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1.4.6.1: Tipos de Especiação - Biologia


objetivos de aprendizado

  • Diferencie os tipos de especiação

A definição biológica de espécie, que funciona para organismos que se reproduzem sexualmente, é um grupo de indivíduos real ou potencialmente intercruzados. Existem exceções à esta regra. Muitas espécies são semelhantes o suficiente para que descendentes híbridos sejam possíveis e podem ocorrer com frequência na natureza, mas para a maioria das espécies essa regra geralmente é válida. Na verdade, a presença na natureza de híbridos entre espécies semelhantes sugere que eles podem ter descendido de uma única espécie de cruzamento, e o processo de especiação pode ainda não estar concluído.

Dada a extraordinária diversidade da vida no planeta, deve haver mecanismos para especiação: a formação de duas espécies a partir de uma espécie original. Darwin imaginou este processo como um evento ramificado e diagramado o processo na única ilustração encontrada em Na origem das espécies (Figura 1a). Compare esta ilustração com o diagrama da evolução do elefante (Figura 1b), que mostra que, à medida que uma espécie muda ao longo do tempo, ela se ramifica para formar mais de uma nova espécie, repetidamente, enquanto a população sobreviver ou até que o organismo se extinga.

Para que a especiação ocorra, duas novas populações devem ser formadas a partir de uma população original e devem evoluir de tal forma que seja impossível para os indivíduos das duas novas populações se cruzarem. Os biólogos propuseram mecanismos pelos quais isso poderia ocorrer que se enquadram em duas grandes categorias. Especiação alopátrica (todos- = “outro”; -patrício = “Pátria”) envolve a separação geográfica das populações de uma espécie progenitora e evolução subsequente. Especiação simpátrica (sym- = “mesmo”; -patrício = “Pátria”) envolve a especiação que ocorre dentro de uma espécie parental que permanece em um local.

Os biólogos pensam nos eventos de especiação como a divisão de uma espécie ancestral em duas espécies descendentes. Não há razão para que não haja mais do que duas espécies formadas ao mesmo tempo, exceto que é menos provável e vários eventos podem ser conceituados como divisões únicas ocorrendo perto do tempo.

Especiação Alopátrica

Uma população geograficamente contínua possui um pool genético relativamente homogêneo. O fluxo gênico, o movimento de alelos em toda a extensão da espécie, é relativamente livre porque os indivíduos podem se mover e depois acasalar com indivíduos em sua nova localização. Assim, a frequência de um alelo em uma extremidade de uma distribuição será semelhante à frequência do alelo na outra extremidade. Quando as populações se tornam geograficamente descontínuas, esse fluxo livre de alelos é impedido. Quando essa separação dura um período de tempo, as duas populações são capazes de evoluir ao longo de trajetórias diferentes. Assim, suas frequências de alelos em vários loci genéticos tornam-se gradualmente mais e mais diferentes à medida que novos alelos surgem independentemente por mutação em cada população. Normalmente, as condições ambientais, como clima, recursos, predadores e competidores para as duas populações serão diferentes, fazendo com que a seleção natural favoreça adaptações divergentes em cada grupo.

O isolamento de populações que levam à especiação alopátrica pode ocorrer de várias maneiras: um rio formando um novo braço, erosão formando um novo vale, um grupo de organismos viajando para um novo local sem a capacidade de retornar ou sementes flutuando sobre o oceano para uma ilha. A natureza da separação geográfica necessária para isolar populações depende inteiramente da biologia do organismo e seu potencial de dispersão. Se duas populações de insetos voadores fixassem residência em vales próximos separados, é provável que os indivíduos de cada população voassem de um lado para outro, continuando o fluxo gênico. No entanto, se duas populações de roedores se dividissem pela formação de um novo lago, o fluxo gênico continuado seria improvável; portanto, a especiação seria mais provável.

Os biólogos agrupam os processos alopátricos em duas categorias: dispersão e vicariância. Dispersão é quando alguns membros de uma espécie se mudam para uma nova área geográfica, e vicariação é quando surge uma situação natural para dividir fisicamente os organismos.

