Какие свойства организма лежат в основе адаптации
Вопрос 1. Что такое физиологическая адаптация? Как она возникает и что лежит в её основе?
Физиологическая адаптация совокупность физиологических реакций, лежащая в основе приспособления организма к изменению окружающих условий и направленная к сохранению относительного постоянства его внутренней среды — гомеостаза.
Адаптацию организма различают генотипическую и фенотипическую. В основе генотипической лежат условия естественного отбора и мутаций, которые привели к изменениям в организмах целого вида или популяции. Именно в процессе этого типа адаптации были сформированы современные виды животных, птиц и человека. Генотипическая форма адаптации является наследственной. Фенотипическая форма адаптации обусловлена индивидуальными изменениями в конкретном организме для комфортного пребывания в определенных климатических условиях. Также может развиваться вследствие постоянного воздействия агрессивной среды. В результате организм приобретает устойчивость к ее условиям.
Вопрос 2. Приведите примеры функциональных приспособительных изменений у животных.
Разнообразные механизмы физиологической адаптации к неблагоприятным условиям выработали птицы и млекопитающие. У человека плохо регулируется солевой обмен, и поэтому он не может долго обходиться без пресной воды. Но рептилии и птицы, проводящие большую часть жизни в морских просторах и пьющие морскую воду, приобрели специальные железы, позволяющие им быстро избавляться от избытка солей.
Вопрос 3. Каким образом обитатели пустыни приспосабливаются к отсутствию воды?
Многие пустынные животные перед наступлением засушливого сезона накапливают много жира: при его окислении образуется большое количество воды. Птицы и млекопитающие способны регулировать потери воды с поверхности дыхательных путей. Например, верблюд при лишении воды резко сокращает испарение как с дыхательных путей, так и через потовые железы.
Вопрос 4. Используя знания, полученные при изучении курса «Человек и его здоровье», приведите примеры физиологических адаптаций у человека.
Срочная физиологическая адаптация в первую очередь запускает в действие избыточные структуры. Например, жизнедеятельность человеческого организма вполне может обеспечиваться и одним легким. В состоянии расслабления и покоя легкие работают ровно в половину своей мощности, а вот при воздействии необычного фактора потребление воздуха увеличивается в разы. При этом готова к работе и кровеносная система, которая перекачивает и обогащает кислородом в шесть раз больше объема крови, чем обычно.
Длительная физиологическая адаптация возникает чаще всего при систематическом воздействии раздражителя, его периодическом возникновении. Это бывает у альпинистов, спортсменов и т.д. В результате подобного перманентного воздействия организм вырабатывает необходимые адаптивные механизмы, действие которых не угасает, а активизируется при наличии фактора-раздражителя. При этом нет необходимости запуска адаптации по срочному принципу – организм вполне адекватно воспринимает раздражитель, он уже имеет активный запас необходимых показателей, которые не позволяют организму испытывать стресс. Именно поэтому быстрый бег для спортсмена-бегуна – норма, поддерживающая его физическую форму, а для нетренированного человека – громадный стресс, способный привести к тяжелым последствиям при адаптации.
Вопрос 5. Как вы считаете, особь или популяция является единицей приспособления? Объясните, почему вы сделали такой вывод.
Единицей приспособления является особь, а единицей эволюции – популяция. Причина этого в том, что разнообразие генотипов, из которых может происходить отбор наиболее удачных, возможен лишь в группе особей одного вида, среди которых есть панмиксия и в которой отобранные генотипы смогут сохраниться и распространиться, т.е. в популяции.
Вопрос 6. Согласны ли вы с утверждением, что все приспособительные признаки носят относительный характер? Докажите свою точку зрения и приведите примеры.
Данное утверждение верно. Любые приспособления «срабатывают» только в обычной для вида обстановке. При изменении условий среды они оказываются бесполезными или даже вредными для организма. Постоянный рост резцов грызунов – очень важная особенность, но лишь при питании твёрдой пищей. Если крысу держать на мягкой пище, резцы её, не изнашиваясь, вырастают до таких размеров, что мешают есть, и зверёк может погибнуть от голода.
