Понятие адаптации

Восторгаясь адаптацией видов к условиям существования, мы часто приходим к неверному  заключению о том, что каждая черта  строения и функционирования организма  имеет существенное адаптивное значение. В действительности дело обстоит  не так. Одна из причин этого состоит  в целостности организма и  плейотропном действии генов. Пусть в данных условиях преимущество получают организмы с ферментной системой, обеспечивающей детоксикацию ядовитых веществ в среде путем их превращения в нерастворимый пигмент. Приспособленность организмов к условиям среды возрастет, однако изменение окраски может не иметь к этому никакого отношения. Хотя в других условиях, как видно в примере с индустриальным меланизмом, окраска бабочек имеет принципиальное значение для выживания вида.

Рассмотрим другой пример: у носорогов Юго-Восточной  Азии один рог, а у их африканских  родственников два. Нет оснований  думать, что это морфологическое  различие у носорогов имеет принципиальное значение для адаптации одних  в Азии, а других в Африке. Наиболее вероятно, что это "побочный" результат  естественного отбора двух исходно  различающихся генетических систем. Возникает вопрос: означает ли это, что в последующей эволюции виду легко "расстаться" с признаком, не имеющим прямого адаптивного  значения? Как ни странно, сделать  это, по-видимому, сложно. Можно прибегнуть к аналогии. Большое ли значение имеет для здания цвет одного кирпича  в основании? По-видимому, нет, однако извлечь такой кирпич не просто. Обратимся к эксперименту с дрозофилой — в ряду поколений был проведен отбор на изменение числа щетинок  на брюшной поверхности четвертого и пятого сегментов. В исходной линии  число щетинок составляло в среднем 36. Попытки отобрать мух с меньшим  числом щетинок были малоуспешными  — такие особи гибли либо оказывались  стерильными. Отбор на увеличение числа  щетинок оказался более успешным — за 20 поколений удалось увеличить  число щетинок до 56, однако в результате такого отбора стала сильно проявляться стерильность и после прекращения отбора число щетинок за 1—2 поколения стало почти равным исходному — 39. Один из важных выводов, который следует сделать, состоит в том, что существует немало признаков, не имеющих большого адаптивного значения, их появление в значительной мере случайно, однако они тесно увязаны в, единую систему фенотипа организма.

Суммируя, следует  подчеркнуть, что формирование адаптации  — сложный результат взаимодействия факторов эволюционного процесса, где  направляющую роль играет естественный отбор, который связует требования среды со структурой генотипа и фенотипа организмов.

Адаптация к факторам среды

Согласно теории Ч. Дарвина, организмы изменчивы. Невозможно найти двух абсолютно тождественных особей одного вида. Эти различия частично передаются по наследству. Все это легко объяснимо и с точки зрения генетики. Каждый вид и каждая популяция насыщены разнообразными мутациями, то есть изменениями в строении организмов, вызванными соответствующими изменениями в хромосомах, которые происходят под влиянием факторов внешней или внутренней среды. Эти изменения в признаках организма имеют скачкообразный характер и передаются по наследству. В подавляющем большинстве эти мутации оказывается, как правило, неблагоприятными, поэтому практически все они рецессивные, то есть их проявления исчезают через определенное количество поколений. Однако вся эта совокупность изменений представляет собой резерв наследственности, генофонд вида или популяции, который может быть мобилизован через естественный отбор при изменении условий существования популяций.

Если популяция  живет в относительно постоянных условиях, то практически все мутации  отсекаются естественным отбором, который  в данном случае называется стабилизирующим. Закрепляются лишь мутации, ведущие  к меньшей изменчивости признаков, а также мутации, способствующие экономии энергии за счет избавления от функций, ставших в неизменных условиях “лишними”. Это способствует формированию стенобионтов. Часто стабилизирующий  отбор ведет к дегенерации, то есть эволюционным изменениям, связанным  с упрощением формы организации, сопровождающимся обычно исчезновением  каких-то органов, потерявших свое значение. Так киты потеряли задние конечности, ланцетник не имеет собственных  органов пищеварения и т.п. Взамен потерянным могут быть приобретены  новые органы.

При изменении условий  среды обитания формируется давление среды на популяцию, при этом наибольшие шансы на выживание получают носители таких мутаций, которые “угадали”  такие изменения, которые более  благоприятны для новых условий  среды, чем исходные формы. Именно они  дают наибольшее потомство, в котором  происходит еще большее уточнение  форм, удовлетворяющих новому состоянию  среды. В результате с каждым новым  поколением формы постепенно изменяются. Такой естественный отбор называется движущим.

