Лекция №8

Экология

Тема 5. Экология организмов (аутэкология). Адаптации организмов к факторам среды

1. Механизмы адаптации живых организмов к среде обитания

2. Влияние температуры на адаптации живых организмов

2.1. Пойкилотермные организмы, особенности температурной адаптации

2.2. Гомойотермные организмы, механизмы терморегуляции и теплоотдачи

2.3. Адаптации организмов к экстремальным климатическим условиям

3. Влияние воды и минеральных солей.

4. Значение света в жизни организмов. Фотопериодизм. Циркадные ритмы

1. Механизмы адаптации живых организмов к среде обитания

Животные и растения вынуждены приспосабливаться к множеству факторов непрерывно изменяющихся условий жизни. Динамичность экологических факторов во времени и пространстве зависит от астрономических, гелиоклиматических, геологических процессов, которые выполняют управляющую роль по отношению к живым организмам.

Поддержание устойчивого обмена веществ при колебании условий внешней среды невозможно без специальных адаптаций.

Адаптация (от лат. adaptatio) – эволюционно возникающий механизм приспособления организмов (и видов) к условиям внешней среды, выраженный в изменении их внешних и внутренних особенностей – фундаментальное свойство живой природы.

Адаптации развиваются под действием трех основных факторов: наследственность, изменчивость и естественный (искусственный) отбор. Совокупность адаптаций придает строению и жизнедеятельности организмов черты целесообразности. Приспособленность вида к какой – либо постоянной среде является предпосылкой к его длительному стабильному существованию.

Биологический смысл процесса адаптации сводится к тому, чтобы данная особь выжила при неблагоприятных условиях и оставила потомство. Средства могут быть самые разные.

Например, к наступлению зимних холодов у одних животных вырастает густой и теплый меховой покров, который к тому же изменяет свою окраску, у других образуется толстый подкожный слой жира, третьи, откормившись за лето, впадают в спячку. Деревья сбрасывают листья, их почки покрываются толстым восковым слоем и т.д.

Это различные биологические реакции в ответ на изменения условий окружающей среды, которые представляют собой иногда длительные и сложные изменения строения и функций организмов, иногда простые и легко обратимые реакции.

Например, у берегов Антарктиды рыба Trematotus приобрела способность синтезировать в крови протеиновые соединения. Действуя как антифриз, они не дают образовываться ледяным кристаллам. Все это позволяет рыбе выживать при температуре ниже – 2⁰С.

Некоторые виды насекомых также имеют в теле некое подобие антифриза. Так, личинка аляскинской галлицы может замерзать и оттаивать несколько раз без вреда для себя.

Способность к адаптациям – одно из основных свойств жизни на нашей планете. Адаптации обеспечивают возможность существования, выживания и размножения организмов.

Существуют три основных пути приспособления организмов к условиям окружающей среды: активный путь, пассивный путь и избегание неблагоприятных воздействий.

Активная адаптация – (по принципу резистентности или устойчивости) усиление сопротивляемости организма, развитие регуляторных процессов, позволяющих осуществлять все жизненные функции организма, несмотря на отклонения фактора от оптимума.

Например, поддержание постоянной температуры тела у теплокровных животных (птиц, млекопитающихся), оптимальной для протекания биохимических процессов.

Пассивная адаптация – (по принципу толерантности или выносливости) подчинение жизненных функций организма изменению факторов среды.

Например, переход при неблагоприятных условиях среды в состояние анабиоза (скрытой жизни), когда обмен веществ в организме практически полностью останавливается (зимний покой растений, сохранение спор, семян, спячка позвоночных животных и т.д.)

Избегание неблагоприятных воздействий - выработка организмом таких жизненных циклов и поведения, которые позволят избежать неблагоприятных воздействий,

Например, сезонные миграции животных.

Обычно приспособление вида к среде осуществляется тем или иным из трех возможных путей адаптации.