Из этого урока вы узнаете, как живые организмы на протяжении многих поколений под действием естественного отбора приспосабливаются (адаптируются) к условиям окружающей среды. По отношению к отдельному живому организму окружающей средой в широком смысле являются не только факторы неживой природы, но и другие живые организмы и их сообщества, а также созданные людьми артефакты. Под воздействием естественного отбора от поколения к поколению приспособленность живых существ постепенно возрастает, так как генетический груз популяции (вредные и неполезные признаки) элиминируются. Так, шаг за шагом, за счет накопления незначительных изменений возникает удивительное разнообразие живого.
Приспособляемость организмов, или адаптации
В ходе борьбы за существование происходит естественный отбор наиболее приспособленных к условиям среды особей.
Выработавшиеся в ходе филогенеза приспособления называются адаптациями. Адаптации касаются морфологии, физиологии и поведения организмов.
Морфологические адаптации
Наиболее характерными адаптациями можно назвать форму тела и конечностей. Так, у водоплавающих млекопитающих – дельфинов и китов – тело отвечает требованиям гидродинамики и позволяет развивать скорость до 40 км в час.
У птиц, например сокола сапсана, тело оптимизировано под требования аэродинамики и экономии веса. Благодаря этому, сокол может пикировать со скоростью до 300 км в час.
Более мелкие физиологические особенности, например форма клюва, не менее важны. Так стриж на лету ловит мелких насекомых, поэтому у него широкий рот и короткий клюв. Цапля ловит рыб и амфибий под водой, поэтому у нее длинный клюв (рис. 1).
Рис. 1. Примеры адаптаций: клювы стрижа – слева и цапли – справа
Адаптации связанные с внешним видом
Незначительные, на первый взгляд, изменения на самом деле носят приспособительный характер.
Важную роль играет внешний вид особей. Адаптации, связанные с внешним видом особей, принято разделять на условные группы.
Первую группу составляет покровительственная окраска.
Покровительственная окраска делает особь менее заметной на фоне других объектов и затрудняет ее обнаружение.
Такая окраска встречается у видов, представители которых живут открыто и легко могут стать добычей хищников. Например, на севере многие виды окрашены в белый цвет, чтобы не выделяться на фоне снега (рис. 2).
Рис. 2. Покровительственная окраска делает животное почти невидимым на фоне окружающей среды
Другие виды – олени, тигры, некоторые змеи – имеют контрастную, расчленяющую окраску (рис. 3).
Рис. 3. Примеры расчленяющей окраски, которая тоже прекрасно маскирует животных
Если фон среды не остается постоянным, в зависимости от сезона года, то многие животные меняют свою окраску также в течение года (рис. 4).
Рис. 4. Сезонные изменения покровительственной окраски зайца
Покровительственная окраска характерна не только для самих особей, но также и для их яиц или гнездовий.
Вторая группа – это маскировка. Т. е. приспособление, при котором особь сливается с окружающими предметами.
Например, некоторые гусеницы своим внешним видом имитируют сучки. Некоторые клопы очень похожи на листья. А рыбы маскируются под камни и водоросли (см. видео).
Третья группа – это предупреждающая окраска. Это яркая, бросающаяся в глаза окраска, которая отличает жалящих или несъедобных существ.
Хищники реже атакуют таких опасных особей, выбирая более безобидных жертв (см. видео).
Четвертая группа – это мимикрия, т. е. достижение сходства с каким-то опасным для хищника видом.
Например, некоторые неядовитые насекомые как бы имитируют формой и окраской ядовитых сородичей (рис. 5). Фактически, это подражание предупреждающей окраски, какого-то действительно опасного вида. Хищники не нападают на таких животных, опасаясь последствий. Мимикрия тоже является результатом естественного отбора особей, похожих на представителей ядовитых или опасных видов.
