PRILAGODBENA MORFOLOGIJA ILI FUNKCIONALNA MORFOLOGIJA

Ili zašto baš tako izgledamo? Ili kako znamo kako su strukture geološke prošlosti funkcionirale?

1

Što je to FUNKCIONALNA MORFOLOGIJA?

Analizira funkciju struktura kod recentnih organizama

Temeljem karakteristika fosilnih struktura prepoznaje funkcije

Stvara priče “Just-So”

2

Kako smo na

Temelju ostataka

Prepoznali nepoznati

organizam?

Hallucigenia sparsa:“Čudan crv” koji ima noge

3

Autoekologija: proučava odnose pojedinog organizma prema okolišu.

Orijentirana je na oblik i rast organizma i odnos morfologije prema staništu i načinu života.

Prilagodba: skladnost organizma prema okolišu

4

Faktori koji utječu na morfologiju

Oblik organizma ovisi o: (1) genomu; (2) razvoju (načinu rasta)

5

Strategije rasta

Rubna priraštanja: stariji se stadiji rasta sačuvaju, prirasne linije

Prirasne linije

6

Priraštanja: novi se dijelovi nadograđuju na vanjski postojeći skelet

7

Dodavanje: spikule, članci, segmenti se dodaju uz veće promjene.

8

Dodavanje pločica na skelet bodljikaša

9

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c6/Reef2589.jpg

Presvlačenje

Svaka faza rasta znači dodavanje novih dijelova skeleta, dozvoljava radikalnu promjenu oblika

10

Stalna mijenjanja

Kosti mijenjaju oblik tijekom rasta.

11

Faktori koji utječu na morfologiju

… (3) funkcioniranju u okolišu i (4) ponašanju organizma.

12

Metode

Analogija sa živućim organizmima

Pretpostavljamo da je analogija važeća (PARADIGMA)

Biomehanička analiza

Izrada modela

Stvaranje matematičkog modela

13

Analogni i homologni organi (1)

Analogni organi: neovisno o podrijetlu, organi imaju istu funkciju zbog sličnog načina života, ili slično načina kretanja, ili slične prehrane… npr. krila ptica i insekata

14

Analogne strukture (2)

Slične strukture

Ista funkcija

Različite strukture i razvoji

Različito porijeklo

Nema evolucijske povezanosti

15

ANALOGIJA (3)

Analogija: morfologija fosila se uspoređuje sa sličnim modernim morfologijama

16

Pod kožom su iste kosti

Ekstremiteti koji različite funkcije obavljaju su iste kosti - HOMOLOGNE strukture

17

Analogni i homologni organi (4)

Pitanje:

Da li svi što može postojati i postoji? Određeni se oblici ponavljaju: torpedni oblik tijela riba, gmazova i sisavaca

18

Konvergencija: oblici koji se ponavljaju

Konvergencija među brzim grabežljivcima

19

Redukcija trenja

“Fuziformni” oblik tijela

Smanjuje se savijanje tijela

Smanjuje se površina peraja:

Repna peraja (oblik polumjeseca ili nazubljen)

Parne i leđne peraje

Promjene na graničnom sloju tijela

Mukus

Izbacivanje mlazova vode

Mikro-mlazovi

20

Što je fuziformni oblik tijela?

Zašiljen jedan (prednji) kraj

Maksimalna redukcija “debljine” je za 1/3 dužine tijela mjereno od glave prema “leđima”

Suzuje se prema repu

Repna peraja prekida idealni fuziformni oblik21

Kretanje

Primarne sile koje su uključene u kretanje su: Potisak – sila koja tjera organizam prema

naprijed (veća od gravitacije

Otpor – trenje, nastalo uslijed prolaza organizma kroz medij

Gravitacija – privlačna sila Zemlje(djelomično reducirana gustoćom vode)

Uzgon – sila koja djeluju u suprotnom smjeru od gravitacije, prema gore

22

Zašto taj oblik?

