М-19 Біологія
01.04.2020
Лекція (2 год.)
Тема 5.1. Адаптація як загальна властивість біологічних систем.
Опрацювати: Біологія 11 клас (за посиланням «Підручники»), с.4-13, 22-27 ,
§§ 1-3, 7
Виконати (письмово):
1) дати відповіді на запитання:
Що таке адаптація?
В чому полягає принцип єдності організма і середовища?
Що є генетичною основою формування адаптацій?
2) назвіть адаптації будови тіла птахів до польоту
3) завдання 5, с.5
4) замалювати в зошит таблицю «Класифікації мутацій» с.6
5) виписати у зошит форми адаптацій (морфологічні, фізіолого-біохімічні, поведінкові), навести приклади, с.8
6) виписати у зошит властивості адаптацій, навести приклади, с.9
7) записати правило Бергмана, навести приклади, с.9
8) записати правило Алена, навести приклади, с.10
9) завдання 6 с.11
10) дати визначення преадаптації, навести приклади, с.12
11) дати визначення постадаптації, навести приклади, с.12
12) що таке стратегія адаптацій організмів? Наведіть приклади різних стратегій адаптації с.13
13) дайте відповіді на запитання 1-4 с.27
Поняття адаптації.
Ви вже знаєте, що живі організми протягом усього свого життя перебувають у певному середовищі існування. А неживі та живі компоненти (або фактори) середовища здійснюють на них різноманітні впливи. Результатом таких пливів є зміни живих організмів, які не дають їм загинути під дією факторів середовища. Такі зміни називають пристосуваннями до певних умов існування.
Процес пристосування живих організмів до дії факторів навколишнього середовища називають адаптацією. Цим терміном також позначають ті зміни в будові, поведінці або процесах життєдіяльності організмів, які виникли як результат пристосування до певних умов існування.
Принцип єдності організмів та середовища існування.
Слід зауважити, що адаптації в певного виду виробляються протягом його еволюції. Завдяки адаптаціям він пристосовується до свого середовища існування. У своєму середовищі він живе і залишає потомство. Але в разі зміни умов середовища (наприклад, потрапляння в інше середовище) в організму можуть виникнути проблеми, і він навіть може померти, бо його адаптації відповідають тому середовищу, до якого він пристосовувався.
Це явище називають принципом єдності організму і середовища.
Генетична основа формування адаптацій.
Як ви знаєте, програма розвитку ознак організму зберігається в його геномі, який він отримує від батьківського покоління. Потім ця програма передається його нащадкам, і так далі. Таким чином, вона може існувати тривалий час, залишаючись майже незмінною. Тому організми одного виду мають схожий вигляд і поведінку. Але, як ви знаєте, у кожного організму є свої невеликі відмінності в генетичному матеріалі, які сприяють його пристосуванням до умов середовища. Таких відмінностей у геномі може бути багато, але «спрацьовують» лише ті, завдяки яким він вижив. Тому в процесі еволюції закріплюються такі варіації генів, які спричинили кращу адаптацію виду. І потім саме ці гени передаються нащадкам.
Зміни в геномі можуть бути пов’язані зі зміною окремих нуклеотидів ДНК (генні мутації), структури чи кількості хромосом (хромосомні та геномні мутації) або в результаті функціональних змін у роботі геному без структурних порушень (генетична регуляція, наприклад, епігенетичні процеси).
Запитання та завдання:
5. Наведіть приклади адаптацій до умов існування тварин: а) кота, б) окуня, в) бджоли.
Мутації — матеріал для адаптацій.
Мутацією (від латин., mutatio — зміна) називають зміну ознаки організму, яка зумовлена зміною спадкових структур, перебудовою генетичного апарату. Вони виникають раптово й зумовлюють появу в організмі ознак, відмінних від вихідної форми.
Класифікації мутацій
За типом прояву ознаки
|
За локалізацією в клітині
|
Залежно від причини виникнення
|
За рівнем організації спадкового матеріалу
|
Домінантні(спричиняють появу домінантної ознаки)
Рецесивні(спричиняють появу рецесивної ознаки)
|
Ядерні (змінюють гени, розташовані в ядрі клітини)
Цитоплазматичні(змінюють гени, розташовані в цитоплазмі клітини)
|
Спонтанні(причини їх виникнення на сьогодні не встановлено) Індуковані(виникають унаслідок дії на генетичний матеріал зовнішніх факторів)
|
Точкові, або генні (заміна, втрата чи додавання пари нуклеотидів)
Хромосомні (заміна, втрата, додавання чи зміна місця розміщення ділянки хромосоми) Геномні (зміна кількості окремих хромосом чи всього хромосомного набору)
|
Форми адаптацій.