Рис. 5. Пример мимикрии
Физиологические адаптации
Помимо морфологических адаптаций, выделяют также физиологические адаптации, т. е. все те изменения в работе тканей и органов, которые накопились в результате естественного отбора.
Например, пустынные животные перед наступлением засушливого периода накапливают запасы жира, при разложении которого в организме получается вода.
Приспособительное поведение
Значительную роль для естественного отбора играет приспособительное поведение. По аналогии с окраской, такое поведение может способствовать маскировке или, наоборот, отпугиванию врагов и соперников. Так, кобра, раскрывая свой капюшон, демонстрирует агрессивность своих намерений (см. видео).
Для выживания виды используют сложные поведенческие механизмы. Например, запасание. Полевка-эконом может собирать до 10 кг запасов кореньев, злаков, сена. Бобры устраивают на зиму склады обрубков деревьев. Их запасы могут достигать 20 м3.
Примером приспособительного поведения служит и время наиболее суточной активности. Так, в пустынных условиях многие хищники выходят на охоту ночью, когда спадает дневной зной.
Еще одним примером приспособительного поведения является забота о потомстве.
Так, многие рыбы охраняют икру, откладываемую между камнями, активно отгоняя врагов. А некоторые и вовсе вынашивают икру во рту, или даже в желудке (см. видео).
Наиболее ярко забота о потомстве проявляется у млекопитающих. Звери не только кормят свое потомство, но и обучают его ловить добычу. Представители нашего вида – обычно тоже весьма заботливые родители.
Следует помнить, что любые адаптации носят относительный характер. Даже самая совершенная адаптация может оказаться бесполезной или вредной при смене условий.
Например, у крыс постоянно растут резцы. Это адаптация к питанию жестким кормом. Но если крыс перевести на питание мягким кормом, то зубы перестанут стачиваться, достигнут огромных величин, и такая крыса погибнет. Аналогично, сокол, идеально приспособленный к полету, совершенно не может перемещаться в воде, или в густом лесу.
Таким образом, адаптации – это проявление изменчивости, которое дает преимущество в борьбе за выживание и закрепляется естественным отбором.
Список литературы
- А.А. Каменский, Е.А. Криксунов, В.В. Пасечник. Общая биология, 10–11 класс. – М.: Дрофа, 2005. По ссылке скачать учебник: (Источник)
- Д.К. Беляев. Биология 10–11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 11-е издание, стереотипное. – М.: Просвещение, 2012. – 304 с. (Источник)
- В.Б. Захаров, С.Г. Мамонтов, Н.И. Сонин, Е.Т. Захарова. Биология 11 класс. Общая биология. Профильный уровень. – 5-е издание, стереотипное. – М.: Дрофа, 2010. – 388 с. (Источник)
- В.И. Сивоглазов, И.Б. Агафонова, Е.Т. Захарова. Биология 10–11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 6-е издание, дополненное. – М.: Дрофа, 2010. – 384 с. (Источник)
Домашнее задание
- Что понимают под приспособлением живых организмов к среде обитания?
- Как связано морфологическое приспособление к окружающей среде с мутациями?
- В чем отличие физиологической адаптации от поведенческой адаптации?
- В че заключается эволюционный смысл мимикрии?
- Как адаптированы к условиям среды представители нашего вида Человек разумный?
- Обсудите с друзьями, какие поведенческие адаптации важны для современного человека.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Современная биология (Источник).
- Общая экология (Источник).
- ВикипедиЯ (Источник).
В процессе эволюции в результате естественного отбора и борьбы за существование возникают приспособления (адаптации) организмов к определенным условиям обитания. Сама эволюция является по существу непрерывным процессом образования адаптаций, происходящим по следующей схеме: интенсивность размножения —> борьба за существование —> избирательная гибель —> естественный отбор —> приспособленность.
Адаптации затрагивают разные стороны жизненных процессов организмов и поэтому могут быть нескольких типов.
