Понятие адаптации

Введение.

В ходе эволюции добиваются успеха те организмы, которые лучше  других приспособлены к окружающей среде. Механизмы эволюции обеспечивают соответствие развивающейся живой  системы условиям её существования  – высокую приспособленность  жизненных форм к внешней среде. В основе приспособленности лежат  процессы самовоспроизведения макромолекул и живых организмов и дискретность всего живого на Земле. У организмов в процессе эволюции выработалось множество  разнообразных относительных приспособлений (адаптаций) к окружающей среде. Адаптацией считается любая особенность  особи, популяции, вида или сообщества организмов, которая способствует успеху в конкуренции и обеспечивает устойчивость к абиотическим факторам. Это позволяет организмам существовать в данных условиях среды и оставлять  потомство. Критериями адаптации являются: жизнеспособность, конкурентоспособность  и фертильность.

Жизнеспособность - это способность организма жить и нормально развиваться в  условиях среды.

Конкурентоспособность — это способность организма  добиваться успеха в борьбе за средства жизни.

Фертильность - это  способность организмов нормально  размножаться.

Понятие адаптации

Адаптация в биологии – развитие любого признака, который  способствует выживанию вида и его  размножению. Адаптации могут быть морфологическими, физиологическими или  поведенческими.

Морфологические адаптации  включают изменения формы или  строения организма. Пример такой адаптации  – твердый панцирь черепах, обеспечивающий защиту от хищных животных. Физиологические  адаптации связаны с химическими  процессами в организме. Так, запах  цветка может служить для привлечения  насекомых и тем самым способствовать опылению растения. Поведенческая адаптация  связана с определенным аспектом жизнедеятельности животного. Типичный пример – зимний сон у медведя. Большинство адаптаций представляет собой сочетание перечисленных  типов. Например, кровососание у комаров обеспечивается сложной комбинацией таких адаптаций, как развитие специализированных частей ротового аппарата, приспособленных к сосанию, формирование поискового поведения для нахождения животного-жертвы, а также выработка слюнными железами специальных секретов, которые предотвращают свертывание высасываемой крови.

Виды адаптации.

Все адаптации делят  на аккомодации и эволюционные адаптации. Аккомодации представляют собой  обратимый процесс. Они возникают  при резком изменении условий  среды. Например, при переселении  животные попадают в новую для  них обстановку, но постепенно привыкают  к ней. Например, человек, переселившийся из средней полосы в тропики или  на Крайний Север, некоторое время  испытывает дискомфорт, но со временем привыкает к новым условиям. Эволюционная адаптация необратима и возникшие  изменения генетически закрепляются. Сюда относят все приспособления, на которые действует естественный отбор. Например, покровительственная  окраска или быстрый бег.

Приспособления  также делят на организменные и видовые. Организменные адаптации в свою очередь подразделяются на морфологические, физиологические, биохимические и этологические.

Морфологические адаптации  проявляются в преимуществах  строения, покровительственной окраске, предостерегающей окраске, мимикрии, маскировке, приспособительном поведении.

Преимущества строения – это оптимальные пропорции  тела, расположение и густота волосяного или перьевого покрова и т.п. Хорошо известен облик водного млекопитающего – дельфина. Его движения легки  и точны. Самостоятельная скорость движения в воде достигает 40 километров в час. Плотность воды в 800 раз  выше плотности воздуха. Как дельфину удается преодолеть её? Помимо других особенностей строения идеальной приспособленности  дельфина к среде обитания и образу жизни способствует форма тела. Торпедовидная форма тела позволяет избежать образования завихрений потоков воды, обтекающих дельфина.

Обтекаемая форма  тела способствует быстрому передвижению животных и в воздушной среде. Маховые и контурные перья, покрывающие  тело птицы, полностью сглаживают его  форму. Птицы лишены выступающих  ушных раковин, в полёте они обычно втягивают ноги. В результате птицы  по скорости передвижения намного превосходят  всех других животных. Например, сокол  сапсан пикирует на свою жертву со скоростью  до 290 километров в час. Птицы быстро двигаются даже в воде. Наблюдали  антарктического пингвина, плывущего  под водой со скоростью около 35 километров в час.

У животных, ведущих  скрытный, затаивающийся образ жизни, полезным оказываются приспособления, придающие им сходство с предметами окружающей среды. Причудливая форма  тела у рыб, обитающих в зарослях водорослей (морской конёк-тряпичник, рыба-клоун, морская игла и др.), помогает им успешно скрываться от врагов. Сходство с предметами среды обитания широко распространено у насекомых. Известны жуки, своим внешним видом напоминающие лишайники, цикады, сходные с шипами тех кустарников, среди которых  они живут. Насекомые палочники  похожи на небольшую бурую или зелёную веточку, а прямокрылые насекомые имитируют лист. Плоское тело имеют рыбы, ведущие придонный образ жизни (напр., камбала).

