Адаптация организмов

Велика роль покровительственной окраски в  сезонно меняющихся условиях. Например, многие животные средних и высоких широт зимой бывают белой окраски, что делает их незаметными на снегу (песец, заяц, горностай, белая куропатка). У ряда животных наблюдается быстрое (в течение нескольких минут) приспособительное изменение окраски тела, что достигается перераспределением пигментов в хроматофорах кожи или других покровов тела: у камбалы (Pleuronectes platessa L.), агамовой ящерицы (Calotes versicolor L.), хамелеона (Chamaeleo chamaeleon L.) и других животных.

Интересной  разновидностью криптической (скрывающей) окраски является расчленяющая окраска, связанная с чередованием на теле темных и светлых пятен. Например, зебры (Equus grevyi L.) и тигр (Panthera tigris L.) плохо видны на расстоянии 50–70 метров даже на открытой местности из-за совпадения полос на теле с чередованием тени и света в окружающей местности.

Примечание: А  – сплошная окраска, Б – расчленяющая, В – животное с расчленяющей окраской на соответствующем фоне малозаметно

Рисунок  2 – Схема действия расчленяющей окраски [Котт, 1950]

 

Расчленяющая  окраска нарушает впечатление о контурах тела. При этом не только контур животного сливается с окружающим фоном, но и затрудняется определение очертания жизненно важных органов, например глаз у позвоночных животных. У многих неродственных животных наблюдается одинаковая маскировка глаза темными пятнами и полосами.

        Примечание: А – рыба, Б – змея, В – лягушка, Г – сумчатый муравьед.

Рисунок  3 – Маскировка глаза темной полосой у некоторых позвоночных [Котт, 1950]

 

Эффект любой  формы покровительственной окраски повышается при сочетании ее с соответствующим поведением. Например, выпь (Botaurus stellaris L.) гнездится в камышах. В минуты опасности она вытягивает шею и поднимает вверх голову. В такой позе выпь трудно заметить даже на расстоянии в несколько метров. В момент опасности многие насекомые, рыбы, амфибии, птицы замирают, принимая позу покоя. Это в большей мере характерно для животных, не обладающих средствами активной защиты от врагов (рисунок 4).

Окрашенная  по принципу противотени, гусеница (Б), в случае опасности замирает (А), становясь малозаметной.

Рисунок 4 – Криптическая окраска, поведение, форма тела бражника (Smerinthus ocellatus L.) [Котт, 1950]

 

Успех сочетания  криптической окраски с позой  покоя продемонстрирован в опытах с насекомыми богомолами: преимущественно истреблялись те особи, у которых покровительственная окраска не сочеталась с позой покоя.

Предостерегающая  окраска. Очень яркая окраска  бывает характерна для хорошо защищенных, ядовитых, обжигающих, жалящих и  других форм. Яркая окраска заранее предупреждает хищника о несъедобности объекта их нападения. Биологическая роль такой окраски хорошо изучена в экспериментах. Индивидуальные «пробы и ошибки» в конце концов заставляют хищника отказываться от нападения на жертву с яркой окраской. Отбор способствовал не только выработке ядовитых секретов, но и сочетанию их с яркой (обычно красной, желтой, черной) окраской (рисунок 5).

Перед началом  каждого эксперимента животные неделю голодали. Между I и II экспериментами прошло две недели. III – суммарные данные по двум экспериментам. Видно, что к 7-му дню в каждом эксперименте жабы выучились избегать поедания пчел. Это нежелание иметь дело с пчелами сохранилось у некоторых жаб на две недели.

 

Рисунок 5 –  Динамика поедания пчел. Динамика поедания пчел 18 жабами в 2-х экспериментах [Котт, 1950]

Формирование  покровительственной окраски –  результат взаимодействия элементарных фактов эволюции. Наследственные изменения  особей по окраске тела или органов, вначале случайные по отношению  к окраске фона, могут в некоторых условиях приносить успех в размножении. Даже частичное случайное совпадение окраски животных с цветом окружающих предметов повышает шансы особи в отношении оставления потомства.

Мимикрия. Интересные примеры адаптации дает изучение подражания, мимикрии животных и растений, определенным предметам неживой и живой природы. Нередко подражание выступает в виде простой маскировки – наличия не только защитной окраски, но и подражательного сходства с какими-либо предметами. Например, гусеницы пяденицы в позе покоя удивительно сходны с сухой веткой.

