Конвергентная эволюция — это независимое возникновение схожих признаков у неродственных линий организмов в ответ на сходные экологические давления и физические ограничения. Такие признаки называют аналогиями (в отличие от гомологий, которые указывают на общее происхождение). Ниже — краткое объяснение причин конвергенции и примеры из разных таксономических групп.

Почему возникает конвергенция (основные факторы)

Сходная экологическая ниша (то же питание, среда обитания, тип хищничества или защиты) создаёт одинаковые отборочные давления. Физические законы (гидродинамика, аэродинамика, оптика и т. п.) ограничивают допустимые «эффективные» решения — поэтому разные организмы приходят к похожим формам (напр., обтекаемое тело для быстрого плавания). Функциональные ограничения и экономия ресурсов: только несколько конструктивно успешных способов решают ту же задачу (например, как экономно добывать насекомых). Разные уровни: конвергенция бывает морфологической, функциональной, физиологической и даже молекулярной (те же адаптации на уровне белков/генов). Ограничения развития (онтогенетика) и доступность мутаций влияют на то, какие решения возможны.

Примеры конвергентной эволюции

1) Полёт (несколько независимых происхождений)

Насекомые, птерозавры (рептилии), птицы и летучие мыши независимо эволюционировали способ передвижения в трёхмерном воздушном пространстве. Общие требования: подъёмная сила, тяга, уменьшение массы, манёвренность — но анатомические реализации разные (жёсткие крылья у птиц из перьев, перепончатые у рук летучих мышей, хитиновый покров у насекомых).

2) Камера-глаз у позвоночных и головоногих (напр., кальмары)

Камера‑образный глаз с линзой, радужкой и сетчаткой возник независимо у моллюсков (цефалопод) и у позвоночных. Причина: наблюдение в зрительной среде — высокоэффективное оптическое устройство ограничено физикой света; различия в микроанатомии (у позвоночных сетчатка «перевернута» с «слепым пятном», у цефалопод — нет) доказывают независимость происхождения.

3) Эхолокация у летучих мышей и зубатых китов

Обе группы развили способность ориентироваться/охотиться с помощью звуковых эхо. Экологический драйвер: охота в условиях плохой видимости (ночь, мутная вода). Интересно: конвергенция прослеживается и на молекулярном уровне — сходные изменения в белке Prestin у летучих мышей и дельфинов, связанные с высокочастотным слухом.

4) Обтекаемая („рыбообразная“) форма у акул, китообразных и ихтиозавров

Акулы (рыбы), китообразные (млекопитающие) и ихтиозавры (морские рептилии) независимо пришли к сходной форме тела, плавникам и хвостовому плавнику. Причина — гидродинамика: уменьшение сопротивления воды и эффективная генерация тяги.

5) Суккулентность и колючки у растений пустынь

Кактусы (Новый Свет, Cactaceae) и молочайные-эуфорбии (Старый Свет, Euphorbiaceae) — пример независимого приобретения мясистых стеблей для хранения воды, утраты листьев и превращения их в колючки. Экологический фактор: засушливый климат, ограниченная вода, давление травоядных.

6) Антифризные белки у морских рыб

Антифризные белки (AFP/AFGP) возникали независимо в разных группах рыб (антарктические нототении и северные тресковые и др.) с разным генетическим происхождением, но сходной функцией — предотвращать кристаллизацию крови при низких температурах. Пример молекулярной конвергенции по функции при разном происхождении генов.

7) Мировое «муравьедение»

Гладкие длинноязычные формы у настоящих муравьедов (Xenarthra), панголинов (Pholidota), сантехника (Myrmecophagidae) и у ехидн (однопроходные) — схожие адаптации для поедания муравьёв/термитов: редукция зубов, мощные когти, длинный липкий язык. Драйвер: доступность этого пищевого ресурса и конвергентное решение для его добычи.

8) C4-фотосинтез и CAM

Метаболические механизмы концентрации CO2 (C4 и CAM) возникали десятки раз в разных семействах растений как ответ на высокую температуру, яркую световую нагрузку, низкую концентрацию CO2 и засушливость — это позволяет повышать эффективность фотосинтеза и/или экономить воду.

9) Похожесть форма тела у сумчатых и плацентарных млекопитающих

Пример: тасманский волк (тапировидный тип/сумчатый тасманийский «тиляцин») и собаки; сумчатые кроты/меховые кроты и плацентарные моли — похожие морфологии у занявших ту же нишу хищника/копателя. Экологическая причина — та же ниша, сходные потребности в рытье, копании и захвате добычи.

10) Хищнические «саблевидные» зубы

Саблезубость встречалась у разных групп (истинные саблезубые кошки, нимравиды, некоторых сумчатых — Thylacosmilus) — сходная морфология для нанесения глубоких ран крупной добыче.

Дополнительные замечания

Конвергенция может вводить в заблуждение при построении филогенетических деревьев: сходство признаков не всегда означает общую родословную. Поэтому используют молекулярные данные и широкий набор черт. Конвергенция показывает, что эволюция часто «повторяет» решения, которые хорошо работают при заданных физических и экологических условиях; одновременно она подчёркивает, что разные «строительные материалы» (различные ткани, гены) могут быть использованы для достижения одной функции. Уровни конвергенции: от внешней формы и поведения до физиологии и отдельных аминокислот в белках.

Короткий вывод
Конвергентная эволюция — закономерный результат одинаковых задач и ограничений, накладываемых средой и физикой. Сравнение множества примеров показывает, что при одинаковых экологических проблемах жизнь многократно находила похожие адаптивные решения, причём на разных биологических уровнях — от морфологии до генов.