Os cientistas documentaram numerosos casos de especiação alopátrica ocorrendo. Por exemplo, ao longo da costa oeste dos Estados Unidos, existem duas subespécies separadas de corujas-pintadas. A coruja-pintada do norte tem diferenças genéticas e fenotípicas de seu parente próximo: a coruja-pintada mexicana, que vive no sul (Figura 2).

Além disso, os cientistas descobriram que quanto maior a distância entre dois grupos que já foram da mesma espécie, mais provável é que ocorra a especiação. Isso parece lógico porque à medida que a distância aumenta, os vários fatores ambientais provavelmente teriam menos em comum do que os locais próximos. Considere as duas corujas: no norte, o clima é mais frio do que no sul; os tipos de organismos em cada ecossistema diferem, assim como seus comportamentos e hábitos; além disso, os hábitos de caça e as escolhas de presas das corujas do sul variam em relação às corujas do norte. Essas variações podem levar a diferenças evoluídas nas corujas, e provavelmente ocorrerá especiação.

Radiação adaptativa

Em alguns casos, a população de uma espécie se dispersa em uma área e cada uma encontra um nicho distinto ou habitat isolado. Com o tempo, as demandas variadas de seus novos estilos de vida levam a vários eventos de especiação originados de uma única espécie. Isso é chamado radiação adaptativa porque muitas adaptações evoluem de um único ponto de origem; assim, fazendo com que a espécie se irradie em várias espécies novas. Arquipélagos insulares como as ilhas havaianas fornecem um contexto ideal para eventos de radiação adaptativa porque a água circunda cada ilha, o que leva ao isolamento geográfico de muitos organismos. A trepadeira de mel havaiana ilustra um exemplo de radiação adaptativa. De uma única espécie, chamada de espécie fundadora, numerosas espécies evoluíram, incluindo as seis mostradas na Figura 3.

Observe as diferenças nos bicos das espécies na Figura 3. A evolução em resposta à seleção natural com base em fontes alimentares específicas em cada novo habitat levou à evolução de um bico diferente adequado para a fonte alimentar específica. O pássaro comedor de sementes tem um bico mais grosso e mais forte, adequado para quebrar nozes duras. Os pássaros comedores de néctar têm bicos longos para mergulhar nas flores para alcançar o néctar. Os pássaros que se alimentam de insetos têm bicos como espadas, apropriados para esfaquear e empalar insetos. Os tentilhões de Darwin são outro exemplo de radiação adaptativa em um arquipélago.

Clique neste site interativo para ver como os pássaros da ilha evoluíram em incrementos evolutivos de 5 milhões de anos atrás até hoje.

Especiação Simpátrica

Pode ocorrer divergência se não houver barreiras físicas para separar os indivíduos que continuam a viver e se reproduzir no mesmo habitat? A resposta é sim. O processo de especiação dentro do mesmo espaço é denominado especiação simpátrica; o prefixo "sym" significa mesmo, então "simpátrico" significa "mesma pátria" em contraste com "alopátrico" que significa "outra pátria". Vários mecanismos de especiação simpátrica foram propostos e estudados.

Uma forma de especiação simpátrica pode começar com um erro cromossômico sério durante a divisão celular. Em um evento normal de divisão celular, os cromossomos se replicam, se emparelham e se separam de modo que cada nova célula tenha o mesmo número de cromossomos. No entanto, às vezes os pares se separam e o produto da célula final tem muitos ou poucos cromossomos individuais em uma condição chamada aneuploidia (Figura 4).

Pergunta Prática

Na Figura 4, que tem maior probabilidade de sobreviver, prole com 2n+1 cromossomos ou descendência com 2n-1 cromossomos?

