Większość roślin naczyniowych nie przeżywa utraty niemal całej wolnej wody z liści. Nieliczne „rośliny zmartwychwstające” potrafią jednak wejść w stan skrajnego odwodnienia, przetrwać miesiące, a u części gatunków nawet dłużej, i po nawodnieniu ponownie uruchomić fotosyntezę oraz wzrost. Nie zachodzi to dzięki jednemu niezwykłemu związkowi. Komórki zmieniają skład cukrów, wytwarzają ochronne białka LEA i antyoksydanty, stabilizują błony, przebudowują ściany komórkowe i ograniczają uszkodzenia aparatu fotosyntetycznego. U części roślin chloroplasty są zachowywane, u innych celowo demontowane i odbudowywane po deszczu. To wielowarstwowy program tolerowania wysuszenia, a nie zwykła odporność na suszę.
Wiele owadów zapyla rośliny przy okazji żerowania. Samice ciem jukowych z rodzajów Tegeticula i Parategeticula robią coś znacznie bardziej wyspecjalizowanego: specjalnymi, mackowatymi wyrostkami aparatu gębowego zbierają pyłek z jednego kwiatu, formują go i aktywnie wciskają na znamię kolejnego. Następnie składają jaja w kwiecie. Zapylona jukka może rozwinąć nasiona, z których część zjedzą larwy ćmy. Roślina oddaje więc część własnego potomstwa jako „opłatę” za usługę reprodukcyjną. System jest klasycznym przykładem koewolucyjnego mutualizmu, w którym korzyść i konflikt są splecione w tej samej czynności.
Madagaskarski storczyk Angraecum sesquipedale ma nektar ukryty na końcu wyjątkowo długiej ostrogi. Po obejrzeniu rośliny Charles Darwin w 1862 roku argumentował, że musi istnieć zapylacz zdolny sięgnąć nektaru bardzo długą ssawką. Alfred Russel Wallace później rozwinął tę interpretację, wskazując na podobne zawisaki. Na Madagaskarze rzeczywiście odkryto formę Xanthopan morganii o niezwykle długiej ssawce, a dopiero pod koniec XX wieku bezpośrednio sfilmowano ją podczas odwiedzania A. sesquipedale i przenoszenia pyłkowin. Historia jest efektownym przykładem przewidywania opartego na koewolucyjnej funkcji budowy kwiatu.
Heliconius erato i Heliconius melpomene należą do klasycznych przykładów mimikry müllerowskiej. Oba motyle są dla wielu drapieżników nieatrakcyjnym pokarmem, a w tych samych regionach często mają uderzająco podobne czerwone, żółte lub białe wzory skrzydeł. Drapieżnik, który nauczy się unikać jednego sygnału ostrzegawczego, omija później także drugi gatunek. Selekcja może więc premiować wzajemne upodobnienie dwóch rzeczywiście bronionych gatunków. Co więcej, badania genetyczne pokazują, że podobne fenotypy Heliconius mogą wykorzystywać homologiczne „przełączniki” wzoru, choć szczegóły rozwoju i historia konkretnych alleli nie zawsze są takie same.
Młoteczek i kowadełko w uchu środkowym ssaków nie powstały jako zupełnie nowe kości. Ich odpowiedniki u wcześniejszych kręgowców tworzyły część pierwotnego stawu szczękowego. W ewolucji linii prowadzącej do ssaków powstał nowy staw żuchwy, a dawne elementy stawu stopniowo przestały przenosić obciążenia podczas gryzienia i zostały włączone do aparatu przewodzącego dźwięk. Zapis kopalny, anatomia porównawcza i rozwój zarodkowy wskazują tę samą historię. To podręcznikowy przykład, jak ewolucja zmienia funkcję istniejącej struktury zamiast budować ją od zera.
To, co potocznie nazywamy owocem figi, jest w rzeczywistości sykonium — mięsistą strukturą z licznymi drobnymi kwiatami skierowanymi do wnętrza. U wielu figowców zapylają je maleńkie osy figowe, które przeciskają się przez wąski otwór zwany ostiolą. Samica wnosi pyłek, zapyla część kwiatów i składa jaja w części zalążni; larwy rozwijają się więc wewnątrz tej samej struktury, która wytworzy nasiona rośliny. To niezwykle ścisły mutualizm, ale nie idealnie harmonijna współpraca ani uniwersalny układ „jeden figowiec — jedna osa”. Ewolucję systemu kształtują jednocześnie korzyść zapylania, konflikt o nasiona i zmiany partnerów.