Адаптации можно разделить на три основных механизма: морфологические, физиологические и этологические.

Морфологическая адаптация - (структурная организация организма в ответ на внешнее воздействие) изменения в строении организма (например, видоизменение листа в колючку у кактусов при снижении потерь воды, яркая окраска цветов для привлечения опылителей).

Физиологическая адаптация – (функциональный ответ) изменения в физиологии организма (например, способность верблюда обеспечивать организм влагой путем окисления запасов жира, наличие целлюлозоразрушающих ферментов у целлюлозоразрушающих бактерий).

Этологические адаптации - (приспособительные формы поведения) изменение в поведении (например, сезонные миграции млекопитающих и птиц, впадение в спячку в зимний период).

Примеры адаптации:

1. Разные адаптации при решении одной экологической задачи: термоизоляция у медведей и песцов – густой мех, у китов – подкожный жир.

2. Пассивная защита: высокая плодовитость; покровительственная (пигментация бабочек березовых пядениц на закопченных деревьях) или отпугивающая окраска, мимикрия (сходство беззащитного и съедобного вида с представителями несъедобного вида); твердые покровы – защитные образования типа панцирей;

3. Сложная адаптация:

- насекомоядные растения: росянка, венерина мухоловка;

- развитие глаза как органа зрения: у одноклеточных - светочувствительное пятно с пигментом; у планарии - чашевидные углубления с родопсином; у членистоногих – фасеточные глаза; у кальмаров, осьминогов – глазной пузырь с жидкостью и подвижным хрусталиком - линзой (как у человека).

Пути происхождения адаптаций.

1) Предадаптация – наличие структур, которые возможно расширить. Мутации и скрещивания приводят к накоплению скрытого резерва наследственной изменчивости. Нередко используются прежние особенности организма, возникшие в иных условиях. Например, наличие шва в черепе млекопитающих облегчает роды.

Биологическая целесообразность. Бактерии, устойчивые к антибиотикам, не появляются в результате эволюции. Среди обычных микроорганизмов изначально присутствуют организмы, генетически устойчивые к антибиотикам. У насекомых есть формы, устойчивые к яду. У людей: некоторые устойчивы к радиации. На Севере: среди приезжих есть люди, лучше переносящие неблагоприятные условия. У них есть сходные с коренным населением гены.

2) Комбинативный путь – взаимодействие новых мутаций друг с другом и с генотипом в целом. При этом может быть усиление (комплиментация) или подавление (эпистаз) его выражения в фенотипе.

3. Постадаптивный путь – новые адаптации возникают посредством использования ранее существовавших структур в случае смены их функций.

Направление эволюции живых организмов (разработаны акад. А.Н.Северцовым):

1. Аллогенез – развитие группы внутри одной адаптивной зоны с возникновением близких форм, различающихся адаптациями одного масштаба. Аллогенез может быть на уровне рода, семейства, отряда. При аллогенезе развивается специализация к определенным условиям внутри адаптивной зоны.

Идиоадаптация – приспособление к специальным условиям среды, полезное в борьбе за существование, но не изменяющее уровень организации. Например: колючки у кактуса. Аллогенез в отряде насекомоядных: земные формы – еж, подземные – крот, земноводные – выхухоль.

2. Арогенез – развитие группы с существенным расширением адаптивной зоны и с выходом в другие природные зоны в результате приобретения крупных, ранее отсутствующих приспособлений. Ароморфоз – усложнение организации строения и функции, имеющее общее значение для организма. Например, триасовые динозавры  птицы (крыло, четырехкамерное сердце, полые кости); или – высшие растения (проводящая сосудистая система, эпидермы, устьица, семязачаток). Внутренний скелет позвоночных, наружный – членистоногих. Гемоглобин.

Эволюция может идти не только в сторону усложнения, прогресса, но и дегенерации – регресса. Например, паразиты. Образ жизни приводит к утрате некоторых органов, структур.