§ 1. Адаптація — властивість біологічних систем

Різноманіття форм життя є наслідком адаптацій

Усе різноманіття живого на всіх рівнях організації — від молекулярного до біосферного — є пристосованим, тобто адаптованим, до тих умов, у яких воно існує. Чи це молекула ферменту, що пришвидшує проходження реакції синтезу, чи це спеціалізована клітина в серці, чи це рослина на схилі гори, чи лісове озеро — усі згадані біологічні системи функціонують саме в тому оточенні, за тієї температури, освітленості, вологості тощо, які є довкола них. Тобто вони є пристосованими до свого середовища мешкання. А значна кількість різних живих організмів, яких ми маємо змогу спостерігати в довкіллі, якраз і є наслідком різноманітності умов оточення. Інакше кажучи, саме процес пристосування організмів до умов навколишнього середовища й породжує все різнобарв'я живої природи. Ба білше, саме адаптація організмів та їх угруповань до довкілля якраз і є метою еволюційного процесу, оскільки чим краще є пристосованою біологічна система до умов свого існування, тим вона більш еволюційно успішна. Тому важко не погодитися з еволюційним фізіологом Леоном Орбелі, який стверджував, що «поняття "життя” й "адаптація”, якщо й не ідентичні, то значною мірою перекривають одне одного». Саме вивченню властивостей адаптацій, їх різноманіття та формування й буде присвячено цей розділ.

У процесі адаптування виникають пристосування, що покращують виживання й відтворення організмів

Поняття «адаптація» зрозуміле саме собою: у тюленя є ласти, щоб плавати (рис. 1.1, А), у ластівки — крила, щоб літати, у соняшника — яскраві квітки для приваблення комах-запилювачів тощо. Це і є яскраві й очевидні приклади адаптацій, тобто пристосувань організмів до навколишнього середовища. З огляду на сказане вище можна зрозуміти, що адаптація1 — це певна характеристика організму, що покращує його виживання та відтворення за певних умов. Окрім адаптації як наслідку, тобто характеристики організму, нею часто називають і сам процес виникнення таких пристосувань (далі — адаптування). Говорячи про виживання та відтворення організму, мають на увазі популяцію й вид загалом. Тобто адаптації, що виникають на рівні молекул, клітин, органів чи організмів, повинні сприяти виживанню популяції й виду, а не окремого організму (хоча й не виключають останнього). Крім того, адаптації можуть з'являтися й на вищих за організмовий рівнях організації живого. Наприклад, кількість особин різних видів, популяції яких входять до складу екосистеми, буде змінюватися при появі в ній нового виду або зміні умов середовища. Але ми, здебільшого, будемо розглядати адаптації саме на організмовому рівні організації живого.

Рис. 1.1. Різні типи адаптацій

А. Тюлень-монах, занесений до Червоної книги України через загрозу зникнення, має ласти в якості морфологічної адаптації до руху у воді. Б. Солонець здатний рости навіть у «морських калюжах» — заглибинах, що час від часу заповнюються морською водою, через що концентрація солей у ґрунті значно перевищує таку у воді. В. Самець глухаря під час токування втрачає пильність і стає легкою здобиччю мисливців.

1 Від лат. adaptatio — пристосування.

Важливо зазначити, що адаптація не обов'язково є рисою будови (морфологічною), як у зазначених вище прикладах із тюленем, ластівкою й соняшником. Наприклад, адаптацією може бути фізіологічна ознака. Так у рослин, що зростають на засолених ґрунтах (рис. 1.1, Б), вища концентрація солей у цитоплазмі, ніж у рослин звичайних ґрунтів, завдяки чому вони краще поглинають воду із землі1. Адаптація може бути й поведінковою, як-от гучне токування самців глухаря задля приваблення самок (рис. 1.1, В).

Усі адаптації мають ряд спільних властивостей

У кожної адаптації має бути певна пристосувальна мета або функція. Тобто зміни, що відбуваються в будові, життєдіяльності чи поведінці організму, повинні покращувати його здатність до виживання й сприяти більш ефективному розмноженню. Так, наприклад, вихід рослин на суходіл у процесі історичного розвитку потребував адаптування до гравітації, що проявилося у формуванні механічних тканин та опорних структур (рис. 1.2). А тварини для того, щоб жити на суходолі, набули кінцівки з системою важелів замість плавців.

Рис. 1.2. Опорні структури рослин

А. На зрізі деревини під електронним мікроскопом видно численні видовжені клітини механічної тканини. Б. Провідний пучок листка кукурудзи містить клітини механічної і провідної тканин із товстими клітинними стінками (зафарбовано червоним), завдяки яким він надає міцності усій листковій пластині.

Рис. 1.3. Скелет передньої кінцівки ящірки (ліворуч) і крила птаха (праворуч)

1 Вода «намагається» розбавити цитоплазму, оскільки в ній концентрація солі вища, ніж поза клітиною. Таке явище руху розчинника з менш концентрованого розчину до більш концентрованого має назву осмос.