За механізмом пристосування адаптації бувають морфологічні, фізіолого-біохімічні або етологічні (поведінкові).
Морфологічні адаптації відбуваються шляхом зміни особливостей будови тіла. Так, видовження шиї жирафи забезпечує доступ до листків із верхніх ярусів дерев.
Фізіолого-біохімічні адаптації відбуваються за рахунок змін внутрішніх процесів організму. Наприклад, у риб, які заходять для нересту з моря в річки, починають діяти фізіологічні механізми, які перешкоджають виведенню солей з організму і запобігають порушенню гомеостазу.
Поведінкові адаптації утворюються за участі центральної нервової системи. Прикладом такої адаптації є поведінка слонів в Анголі. Під час громадянської війни в цій країні слони часто підривалися на протипіхотних мінах. Але через деякий час вони навчилися впізнавати заміновані місця (скоріше за все, за запахом) і стали обходити їх.
Більшість адаптацій є поєднанням названих форм. Вони можуть стосуватися і будови тіла, і поведінки, і зовнішнього вигляду, і біохімічного складу клітин.
Адаптація серпокрильця до умов існування:
Морфологічні адаптації:
• обтічна форма тіла (здатність до польоту);
• довгі крила (швидкий політ);
• широкий рот (ловля літаючих комах).
Фізіолого-біохімічні адаптації:
здатність пташенят впадати в анабіоз під час різкого зниження температури.
Поведінкові адаптації:
сезонні перельоти в місця зимівлі (восени) і гніздування (весною).
Властивості адаптацій.
Основними властивостями адаптацій можна вважати такі:
— до дії одного й того самого фактора адаптація може здійснюватися різними шляхами;
— будь-яка адаптація є відносною.
Прикладами різних шляхів адаптації до дії одного фактора є адаптації різних тварин до низьких зимових температур на території Євразії. Так, із настанням холодів у зайців виростає тепле й густе зимове хутро (структурна адаптація), ведмеді впадають у зимовий сон, суттєво вповільнюючи свій обмін речовин (фізіологічна адаптація), а лелеки перелітають у південні регіони (поведінкова адаптація).
Адаптації відносні, тому що фактори, до дії яких організми адаптуються, не є незмінними. І певні зміни в середовищі існування можуть спричинити навіть вимирання виду, хоча раніше він набув адаптацій, що були необхідні для виживання в цьому середовищі. Так, білий колір зимового хутра зайця-біляка суттєво підвищує його шанси на виживання, бо він менш помітний для хижаків на фоні снігу. Але в ситуації зміни клімату, коли сніг випадає дуже пізно, ця адаптація стає недоліком. Бо зайця з білим хутром у лісі з опалим листям без снігу видно набагато краще.
Будь-які адаптації живих організмів ґрунтуються на законах фізики й хімії. Тому аналіз виявлених ученими закономірностей у формуванні адаптацій дозволяє вивчити механізми, на яких вони засновані. Прикладами таких закономірностей є правила Бергмана і Алена.
Правило Бергмана
Це правило було запропоновано німецьким ученим-екологом К. Бергманом (1847 р.). Воно пов’язує розмір тіла тварин із впливом на них температури. Згідно з правилом Бергмана, розмір тіла тварин одного виду (або кількох близьких видів одного роду) є більшим у холодніших частинах ареалу і меншим у тепліших його частинах.
Правило Бергмана добре проявляється у представників роду Ведмідь (Ursus). Наприклад, середня маса тіла білого ведмедя, який живе в полярних регіонах, дорівнює приблизно 300-400 кг. Бурий ведмідь живе південніше за білого і має масу тіла в середньому 200-250 кг. А в мешканця найбільш південних районів Євразії — гімалайського ведмедя — середня маса тіла є найменшою — 135 кг.
Правило Бергмана засновано на різниці втрати тепла в тіл різного розміру. За умови збільшення розмірів тіла у тварин їхній об’єм збільшується набагато швидше, ніж площа поверхні. І тепло, яке виробляється в організмі, має менше можливостей для виходу з організму. В умовах холодного клімату така адаптація дозволяє ефективно економити ресурси організму. А в умовах жаркого клімату більш вигідним є менше тіло. У цьому випадку співвідношення поверхня/об’єм змінюється на користь поверхні. Вироблене в результаті обміну речовин тепло легше виводиться з організму, що вберігає його від перегріву.
Правило Алена.