23

Minimalizira se trenje izazvano

turbulencijom

Minimalizira se trenje zbog

oblika

Minimalizira se površnsko

trenje

+ + =

Načini plivanja

Valovito gibanje tijela

Djelomično valovito gibanje tijela

Repna i podrepna peraje se pomiče

Trbušna peraja stvara valove

Pomicanjem prsne peraje

Načini plivanja savijanje tijela, jegulja

Početak: glava se bočno pozicionira, i onda se taj položaj cijelim tijelom prenosi

Načini plivanja: djelomično savijanje tijela, tuna

Savijanje tijela počinje u stražnjem dijelu, kod repa i napreduje prema glavi

Reducira se trenje u odnosu na kretanje savijanjem cijelog tijela

Načini plivanja udari repne peraje

Repna peraje “vesla”

Tijelo ostaje kruto, nema savijanja, karakteristično za ribe “čudna” oblika

Načini plivanja: leđna peraja se pomiče

Tijelo je rigidno, trbušna peraja proizvodi valove

Riba lako “stoji na mjesto” ili se kreće bez prekidanja mišića

Načini plivanjaprsna peraja se pomiče

Slično veslanju, prsna je peraja bočno smještena korisno za manevriranje

29

Kako zaključuje Funkcionalna morfologija?

Definirati prilagodbu koju analiziramo, prepoznati sve organizme koji imaju tu osobinu ili prilagodbu.

Provesti filogenetsku analizu da bi otkrili kako je nastala osobina odnosno prilagodba.

Teorijska ili tradicionalna Morfologija

30

Ispitati da li je osobina strukturalna ili inženjerijska tvorevina: Predložiti hipotezu koja će objasniti kako je struktura nekada funkcionirala: METODA PARADIGME - Fizikalni ili matematički modeli ili KOMPJUTORSKA SIMULACIJA.

Paradigmom objašnjavamo značenje prilagodbe.

31

Paradigma

Trebamo unijeti znanstveni pristup u prepoznavanju analizu funkcije

Za svaku strukturu treba odabrati i definirati funkciju koju ima struktura

Za svaku funkciju osmisliti idealni model - paradigma

32

4 važna koraka stvaranja PARADIGME

1. Percepcija strukture koju istražujemo, usporedba recentnih i fosilnih srodnika kao i sličnih struktura u nepovezanih organizama

2. Specifikacija: funkcije koje smo „namjenili” strukturi treba testirati

3. Evaluacija: neke strukture vrše više funkcija, najvjerojatnije da najefikasnija upotreba strukture je točna

4. Interpretacija: zahtjevna zbog činjenice da struktura ima više funkcija

33

Slučaj: lubanja Moropus elatus

34

Uzroci specifične forme gornje površine lubanjeSpecijalizacija na život u vodi

Činjenice: nema drugih dokaza o životu u vodi. Volumen lubanje (800 cm3) premalen u odnosu na tijelo; pozicija tako visoka da za plutanje nema efekta; skeletne strukture koje olakšavaju plutanje nepoznate kod sisavaca prilagođenih takvom životu

Lakše plutanje

Zatvoreni prostor koji može biti ispunjen zrakom.

35

Da duže jede ispod vode, slično kresti hadrosaura

A) Dihalica

Činjenice: lubanja nema otvore na koje bi se nastavljala dihalica

B) Cijev u obliku slova U za sprječavanje prolaza vode u pluća

Činjenice: nema tragova postojanja cijevi u kostima lubanje.

36

C) Spremište za zrak koji se uvlači u pluća

Činjenica: Volumen kupole koji je nastao s takvim strukturama je mali u odnosu na volumen pluća. Trebala bi postojati posebna komora za reguliranje vode i zraka

Rješenje: Za obranu i napad. Način AGRESIVNOG PONAŠANJA

37

Faktori koji otežavaju interpretaciju funkcionalne morfologije:Ne-funkcionalne strukture: Zakržljali organi

Strukture su služile nekoj svrsi, ali evolucijom organizama, nema potrebe za tom funkcijom

Hodali su kopnom!

38

Zašto su kitovi imali kosti ekstremiteta kad su morski organizmi?

Faktori koji otežavaju interpretacije funkcionalne morfologije, Ne-funkcionalne strukture: Plejotropija organi

Plejotropija: jedan gen je kriv za veliki broj nepovezanih fenotipskih efekata(više morfoloških osobina).