Мимикрия – сходство беззащитного и съедобного вида с одним или  несколькими представителями генетически  не родственных видов, хорошо защищенных от нападения хищников.

 При мимикрии различают  модель (объект, которому подражают) и имитатор (подражатель). При бейтсовской мимикрии модель должна быть или несъедобной, или иметь какие-либо другие защитные свойства, включая предостерегающую окраску. Например, пестрые ярко окрашенные бабочки семейства геликонид неприятного запаха и поэтому несъедобны для большинства птиц. В тех же районах встречаются представители семейства белянок, которые не имеют неприятного запаха, но обладают окраской, сходной с таковой геликонид. Птицы принимают их за несъедобных геликонид и не трогают. Явление подражательного сходства у незащищенных форм с защищенными широко распространено не только среди тропических насекомых (рисунок 6). Для этой формы мимикрии важно, чтобы численность имитатора была меньше численности модели. В противном случае мимикрия не приносит пользы для имитатора, так как хищник быстро обнаруживает подлог.

Примечание: А  – хорошо защищенная оса-одинер (Odynerus parietum L.);    Б – муха-львинка (Stratiomia chamaeleon L.), подражающая осам окраской брюшка и формой усов; В – муха-сирфида (Сhrysotoxum bicinetum L.), подражающая окраской и частично формой тела; Г – муха-большеголовка (Conops flavipes L.) – совершенная копия внешнего вида некоторых ос.

Рисунок 6 – Мимикрия мух, подражающих осам [Серебровский, 1973]

Это общее правило иногда нарушается. Так, в подмосковных лесах численность имитаторов-мух может превышать численность моделей (ос и шмелей). Это несоответствие даже привело к критике описанного примера. Однако оказалось, что пример был правильный в принципе, число ос и шмелей превышает число мух (имитаторов) в первую половину лета, когда молодые слетки насекомоядных птиц обучаются различать съедобных и несъедобных насекомых. Когда же во второй половине наступает массовое размножение мух-имитаторов птицы уже вполне «обучены» неудачной охотой на ос и шмелей.При мюллеровской мимикрии возникает сходство между двумя несъедобными видами. Накопление опыта хищниками о несъедобности жертвы происходит в каждом поколении путем «проб и ошибок». Если окраска двух несъедобных видов окажется в чем-то сходной, то такое сходство бывает полезным для обоих видов: хищник, не особенно различающий эти виды, будет скорее «выучиваться» избегать мимитических форм.

В последние годы вскрыто  немало интересных примеров мимикрии. Один из них – пример мюллеровской мимкрии у рыб. Морская собачка (Meiaeanthus nigrolineatus L.) на ранних стадиях развития выглядит как молодь рыб-кардиналов из семейства Apogonidae, единственный способ защиты которых – образование стаи. На ранних стадиях окраска молоди у морской собачки близка к окраске кардиналов: темные полосы на светлом фоне по бокам тела и темное пятно с яркой окантовкой у основания хвостового плавника. У взрослых особей собачки окраска серо-голубая и монотонная. Взрослые собачки очень ядовиты, тогда как молодь слабо ядовита. Молодь собачки спасается только в стаях кардиналов, а взрослые формы образуют собственные стаи.

Эволюция явлений мимикрии связана с накоплением под  контролем естественного отбора мелких удачных мутаций у съедобных  видов, которые в конце концов способствовали усилению совместного их обитания при бейтсовской мимикрии и сходно направленному давлению отбора в случае мюллеровской мимикрии [Яблоков, 2006].

В развитии эволюционного учения особое значение имело материалистическое  объяснение возникновения некоторых чрезвычайно сложных адаптаций путем накопления мелких наследственных уклонений. Среди таких адаптаций мы рассмотрим способность к насекомоядности у растений, развитие глаза как органа зрения, возникновение взаимных приспособлений у насекомых и цветковых растений.

Насекомоядность и способность  к движению у растений. Хищничество для таких автотрофных организмов, как растения, является исключением, но, тем не менее, даже среди цветковых встречаются сотни видов насекомоядных растений.

Росянка (Drosera rotundifolia L.) имеет ряд совершенных и эффективных приспособлений для ловли и переваривания насекомых. Листья у нее покрыты чувствительными волосками, у основания которых расположены секреторные клетки, выделяющие липкую и ароматную жидкость. Стоит насекомому сесть на листовую поверхность, как оно прилипает. Пытаясь вырваться, насекомое бьется, вызывает раздражение чувствительных волосков: раздражение передается по пластинке и вызывает ее свертывание. Вслед за этим шаровидные кончики волосков на верхней стороне пластинки выделяют жидкость, богатую ферментом пепсином, под влиянием которого насекомое переваривается листовой пластинкой, затем листовая пластинка расправляется и готова вновь схватить насекомых.