[linhas da área de prática = ”2 ″] [/ área de prática]
[revelar-resposta q = ”462162 ″] Mostrar resposta [/ revelar-resposta]
[resposta oculta a = ”462162 ″] A perda de material genético é quase sempre letal, portanto, descendentes com 2nOs cromossomos +1 têm maior probabilidade de sobreviver. [/ Hidden-answer]

A poliploidia é uma condição na qual uma célula ou organismo possui um conjunto extra, ou conjuntos, de cromossomos. Os cientistas identificaram dois tipos principais de poliploidia que podem levar ao isolamento reprodutivo de um indivíduo no estado de poliploidia. O isolamento reprodutivo é a incapacidade de cruzar. Em alguns casos, um indivíduo poliploide terá dois ou mais conjuntos completos de cromossomos de sua própria espécie em uma condição chamada autopólio (Figura 5). O prefixo "auto-" significa "self", então o termo significa vários cromossomos da própria espécie. A poliploidia resulta de um erro na meiose em que todos os cromossomos se movem em uma célula em vez de se separarem.

Por exemplo, se uma espécie de planta com 2n = 6 produz gametas autopoliplóides que também são diplóides (2n = 6, quando deveriam ser n = 3), os gametas agora têm o dobro de cromossomos do que deveriam. Esses novos gametas serão incompatíveis com os gametas normais produzidos por esta espécie de planta. No entanto, eles podiam se autopolinizar ou se reproduzir com outras plantas autopoliplóides com gametas com o mesmo número diplóide. Desta forma, a especiação simpátrica pode ocorrer rapidamente pela formação de descendentes com 4n chamado de tetraplóide. Esses indivíduos seriam imediatamente capazes de se reproduzir apenas com aqueles dessa nova espécie e não com aqueles da espécie ancestral.

A outra forma de poliploidia ocorre quando indivíduos de duas espécies diferentes se reproduzem para formar uma prole viável chamada de alopoliploide. O prefixo “allo-” significa “outro” (lembre-se de alopátrico): portanto, um alopoliploide ocorre quando gametas de duas espécies diferentes se combinam. A Figura 6 ilustra uma maneira possível de formar um alopoliploide. Observe como leva duas gerações, ou dois atos reprodutivos, antes que os resultados híbridos férteis viáveis.

As formas cultivadas das plantas de trigo, algodão e tabaco são todas alopoliploides. Embora a poliploidia ocorra ocasionalmente em animais, ela ocorre mais comumente em plantas. (Animais com qualquer um dos tipos de aberrações cromossômicas descritas aqui têm pouca probabilidade de sobreviver e produzir descendentes normais.) Os cientistas descobriram que mais da metade de todas as espécies de plantas estudadas relacionam-se a espécies evoluídas por meio da poliploidia. Com uma taxa tão elevada de poliploidia nas plantas, alguns cientistas levantam a hipótese de que esse mecanismo ocorre mais como uma adaptação do que como um erro.

Isolamento Reprodutivo

Dado o tempo suficiente, a divergência genética e fenotípica entre as populações afetará os caracteres que influenciam a reprodução: se os indivíduos das duas populações fossem reunidos, o acasalamento seria menos provável, mas se o acasalamento ocorresse, a prole seria inviável ou infértil. Muitos tipos de caracteres divergentes podem afetar o isolamento reprodutivo, a capacidade de cruzamento das duas populações.

O isolamento reprodutivo pode ocorrer de várias maneiras. Os cientistas os organizam em dois grupos: barreiras pré-zigóticas e barreiras pós-zigóticas. Lembre-se de que um zigoto é um óvulo fertilizado: a primeira célula do desenvolvimento de um organismo que se reproduz sexualmente. Portanto, um barreira pré-zigótica é um mecanismo que bloqueia a reprodução; isso inclui barreiras que impedem a fertilização quando os organismos tentam a reprodução. UMA barreira pós-zigótica ocorre após a formação do zigoto; isso inclui organismos que não sobrevivem ao estágio embrionário e aqueles que nascem estéreis.

Alguns tipos de barreiras pré-zigóticas impedem totalmente a reprodução. Muitos organismos se reproduzem apenas em certas épocas do ano, freqüentemente apenas anualmente. Diferenças nos horários de reprodução, chamados isolamento temporal, pode atuar como uma forma de isolamento reprodutivo. Por exemplo, duas espécies de rãs habitam a mesma área, mas uma se reproduz de janeiro a março, enquanto a outra se reproduz de março a maio (Figura 7).