Незначительные  эволюционные изменения, способствующие лучшему приспособлению к определенным условиям среды обитания, называются идеоадаптацией. Это различного рода частные приспособления: защитная окраска, плоская форма придонных рыб, приспособления семян к рассеиванию, вырождение листьев в колючки для уменьшения транспирации т.п. Путем идеоадаптации возникают обычно мелкие систематические группы: виды, рода, семейства.

Более существенные эволюционные изменения, не являющимися  приспособлениями к отдельным факторам среды, приводящие к существенным изменениям форм жизни, давая начало новым отрядам, классам, типам и т.п., называются ароморфозом. Примером ароморфоза является выход древних рыб на сушу и  формирование класса земноводных. Следствиями  ароморфоза являются также и возникновение  таких качеств живых существ, как психика и сознание. Ароморфоз  знаменует собой крупные революционные  изменения в структуре биосферы, вызванные, по-видимому, глобальными  изменениями среды обитания.

Рассуждая по принципу аналогии, можно предположить, что  так же как окружающая среда воздействует на нас, вынуждая нас искать способы  приспособления к ней, также и  мы можем воздействовать на клетки наших организмов, как надсистема, вынуждая их приспосабливаться к  внешним для них условиям теми способами, которые мы от них ожидаем  и которые по каким-то причинам нам  необходимы. Например, мы начинаем регулярно нагружать наши мышцы, и наши мышечные ткани, адаптируясь к новым условиям, в ответ на эти нагрузки начинают расти и крепнуть. Воздействие может происходить и по более сложной цепи, например, в случае испуга в нашу кровь выделяется адреналин, вынуждающий все клетки перейти в стрессовое, то есть более активное, состояние, использовав для этого свои резервы, что дает всему организму дополнительную силу для преодоления внешней опасности. Таким образом, механизм воздействия на внутренние подсистемы посредством изменения факторов среды для этих подсистем является, по-видимому, достаточно универсальным механизмом воздействия любой надсистемы на свою внутреннюю организацию.

Не является исключением, скорее всего, и внутриклеточный  уровень. Если клетка нашего организма попадает в измененные условия, и эти изменения либо закрепляются, либо периодически повторяются, то клетка пытается приспособиться к новым условиям, изменяя соответствующим образом свою структуру, то есть, изменяя внутриклеточную среду, воздействуя тем самым на населяющие ее органоиды, в том числе и на хромосомы, которые также, вероятно, вынуждены приспосабливаться к внешним для них условиям. Не исключено, что при некоторых воздействиях на организм практически весь генетический аппарат во всех клетках подвергается определенному воздействию, которое приводит к вполне однозначным изменениям в строении хромосом. Это значит, что внешняя среда напрямую может воздействовать на наш генетический аппарат.

То есть мутации, о которых мы говорим, могут оказаться  вовсе не случайными, а вполне направленными. Тогда теория естественного отбора приобретает небольшую корректировку: среди мутаций, присутствующих в  популяции при конкретном изменении  условий среды, преобладают те, которые  непосредственно инициированы именно данным изменением. То есть сами мутации  являются, по-видимому, направленными  и призванными найти новые  формы, отвечающие требованиям изменившейся среды. А так как ответ жизни  на внешние изменения, как мы уже  говорили, подчиняясь принципу оптимальности, оказывается вполне однозначным, то не исключено, что конкретная мутация  какого-либо признака носит цепной характер. То есть, возникнув однажды  в потомстве одной пары, удачная  мутация оказывается “заразной” для других пар родителей, дающих свое потомство, но с теми же удачными мутациями. В результате уже в  течение одного поколения в рамках вида у разных родителей могут  народиться дети, обладающие одинаковыми  признаками, отличающимися от признаков  родителей, образовав тем самым  совершенно новый подвид. И тогда  уже бесполезно искать какие-то промежуточные  звенья. Новый подвид (а впоследствии новый вид) появляется сразу, практически  в одно время, и сразу же оказывается  представленным достаточно большим  для устойчивого размножения  количеством особей. Правда, пока это  только гипотеза.

Такие процессы возникают, по-видимому, в те самые периоды  серьезных изменений среды, грозящих вымиранием данному виду. Именно тогда  формируется “мутовка”, то есть на свет появляется огромное количество мутаций, цель которых: найти верное решение, новую форму. И это решение обязательно будет найдено, потому что, как мы уже говорили, для этого жизнь задействует “технику пробного нащупывания”, являющуюся “специфическим и неотразимым оружием всякого расширяющегося множества” (терминология Тейяра де Шардена). Мутации заполняют все возможное пространство вариантов новых форм, а потом уже сама среда определяет, какие из этих форм закрепятся в жизни, а какие исчезнут, не пройдя испытание естественным отбором. Иногда такая мутовка порождает целый букет новых фил, то есть эволюционных ветвей, являющихся разными ответами на одно и то же изменение среды.

