yksilöt enää pysty lisääntymään keskenään, vaikka populaatiot kohtaisivat myöhemmin uudestaan.

13.4 Sympatrinen lajiutuminen tapahtuu ilman maantieteellistä isolaatiota

2018-08-21T07:55:10+03:00

Sympatrinen lajiutuminen tapahtuu ilman maantieteellistä isolaatiota, kun samalla alueella elävät populaatiot eivät voi jostain syystä lisääntyä keskenään. Sympatrisessa lajiutumisessa laji voi hajota kahdeksi tai useammaksi lajiksi, kun esimerkiksi jotkut populaation mutatoituneet yksilöt erikoistuvat käyttämään eri ravintokasvia. Tällöin populaatiot elävät samalla alueella, mutta niillä on erilainen ekologinen lokero. Populaatioiden välille kehittyy vähitellen mutaatioiden seurauksena lisääntymisesteitä ja lopulta ne eivät kykene lisääntymään keskenään vaikka alkuperäinen lajiutumiseste purkautuisikin.

Äskettäin havaittiin, että eteläisellä Itämerellä elää kampela, ja vähäsuolaisilla alueilla elää oma kampelalaji, itämerenkampela. Sen oletetaan lajiutuneen muutaman tuhannen vuoden aikana.

Sympatrinen lajiutuminen voi olla myös äkillistä. Kasveilla kromosomistomutaatioiden aiheuttamat kromosomiluvun moninkertaistumiset voivat aiheuttaa uuden lajin synnyn nopeasti ilman maantieteellistä isolaatiota. Kromosomistomutaatioilla on tärkeä merkitys kasvien evoluutiossa.

Nopeimmillaan lajiutuminen voi alkaa vain yhden geenin mutaatiosta. Kotiloilla mutaatio yhdessä geenissä voi saada kuoren kiertymään vastapäivään. Tämä johtaa lisääntymisesteeseen, koska eri suuntiin kiertyneet kotilot eivät pysty parittelemaan keskenään. Lopputuloksena voi olla kaksi eri kotilolajia. Yleensä lajiutuminen on kuitenkin hidas tapahtumaketju.

Nopeimmillaan lajiutuminen voi alkaa vain yhden geenin mutaatiosta. Kotiloilla mutaatio yhdessä geenissä voi saada kuoren kiertymään vastapäivään.

Opetus.tv: lajiutuminen

13.5 Sopeutumislevittäytyminen

2017-11-12T09:39:25+02:00

Sopeutumislevittäytymisessä uusia kehityslinjoja tai lajeja syntyy yhdestä kantamuodosta. Tästä esimerkkinä ovat Galapagossaarilla elävät darwininsirkut, jotka Charles Darwin löysi tutkimusmatkallaan 1800-luvulla. Kullakin saarella elää oma kotoperäinen sirkkulajinsa, mutta kaikki sirkkulajit ovat polveutuneet samasta kantamuodosta. Lajiutumista tapahtui, kun eri alueille ja saarille levittäytyneet populaatiot sopeutuivat omiin ympäristöihinsä ja kehittyvät omiin suuntiinsa.

Darwininsirkkulajit ovat sopeutuneet oman saarensa elinolosuhteisiin erikoistumalla tiettyyn ravintoon. Joidenkin sirkkulajien ravintona ovat kasvinosat (silmut ja hedelmät) ja toisten lajien ravintona ovat hyönteiset tai siemenet. Erilaisiin ravintokohteisiin erikoistuminen näkyy erityisesti nokan muodossa. Kaikki darwininsirkkulajit ovat keskenään läheistä sukua, mutta maantieteellinen isolaatio on edistänyt niiden lajiutumista.

Sopeutumislevittäytymistä edeltää usein ympäristömuutos, edeltävien eliömuotojen sukupuuttoon kuoleminen tai eliöryhmän siirtyminen uusille elinalueille. Evoluution aikana on tapahtunut useita massasukupuuttoja, joista tunnetuin esimerkki on hirmuliskojen sukupuuttoon kuoleminen 65 miljoonaa vuotta sitten. Tämä massasukupuutto tyhjensi ekologiset lokerot antaen tilaa uusille eliöryhmille. Tästä alkoi nisäkkäiden valtakausi, kun uusia lajeja syntyi nopeasti sopeutumislevittäytymisen kautta.