Dorosła płastuga leży na jednym boku, a oboje oczu znajduje się po stronie zwróconej ku górze. Nie rodzi się jednak w tej postaci. Larwa jest początkowo symetryczna i pływa jak typowa ryba. Podczas metamorfozy czaszka przebudowuje się, a jedno oko zmienia położenie na przeciwną stronę głowy. Co więcej, skamieniałości wczesnych płastug zachowały formy z niepełną migracją oka: czaszka była już asymetryczna, lecz oczy pozostawały po przeciwnych stronach. To bezpośredni przykład stopniowego przejścia między planami ciała.
Fotosynteza C4 wygląda jak złożona innowacja: wymaga zmian w biochemii, regulacji genów i często także w anatomii liścia. Mimo to nie pojawiła się tylko w jednej linii roślin. Badania porównawcze wskazują ponad 60 niezależnych początków C4 w historii roślin lądowych. Wspólnym problemem jest enzym Rubisco, który przy wysokiej temperaturze i niskim stężeniu CO₂ częściej wiąże tlen, uruchamiając kosztowną fotooddychanie. Rośliny C4 ograniczają ten problem przez skupianie CO₂ wokół Rubisco — lecz różne linie dochodziły do tego zestawu cech oddzielnie.
Traszki z rodzaju Taricha mogą zawierać tetrodotoksynę — silną neurotoksynę blokującą kanały sodowe. Mimo to część węży podwiązkowych z rodzaju Thamnophis potrafi je zjadać dzięki zwiększonej odporności na TTX. W miejscach, gdzie toksyczne traszki i odporne węże występują razem, poziom toksyczności ofiary i odporności drapieżnika może być silnie dopasowany lokalnie. Zmiany w kanałach sodowych zwiększają odporność węży, ale mogą mieć koszt dla szybkości poruszania. To klasyczny przykład koewolucyjnego wyścigu zbrojeń, w którym przewaga jednej strony zmienia presję selekcyjną działającą na drugą.
Kolumnowy, zielony, żebrowany pień pełen wody i uzbrojony w kolce kojarzy się z kaktusem. Tymczasem bardzo podobne rośliny z Afryki mogą należeć do zupełnie innej rodziny — wilczomleczowatych. Sukulentowe kaktusy i liczne wilczomlecze niezależnie przystosowały się do suchych środowisk, uzyskując podobne cechy: magazynowanie wody w łodydze, ograniczenie powierzchni liści i przeniesienie dużej części fotosyntezy do zielonego pędu. To klasyczny przykład konwergencji: podobny klimat może „wyrzeźbić” podobny wygląd u roślin o odległym pokrewieństwie.
Krab wygląda jak bardzo charakterystyczny „projekt”: szeroki, spłaszczony pancerz, nogi rozstawione na boki i odwłok podwinięty pod tułów. Mimo to podobny plan ciała nie pojawił się tylko raz. W obrębie dziesięcionogich skorupiaków kilka odległych linii niezależnie upodobniło się do krabów. Zjawisko to nazywa się karcynizacją. Nie oznacza ono, że ewolucja „dąży do kraba”, lecz pokazuje, że przy podobnych ograniczeniach mechanicznych i ekologicznych pewne zestawy cech mogą być osiągane wielokrotnie. Co ciekawe, znane są również przypadki odwrotne — wtórnej utraty krabopodobnej sylwetki.
Kukułka podrzucająca jajo do obcego gniazda korzysta tylko wtedy, gdy gospodarz go nie rozpozna. Gospodarz zyskuje natomiast, jeśli potrafi odrzucić obce jajo bez wyrzucenia własnego. Ta sprzeczność interesów prowadzi do koewolucyjnego wyścigu: w wielu populacjach jaja pasożyta upodabniają się do koloru i wzoru jaj konkretnego gospodarza, a gospodarze rozwijają coraz lepsze rozpoznawanie. Badania modelujące widzenie ptaków potwierdzają, że u kukułki zwyczajnej lepsza imitacja wzoru występuje szczególnie u gospodarzy silniej odrzucających obce jaja.