Приспособление  организмов к факторам среды вызывается не только эволюционными перестройками, происходящими в биосфере. Часто  организмы используют естественную направленность, и периодичность  этих факторов для распределения  своих функций по времени и  программирования своих жизненных  циклов, чтобы наилучшим образом  использовать благоприятные условия. Благодаря взаимодействию между  организмами и естественному  отбору, все сообщество становится запрограммированным на разного рода природные ритмы. В этих случаях факторы среды выступают в роли своего рода синхронизаторов процессов в биосфере.

По степени направленности действия факторы среды обитания можно классифицировать следующим  образом:

1) периодические  факторы (суточные, годовые и т.п.);2) повторяющиеся без строгой периодичности  (наводнения, ураганы, землетрясения  и т.п.);3) факторы однонаправленного  действия (изменение климата, заболачивание  и т.п.);4) случайные и неопределенные  факторы, наиболее опасные для  организма, так как зачастую  встречаются впервые.

Наилучшим образом  живым организмам удается приспособиться к периодическим и однонаправленным факторам, характеризующимся определенностью  действий, поэтому поддающимся однозначной  расшифровке. То есть требование надсистемы в этом случае вполне понятно.

Частным случаем  таких адаптаций к повторяющимся  факторам является, например, фотопериодизм - это реакция организма на длину  светового дня в умеренных  и полярных зонах, которая воспринимается как сигнал для смены фаз развития или поведения организмов. Примерами  фотопериодизма являются такие явления, как листопад, линька животных, перелеты птиц и т.п. Применительно к растениям  выделяют обычно растения короткого  дня, существующие в южных широтах, где при длительном вегетационном  периоде день относительно короткий, и растения длинного дня, характерные для северных широт, где при коротком периоде вегетации день длиннее.

Другим примером адаптации к периодичности природных  явлений может служить суточная ритмика. Например, у животных при  смене дня и ночи меняется интенсивность  дыхания, частота сердцебиений и  т.д. К примеру, серые крысы более  лабильны по суточной ритмике, чем черные, поэтому они легче осваивают  новые территории, заселив уже  практически весь земной шар.

Еще одним примером является сезонная активность. Это  не обязательно смена времен года, но и смена, например, сезона дожей  и засухи и т.п.

Интересны также  адаптации к приливно-отливной ритмике, которая связана как с солнечными, так и лунными сутками (24 ч. 50 мин.). Ежедневно приливы и отливы смещаются  на 50 мин. Сила приливов меняется в течение  лунного месяца (29, 5 дней). При новолунии  и полнолунии приливы достигают  максимума. Все эти особенности  накладывают отпечаток на поведение  организмов литорали (приливно-отливной зоны). Например, отдельные рыбы откладывают  икру на границе максимального прилива. К этому же периоду приурочен  выход мальков из икринок.

Многие ритмические  адаптации передаются по наследству даже при перемещениях животных из одной зоны в другую. В таких  случаях может быть нарушен весь жизненный цикл организма. Например, страусы на Украине могут откладывать  яйца прямо на снег.

Механизмы приспособления к периодичности процессов могут  быть самыми неожиданными. Например, у  некоторых насекомых на фотопериодизме основан своего рода контроль рождаемости. Длинные дни в конце весны и начале лета вызывают в ганглии нервной цепочки образование нейрогормона, под влиянием которого появляются покоящиеся яйца, дающие личинки только следующей весной, сколь благоприятными бы ни были кормовые и другие условия. Таким образом, рост популяции сдерживается еще до того, как запасы пищи станут лимитирующим фактором.

Адаптация к факторам, повторяющимся без строгой периодичности, формируется гораздо сложнее. Тем  не менее, чем более характерен данный фактор для природы (например, пожары, сильные бури, землетрясения), тем больше конкретных механизмов адаптаций находит для них жизнь. Например, в отличие от длины дня количество осадков в пустыне совершенно непредсказуемо, тем не менее, некоторые однолетние растения пустыни используют обычно этот факт в качестве регулятора. Их семена содержат ингибитор прорастания (ингибитор - вещество, тормозящее процессы), который вымывается только определенным количеством осадков, которого будет достаточно для полного жизненного цикла данного растения от прорастания семени до созревания новых семян.

По отношению  к лесным пожарам растения также  выработали специальные адаптации. Многие виды растений вкладывают больше энергии в подземные запасающие органы и меньше - в органы размножения. Это так называемы “восстанавливающиеся”  виды. “Гибнущие в зрелости”  виды, наоборот, дают многочисленные семена, готовые прорасти сразу же после  пожара. Некоторые из этих семян  десятилетиями лежат в лесной подстилке не прорастая и не теряя всхожести.