Морфологические адаптации
Они связаны с изменением строения тела. Например, появление перепонок между пальцами ног у водоплавающих животных (амфибий, птиц и др.), густого шерстного покрова у северных млекопитающих, длинных ног и длинной шеи у болотных птиц, гибкого тела у норных хищников (например, у ласки) и т. п. У теплокровных животных при продвижении на север отмечается увеличение средних размеров тела (правило Бергмана), что уменьшает относительную поверхность и теплоотдачу. У придонных рыб формируется плоское тело (скаты, камбала и др.). У растений в северных широтах и высокогорных районах часты стелющиеся и подушковидные формы, меньше повреждаемые сильными ветрами и лучше согреваемые солнцем в припочвенном слое.
Покровительственная окраска
Покровительственная окраска очень важна для видов животных, не имеющих эффективных средств защиты от хищников. Благодаря ей животные становятся менее заметными на местности. Например, самки птиц, высиживающие яйца, почти не отличимы от фона местности. Яйца птиц также окрашены под цвет местности. Покровительственную окраску имеют донные рыбы, большинство насекомых и многие другие виды животных. На севере чаще встречается белая или светлая окраска, помогающая маскироваться на снегу (полярные медведи, полярные совы, песцы, детеныши ластоногих — бельки и др.). У ряда животных появилась окраска, образованная чередованием светлых и темных полос или пятен, делающая их менее заметными в кустарниках и густых зарослях (тигры, молодые кабаны, зебры, пятнистые олени и др.). Некоторые животные способны очень быстро менять окраску в зависимости от условий (хамелеоны, осьминоги, камбала и др.).
Маскировка
Суть маскировки в том, что форма тела и его окраска делают животных похожими на листья, сучки, ветви, кору или колючки растений. Часто встречается у насекомых, обитающих на растениях.
Предостерегающая или угрожающая окраска
Некоторые виды насекомых, имеющих ядовитые или пахучие железы, имеют яркую предостерегающую окраску. Поэтому хищники, однажды столкнувшиеся с ними, надолго запоминают эту окраску и больше не нападают на таких насекомых (например, осы, шмели, божьи коровки, колорадские жуки и ряд других).
Мимикрия
Мимикрия — это окраска и форма тела у безобидных животных, подражающие их ядовитым собратьям. Например, некоторые не ядовитые змеи похожи на ядовитых. Цикады и сверчки напоминают крупных муравьев. У некоторых бабочек на крыльях имеются крупные пятна, напоминающие глаза хищников.
Физиологические адаптации
Этот тип адаптаций связан с перестройкой обмена веществ у организмов. Например, появление теплокровности и терморегуляции у птиц и млекопитающих. В более простых случаях — это приспособление к определенным формам пищи, солевому составу среды, высоким или низким температурам, влажности или сухости почвы и воздуха и т. п.
Биохимические адаптации
Этот тип адаптаций связан с образованием определенных веществ, облегчающих защиту от врагов или нападение на другие организмы. Сюда можно отнести яды змей, скорпионов, пауков и некоторых других животных, облегчающие им охоту; антибиотики грибов и бактерий, защищающие их от конкурентов; токсины растений, предохраняющие их от поедания; пахучие вещества клопов и некоторых других насекомых, отпугивающие врагов и т. п. Сюда же можно отнести образование ферментов, разрушающих ядохимикаты и лекарственные препараты, используемые человеком и приводящие к появлению устойчивых к этим веществам форм бактерий, грибов и других организмов. К биохимическим адаптациям относится и особая структура белков и липидов у термофильных (устойчивых к высоким температурам) и психрофильных (холодолюбивых), позволяющая организмам существовать в горячих источниках, вулканических почвах или в условиях вечной мерзлоты. (подробнее об этом в статье Биохимические адаптации)
Поведенческие адаптации
Данный тип адаптаций связан с изменением поведения в тех или иных условиях. Например, забота о потомстве приводит к лучшему выживанию молодых животных и повышает устойчивость их популяций. В брачные периоды многие животные образуют отдельные семьи, а зимой объединяются в стаи, что облегчает их пропитание или защиту (волки, многие виды птиц).