Dzbaneczniki, rosiczki, muchołówki i pływacze wyglądają jak członkowie jednej niezwykłej „rodziny łowców”, ale mięsożerność roślin powstawała niezależnie w wielu liniach. Współczesne analizy filogenetyczne wskazują liczne niezależne początki tego stylu życia. Pułapki są zwykle silnie przekształconymi liśćmi, a ich formy obejmują lepkie powierzchnie, dzbanki, zatrzaski i pęcherzyki ssące. Wspólnym tłem ekologicznym są często siedliska ubogie w dostępne składniki mineralne. Ofiara nie zastępuje fotosyntezy — dostarcza przede wszystkim pierwiastków, których w glebie jest mało.
Kolonia termitów z królową, żołnierzami i robotnikami może na pierwszy rzut oka przypominać kolonię mrówek. Podobieństwo nie wynika jednak z odziedziczenia eusocjalności po wspólnym społecznym przodku. Mrówki wywodzą się z błonkoskrzydłych spokrewnionych z osami, natomiast termity są wyspecjalizowaną linią karaczanów. Ich złożone społeczeństwa powstały niezależnie. Co więcej, drogi do podobnej organizacji były inne: młode termity rozwijają się stopniowo i mogą wykonywać pracę już jako niedojrzałe osobniki, podczas gdy larwy mrówek są beznogie i wymagają opieki. Konwergencja może więc dotyczyć nie tylko kształtu ciała, lecz także organizacji całego społeczeństwa.
„Namorzyny” nie są jedną blisko spokrewnioną grupą roślin, lecz zestawem linii, które niezależnie przystosowały się do życia w zalewanych, słonych strefach tropikalnych wybrzeży. Dlatego nie istnieje jeden mangrowy wynalazek radzenia sobie z solą. Rhizophora w dużym stopniu ogranicza wnikanie jonów już na poziomie korzeni, podczas gdy Avicennia łączy silną filtrację z aktywnym wydzielaniem nadmiaru soli przez wyspecjalizowane gruczoły liściowe. Inne gatunki tolerują większe gromadzenie soli w tkankach i mogą usuwać ją wraz ze starzejącymi się liśćmi. Podobne środowisko doprowadziło więc do różnych zestawów rozwiązań fizjologicznych.
Lewy nerw krtaniowy wsteczny nie biegnie bezpośrednio z mózgu do krtani. Jako gałąź nerwu błędnego schodzi do klatki piersiowej, owija się wokół łuku aorty i dopiero wtedy wraca w górę szyi. U żyrafy oznacza to wielometrową drogę do narządu leżącego stosunkowo blisko mózgu. Trasa ma sens dopiero po uwzględnieniu rozwoju zarodkowego i historii kręgowców: nerw był związany z łukami gardłowymi i naczyniami, a wraz z wydłużaniem szyi oraz przesuwaniem serca pozostał „zaczepiony” pod dużym naczyniem.
Echolokacja daje nietoperzom ogromną przewagę podczas nocnego polowania, ale część ich ofiar ewoluowała w odpowiedzi. Niektóre ćmy mają uszy czułe na ultradźwięki, a część dodatkowo sama emituje serie ultradźwiękowych kliknięć. U tygrzyków takich jak Bertholdia trigona wykazano eksperymentalnie, że dźwięki te mogą zakłócać skuteczność sonaru atakującego nietoperza. Ćma nie „wyłącza” echolokacji; wprowadza sygnały w krytycznym momencie przetwarzania echa, utrudniając precyzyjne namierzenie. To biologiczny odpowiednik walki elektronicznej powstały w wyścigu zbrojeń drapieżnik–ofiara.
Nietoperz polujący nocą i delfin ścigający rybę pod wodą rozwiązują podobny problem: wysyłają dźwięk i analizują echo. Ich echolokacja powstała niezależnie, ale podobieństwo nie kończy się na zachowaniu. W genie kodującym prestynę — białko ważne dla działania komórek słuchowych ssaków — u echolokujących nietoperzy i zębowców znaleziono przykłady zbieżnych zmian aminokwasów. To nie znaczy, że całe systemy sonarowe mają identyczną podstawę genetyczną. Pokazuje natomiast, że silna presja na słyszenie wysokich częstotliwości może prowadzić do podobnych rozwiązań nawet na poziomie molekularnym.