Em alguns casos, as populações de uma espécie se movem ou são movidas para um novo habitat e passam a residir em um lugar que não se sobrepõe mais às outras populações da mesma espécie. Esta situação é chamada isolamento de habitat. A reprodução com a espécie parental cessa e existe um novo grupo que agora é reprodutiva e geneticamente independente. Por exemplo, uma população de críquete que foi dividida após uma enchente não pôde mais interagir entre si. Com o tempo, as forças da seleção natural, mutação e deriva genética provavelmente resultarão na divergência dos dois grupos (Figura 8).

Isolamento comportamental ocorre quando a presença ou ausência de um comportamento específico impede a reprodução. Por exemplo, vaga-lumes machos usam padrões de luz específicos para atrair fêmeas. Várias espécies de vaga-lumes exibem suas luzes de maneira diferente. Se um macho de uma espécie tentasse atrair a fêmea de outra, ela não reconheceria o padrão de luz e não acasalaria com o macho.

Outras barreiras pré-zigóticas funcionam quando diferenças nas células de seus gametas (óvulos e espermatozoides) impedem a fertilização; isso é chamado de barreira gamética. Da mesma forma, em alguns casos, organismos intimamente relacionados tentam acasalar, mas suas estruturas reprodutivas simplesmente não se encaixam. Por exemplo, donzelas machos de espécies diferentes têm órgãos reprodutivos de formatos diferentes. Se uma espécie tenta acasalar com a fêmea de outra, suas partes corporais simplesmente não se encaixam. (Figura 9).

Nas plantas, certas estruturas destinadas a atrair um tipo de polinizador simultaneamente evitam que um polinizador diferente acesse o pólen. O túnel através do qual um animal deve acessar o néctar pode variar amplamente em comprimento e diâmetro, o que evita que a planta seja polinizada por cruzamento com uma espécie diferente (Figura 10).

Quando ocorre a fertilização e um zigoto se forma, as barreiras pós-zigóticas podem impedir a reprodução. Em muitos casos, os indivíduos híbridos não podem se formar normalmente no útero e simplesmente não sobrevivem aos estágios embrionários. Isso é chamado inviabilidade híbrida porque os organismos híbridos simplesmente não são viáveis. Em outra situação pós-zigótica, a reprodução leva ao nascimento e crescimento de um híbrido que é estéril e incapaz de reproduzir seus próprios descendentes; isso é chamado de esterilidade híbrida.

Influência do habitat na especiação

A especiação simpátrica também pode ocorrer de outras maneiras além da poliploidia. Por exemplo, considere uma espécie de peixe que vive em um lago. À medida que a população cresce, a competição por alimentos também aumenta. Sob pressão para encontrar alimento, suponha que um grupo desses peixes tivesse flexibilidade genética para descobrir e se alimentar de outro recurso que não era utilizado pelos outros peixes. E se essa nova fonte de alimento fosse encontrada em uma profundidade diferente do lago? Com o tempo, aqueles que se alimentam da segunda fonte de alimento interagiriam mais uns com os outros do que com os outros peixes; portanto, eles cruzariam juntos também. A descendência desses peixes provavelmente se comportaria como seus pais: alimentando-se e vivendo na mesma área e mantendo-se separados da população original. Se esse grupo de peixes continuasse separado da primeira população, eventualmente a especiação simpátrica poderia ocorrer à medida que mais diferenças genéticas se acumulassem entre eles.

Este cenário ocorre na natureza, assim como outros que levam ao isolamento reprodutivo. Um desses lugares é o Lago Vitória na África, famoso por sua especiação simpátrica de peixes ciclídeos. Os pesquisadores encontraram centenas de eventos de especiação simpátrica nesses peixes, que não só aconteceram em grande número, mas também em um curto período de tempo. A Figura 11 mostra esse tipo de especiação entre uma população de peixes ciclídeos na Nicarágua. Neste local, dois tipos de ciclídeos vivem na mesma localização geográfica, mas passaram a ter morfologias diferentes que os permitem comer várias fontes de alimento.