У других насекомоядных растений для ловли насекомых есть специальные органы – «кувшинки» и «капканы». Так, венерина мухоловка (Dionaea muscipula L.) ловит мух движением половинок листа. При этом зазубренные концы правой и левой половинок пластинки заходят друг за друга, образуя своеобразный капкан.

Развитие насекомоядности  у растений первоначально было связано  с поглощением продуктов распада  мертвых организмов, случайно попавших на поверхность какого-либо органа. Разложение мертвых организмов могло  происходить под влиянием бактерий или гидрологических ферментов растения. В дальнейшем эти возможности растений были не только усилены, но и дополнены ловлей живых насекомых, привлекаемых ароматом выделений или окраской растения.  Отбор на насекомоядность у растений был связан с развитием и усовершенствованием  способов ловли насекомых.

Исследования показывают, что ферментативные системы, обеспечивающие переваривание животной пищи растениями, подвергаются типичным мутационным  изменениям. На этой основе и должен был действовать естественный отбор, в определенных условиях приведший к возникновению и развитию насекомоядности.

Не менее интересны  приспособления растений к разнообразным  движениям (тропизмы, лазание). Подробно рассмотрев формы движения растений, Дарвин пришел к выводу, что способность  к движениям, присущая многим растениям, у части видов в ходе эволюции была усилена, если подхватывалась естественным отбором.

У части одноклеточных  организмов нет восприятия света, у  других – на переднем конце тела появляется светочувствительное пятно, насыщенное пигментом.

Эволюция многоклеточной организации связана с усложнением  аппарата восприятия света. Так, уже у планарий появляются примитивные «глазки» – чашевидные углубления, заполненные родопсином.

У более высоко организованных существ строение глаза усложняется. У членистоногих появляются глаза фасеточного типа. Отдельно взятая фасетка, хотя и снабжена группой светочувствительных клеток и неподвижной линзой, – неэффективный орган зрения. Разрешающая способность фасеточного глаза усилена путем увеличения числа фасеток в сотни и тысячи раз. Фасеточные глаза в целом дают мозаичное изображение предметов по их мельчайшим движениям, но без конкретизации деталей.

По иному пути пошла  эволюция органа зрения в группах, где  происходило образование глазного пузыря с жидкостью и подвижного хрусталика – линзы. Эти изменения способствовали собиранию лучей позади линзы и тем самым повышению чувствительности глаза к свету. Разрешающая способность глаза еще более усилилась с образованием в нем сетчатки – группы светочувствительных клеток. Такие глаза характерны для головоногих моллюсков (кальмаров и осьминогов).

Изучение эколого-биологических  особенностей растений, выявление структурных  приспособлений к тем или иным факторам среды представляют значительный интерес.

Разумеется, не каждый признак «обязан» быть полезным, но тем более интересным оказывается обнаружение приспособительного характера у признаков хорошо известных, но с точки зрения адаптивности ранее по достоинству не оцененных.

К таким признакам  следует отнести крылатость стеблей у василька солнечного (Centaurea solstitialis L.), формирующуюся за счет глубокого низбегания листьев. При этом крылья от листьев, расположенных на соседних ортостихах, книзу сближаются друг с другом. В пространстве между ними, как в своеобразных ловушках, задерживается стекающая вода. Процесс наполнения «ловушек» хорошо наблюдать при имитации дождя опрыскиванием из пульверизатора [Григорьев, 1980].

Общим для адаптаций  в живой природе является механизм возникновения: во всех случаях достаточно подробного анализа оказывалось, что  приспособление возникает не сразу  в готовом виде, а длительно  формируется в процессе эволюции. Это не оставляет сомнения в том, что приспособления любого масштаба всегда возникают в природе в процессе естественного отбора в пределах вида [Яблоков, 2006].

 

 

4 АДАПТАЦИИ К ЭКСТРЕМАЛЬНО ВЫСОКИМ И НИЗКИМ ТЕМПЕРАТУРАМ

Диапазон существования во Вселенной температур равен тысячам градусов, и по сравнению с ним пределы, в которых может существовать жизнь очень узки – примерно 300⁰С, от   –200⁰С до  +100⁰С [Одум, 1986].