Ще однією властивістю адаптацій є те, що вони успадковуються. Тобто щоб уважати адаптацією певну ознаку, що має пристосувальну мету, вона повинна успадковуватися. Варто розрізняти адаптації й пристосувальні модифікації, яких організм набуває протягом життя. Так, наприклад, зростання кількості еритроцитів у крові людей, які починають мешкати у високогір'ї, має пристосувальну мету, але не успадковується. А от здатність збільшувати кількість еритроцитів у крові за нестачі кисню є повноцінною адаптацією. З другого боку, наявність сосків у чоловіків успадковується, але немає ніякого пристосувального значення1. Тому перш ніж стверджувати, що певна характеристика є адаптацією, її потрібно добре проаналізувати. Однак переважна більшість рис організмів має пристосувальне значення.

Утім сформувати нові адаптації, не маючи «матеріалу» для цього, на порожньому місці, неможливо. Тому в кожній адаптації є певна основа, що була характерна предковій еволюційній групі, і шляхом зміни чи перебудови якої й виникло нове пристосування. Зразком може слугувати скелет крил птахів, що має значні риси подібності до скелета передніх кінцівок рептилій, на основі якого він формувався (рис. 1.3).

Ще одна риса адаптацій — їх компромісність. Яскраво цю властивість демонструє співвідношення кількості нащадків і рівня батьківської турботи про них. Так, у Ропухи зеленої кількість ікринок, які відкладає самиця (власне адаптація), сягає кількох тисяч, у жаби-повитухи — лише кілька сотень, а в суринамської піпи й того менше — близько сотні (рис. 1.4). Річ у тім, що зелена ропуха після розмноження залишає ікру напризволяще, тоді як жаба-повитуха намотує стрічки з ікрою собі на лапи, а суринамська піпа носить ікру на спині. Тобто ропуха не витрачає багато ресурсів на охорону ікри й батьківську турботу про потомство, тоді як повитуха й піпа використовують значний обсяг ресурсів на захист майбутніх нащадків. Із цього випливає, що між ресурсами, що були витрачені на утворення великої кількісті ікринок, і ресурсами, що витрачені на догляд, установлюється певний компроміс.

1 Як і решта рудиментів — органів чи їх частин, що втратили свою функцію.

Рис. 1.4. Амфібії та їхня ікра

А. Ропуха зелена з численними стрічками ікри у воді. Б. Жаба-повитуха зі стрічками ікри, намотаними на лапи. В. Самиця суринамської піпи з ікрою на спині.

Іще один зразок компромісності ознаки — це довга шия жирафа, яка дозволяє йому харчуватися листям, що є недосяжним для наземних травоїдних. Але водночас жирафові доводиться більше їсти, щоб «виростити» собі довгу шию й забезпечувати її функціонування. Отже, знову ж таки, є компроміс: чим довша шия, тим більше їжі здобуде жираф, але чим довша шия, тим більше потрібно їсти тварині, тому його шия й має обмежену довжину.

Адаптації мають відносний характер

Будь-яке пристосування організму формується у відповідь до певних вимог навколишнього середовища. І, як наслідок, адаптації мають пристосувальне значення лише до цих умов. Якщо вони зміняться, то й пристосування втратить своє значення. Яскравим прикладом є плоди дерева хікаро, що росте в Центральній Америці (рис. 1.5, А). Ці плоди мають настільки тверду оболонку, що тільки деякі з них можуть бути розгризені конями. Тому зазвичай насіння так і залишається всередині плоду під деревом, і не розповсюджується тваринами. Уважають, що колись гігантські травоїдні, які мешкали в цій місцевості (рис. 1.5, Б), були здатні розгризати плоди й виїдати м'якоть разом із насінням, поширюючи його зі своїми екскрементами. Але з їх вимиранням близько 10-15 тис. років тому плоди стало нікому розгризати, тому тепер цій рослині для розповсюдження насіння потрібно виробляти якісь нові адаптації. Або ж отрута змій діє на більшість їхніх природніх ворогів (наприклад, із родин собачих чи котячих), але не впливає на деяких інших тварин (наприклад, мангустів чи їжаків) (рис. 1.5, В). Тож зміям для абсолютного захисту від усіх ворогів потрібні нові адаптації. А для вироблення таких пристосувань потрібен деякий час (детальніше про процес утворення адаптацій ітиметься в наступному параграфі).

Крім того, пристосування на одному рівні організації живого можуть бути невигідними на другому. Наприклад, для популяції й виду добре, коли організм утворює багато плідних нащадків. Утім за обмеженого ареалу через деякий час густота популяції1 стане настільки великою, що ресурсів перестане вистачати всім. У таких умовах потрібно було б обмежити народжуваність кожного організму. На популяційно-видовому рівні ця адаптація є вигідною, але для кожної особини зокрема (тобто на організмовому рівні) це обмеження таким не буде, бо кількість нащадків із генами певної особини стає меншою, ніж до цього (тобто знижується її еволюційний успіх).

1 Тобто кількість особин, що мешкає на одиниці площі ареалу.