Przodek waleni był ssakiem lądowym oddychającym przez nozdrza położone z przodu pyska. U współczesnych wielorybów i delfinów zewnętrzny otwór oddechowy znajduje się wysoko na głowie, dzięki czemu zwierzę może zaczerpnąć powietrza przy minimalnym wynurzeniu. Zapis kopalny dokumentuje formy z otworami nosowymi położonymi kolejno coraz bardziej ku tyłowi czaszki. Zmiana obejmowała nie tylko „wędrówkę dziurek”, lecz przebudowę kości pyska, kanałów nosowych i całej architektury czaszki. U zębowców i fiszbinowców końcowa orientacja dróg nosowych rozwija się też odmiennymi szczegółami.
Wieloryby, foki i inne ssaki nurkujące muszą zabrać tlen ze sobą, zanim znikną pod powierzchnią. Jednym z najważniejszych magazynów jest mioglobina w mięśniach. Problem w tym, że białko zgromadzone w bardzo wysokim stężeniu ma tendencję do agregacji, a to ogranicza, ile można go bezpiecznie „upakować” w komórce. Analiza mioglobiny 130 gatunków ssaków wykazała powtarzalny wzrost dodatniego ładunku powierzchniowego w liniach przystosowujących się do nurkowania. Cząsteczki silniej się wtedy odpychają, co zwiększa ich rozpuszczalność i pozwala mięśniom gromadzić większy zapas tlenu. To ewolucyjna adaptacja widoczna w właściwościach fizycznych pojedynczego białka.
Oko człowieka i oko ośmiornicy działają jak aparat fotograficzny: światło wpada przez otwór, soczewka ogniskuje obraz, a siatkówka rejestruje bodźce. To podobieństwo nie oznacza jednak, że wspólny przodek kręgowców i głowonogów miał już gotowe oko kamerowe. Złożone oczy tych grup rozwijały się niezależnie, wykorzystując starsze elementy biologii widzenia. Co szczególnie ciekawe, podobny efekt optyczny został osiągnięty przy odmiennej organizacji siatkówki i innym przebiegu nerwów. Konwergencja dotyczy więc funkcji i geometrii oka, a nie identycznej konstrukcji krok po kroku.
Skorupa żółwia wygląda jak zewnętrzna zbroja nałożona na ciało, ale duża część karapaksu jest zintegrowana ze szkieletem osiowym. Żebra żółwia rosną w niezwykły sposób: rozszerzają się na boki i współtworzą kostne płyty pancerza. Towarzyszy temu przebudowa ściany tułowia oraz położenia obręczy barkowej względem żeber. Skamieniałości wczesnych krewnych żółwi pokazują etapy tej transformacji — od poszerzonych żeber do coraz pełniejszej skorupy. To nie „dodatkowy pancerz”, lecz głęboka reorganizacja planu ciała kręgowca.
Obie pandy chwytają bambus czymś, co wygląda jak dodatkowy palec. Nie jest to prawdziwy szósty palec, lecz powiększona kość nadgarstka — trzeszczka promieniowa. Panda wielka jest niedźwiedziem, a panda mała należy do osobnej rodziny Ailuridae, więc ich podobna funkcja chwytna jest przykładem konwergencji. Fossylia i anatomia pokazują jednak ważny niuans: u linii pandy małej powiększona trzeszczka prawdopodobnie służyła pierwotnie wspinaniu, a dopiero później została wykorzystana do manipulowania bambusem. To konwergencja użycia istniejącej struktury, nie identyczna historia jej powstania.
Roślina nie musi zawsze produkować własnego węgla ze światła. Niektóre linie pasożytnicze pobierają związki organiczne i składniki mineralne z gospodarza, a część z nich całkowicie utraciła fotosyntezę. Wraz ze zmianą stylu życia zanika presja utrzymująca wiele genów chloroplastowych związanych z fotosyntezą. Plastyd jednak często nie znika całkowicie, ponieważ pełni także inne ważne funkcje metaboliczne. Powstaje więc „zredukowany” organellum: mniej genów, mniej funkcji, ale nadal niezbędne zadania. To przykład ewolucji przez utratę i specjalizację, a nie przez dokładanie nowych elementów.