Приспособления к периодическим факторам среды
Это адаптации к факторам среды, имеющим определенную периодичность в своем проявлении. К этому типу относятся суточные чередования периодов активности и отдыха, состояния частичного или полного анабиоза (сбрасывание листьев, зимние или летние диапаузы животных и др.), миграции животных, вызванные сезонными изменениями и т. п.
Приспособления к экстремальным условиям обитания
Растения и животные, обитающие в пустынях и полярных областях Земли, также приобретают ряд специфических адаптаций. У кактусов листья преобразовались в колючки (уменьшение испарения и защита от выедания животными), а стебель превратился в фотосинтезирующий орган и резервуар воды. Пустынные растения имеют длинную корневую систему, позволяющие добывать воду с большой глубины. Пустынные ящерицы могут обходиться без воды, поедая насекомых и получая воду путем гидролиза их жиров. У северных животных кроме густого меха имеется также большой запас подкожных жиров, уменьшающий охлаждение тела.
Относительный характер адаптаций
Все приспособления целесообразны лишь для определенных условий, в которых они выработались. При изменении этих условий адаптации могут потерять свою ценность или даже принести вред имеющим их организмам. Белая окраска зайцев, хорошо защищающая их на снегу, становится опасной при малоснежных зимах или сильных оттепелях.
Относительный характер адаптаций хорошо доказывают и данные палеонтологии, свидетельствующие о вымирании больших групп животных и растений, не переживших изменение условий жизни.
Физиологические адаптации
Физиологическая адаптация — совокупность физиологических реакций, лежащих в основе приспособления организма к изменению окружающих условий и направленных на сохранение относительного постоянства его внутренней среды.
Морфологические и поведенческие адаптации сохраняются в процессе эволюции только тогда, когда они сочетаются с приспособленностью процессов жизнедеятельности к условиям обитания, т. е. с физиологическими адаптациями.
Амфибии, имеющие влажные покровы, через которые осуществляется значительная часть газообмена, и теряющие через кожу большое количество воды, способны, однако, жить в пустынях и полупустынях, благодаря целому ряду приспособлений.
Многие пустынные млекопитающие перед наступлением засушливого сезона накапливают много жира, резко сокращают жизнедеятельность вплоть до «спячки». В результате окисления жира образуется достаточное количество воды для поддержания жизни. При лишении воды резко сокращается её испарение как из дыхательных путей, так и через потовые железы.
Приспособления не появляются в готовом виде, а представляют собой результат отбора случайных наследственных изменений, повышающих жизнеспособность организмов в конкретных условиях.
Тушканчики впадают в спячку на зимний период. Морские черепахи, проводящие большую часть жизни в морских просторах и пьющие морскую воду, приобрели специальные железы, позволяющие им избавляться от избытка солей.
Растения засушливых мест адаптированы к своей среде обитания, они имеют приспособления, препятствующие активному испарению.
Основная задача растений, обитающих в таких местах, — как можно быстрее и эффективнее собрать воду, пока она не успела испариться. Поэтому растения засушливых мест, или суккуленты, обладают сильно разветвлённой корневой системой, образующей густую сеть в нескольких сантиметрах от поверхности почвы, что позволяет моментально впитывать влагу.
У некоторых растений листья редуцируются или превращаются в колючки, а функцию фотосинтеза выполняет стебель, где сильно развивается водозапасающая ткань.
Узкие листья с небольшим числом устьиц, развитая корневая система позволяют пырею добывать воду из водоносного слоя ниже песка и вегетировать даже во время сильной засухи. Прямостоячие суккулентные растения рода Бриофиллум имеют мясистые сочные листья. Тилландсии, произрастающие в пустыне Атакама, которая считается одним из самых засушливых мест на Земле, лишены корней. Каждую ночь в пустыне образуются густые туманы, которые являются единственным источником влаги. Поверхность листьев этого растения покрыта чешуйками, впитывающими атмосферную влагу.