Рис. 1.5. Прояви відносного характеру адаптацій

A. Плід дерева хікаро має настільки тверду оболонку, що його важко розкусити навіть коневі. Б. Кюв'єроніус — вимерла хоботна тварина, яка жила в Центральній Америці й була здатна розгризати плоди хікаро. B. Їжак, не боячись отрути, полює на змію.

Згадані вище приклади демонструють відносність адаптацій, тобто здатність покращувати пристосованість до певних умов і на певному рівні, зі зміною яких адаптація втрачає своє пристосувальне значення.

Організм і середовище мешкання міцно взаємопов'язані

Унаслідок формування адаптацій під впливом умов навколишнього середовища організми стають більш пристосованими, тобто їхня здатність до виживання й ефективність розмноження покращуються. З другого боку, організми змінюють і середовище, що їх оточує, обмінюючись із ним речовинами та енергією, які вони поглинають і виділяють1. Ба більше, змінене середовище по-новому впливає на організм, який починає пристосовуватися й також по-новому впливати на середовище. Такі взаємодію, взаємозалежність і взаємовплив організму та середовища, у якому він живе, називають законом єдності організму й середовища його мешкання.

Яскравим прикладом взаємовпливу організму і середовища його мешкання є життя бобрів. Ці тварини здатні суттєво змінювати місце проживання завдяки побудові гребель. Такі гідротехнічні споруди призводять до утворення заплав і підвищення рівня води в річці. Саме це бобрам і потрібно. Уздовж берегів заплави зазвичай росте більше молодих рослин, якими полюбляють ласувати ці гризуни. Підвищення рівня води також дає можливість бобрам побудувати хатинки, у яких вони запасають корм, переховуються і зимують. З метою захисту домівки від хижаків, вхід до неї бобри завжди облаштовують під водою, але це неможливо зробити у маловодних річках, тож доводиться модифікувати саму річку. Отже, лише змінивши середовище свого мешкання, вони можуть спорудити житло, але мають зробити це, пристосувавшись до нових, ними ж створених умов середовища. У цьому й проявляється взаємозалежність організму й середовища його мешкання.

Пізніше американський біолог Баррі Коммонер фактично включив це твердження до свого закону екології «усе пов'язано з усім», який ілюструє екологічні відносини як між живими організмами, так і з навколишнім середовищем та людиною зокрема. Згідно з цим законом, будь-які зміни в живому чи неживому компонентах екологічних систем впливають на решту компонентів завдяки наявності різноманітних зв'язків між ними. Докладніше цей закон буде розкрито у § 14.

1 Таку здатність організму змінювати середовище еволюційний біолог Річард Докінз назвав «розширеним фенотипом», тобто проявом генів поза межами організму.

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Серед наведених характеристик людини оберіть ту, що НЕ є адаптацією.

• А засмага
• Б слухові кісточки в середньому вусі
• В виготовлення одягу
• Г здатність накопичувати сечу в сечовому міхурі

• 2. За умови обмеження кількості доступних рослині ресурсів вона утворюватиме або багато дрібного насіння, або мало великих насінин. Це свідчить про таку властивість адаптації, як

• А здатність успадковуватися
• Б наявність пристосувальної мети
• В компромісність
• Г відносність

• 3. Відносність захисної дії зміїної отрути має прояв у

• А неспроможності отрути діяти на всіх природних ворогів
• Б здатності отрути вражати людину
• В збільшенні виживання виду загалом
• Г необхідності формування отруйних залоз

• 4. Виберіть прояв закону єдності організму й середовища його мешкання.

• А швидкість бігу гепарда зростає внаслідок тренування його м'язів
• Б зменшення температури повітря восени є стимулом до пожовтіння листя дерев
• В сповільнення росту колонії бактерій у пробірці відбувається внаслідок надмірного збільшення кількості клітин у ній
• Г солоність води в морі змінюється, якщо збільшуються обсяги надходження солей і зменшується випаровування

• 5. Увідповідніть адаптацію та рівень організації живого, на якому вона проявляється.

• 1 розвинута система мікротрубочок
• 2 вагітність, що триває 22 місяці
• 3 здатність лісу до відновлення після пожежі
• 4 частота серцевих скорочень 160 ударів на хвилину
• А клітинний
• Б органний
• В організмовий
• Г популяційно-видовий
• Д екосистемний

У житті все просто

• 6. Наведіть власні приклади морфологічних, фізіологічних і поведінкових адаптацій. Доведіть, що в них є всі властивості, характерні адаптаціям.

• 7. Висуньте гіпотезу та запропонуйте дослід, що дозволив би довести пристосувальне значення жовтого кольору крил метелика лимонниці.

У житті не все просто

• 8. У певній африканській екосистемі в левів виникла адаптація, що покращила ефективність їхнього полювання. Проаналізуйте її вплив на всіх рівнях організації живого. Чому на віддалених від організмового рівнях така адаптація втрачає своє пристосувальне значення?

скачать dle 11.0фильмы бесплатно

 

Даний матеріал відноситься до підручника "Біологія і екологія 11 клас Шаламов, Каліберда, Носов (рівень стандарту)", створено завдяки МІНІСТЕРСТУ ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ (МОН)