Підручники з Біології / Біологія 11 клас / Шаламов Біологія 11 клас 2019

§ 2. Закономірності формування адаптацій

Адаптації є наслідком дії природного добору

Тривалий час природодослідників хвилювало питання походження адаптацій. Річ у тім, що адаптація завжди добре відповідає вимогам середовища. Наприклад, широке крило дозволяє яструбу ширяти в потоках повітря майже без помахів крил, вистежуючи здобич біля землі. Натомість вужче й загострене крило ластівки вимагає частіших помахів, проте забезпечує чудове маневрування під час польоту, а тому й легкість у полюванні на дрібних і рухливих комах (рис. 2.1). Тож у вчених здавна поставало питання: чи «знає» природа заздалегідь, що вона хоче «створити»? Дати чітку відповідь на нього біологічна наука змогла лише в середині XIX ст. завдяки створенню еволюційної теорії Чарльзом Дарвіном.

Саме еволюційне вчення Дарвіна забезпечило розуміння того, що адаптації виникають поступово в процесі природного добору. Нагадаємо, що природний добір забезпечує переважне виживання та розмноження найбільш пристосованих особин у популяції. Завдяки йому зі зміною поколінь у популяції зростає кількість організмів краще адаптованих до даного середовища. Це явище все більшого пристосування в процесі історичного розвитку живого отримало назву адаптивна еволюція. Усе різноманіття видів є її наслідком.

Але звідки добір «знає», що треба добирати? У результаті спадкової мінливості, тобто утворення мутацій і нових комбінацій спадкового матеріалу (переважно в процесі статевого розмноження), у популяції постійно з’являються особини, чиї генотипи, а тому й фенотипи, відрізнятимуться.

Під час життя, взаємодіючи з іншими представниками свого виду (наприклад, конкуруючи за їжу чи світло), організмами інших видів (мутуалістами, хижаками, паразитами), умовами абіотичного середовища (наприклад, хто з меншими витратами переживе холоди), частина з усієї різноманітності особин популяції краще виживає й розмножується1. Так, власне, і реалізується природний добір, завдяки якому з усього різноманіття генів, до нащадків переважно потрапляють ті, що забезпечують краще виживання.

1 Дарвін називав це перемогою в боротьбі за існування.

11

Появу навіть складних адаптацій можна пояснити поступовою дією природного добору

Однією з проблем теорії природного добору було пояснення механізму формування складних адаптацій. Річ у тім, що складна адаптація, як-от око чи мозок, не може з’явитися миттєво, за одне покоління. Але структура цього органу є настільки складною, що виникнення, наприклад, чверті ока чи лише однієї звивини мозку немає ніякого сенсу, бо таке пристосування не буде функціонувати, як єдиний орган. Дарвін не міг пояснити появу складних органів (ні по частинах, ні в цілому), але з часом еволюційні біологи розтлумачили механізми їхнього розвитку.

Виявилось, що складні адаптації розвиваються поступово, і при цьому їхні частини повноцінно функціонують та покращують пристосування організму до середовища. Так, наприклад, формування ока почалось із появи шару світлочутливих рецепторів у водних тварин, з якого згодом утворилася сітківка (рис. 2.4, А). За його наявності тварина могла легко визначати день чи ніч надворі, де поверхня водойми, а де дно. З часом світлочутливий шар прогнувся до середини, утворивши келихоподібне око (рис. 2.4, Б). Воно дає

Рис. 2.4. Еволюція ока (пояснення в тексті)

13

змогу краще визначати напрямок, з якого падає світло. За певний проміжок часу отвір «келиха» звузився, що дало можливість чіткіше бачити об’єкт

івизначати розташування джерела світла (рис. 2.4, В). На наступному етапі око заповнилось спеціальною прозорою рідиною, що підвищила захист світлочутливого шару, а також забезпечила сталий коефіцієнт заломлення, незалежний від складу води навколо (рис. 2.4, Г). Для фокусування, а, отже,

іпокращення чіткості зображення, що формується на світлочутливому шарі,

воці сформувалася лінза — кришталик (рис. 2.4, Д). Приблизно водночас з’явилися райдужка, що живить око й регулює діаметр отвору для світла — зіниці, та рогівка, що забезпечує додаткове світлозаломлення (рис. 2.4, Е). Поява кожної зі структур ока мала адаптивний характер і виникала завдяки природному добору. Тому можна стверджувати, що складні адаптації з’являються завдяки поступовому розвитку шляхом природного добору.