39

Ograničenja

1. Strukturalna ograničenja: strukture moraju biti u mogućnosti da odrade funkciju za to su namjenjene.

40

Evolucijsko nasljeđe: evolucija anatomskih osobina je povezana s pretcima. Organizam može stvoriti nove anatomske osobine samo ako postoje “sirove strukture” kod predaka

41

Hox Gen

Hox gendefinira oblik, broj i evoluciju dijelova koji se ponavljaju, kao što je broj i tip kralješaka

U embriju kokoške (lijevo) , Hoxc- 6 gen kontrolira 7 torakalnih kralješaka (ljubičasto) iz kojih će se razviti rebra. Kod zmije (desno), dio kojim upravlja Hoxc-gen (ljubičasto) dramatično se multiplicirao između glave i zatka.

42

Hox Gen

Hox gen definira broj, oblik i evoluciju dijelova tijela koji se ponavljaju kao što je broj i tip kralježaka

U embriju kokoške (lijevo), Hoxc-6 gen kontrolira način kako je 7 torakalnih kralježaka posloženo (ljubičasto) iz kojih će se razviti rebra. Kod zmije (desno) dio koji kontrolira Hoxc-6 gen (ljubičasto) se jako umnožio prema glavi ali i prema završetku tijela.

43

Nema selekcijske prednosti nemaju sve osobine specijalne funkcije

44

Optimalni dizajna ili svaka osobna nije idealno osmišljena: strukture ne moraju biti perfektne, dovoljno je da obavaljaju funkciju za što su namjenjene.

pravi

palac

45

Korelacija između struktura i funkcija uvijek nije pozitivna.

Ono što nam se čini očitim kod funkcioniranja organi nije tako:

46

Biomehanički razlozi

47

Primjena principa mehanike kod analize organizama.

Istraživanja su usmjerena prema:

Čvrstoći materijala i arhitekturi

Snazi i energiji - vilica: plijen

Kretanju - plivanje, letenje, propulzija

48

Biomehanički razlozi

49

Zašto tako malo divova?

Oni organizmi koji pri rastu odbacuju skelet to bi u slučaju gigantizma morali napraviti desetak puta tijekom života!

Filtratori imaju problem sa trepetljikama koje zbog svoje organizacije i međusobna prožimanja ne mogu podržavati veliki organizam

Mehanički razlozi kod organizama s ljušturama: zbog načina gradnje skeleta

50

Najstariji sauripodi dugi od 1-2,5 m

Prosauridi između 3 i 8 m

Skoro pravi sauropodi do 10 m i više

Eurisauropodi 12-13 m dugi, 8 t teški

Turisauropodi, Titanosauridi, Brahiosauridi, Diplodocidi: 20 m i 25 t

Najveći Diplodocidi, Argirosauridi veći od 30 m, teži od 50 t

51

Vrijeme potrebno za razvoj gigantizmaNorik (227 -207 106 g) – Prosauropodi

(Plateosurus), 5m

Starija jura (201 – 174 106 g) – Melanosaurus

12m dug, 10t

52

Vrijeme potrebno za razvoj gigantizma

Bat – Kimeriđ (168 – 152 106 g) – najveći dinosauri do 30 m dugi, 80t teški

53

Prednosti i loše strane gigantizma

Veća sposobnost hvatanja plijena, odnosnobježanja predatorima

Razmnožavanje je uspješnije (preživljavanja mladih jedinki)

Povećana inteligencija Veća izdržljivost Veća raznolikost hrane Manja smrtnost Duži život jedinki Povećana termalna inercija

54

Prednosti i loše strane gigantizma

Specijalizacija

Velike količine hrane i potreba za očuvanjem specifičnih uvjeta u okolišu

Mali genetski “pool”

55

HETEROKRONIJA

Pedomorfoza: kad potomci imaju juvenilne osobine predaka. Potomci u poput mladih jedinki predaka ili neke specifične osobine nalikuju juvenilnim analognim osobinama predaka.

Peramorfoza: kad potomci nalikuju odraslim jedinkama predaka

Kod modernih organizama: Spolni dimorfizam

56

Pedomorfoza

57

Spolni Dimorfizam

58

Kako znamo o spolnom dimorfizmu kod organizama prošlosti?

Analogija sa živućim srodnicima

Omjer pretpostavljenih ostataka ženki spram mužjaka (razlike u veličini, obliku…)

59

Kako znati da je postojao dimorfizam?

Tafonomske varijacije: post mortem promjene

60

Računalna simulacija

61