1.4.6.1: Tipos de Especiação - Biologia

A definição biológica de espécie, que funciona para organismos que se reproduzem sexualmente, é um grupo de indivíduos reais ou potenciais que se cruzam. Existem exceções à esta regra. Muitas espécies são semelhantes o suficiente para que descendentes híbridos sejam possíveis e podem ocorrer com frequência na natureza, mas para a maioria das espécies essa regra geralmente é válida. A presença na natureza de híbridos entre espécies semelhantes sugere que eles podem ter descendido de uma única espécie de cruzamento, e o processo de especiação pode ainda não estar concluído.

Dada a extraordinária diversidade da vida no planeta, deve haver mecanismos para especiação: a formação de duas espécies a partir de uma espécie original. Darwin imaginou este processo como um evento ramificado e diagramado o processo na única ilustração encontrada em Na origem das espécies (Figura 1a). Compare esta ilustração com o diagrama da evolução do elefante (Figura 1b), que mostra que, à medida que uma espécie muda ao longo do tempo, ela se ramifica para formar mais de uma nova espécie, repetidamente, enquanto a população sobreviver ou até que o organismo se extinga.

Figura 1. A única ilustração em Darwin & # 8217s Na origem das espécies é (a) um diagrama que mostra eventos de especiação que levam à diversidade biológica. O diagrama mostra semelhanças com gráficos filogenéticos que são desenhados hoje para ilustrar as relações das espécies. (b) Os elefantes modernos evoluíram a partir do Paleomastodon, uma espécie que viveu no Egito de 35 a 50 milhões de anos atrás.

Para que a especiação ocorra, duas novas populações devem ser formadas a partir de uma população original e devem evoluir de tal forma que seja impossível para os indivíduos das duas novas populações se cruzarem. Os biólogos propuseram mecanismos pelos quais isso poderia ocorrer que se enquadram em duas grandes categorias. Especiação alopátrica (todos& # 8211 = & # 8220outro & # 8221 & # 8211patrício = & # 8220homeland & # 8221) envolve a separação geográfica das populações de uma espécie parental e evolução subsequente. Especiação simpátrica (sym& # 8211 = & # 8220 mesmo & # 8221 & # 8211patrício = & # 8220homeland & # 8221) envolve a especiação que ocorre dentro de uma espécie parental que permanece em um local.

Os biólogos pensam nos eventos de especiação como a divisão de uma espécie ancestral em duas espécies descendentes. Não há razão para que mais de duas espécies não se formem ao mesmo tempo, exceto que é menos provável e podemos conceituar eventos múltiplos como divisões únicas ocorrendo perto do tempo.


Especiação

A especiação ocorre ao longo de um período de tempo evolutivo, portanto, quando uma nova espécie surge, há um período de transição durante o qual as espécies intimamente relacionadas continuam a interagir.

Reconexão

Após a especiação, duas espécies podem se recombinar ou mesmo continuar interagindo indefinidamente. Organismos individuais irão acasalar com qualquer indivíduo próximo com quem eles sejam capazes de procriar. Uma área onde duas espécies intimamente relacionadas continuam a interagir e se reproduzir, formando híbridos, é chamada de híbrido zona . Com o tempo, a zona híbrida pode mudar dependendo da aptidão dos híbridos e das barreiras reprodutivas (Figura 1). Se os híbridos são menos aptos do que os pais, ocorre o reforço da especiação e as espécies continuam a divergir até que não possam mais acasalar e produzir descendentes viáveis. Se as barreiras reprodutivas enfraquecem, ocorre a fusão e as duas espécies se tornam uma. As barreiras permanecem as mesmas se os híbridos forem adequados e reprodutivos: a estabilidade pode ocorrer e a hibridização continua.

