neutralnej – prowadzącej do zmian losowych, nie powodujących przewidywalnego zwiększenia lub zmniejszenia stopnia przystosowania gatunku do środowiska,
ukierunkowanej – prowadzącej do wzrostu jego adaptacji lub do różnicowania, czyli procesu zachodzącego w kierunku specjacji (powstawania nowych gatunków).
Dobór sztuczny – optymalizacja cech gatunków z punktu widzenia potrzeb człowieka – był od dawna stosowany w praktyce, m.in. w czasie hodowliroślin i zwierząt. Techniki hodowli zostały opanowane przed powstaniem takich dyscyplin naukowych, jak biologia molekularna lub genetyka, jednak naukowy dorobek w tych dziedzinach szybko został zaakceptowany i wykorzystany.
Więcej kontrowersji pojawiło się z chwilą, gdy podjęto próby powiązania wiedzy zgromadzonej w dziedzinie biologii ewolucyjnej z wiedzą o funkcjonowaniu gatunków w środowisku naturalnym, w tym o:
W połowie XX wieku przedmiotem znaczących prac badawczych i polemik były próby wyjaśnienia ewolucyjnego mechanizmu kształtowania się w przyrodzie zachowań altruistycznych (zob. altruizm odwzajemniony). Dyskusje zapoczątkowało wydanie w roku 1962 książki V.C. Wynne-Edwardsa z opisem hipotezy tzw. doboru grupowego, którą w następnych latach zastąpiła hipoteza altruizmu krewniaczego i doboru krewniaczego (William Donald Hamilton, 1962). Stało się możliwe wyjaśnienie genetycznego mechanizmu pojawiania się zachowań, które wcześniej opisywano jako uzasadnione działaniami dla „dobra gatunku”[5].
Jedną z konsekwencji zbliżenia się ekologii do biologii ewolucyjnej było wycofanie historycznego podziału tej nauki na[6][7]:
autekologię – dotyczącą funkcjonowania pojedynczych organizmów w ich środowisku ożywionym i nieożywionym,
Wyodrębniono ekologię gatunku, w której zakres wchodzą – wzajemnie powiązane – ekologia populacyjna i ekologia ewolucyjna[7]. W ekologii gatunku wszystkie organizmy żywe – osobniki (wcześniej – przedmiot badań autekologii) – nie są opisywane odrębnie, lecz jako elementy jednogatunkowych populacji, podlegających procesom ewolucyjnym i ekologicznym (prowadzącym m.in. do zmian liczebności lub do adaptacji)[7].
Dwie dziedziny biologii, ewolucjonizm i ekologia, wyodrębnione prawie jednocześnie w połowie XIX wieku, od początku miały ambicje poszukiwać najogólniejszych praw przyrody, dotyczących wszystkich żywych organizmów. Mimo iż obie te dziedziny, we współczesnej postaci, zapoczątkowane były tym samym dziełem Darwina (możemy tu pominąć wcześniejszych prekursorów), ich drogi często się rozchodziły. Dziś, po blisko 150 latach widać, że obie te dziedziny są nierozłączne.
Podobną myśl zawarł Richard Dawkins we wprowadzeniu do wydania książki Samolubny gen z roku 2012. Interpretując jej tytuł wskazał miejsce czynników ekologicznych w mechanizmie ewolucji, pisząc m.in.[9]:
…każdy gen realizuje swój własny egoistyczny program w obecności innych genów należących do danej puli – stanowiącej zestaw kandydatów do przetasowania w akcie rozmnażanie płciowego w obrębie danego gatunku. Te inne geny stanowią część środowiska, w którym żyje każdy z poszczególnych genów, tak samo jak częścią tego środowiska są pogoda, drapieżniki i ich ofiary, roślinność będąca pokarmem tych ostatnich i bakterie żyjące w glebie.
W biologii ewolucyjnej i ekologii populacyjnej podstawowe znaczenie mają pojęcia: dobór naturalny i dostosowanie.