Pióra często traktuje się jak strukturę, która „powstała do latania”. Skamieniałości nieptasich dinozaurów pokazują jednak, że pióra i pióropodobne okrywy występowały, zanim pojawił się aktywny lot ptaków. Wczesne formy były prostsze niż współczesne lotki i mogły pełnić funkcje takie jak izolacja, sygnalizacja lub ochrona. Dopiero później część linii wykorzystała złożone, asymetryczne pióra jako element aparatu lotnego. To klasyczny przykład egzaptacji: struktura rozwinięta wcześniej może zostać przebudowana i wykorzystana do nowej funkcji.
Gekon chodzący po szybie wydaje się mieć niezwykle wyspecjalizowaną cechę, którą raz zdobyta powinna być zachowywana. Analizy filogenetyczne pokazują jednak bardziej dynamiczną historię. Przylgowe opuszki palców w obrębie gekonów ewoluowały niezależnie wiele razy, a w części linii zostały później utracone. W jednym szerokim badaniu najbardziej prawdopodobny scenariusz obejmował około 11 niezależnych zysków i 9 strat. Podobny wygląd opuszki może więc ukrywać osobne początki, a brak przylgi może być cechą pierwotną albo skutkiem wtórnej redukcji.
Remora potrafi przyczepić się do rekina, żółwia, wieloryba albo kadłuba łodzi za pomocą owalnego dysku na szczycie głowy. Ten narząd wygląda tak niezwykle, że łatwo uznać go za całkowicie nową strukturę. Anatomia i rozwój pokazują jednak, że dysk powstał z elementów płetwy grzbietowej. Jej promienie i tkanki zostały przekształcone w system poprzecznych listew, które współpracują z uszczelnieniem i tarciem, tworząc mocne połączenie z podłożem. Ewolucja nie „dodała przyssawki” — przeprojektowała istniejącą płetwę.
Węgorz elektryczny nie jest jedyną rybą, która potrafi wytwarzać pole elektryczne. Narządy elektryczne powstały niezależnie w kilku odległych liniach ryb, a w większości dobrze zbadanych przypadków ich komórki — elektrocyty — wywodzą się z tkanki mięśniowej. Ewolucja nie musiała więc tworzyć „baterii” od zera: modyfikowała istniejący układ pobudliwych komórek, zmieniając ich budowę, ekspresję kanałów jonowych i sposób połączenia. Różne linie doszły do podobnej funkcji, wykorzystując częściowo podobne programy rozwojowe i molekularne.
Meksykańska ryba Astyanax mexicanus występuje zarówno w widzącej formie powierzchniowej, jak i w wielu ślepych populacjach jaskiniowych. U części z nich utrata oczu ewoluowała niezależnie. Co ciekawe, zarodki jaskiniowe zaczynają tworzyć zawiązki oczu, lecz rozwój później ulega zahamowaniu i tkanki degenerują. Porównania populacji pokazują podobne zmiany rozwojowe, ale także różnice genetyczne. Ewolucja może więc wielokrotnie dochodzić do podobnego fenotypu, korzystając częściowo z tych samych szlaków rozwojowych, a częściowo z innych mutacji.
U kręgowców hemoglobina jest niemal synonimem transportu tlenu we krwi, a jednak współczesne ryby lodowe z rodziny Channichthyidae utraciły funkcjonalną hemoglobinę. Ich krew jest przez to blada i przenosi tlen głównie w postaci rozpuszczonej w osoczu. Taka sytuacja jest możliwa dzięki niezwykle zimnej, dobrze natlenionej wodzie oraz zestawowi kompensacji: dużej objętości krwi, niskiemu jej oporowi przepływu, dużemu sercu, wysokiemu rzutowi serca i gęstemu unaczynieniu. Utrata hemoglobiny nie jest prostym „ulepszeniem” — to skrajny stan, który działa w bardzo szczególnych warunkach.