Преадаптація — це майбутня адаптація

Часто процес формування органів іде «хибним» шляхом, коли функція органу змінюється під час еволюції. Характерним прикладом такого шляху є формування пір’я в птахів. Доведено, що предками сучасних птахів були динозаври, що не вміли літати. У попередників птахів у шкірі почали формуватися волосиноподібні «пір’їни» (рис. 2.5), основною функцією яких було збереження тепла, подібно до волосин нашої шкіри. Згодом перо розгалузилося й в нього з’явився стрижень. Таке пір’я, властиве нелітавшим динозаврам, почало виконувати, ймовірно, також і маскувальну функцію чи відігравати важливу роль у залицянні. У майбутньому будова опахала ускладнилася, а маса пера зменшилася, воно набуло вигідних аеродинамічних властивостей і почало брати участь у польоті. Отже, спочатку пір’я виконувало теплоізоляційну функцію, згодом маскувальну та шлюбну, і лише потім почало використовуватися для польоту. Тобто орган формувався для виконання однієї функції, а згодом почав виконувати іншу1.

1 Насправді, функція не змінилася, а додалася, бо й досі пір’я бере участь у теплоізоляції (недарма ж пухові куртки є найтеплішими), маскуванні (наприклад, біле пір’я в полярних сов) і шлюбному процесі (як-от хвостове пір’я в павича).

14

Постадаптація робить адаптацію кращою

Формування адаптації не є кінцевим етапом її розвитку. У майбутньому на основі адаптацій можуть виникати постадаптації. Постадаптація2 — це вдосконалена в процесі еволюції адаптація. Її формування відбувається в середовищі, до якого в організму адаптація вже існує. Під час цього процесу вона змінюється так, що це перетворення покращує пристосованість організму до вимог довкілля. Зазвичай постадаптації мають прояв у незначних змінах уже виробленої адаптації: у потовщенні захисного шару корка в корі, у збільшенні виділення феромонів3 для приваблення статевих партнерів, у зміцненні стінки гнізда для кращого захисту пташенят тощо. За зміни умов середовища постадаптація може перетворитися на преадаптацію. Але, на відміну від останньої, постадаптація — це закономірний результат спрямованого еволюційного процесу на покращення пристосування, тоді як преадаптація виникає як випадковість: зручне пристосування до нових вимог. Так, у прикладі з пір’ям птахів, перехід від волосиноподібного пір’я до пір’я зі стрижнем і опахалом був постадаптацією з терморегуляційною функцією, яка стала преадаптацією до польотного пір’я.

1 Від лат. prae- — перед чимось, попереду та adaptio — пристосування; також поширеним в еволюційній біології є термін екзаптація.

2 Від лат. post- — після чогось, позаду та adaptio.

3 Феромони — леткі речовини, що виділяються організмами до зовнішнього середовища й беруть участь у хімічній комунікації між особинами одного виду.

15

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

1. Унаслідок дії природного добору збільшується кількість тих організмів, які

2. Увігнута форма світлосприймального шару ока є прикладом А преадаптації Б постадаптації В дрейфу генів Г природного добору

3. Сергій та Олена висловили свої думки щодо походження пір’я птахів. Сергій уважає, що пір’я птахів розвинулося з волосся динозаврів. Олена впевнена, що пір’я сучасних птахів виникло завдяки природному добору. Хто

5. Який із наведених прикладів є преадаптацією?

А потові залози ссавців (з них виникли молочні залози) Б очі рептилій (з них розвинулись очі ссавців)

В двокамерне серце риб (стало основою трикамерного серця амфібій) Г оплодень (його структура різниться в соковитих і сухих плодів)

6. Увідповідніть компонент ока людини та його функцію

У житті все просто

7. Скориставшись описом механізму реалізації природного добору, пояс-

ність, як у динозаврів сформувалося польотне пір’я.

8. Порівняйте у вигляді таблиці мутагенез і потік генів. Що є схожим і відмінним у цих процесах та їхньому внеску в еволюцію?