Правило Алена було сформульовано американським ученим-екологом Дж. Аленом (1877 р.). Це правило пов’язує розмір виступаючих частин тіла (наприклад вух) теплокровних тварин із температурними особливостями клімату. Згідно з правилом Алена, найменші розміри виступаючих частин тіла мають тварини, які живуть у найбільш холодних регіонах, а найбільші — жителі найбільш теплих країв.
Так, серед лисиць найменший розмір вушних раковин має песець, який живе в полярних регіонах. У лисиці, мешканки помірної зони, вуха трішки більші. А найбільші вуха в цій групі має фенек, ареал якого охоплює пустелі Північної Африки.
Правило Алена, як і правило Бергмана, також відображає адаптації тварин до обміну тепла з навколишнім середовищем. Виступаючі частини тіла можуть суттєво збільшувати площу його поверхні без суттєвого збільшення об’єму. Тому великі виступаючі частини тіла є гарною адаптацією до жарких умов існування, коли організму треба швидко позбуватися зайвого виробленого тепла. А в холодних умовах такі поверхні краще максимально зменшити, щоб забезпечити збереження тепла в організмі.
Запитання та завдання:
6. Який із підвидів тигра — суматранський чи уссурійський,— згідно з правилом Бергмана, повинен мати більший розмір тіла і чому?
Преадаптації.
Адаптації живих організмів не виникають із нічого. Їхній розвиток базується на тих структурах і можливостях, які вже є в цих організмів. Якщо для адаптації до певних умов потрібно утворити складну структуру, то часто буває набагато простіше змінити функцію вже існуючої структури або органа. Ознаки організму (його структури, біохімічні або фізіологічні особливості тощо), які потенційно можуть стати основою пристосувань у змінених умовах існування, називають пре адаптаціями.
Прикладом преадаптації можуть бути м’ясисті плавці предків амфібій, які походять від кистеперих риб. Вони виконували функцію забезпечення маневрування під час плавання. Але після переселення на мілководдя вони почали виконувати допоміжну функцію — забезпечення повзання на мулистому дні там, де плавати було неможливо. У процесі пристосування кистеперих риб до життя на суходолі плавці втратили свою стару основну функцію. А допоміжна функція стала для них новою основною. Плавці перетворилися на лапи, що дозволило тваринам адаптуватися до життя на суходолі. Кількість плавців визначила і кількість лап у нащадків цих риб. Усі вони стали чотирилапими.
Постадаптації.
Адаптації, що виникли в організмі, не є завершеними, вони постійно вдосконалюються. Еволюційні зміни, які вдосконалюють уже існуючі адаптації організмів, називають постадаптацією. Постадаптації можуть формуватися як у межах одного виду, так і під час утворення нових видів шляхом мікроеволюції.
У випадку постадаптації не виникає нових пристосувань. Але суттєво вдосконалюються ті пристосування, які вже є в цієї систематичної групи організмів.
Прикладом постадаптації є пристосування представників родини Жирафові до харчування листям дерев. Для успішного їх споживання була потрібна видовжена шия, яка дозволяла діставати листя з верхньої частини крон. Адаптацією до цього типу живлення було видовження шиї. А от ступінь видовження залежав уже від форми і розмірів крони дерев, листя яких споживали тварини. Тому довжина шиї в окапі, які живуть у лісах, є меншою, ніж у жирафів, які об’їдають високі дерева в саванах.
Стратегії адаптацій організмів.
Адаптації до умов існування можуть утворюватися різними шляхами. Певний шлях, яким відбувається адаптація організму до середовища, називають стратегією адаптації. Так, рослини в лісі можуть адаптуватися до різних варіантів умов середовища: або стають високими і займають верхні яруси лісу, або низькими і займають його нижні яруси. Тому світлолюбні рослини адаптуються до умов гарного освітлення, а тіньовитривалі — до умов із низьким рівнем освітлення. Кожний із цих варіантів потребує цілого комплексу специфічних пристосувань, які є характерними для рослин, що вибрали конкретну адаптаційну стратегію.
Ще одним прикладом стратегій адаптації є К- та r-стратегії розмноження. Тварини, яким притаманна r-стратегія, народжують багато нащадків (риба-місяць відкладає до 300 мли ікринок). Але ці нащадки дрібні, й батьки про них не піклуються або піклуються мало. Тому до репродуктивного віку доживає дуже мало новонароджених.
Тварини з К-стратегією розмноження народжують мало нащадків (самка слона народжує одного малюка). Але ці нащадки більш розвинені або батьки проявляють велику турботу про них. Тому до репродуктивного віку доживає значна частина з них.