Pojęcie dobór naturalny bywa mylnie interpretowane jako „dobieranie się partnerów” do reprodukcji, powiązane z „przewidywaniami” dotyczącymi pożądanych – „korzystnych dla gatunku” – cech potomstwa. W rzeczywistości termin „dobór” jest w tym przypadku synonimem wyrazu „selekcja” (ang. selection)[c], oznaczającego eliminację strategii życiowych, które cechuje małe dostosowanie[13].
Wyraz dostosowanie bywa często stosowany zamiennie z wyrazami przystosowanie lub adaptacja, których znaczenia są inne[13]:
dostosowanie (W, fitness) – ilościowa miara ewolucyjnego sukcesu osobników o określonym genotypie, czyli miara skuteczności jego upowszechniania w populacji (np. stosunek liczby osobników o tym genotypie w kolejnych pokoleniach, W > 1 lub W < 1); tak zdefiniowane dostosowanie jest związane z długością życia organizmów i liczbą produkowanego potomstwa (które też wyda potomstwo),
W roku 2003 January Weiner zwracał również uwagę na niejednoznaczność kilku innych pojęć, stosowanych w ekologii ewolucyjnej. Spośród pojęć, które mają różne znaczenia w polskim języku potocznym i naukowym (co może prowadzić do nieporozumień), wskazał[15]:
historia życiowa organizmu (ang. life history) – ciąg wydarzeń w życiu osobnika (kolejne etapy rozwoju, np. od zapłodnienia do śmierci), charakterystyczny dla gatunku,
styl życia (ang. life style), inaczej historia życiowa gatunku – statystyczne uogólnienie zróżnicowanych historii życiowych osobników,
cechy historii życiowej (ang. life history trais) – np. takie dane, jak masa ciała, maksymalna długość życia, wiek dojrzałości płciowej, liczba epizodów rozrodczych w życiu (podział na gatunki iteroparyczne i semelparyczne), liczba potomstwa w jednym epizodzie[15].
Dobór naturalny może być doborem optymalizującym tylko w zakresie objętym ograniczeniami (ang. constrainst), czyli prowadzić do optymalizacji, rozumianej jako wybór zespołu cech najlepszych spośród tych, których nie wykluczają względy fizyczne (np. grawitacja, prawa aerodynamiki), fizjologiczne (np. maksymalna fizjologiczna długość życia) i ewolucyjne – odziedziczony po przodkach zakres zmienności cech wewnątrz populacji (polimorfizm)[15].
W czasie optymalizacji są zwykle niezbędne kompromisy ewolucyjne (ang. trade-offs), ponieważ przebiega ona w wielowymiarowej przestrzeni wszystkich cech historii życiowej, które bywają skorelowane dodatnio lub ujemnie. Kompromis jest potrzebny np. w przypadku optymalizacji wielkości ciała noworodków gryzoni. Maksymalizacja tej cechy nie jest korzystna dla gatunku, mimo że zwiększa szanse przeżycia noworodków (potencjalny wzrost dostosowania), ponieważ duże noworodki występują zwykle w mniejszych miotach, co zmniejsza dostosowanie[15].
Efektem optymalizującego doboru naturalnego (zachodzącego z uwzględnieniem ograniczeń i kompromisów) są zestawy cech historii życiowej oraz tzw. strategie życiowe (ang. life strategies) gatunku, np. strategia dużych wydatków energetycznych na opiekę nad nielicznym potomstwem („oszczędna”), albo strategia produkcji bardzo licznych potomków, z których większość ginie przed osiągnięciem dojrzałości płciowej („rozrzutna”)[15].
Na Ziemi żyją współcześnie miliony opisanych gatunków organizmów o różnych cechach historii życiowej i strategiach życiowych. O stopniu ich zróżnicowania świadczy np. że masy ciała poszczególnych ziemskich organizmów mieszczą się w zakresie obejmującym ponad 20 rzędów wielkości (10−13–108 g), a długość życia – w zakresie od kilku minut do tysięcy lat (102–1010 sekund, 8 rzędów wielkości). Genomy tych organizmów zawierają od 104 par nukleotydów (np. najprostsze wirusy) do 1010 par (np. kręgowce)[15]; są w nich zakodowaneprogramy stylu życia, zróżnicowane nie tylko pomiędzy gatunkami, ale również między osobnikami jednego gatunku. Ta różnorodność wewnątrz populacji jest niezbędnym warunkiem ewolucyjnej adaptacji do zmieniającego się otoczenia[d]. W przypadkach ekosystemów, w których występują gatunki konkurujące o te same zasoby środowiska, efektem ewolucji może być rozsunięcie się nisz ekologicznych (np. przez zróżnicowanie preferencji pokarmowych), dzięki któremu może być zachowana wartość dostosowania każdego ze współistniejących gatunków (bez ponoszenia wysokich energetycznych nakładów na międzygatunkową „walkę o zasoby”).