Oddychanie powietrzem u ryb nie jest pojedynczym wynalazkiem odziedziczonym przez wszystkie gatunki, które wychodzą na powierzchnię. Zdolność pobierania tlenu z atmosfery ewoluowała niezależnie w wielu liniach, a rolę narządu oddechowego przejmowały różne struktury: zmodyfikowany pęcherz pławny, jelito, żołądek, skóra, jama gębowa albo wyspecjalizowane komory nad skrzelami. Przeglądy wskazują dziesiątki rodzin ryb wykorzystujących powietrze. To pokazuje, że ewolucja może wielokrotnie rozwiązywać ten sam problem, przerabiając zupełnie różne części ciała na powierzchnie wymiany gazowej.
Antarktyczne nototeniowce i arktyczne dorsze żyją w wodzie, której temperatura może spaść poniżej punktu zamarzania ich płynów ustrojowych. Obie grupy wytwarzają glikoproteiny przeciwzamarzaniowe AFGP, które wiążą się z kryształkami lodu i hamują ich wzrost. Co niezwykłe, białka są funkcjonalnie i chemicznie bardzo podobne, ale ich geny mają różne pochodzenie. U nototeniowców AFGP powstały z fragmentów dawnego genu trypsynogenu, natomiast u arktycznych dorszy badania genomowe wskazują na niezależne powstanie z innego materiału genetycznego. To niemal modelowy przykład konwergencji molekularnej.
Kontrolowany lot ślizgowy nie jest specjalnością jednej grupy zwierząt. W lasach świata niezależnie pojawiały się ssaki z błonami między kończynami, jaszczurki rozpinające fałdy skóry na wydłużonych żebrach, żaby wykorzystujące szerokie błony między palcami oraz węże, które spłaszczają ciało i falują w powietrzu. Te zwierzęta nie odziedziczyły jednego „narządu szybowania” po wspólnym przodku. Każda linia wykorzystała inny fragment anatomii, aby zwiększyć powierzchnię nośną i kontrolować opadanie. To konwergencja na poziomie funkcji, ale ogromna różnorodność na poziomie konstrukcji.
W ciemnych głębinach znalezienie partnera może być tak trudne, że u części żabnic głębinowych wyewoluował skrajny system rozmnażania. Maleńki samiec przyczepia się do znacznie większej samicy, a u gatunków z trwałym „pasożytnictwem płciowym” ich tkanki zrastają się i powstaje połączenie krążenia. Samiec może pozostać przy samicy przez resztę życia jako stałe źródło plemników. Taki przeszczep między niespokrewnionymi osobnikami powinien zwykle wywołać silną odpowiedź immunologiczną. Badania genomów żabnic wykazały jednak, że linie z trwałym zrostem utraciły lub głęboko zmodyfikowały elementy adaptacyjnego układu odpornościowego, co pokazuje niezwykły kompromis między rozrodem a odpornością.
Niektóre węże potrafią wykrywać promieniowanie podczerwone emitowane przez ciepłe obiekty, ale nie robią tego oczami. Wyspecjalizowane jamki na pysku ogrzewają cienką błonę unerwioną przez włókna czuciowe, a bardzo czułe kanały TRPA1 przekształcają zmianę temperatury w sygnał nerwowy. Taki system występuje u żmij jamistych oraz u części pytonów i dusicieli, a dowody anatomiczne i molekularne wskazują na niezależne modyfikacje w tych liniach. Ewolucja wielokrotnie przestroiła istniejący układ czucia temperatury w detektor promieniowania cieplnego.
Żaba leśna Lithobates sylvaticus zimuje płytko pod ściółką, gdzie nie zawsze może uniknąć ujemnych temperatur. Jej strategią nie jest utrzymanie całego ciała w stanie ciekłym, lecz kontrolowane tolerowanie zamarzania. Podczas mrozu lód tworzy się przede wszystkim w przestrzeniach pozakomórkowych, krążenie i wentylacja ustają, a komórki tracą wodę na rzecz rosnącego lodu. W odpowiedzi wątroba szybko uwalnia ogromne ilości glukozy, a przed zimą gromadzi się także mocznik. Te związki działają jako krioprotektanty i osmoprotektanty. Po odmarznięciu serce, mózg i mięśnie stopniowo wracają do działania. To nie „zmartwychwstanie po całkowitym zamrożeniu”, lecz precyzyjnie zarządzany stan metabolicznego zatrzymania.