Покровительственная окраска позволяет быть незаметным среди окружающего фона. Благодаря  покровительственной окраске организм становится трудно различимым и, следовательно, защищенным от хищников. Яйца птиц, откладываемые  на песок или на землю, имеют серый  и бурый цвет с пятнышками, сходный  с цветом окружающей почвы. В тех  случаях, когда яйца недоступны для  хищников, они обычно лишены окраски. Гусеницы бабочек часто зелёные, под цвет листьев, или тёмные, под  цвет коры или земли. Донные рыбы обычно окрашены под цвет песчаного дна (скаты и камбалы). При этом камбалы  обладают ещё способностью менять окраску  в зависимости от цвета окружающего  фона. Способность менять окраску  путём перераспределения пигмента в покровах тела известна и у наземных животных (хамелеон). Животные пустынь, как правило, имеют желто-бурую  или песочно-желтую окраску. Однотонная покровительственная окраска свойственна  как насекомым (саранча) и мелким ящерицам, так и крупным копытным (антилопы) и хищникам (лев).

Если фон среды  не остается постоянным в зависимости  от сезона года, многие животные меняют окраску. Например, обитатели средних  и высоких широт (песец, заяц, горностай, белая куропатка) зимой имеют  белую окраску, что делает их незаметными  на снегу.

Вариант покровительственной  окраски – расчленяющая окраска  в виде чередования на теле светлых  и тёмных полос и пятен. Зебры  и тигр плохо видны уже на расстоянии 40-50 метров из-за совпадения полос на теле с чередованием света и тени в окружающей местности. Расчленяющая окраска нарушает представления  о контурах тела.

Предостерегающая (угрожающая) окраска предупреждает  потенциального врага о наличии  защитных механизмов (наличие ядовитых веществ или специальных органов  защиты). Предостерегающая окраска  выделяет из окружающей среды яркими пятнами или полосами ядовитых, жалящих  животных и насекомых (змеи, осы, шмели).

Эффективность предостерегающей окраски послужила причиной очень  интересного явления – подражания (мимикрии). Мимикрией называется сходство в окраске, форме тела безопасных животных с ядовитыми и опасными животными. Отдельные виды мух, не имеющие  жала, похожи на жалящих шмелей и  ос, неядовитые змеи – на ядовитых. Во всех случаях сходство чисто внешнее  и направлено на формирование определенного  зрительного впечатления у потенциальных  врагов. Сейчас известны два основных вида мимикрии: мимикрия Бейтса и мимикрия Мюллера.

При мимикрии Бейтса модель хорошо защищена и обычно имеет яркую, предостерегающую окраску. При мимикрии Мюллера сходными оказываются два и более несъедобных вида: в результате их сходства хищник скорее отучается схватывать таких животных. Первый тип мимикрии можно сравнить с мелкой фирмой, подделывающейся под рекламу какой-то хорошо известной крупной фирмы. Второй тип сравним с несколькими фирмами, которые для экономии средств пользуются общей рекламой. Пример мимикрии Бейтса: часто под видом ос скрываются беззащитные мухи, формой тела и жёлто-чёрной окраской имитирующие ос (муха-сирфида и муха-большеголовка). Пример мимикрии Мюллера: некоторые виды бабочек капустных белянок похожи на несъедобных южноамериканских геликонид.

Мимикрия – это  результат гомологичных (одинаковых) мутаций у разных видов, которые  помогают выжить незащищённым животным. Для видов-подражателей важно, чтобы  их численность была невелика по сравнению  с моделью, которой они подражают, иначе у врагов не будет выработан  устойчивый отрицательный рефлекс  на предостерегающую окраску. Низкая численность  мимикрирующих видов поддерживается высокой концентрацией летальных генов в генофонде. В гомозиготном состоянии эти гены вызывают летальные мутации, в результате чего высокий процент особей не доживает до половозрелого состояния.

Кроме защитной окраски, у животных и растений наблюдаются  и другие средства защиты. У растений нередко образуются иглы и колючки, защищающие их от поедания травоядными  животными (кактусы, шиповник, боярышник, облепиха и др.). Такую же роль играют ядовитые вещества, обжигающие волоски, например у крапивы. Кристаллы щавелевокислого  кальция, накапливающиеся в шипах  некоторых растений, предохраняют их от поедания гусеницами, улитками и  даже грызунами. Образования в виде твёрдого хитинового покрова у членистоногих (жуки, крабы), раковин у моллюсков, чешуи у крокодилов, панциря у  броненосцев и черепах хорошо защищают их от многих врагов. Этому  же служат иглы у ежа и дикобраза. Все эти приспособления могли  появиться лишь в результате естественного  отбора, т.е. преимущественного выживания  лучше защищенных особей.