Toisinaan avainsopeuma voi johtaa sopeutumislevittäytymiseen: täysin uusi evolutiivinen innovaatio voi avata uusia ekolokeroita, joita ei ole aiemmin ollut olemassa. Esimerkiksi lintujen lentokyvyn kehittyminen oli avainsopeuma, joka mahdollisti uusien elinympäristöjen valtaamisen ja toi valintaedun linnuille. Tämä mahdollisti myös voimakkaan lajiutumisen.

13.6 Kotoperäiset eli endeemiset lajit

2017-11-12T09:39:53+02:00

Maantieteellisesti isoloituneille alueille, kuten syrjäisiin saariin tai järviin, voi kehittyä vain siellä tavattavia lajeja. Tällaisia lajeja kutsutaan kotoperäisiksi eli endeemisiksi lajeiksi.

Kotoperäisiä lajeja tavataan esimerkiksi Galápagossaarilla ja Australiassa. Myös saimaannorpasta voi kehittyä endeeminen laji, jos se erilaistuu edelleen norpasta alalajin asemasta omaksi lajikseen.

Lajien suojelussa keskitytään alueille, joissa on paljon endeemisiä lajeja. Tällaisia alueita ovat muun muassa sademetsät ja syrjäiset saariryhmät.

Valokuvan kummistuseläin on kädellisten lahkoon kuuluva yöeläin. Kummituseläimet elävät suppealla alueella Kaakksois-Aasian saarilla.

13.7 Koevoluutio

2017-11-12T09:40:28+02:00

Koevoluutiolla eli yhteisevoluutiolla tarkoitetaan kahden lajin välistä toisistaan riippuvaa evolutiivista kehitystä. Toisin sanoen lajit vaikuttavat toistensa evoluutioon.

Lajit, jotka ovat keskenään läheisessä vuorovaikutuksessa eli symbioosissa, ovat usein kehittyneet toistensa mukana tällaisessa rinnakkaisevoluutiossa vuosimiljoonien ajan.

Koevoluutio voi olla molempia hyödyttävää muutosta: jotkut akaasialajit kasvattavat okasiinsa pullistumia, joiden sisälle muurahaiset rakentavat pesiään. Akaasia tarjoaa muurahaiselle asuinpaikan, ja muurahaiset puolestaan puolustavat akaasiaa kasvinsyöjiä vastaan (kuva).

Pölytys on yksi yleinen koevoluution kohde. Eräillä kolibreilla on pitkät kaarevat nokat, jotka ovat kehittyneet etsimään sokeripitoista mettä syvistä kukista varmistaen samalla kasvilajin pölytyksen.

Koevoluutio voi olla myös kilpavarustelua, jossa toinen osapuoli kärsii toisesta. Esimerkiksi loisen ja isäntälajin välinen vuorovaikutteinen kehitys on myös esimerkki rinnakkaisevoluutiosta. Isäntä pyrkii jatkuvasti kehittämään uusia puolustautumisen keinoja, kuten muutoksia käyttäytymiseensä tai immuunipuolustukseen, ja vastaavasti loinen pyrkii vastaamaan näihin muutoksiin.

Koevoluutio voi myös tarkoittaa yhteistä lajiutumista. Esimerkiksi ulkoloiset ovat lajiutuneet samalla kuin isäntälajinsakin. Ihmisapinoiden päätäit jakavat yhteisen esimuodon, jonka evoluutiohistoria vastaa tismalleen ihmisapinoiden evoluutiohistoriaa: ihmistäin läheisimmät sukulaiset ovat simpanssien ja bonoboiden täitä, jotka erosivat ihmisen täistä noin seitsemän miljoonaa vuotta sitten. Tämä vastaa täysin oletettua ihmisten ja simpanssien lajiutumisaikaa.

Aina tämä malli ei pidä paikkansa: esimerkiksi ihmisten satiaisten lähimmät sukulaiset ovat gorilloilla, ja näiden lajiutuminen tapahtui noin kolme miljoonaa vuotta sitten, kun gorillat ja ihmiset olivat jo selvästi eri lajeja.

Kolibrit ovat usein erikoistuneet hankkimaan mettä pitkäteriöisistä kukista kaarevalla ja ohuella nokallaan.

Kolibrit ovat riippuvaisia kukan medestä ja kukka puolestaan linnusta pölyttäjänä. Siksi kolibreille on kehittynyt pitkä nokka ja kukalle syvä teriö. Tämä on esimerkki rinnakkaisevoluutiosta.