9. Чи може преадаптація стати джерелом постадаптації й навпаки?

У житті не все просто

10. Чи «знає» заздалегідь природа, якою буде адаптація в кінцевому ре-

зультаті? А чи може людина спрогнозувати її приблизний вигляд? Що для цього потрібно знати?

11. Чи можна застосувати поняття «преадаптація» й «постадаптація» до науково-технічного прогресу? Доведіть свою точку зору на прикладі еволюції якогось пристрою.

16

§ 3. Стратегії адаптування

Організми обирають одну з трьох стратегій адаптування

Потрапляючи в «незвичні» для себе умови, організми певного виду починають виробляти нові адаптації чи покращувати вже існуючі, формуючи постадаптації. Учені виокремлюють три стратегії адаптування живих організмів.

Стратегія активного адаптування передбачає вироблення в організмів адаптацій, що протидіють новим умовам середовища. Ця стратегія властива

утворенню більшості адаптацій. Таким шляхом, до прикладу, адаптувалися сукуленти — збірна група рослин, що здатні накопичувати воду в спеціальних тканинах (кактуси, молочаї, алое тощо). Сукуленти ростуть у спекотних і посушливих регіонах, тому виробили значну кількість адаптацій до таких умов (рис. 3.1). Завдякитовстійвоскоподібнійкутикулітанезначнійкількостіпродихівзменшується втрата води через випаровування. Ба більше, продихи відкриваються лише

17

комах чи птахів, квіти змінювали форму. У відповідь і запилювачі змінювали свою будову (рис. 3.5). Таким чином відбувалася коеволюція (спряжена еволюція) — процес формування коадаптацій, коли кілька видів здійснюють взаємний вплив на еволюцію одне одного. При цьому види, що взаємодіють у екосистемі, спрямовують природний добір у напрямку виживання й розмноження особин, найкраще пристосованих саме до співіснування.

Рис. 3.5. Коадаптація до запилення

А. Тягнучись язиком до нектару на дні квітки, кажан притискається лобом до пиляків і приймочки маточки квітки, що сприяє перенесенню її пилку.

Б. Дзьоби колібрі відповідають формам квіток, нектаром яких вони харчуються.

19

Б

В

Рис. 3.6. Коеволюція як «перегони озброєнь»

А. Забарвлення яєць зозулі (правий стовпчик) подібне до забарвлення яєць тих птахів, у чиї гнізда вона підкидає яйця (лівий стовпчик). Б. Природний добір добирає тих газелей, які бігають найшвидше, унаслідок чого переважно виживають найстрімкіші леопарди. В. Завдяки особливій будові слизової оболонки губ

і рота верблюди пристосувалися до поїдання навіть кактусів із

Авеликими колючками.

Схожі процеси коеволюції відбуваються не тільки між видами, яким це взаємовигідно (квітковим рослинам потрібно, щоб їх ефективно запилювали, відповідно запилювачі отримують за це поживний нектар), але й між паразитами та хазяями, хижаками та жертвами (рис. 3.6). У такому разі хазяї й жертви, намагаючись захиститися від паразитів і хижаків (чи тих, хто їх поїдає), виробляють адаптації, до яких згодом пристосовуються нащадки паразитів і хижаків, і починається нове коло коадаптацій. Така постійна коеволюція нагадує «перегони озброєнь» й отримала назву принципу Чорної Королеви1: вид змушений постійно адаптуватися до змін, що виникають у середовищі, яке еволюціонує паралельно з ним.

Адаптивна радіація породжує різноманіття споріднених видів

Унаслідок адаптування зовнішній вигляд, фізіологічні процеси чи поведінка організмів стають іншими через накопичені зміни спадкового матеріалу. Отже, організми з новими адаптаціями відрізнятимуться від предкових виглядом, процесами життєдіяльності, діями, геномом тощо2. Тобто вони належатимуть новому, відмінному від початкового, біологічному видові.

1 Назва принципу має витоки у творі Льюїса Керрола «Аліса в Задзеркаллі», де Чорна Королева говорила: «…у нас, як бачиш, біжиш мов ошпарений, аби тільки втриматися на місці».

2 Риси подібності організмів одного виду називають критеріями виду. За цими критеріями всі особини одного виду є схожими.

20