Маскировка –  приспособления, при которых форма  тела и окраска животных сливаются  с окружающими предметами. Например, в тропических лесах многие змеи неразличимы среди лиан, лохматый морской конёк похож на водоросль, насекомые на коре деревьев похожи на лишайники (жуки, усачи, пауки, бабочки). Иногда приспособление к цвету и  узору субстрата может осуществляться путём физиологического изменения  окраски тела (каракатицы, скаты, камбалы, квакши) или переменой окраски  при очередной линьке (кузнечики).

Защитное действие покровительственной окраски или  формы тела повышается при сочетании  её с соответствующим поведением. Приспособительное поведение –  принятие определённых поз покоя (гусеницы некоторых насекомых в неподвижном  состоянии очень похожи на сучок  дерева; бабочка каллима со сложенными крыльями удивительно напоминает сухой лист дерева), либо, наоборот, демонстративное поведение, отпугивающее хищников. Помимо затаивания или демонстративного, отпугивающего поведения при приближении врага существует много других вариантов приспособительного поведения, обеспечивающего выживаемость взрослых особей или молоди. Сюда относится запасание корма на неблагоприятный сезон года. Особенно это присуще грызунам. Например, полёвка-экономка, распространённая в таёжной зоне, собирает зерна злаков, сухую траву, корешки – всего до 10 килограммов. Роющие грызуны (слепыши и др.) накапливают кусочки корней дуба, желуди, картофель, степной горошек – до 14 килограммов. Большая песчанка, живущая в пустынях Средней Азии, в начале лета срезает траву и затаскивает её в норы или оставляет на поверхности в виде стожков. Корм этот используется во второй половине лета, осенью и зимой. Речной бобр собирает обрубки деревьев, веток и пр., которые складывает в воду возле своего жилища. Склады эти могут достигать объёма 20 кубических метров. Запасы кормов делают и хищные животные. Норка и некоторые хорьки запасают лягушек, ужей, мелких зверьков и т.д. Примером приспособительного поведения служит и время наибольшей активности. В пустынях многие животные выходят на охоту ночью, когда спадает зной.

Физиологические адаптации - приобретение специфических особенностей обмена веществ в разных условиях среды. Они обеспечивают функциональные преимущества организма. Их условно  разделяют на статические (постоянные физиологические параметры —  температура, водно-солевой баланс, концентрация сахара и т. п.) и динамические (адаптации к колебаниям действия фактора — изменение температуры, влажности, освещенности, магнитного поля и т. п.).

Соответствующая форма  и окраска тела, целесообразное поведение  обеспечивают успех в борьбе за существование  только тогда, когда эти признаки сочетаются с приспособленностью процессов  жизнедеятельности к условиям обитания, т.е. с физиологической адаптацией. Без такой адаптации невозможно поддержание устойчивого обмена веществ в организме в постоянно  колеблющихся условиях внешней среды. Приведем некоторые примеры.

Растения, живущие  в полупустынных и пустынных  районах, имеют многочисленные и  разнообразные адаптации. Это и  уходящий на десятки метров в глубь земли корень, извлекающий воду, и резкое уменьшение испарения воды благодаря особому строению кутикулы на листьях, и полная утрата листьев. У кактусов это преобразование особенно удивительно: преобразование стебля не только в орган, выполняющий опорную и проводящую функции, но и в структуру, запасающую воду и обеспечивающую фотосинтез. Крупные экземпляры кактусов накапливают до 2000 литров воды. Расходуется она медленно, так как клеточный сок содержит с органическими кислотами и сахарами также слизистые вещества, обладающие водоудерживающими свойствами. Стебли опунции даже после трёхмесячной засухи содержали почти 81% воды. Испарение воды значительно уменьшено благодаря ребристой структуре стеблей у кактусов, равномерно распределяющей свет и тень. Этому же способствует утолщение стенок эпидермиса, обычно покрытых слоем воска, наличие многочисленных колючек и волосков и многое другое.

У наземных амфибий  большое количество воды теряется через  кожу. Однако многие их виды проникают  даже в пустыни и полупустыни. Выживание амфибий в условиях недостатка влаги в этих местах обитания обеспечивается целым рядом приспособлений. У них меняется характер активности: она приурочивается к периодам повышенной влажности. В умеренной зоне жабы и лягушки активны ночью и  после выпадения дождей. В пустынях лягушки охотятся только ночью, когда  влага конденсируется на почве и  на растительности, а днем укрываются в норах грызунов. У пустынных  видов амфибий, размножающихся во временных  водоемах, личинки развиваются очень  быстро и в сжатые сроки совершают  метаморфоз.

Разнообразные механизмы  физиологической адаптации к  неблагоприятным условиям выработали птицы и млекопитающие. 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.