Przez wiele lat uważano, że istnieją dwa podstawowe (skrajne) typy selekcji r i K, stosowane w zależności od dostępności zasobów środowiska (powiązanej z zagęszczeniem). Podstawą hipotezy był model ograniczonego wzrostu populacjiMcArthura i Wilsona. Symbolami r i K oznaczono[20]:
r – współczynnik tempa wzrostu (przyrost naturalny w przeliczeniu na osobnika i jednostkę czasu),
dobór typu r (r-selection) – preferuje strategie życiowe, które gwarantują dużą liczbę potomstwa i wczesne dojrzewanie (przystosowania do walki z konkurentami są zbędne); taki dobór powinien być obserwowany np. w przypadkach sukcesji pierwotnej,
dobór typu K (K-selection) – preferuje strategie życiowe, gwarantujące skuteczność w zdobywaniu ograniczonych zasobów, w tym np. duża masa ciała, opieka nad potomstwem (duże tempo reprodukcji jest zbędne).
Hipoteza dotycząca istnienia dwóch typów selekcji nie znalazła potwierdzania w praktyce (S.C. Stearns, 1977)[21] ; została również podważona na gruncie teoretycznym przez J. Kozłowskiego (1980)[e][22][23] i odrzucona przez ekologów ewolucyjnych, jednak jest wciąż przywoływana przez wielu biologów[20].
Tematyka publikacji naukowych i popularnonaukowych (przykłady)
Tematyczny zakres publikacji z dziedziny ekologii ewolucyjnej, ukazujących się w czasopismach naukowych i popularnonaukowych, ilustrują tytuły wybranych pozycji dorobku prof. Jana Kozłowskiego ze współpracownikami, UJ}, przewodniczącego Komitetu Biologii Ewolucyjnej i Teoretycznej PAN (tematyka badań: ewolucja strategii życiowych – modele oparte na koncepcji optymalnego lokowania zasobów i ich weryfikacja, rola wielkości komórek w kształtowaniu tempa metabolizmu)[f][24]:
publikacje naukowe z lat 2011–2012
2012 – Mutation Accumulation May Be a Minor Force in Shaping, Life History Traits,
2012 – An endophytic fungus reduces herbivory in its recently colonised grass host: a foodchoice experiment on common voles, weeping alkaligrass and Epichloë typhina, Plant Ecology,
2012 – Altered allocation to roots and shoots in the endophyte-infected seedlings of Puccinellia distans (Poaceae), Plant Biology,
2011 – Standard Metabolic Rate (SMR) is inversely related to erythrocyte and genome size in allopolyploid fish of the Cobitis taenia hybrid complex, Functional Ecology,
2011 – Does climate affect pollen morphology? Optimal size and shape of pollen grains under various desiccation intensity, Ecosphere,
przykłady: wrony i ślimaki, optymalizacja czasu trwania kopulacji muchy gnojnej, zastosowanie reguły wartości skrajnej przy badaniu żerowania zwierząt, zmienność jako sposób optymalizacji
m.in. nierówność Hamiltona (wyprowadzenie dla pełnego rodzeństwa), altruizm i egoizm, rozpoznawanie pokrewieństwa, poziom doboru w świetle koncepcji „samolubnego genu”,
m.in. prosty model: agresor-ustępujący, strategia legalisty, model asymetrycznego konfliktu między dwoma osobnikami, ewolucyjnie stabilny stosunek liczbowy płci,
m.in. holizm i redukcjonizm w ekologii, model dynamiki liczebności oparty na fenotypowej zmienności osobników, zmienność fenotypowa, heterogeniczność przestrzenna i samoregulacja zagęszczenia,
Populacja w przestrzeni
m.in. rozmieszczenie idealnie swobodne i despotyczna, koncepcja źródła i ujścia (ang. source and sink),
↑Ekologia ewolucyjna bywa uznawana za dział ekologii, co znajduje wyraz w nazwie tej nowej dyscypliny. Bywa również opisywana jako obszar badań interdyscyplinarnych.