Рівні адаптації живих організмів.
Адаптації живих організмів до умов середовища можуть відбуватися на всіх рівнях організації живого. Досить легко помітити адаптації на організмовому рівні, коли відразу видно зв’язок між будовою тіла організму та його середовищем існування.
Прикладами цього є обтічна форма тіла активно плаваючих водних, літаючих наземних організмів та пристосовані до риття нір передні кінцівки крота.
Але не менш важливі адаптації відбуваються на молекулярному й клітинному рівнях. Хоча їх помітити не завжди легко. Це можуть бути зміни в перебігу деяких біохімічних процесів, видозміни органел клітин, синтез нових сполук тощо.
Адаптації на молекулярному рівні.
На молекулярному рівні адаптації можуть відбуватися дуже швидко. Невеличка зміна всього в одній молекулі може стати причиною суттєвих змін у шансах виживання організмів.
Прикладом такої адаптації є зміна форми молекул гемоглобіну в результаті заміни однієї пари нуклеотидів відповідного гена. Ця мутація стає причиною заміни однієї з амінокислот у молекулі білка на іншу, що змінює його конформацію. Молекули гемоглобіну зі зміненою формою гірше переносять кисень. Але гетерозиготні за цим геном особини мають значно більші шанси на виживання в разі зараження малярією.
Ще один характерний приклад молекулярного механізму адаптації — зміна форми виведення з організму продуктів обміну Нітрогену. У риб ці продукти виводяться у вигляді амоніаку, який дуже добре розчиняється, але є токсичною сполукою і потребує для виведення великої кількості води.
У процесі пристосування до життя на суходолі хребетним довелося адаптуватися до життя в умовах дефіциту вологи. І витрати такої великої кількості води для виведення амоніаку були нераціональними. Ссавці адаптувалися до такої ситуації, замінивши амоніак сечовиною, яка набагато менш токсична. Вона потребує й набагато менше води для свого виведення, хоча розчинність її нижча, ніж в амоніаку.
Ще радикальніше розв’язали цю проблему птахи. У них продукти обміну Нітрогену виводяться у вигляді сечової кислоти, яка не є токсичною і потребує дуже мало води для виведення з організму.
Адаптації на клітинному рівні.
Адаптації на клітинному рівні пов’язані зазвичай з особливостями будови або функціонування окремих органел чи інших структур клітини. Наприклад, під час адаптації одноклітинних організмів до життя у прісній воді виникла проблема надмірного надходження води в клітину за рахунок явища осмосу. Цю проблему вирішує поява скоротливої вакуолі, через яку зайва вода постійно виводиться з клітини.
Цікавим варіантом адаптації на клітинному рівні стало вироблення рослинами альтернативних варіантів фотосинтезу. У більшості рослин світлова й темнова фази фотосинтезу відбуваються одночасно в одному хлоропласті (так званий С3-фотосинтез). У цьому випадку вуглекислий газ для темнової фази надходить прямо через відкриті продихи. Але через відкриті продихи випаровується багато води, що небажано для рослин із посушливих умов існування. Тому в них виникли два варіанти адаптацій для економії вологи.
В обох випадках світлова й темнова фази фотосинтезу розділяються. У першому варіанті в рослин з С4-фотосинтезом світлова й темнова фази фотосинтезу рознесені просторово й відбуваються в різних клітинах. Для забезпечення вуглекислим газом невеликої кількості клітин рослина може розкривати лише частину продихів.
У другому варіанті у рослин із CAM-метаболізмом фази фотосинтезу рознесені в часі. Світлова фаза відбувається вдень, а темнова — вночі. Продихи відкриваються тільки вночі й випаровують набагато менше вологи.
Адаптацією на клітинному рівні є також утворення гаусторіїв у паразитичних грибів. Гаусторії — це бічні вирости гіф, які проникають усередину клітини організму-хазяїна. Вони є єдиною структурою, яка забезпечує живлення гриба завдяки поглинанню потрібних йому речовин із клітин хазяїна. У гаусторіях відбуваються активні біохімічні процеси. У них міститься велика кількість рибосом та мітохондрій, а також зазвичай добре розвинена ендоплазматична сітка. Гаусторії утворюються в таких представників грибів, як борошнисто-росяні гриби, сажкові гриби тощо.
Запитання:
1. На яких рівнях організації живого відбуваються адаптації?
2. На якому рівні організації живого можна легко помітити адаптації?
3. Які адаптації можуть відбуватися на молекулярному рівні?
4. Які адаптації можуть відбуватися на клітинному рівні?
Комментарии
Отправить комментарий