Figura 1: Após a especiação, as duas espécies separadas, mas intimamente relacionadas, podem continuar a produzir descendentes em uma área chamada zona híbrida. Pode ocorrer reforço, fusão ou estabilidade, dependendo das barreiras reprodutivas e da aptidão relativa dos híbridos. (crédito: & # 8220 diagrama de avaliação & # 8221 por OpenStax é licenciado sob CC BY 4.0)

Se duas espécies comem uma dieta diferente, mas uma das fontes de alimento é eliminada e ambas as espécies são forçadas a comer os mesmos alimentos, que mudança na zona híbrida é mais provável de ocorrer?

Os híbridos podem ser menos adequados do que os pais, mais adequados ou quase os mesmos. Normalmente, os híbridos tendem a ser menos aptos, portanto, essa reprodução diminui com o tempo, levando as duas espécies a divergir ainda mais em um processo chamado reforço. Este termo é usado porque o baixo sucesso dos híbridos reforça a especiação original. Se os híbridos forem tão adequados ou mais adequados que os pais, as duas espécies podem se fundir novamente em uma espécie (Figura 1). Os cientistas também observaram que às vezes duas espécies permanecem separadas, mas também continuam a interagir para produzir alguns indivíduos híbridos, o que é classificado como estabilidade porque nenhuma mudança líquida real está ocorrendo.

Taxas variáveis ​​de especiação

Cientistas de todo o mundo estudam a especiação, documentando observações tanto de organismos vivos quanto daquelas encontradas no registro fóssil. À medida que suas ideias tomam forma e a pesquisa revela novos detalhes sobre como a vida evolui, eles desenvolvem modelos para ajudar a explicar as taxas de especiação. Em termos de quão rapidamente ocorre a especiação, dois padrões são atualmente observados: modelo de especiação gradual e modelo de equilíbrio pontuado.

No especiação gradual modelo, as espécies divergem gradualmente ao longo do tempo em pequenos passos. No equilíbrio pontual modelo, uma nova espécie sofre mudanças rapidamente em relação à espécie-mãe e então permanece praticamente inalterada por longos períodos de tempo depois (Figura 2). Esse modelo de mudança inicial é chamado de equilíbrio pontuado porque começa com uma mudança pontuada ou periódica e permanece em equilíbrio depois. Embora o equilíbrio pontuado sugira um andamento mais rápido, ele não exclui necessariamente o gradualismo.

Figura 2: Em (a) especiação gradual, as espécies divergem em um ritmo lento e constante à medida que as características mudam gradativamente. Em (b) equilíbrio pontuado, as espécies divergem rapidamente e então permanecem inalteradas por longos períodos de tempo. (crédito: & # 8220 especiação gradual e equilíbrio pontuado & # 8221 pela OpenStax é licenciado sob CC BY 4.0)

O principal fator de influência nas mudanças na taxa de especiação são as condições ambientais. Sob algumas condições, a seleção ocorre de forma rápida ou radical. Considere uma espécie de caracóis que viveu com a mesma forma básica por muitos milhares de anos. As camadas de seus fósseis pareceriam semelhantes por muito tempo. Quando ocorre uma mudança no ambiente - como uma queda no nível da água - um pequeno número de organismos é separado do resto em um breve período de tempo, essencialmente formando uma grande e uma pequena população. A minúscula população enfrenta novas condições ambientais. Como seu pool genético rapidamente se tornou tão pequeno, qualquer variação que venha à tona e que ajude a sobreviver às novas condições torna-se a forma predominante.

Resumo

A especiação não é uma divisão precisa: a sobreposição entre espécies intimamente relacionadas pode ocorrer em áreas chamadas de zonas híbridas. Os organismos se reproduzem com outros organismos semelhantes. A aptidão desses descendentes híbridos pode afetar o caminho evolutivo das duas espécies. Os cientistas propõem dois modelos para a taxa de especiação: um modelo ilustra como uma espécie pode mudar lentamente ao longo do tempo, o outro modelo demonstra como a mudança pode ocorrer rapidamente de uma geração progenitora para uma nova espécie. Ambos os modelos continuam a seguir os padrões da seleção natural.