↑W rzeczywistości wszystkie te „rodzaje doboru”, są jedynie przejawami doboru genowego, patrz R. Dawkins: Selfish Gene. Oxford University Press, 1989. Brak numerów stron w książce
↑Polskie pojęcie „selekcja” jest stosowane, jako odpowiednik ang. selection w części polskich publikacji botanicznych i rolniczych.
↑Opisując historię ekologii ewolucyjnej Adam Łomnicki napisał m.in. (Ekologia ewolucyjna, s.12):
Obserwując małą zmienność fenotypową obserwowaną w obrębie jednego gatunku u zwierząt dzikich […] przypuszczano, że w warunkach naturalnych wszystkie osobniki są prawie identyczne genetycznie. […] To przekonanie znalazło swój wyraz w systematyce w koncepcji osobnika typowego dla gatunku, przechowywanego w muzeum, na podstawie którego dokonano opisu nowego gatunku. Natomiast w genetyce przekonanie to utrzymuje się w pojęciu genotypu dzikiego, identycznego u wszystkich osobników w wolnej przyrodzie… […] Jeśli stwierdzano utrzymywanie się polimorfizmu genetycznego w naturalnych populacjach, to dotyczyło to stosunkowo rzadkich przypadków, takich jak anemia sierpowata.
↑Stwierdzono, że wielkość populacji w stanie równowagi K zależy zarówno od ilości dostępnych zasobów, jak tempa reprodukcji, a małe wymiary ciała i wczesne dojrzewanie nie musi oznaczać, że powstały one w wyniku doboru typu r.
↑Wybór według strony internetowej prof. Kozłowskiego.
↑Charles J. Krebs (tłum. Anna Kozakiewicz, Michał Kozakiewicz, Jakub Szacki): Ekologia. Eksperymentalna analiza rozmieszczenia i liczebności. Wyd. 4. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1997, s. 227. ISBN 83-01-112041-X.
↑Przełom lat sześćdziesiątych XX wieku. W: op.cit. J. Weiner: Życie i ewolucja biosfery. s. 14.
↑ abDostosowanie, czyli ‘fitness’; Przystosowanie, czyli adaptacja. W: op.cit. Ekologia ewolucyjna. s. 24–25, 30–32.
↑Dobór naturalny. W: op.cit. Ekologia ewolucyjna. s. 28–30.
↑ abcdefRamka 14.4. Stare i nowe pojęcia z zakresu ekologii ewolucyjnej w rozdz. 14.4. Strategie ewolucyjne gatunków. W: op.cit. J. Weiner: Życie i ewolucja biosfery. s. 508–516.
↑Katarzyna Odwald: Właściwości populacji – śmiertelność. [w:] Scholaris.Portal wiedzy dla nauczycieli [on-line]. www.scholaris.pl. [dostęp 2012-08-23]. (pol.).
↑op.cit. Charles J. Krebs: Ekologia. Eksperymentalna analiza rozmieszczenia i liczebności. s. 230.
↑ abcDobór typu r i dobór typu K. W: op.cit. Ekologia ewolucyjna. s. 121–124.
Tematyka badań. [w:] Strona internetowa Katedry Zoologii Doświadczalnej i Biologii Ewolucyjnej, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska, kierownik: prof. dr hab. Jerzy Bańbura, Uniwersytet Łódzki [on-line]. [dostęp 2013-07-04]. (pol.).
Species Ecology. [w:] Ornisne (project National Science Foundation) [on-line]. [dostęp 2013-07-04]. [zarchiwizowane z tego adresu (2013-06-19)]. (ang.).
Adam Łomnicki: Ekologia ewolucyjna. [w:] Podręcznik akademicki erraty i uzupełnienia [on-line]. www.eko.uj.edu.pl, 2013. [dostęp 2016-03-13]. (pol.).