Другие растения переживают экстремальные периоды в виде семян и спор, которые после выпадения дождя могут прорастать; новые растения иногда за четыре недели успевают вырасти, зацвести и дать семена, которые будут пребывать в состоянии покоя до следующего дождливого периода.
Собранную воду суккуленты запасают в особой ткани, состоящей из тонкостенных клеток, содержащих крупные вакуоли. После нескольких хороших ливней суккуленты впитывают столько воды, что вес их увеличивается в десятки раз.
Ещё одним способом сохранить ткани от высыхания служит плотная кожица, покрытая восковым налётом.
Миоглобин — белок мышц позвоночных животных и человека, запасающий в мышцах кислород. Особенно богаты миоглобином мышцы морских животных, способных длительно находиться под водой.
Органы химического чувства насекомых предназначены для облегчения поиска пищи, ориентации на местности, определения приближения врага или партнёра для размножения.
Сегодня известно более сотни химических веществ, выделяемых насекомыми. Восприятие этих веществ и их «расшифровка» вызывают у получателей определённую форму поведения или активирует физиологический процесс.
У самца тутового шелкопряда на антеннах расположено около 32 тысяч обонятельных рецепторов. Они улавливают запах ароматической железы самки на расстоянии 3 км. Самец павлиноглазки способен улавливать запах самки своего вида на расстоянии 12 км. Жуки-могильщики, занимающиеся очисткой земли от падали, способны почувствовать запах за сотни метров.
Особой термолокацией обладают некоторые змеи — ямкоголовые, питоны и африканские гадюки. Выше ноздрей у них имеются особые органы термического чувства — термолокаторы. Они представляют собой прикрытые прозрачной плёнкой ямки. При закрытом канале излучаемое жертвой тепло (поток инфракрасных лучей), нагревая полость ямки, позволяет определить направление источника излучения, т. е. лоцировать добычу в темноте (например, грызуна в его норе). Полагают, что эти терморецепторы способны регистрировать изменения температуры в тысячные доли градусов.
Летучие мыши — ночные животные. Они испускают высокочастотные звуки во время охоты, которые отражаются от препятствий, и возвращаясь, предоставляют им информацию об окружающей обстановке.
Таким образом, летучие мыши определяют движение жертвы, дистанцию до неё, обнаруживают предметы, преграждающие им путь, и пр. Во время полёта летучие мыши испускают ультразвук, используя сложные сочетания импульсов. Частота звуков колеблется в пределах 30 — 150 кГц, сам звук длится несколько миллисекунд.
Ухаживая за самкой, каждый самец поёт свою собственную песню. Сложные голосовые сообщения используются и для опознавания друг друга, обозначения социального статуса, определения территориальных границ, при воспитании потомства и при противодействии особям, вторгшимся на чужую территорию.
Птица-секретарь — птица из отряда соколообразных с длинными чёрными перьями на голове. Длина птицы-секретаря от 125 до 150 см, вес почти 4 кг, размах крыльев около 200 см. В отличие от других хищных птиц, охотящихся в воздухе, секретари большую часть времени проводят на земле, где могут относительно быстро передвигаться.
Главной пищей птиц-секретарей являются змеи. Интересен их способ охоты: секретари бегут по земле, громкими ударами крыльев заставляя выдать себя притаившуюся добычу. После этого они настигают её зигзагообразными движениями. Змеи таким образом теряют ориентацию. Сильный удар клювом по позвоночнику убивает жертву. Если же змея защищается, то секретарь умело уходит от укусов и вновь нападает. Птица-секретарь издавна славится как умелый истребитель змей. Во время борьбы со змеёй птица-секретарь расправляет одно крыло и использует его как щит.
< Предыдущая страница «Забота о потомстве»
Следующая страница «Вид, его критерии и структура» >