13.8 Konvergenttinen ja divergenttinen evoluutio

2017-11-12T09:43:36+02:00

Eri eliöryhmiin ja kehityslinjoihin kuuluvat eliölajit voivat kehittyä rakenteeltaan ja toiminnaltaan toisiaan muistuttaviksi, vaikka niillä ei ole samaa kantamuotoa. Kehittyminen toisiaan vastaavaksi selittyy samankaltaisissa ympäristöissä (ekologinen lokero) vallinneen samansuuntaisen valinnan avulla. Tällöin lajeille on kehittynyt samanlainen sopeuma samankaltaiseen ympäristöön.

Delfiinillä ja hailla on hyvin samanlainen virtaviivainen ruumiinmuoto, joka on sopeuma uimiseen vedessä. Tämä on konvergenttista evoluutiota, koska delfiinin esimuodot olivat maalla liikkuvia nelijalkaisia eläimiä, kun taas hait ovat kehittyneet vedessä uivista nahkiaismaisista alkukaloista.

Toinen esimerkki konvergenttisesta evoluutiosta on isopandan ja kädellisten peukalon kehittyminen. Isopanda vaatii bambun käsittelyä varten tarttuvan otteen, joten sille on kehittynyt ranteen luista peukalo. Kädellisillä, esimerkiksi ihmisellä, peukalo on syntynyt sormen luista.

Populaation jakautuessa isolaation eristämiksi osapopulaatioiksi voivat osapopulaatiot kehittyä geneettisesti erilaisiksi. Tämä voi johtaa vähitellen uuden lajin syntyyn. Tätä kutsutaan divergenttiseksi evoluutioksi. Virtahevot ovat valaiden lähin nykyisin elävä sukulainen. Molemmat lajit ovat muodostuneet yhteisestä maalla ketterästi liikkuvasta esimuodosta. 55 miljoonaa vuotta kestäneen evoluution aikana lajien ulkomuoto on kuitenkin muuttunut hyvin erilaiseksi divergentin evoluution takia.

Kuvagalleria: Lajiutuminen

2021-03-02T06:29:10+02:00

: Galapagossaarille on kehittynyt omia sirkkulajeja. Eri lajit ovat erikoistuneet käyttämään erilaista ravintoa, joten sirkkujen nokkien rakenne on eri lajien välillä hyvin erilainen. Kuvassa kaktussirkku (vasen) ja maasirkku (oikea).
: Havaijinhanhi eli nene on Havaijisaarten endeeminen laji. Vähimmillään maailmassa eli vain 30 nene-yksilöä.
: Koirat polveutuvat sudesta. Koirapopulaatiot muuttuivat jatkuvasti omanlaisikseen luonnonvalinnan ja ihmisen suorittaman valintajalostuksen seurauksena. Tämä on mikroevoluutiota. Koiran ja suden välinen perinnöllinen muuntelu on vähäistä. Ne voivat saada lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä. Kuvat: susi, siperianhusky ja chihuahua. Kaikki koirarodut kuuluvat lajiin koira.
: Nopeimmillaan lajiutuminen voi alkaa vain yhden geenin mutaatiosta. Kotiloilla mutaatio yhdessä geenissä voi saada kuoren kiertymään vastapäivään.
: Luonnonkatastrofit, kuten tulivuorenpurkaukset, voivat vaikuttaa populaation alleelijakaumaan ilman luonnonvalintaa.
: Pullonkaulailmiö. Eriväriset helmet esittävät populaation perinnöllisesti erilaisia yksilöitä alleeleineen. Pullon suusta ulos pudonneet helmet kuvaavat katastrofista selvinneitä yksilöitä. Sattuman seurauksena pullon suusta on päätynyt ulos vain punaisia ja keltaisia yksilöitä. Uudelleen kasvaneessa populatiossa keltaisten yksilöiden suhteellinen osuus on runsaampi kuin punaisten. Siniset helmet kuvaavat luonnonkatastrofin tuhoamia yksilöitä.
: Perustajanvaikutus. Eriväriset helmet kuvaavat populaation perinnöllisesti erilaisia yksilöitä alleeleineen. Kaksi punaista ja yksi keltainen yksilö perustavat uuden populaation. Tuloksena on populaatio, jossa on enemmän punaisia yksilöitä kuin keltaisia.
: Tiikerin ja leijonan risteymä (liikeri eli leikeri) voi syntyä tarhaoloissa.
: Konvergenttinen evoluutio: Lentolisko oli matelija (ei siis lintu), joka osasi lentää.
: Konvergenttinen evoluutio johtaa samanlaiseen rakenteeseen, vaikka lajit eivät olisikaan sukua toisilleen.

Navigointi

2018-12-29T16:24:54+02:00

Tehtävät Tiivistelmä Luvun alkuun