Адаптация живых организмов к экологическим факторам

Любой живой организм приспособлен (адаптирован) к определенным условиям окружающей среды. Изменение ее параметров, их выход за некоторые границы толерантности подавляет жизнедеятельность организмов и может вызвать их гибель. Требования того или иного организма к факторам среды обусловливают границы его распространения (ареал) и место, занимаемое в экосистеме.

Иначе говоря, любой вид животного или растения способен нормально обитать, питаться, размножаться только в том месте, где его „прописала" эволюция за многие тысячелетия, начиная с его предков. Таким образом, каждый вид живого организма занимает в природе свою, только ему присущую экологическую нишу. Экологическая ниша - это совокупность множества параметров среды, определяющих условия существования того или иного вида, и его функциональных характеристик (преобразование им энергии, обмен информацией со средой и с себе подобными и др.).

Экологическая ниша включает не только положение вида в пространстве, но и функциональную роль его в сообществе и его положение относительно абиотических условий существования (температура, влажность и т.п.).

Способность вида адаптироваться к отдельным факторам или их комплексу называется экологической валентностью или пластичностью. Вполне понятно, что чем выше пластичность вида, тем выше и его приспособляемость к конкретной экологической системе, тем больше шансов у его популяции выжить в условиях динамичных факторов среды.

Эволюционно выработанные и наследственно закрепленные особенности живых организмов, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность в условиях динамичных экологических факторов, называются адаптациями. Очевидно, любой живой организм может обитать лишь в тех местах, где режимы экологических факторов соответствуют необходимым условиям. Особи, не приспособленные к существующим условиям, вымирают.

В процессе приспособления к неблагоприятным условиям среды организмы смогли выработать три основные пути адаптации или избегания последних.

Первый заключается в возникновении определенной степени устойчивости к данному фактору. Это пассивный путь адаптации – адаптация по принципу толерантности. Так, при недостатке тепла это приводит к угнетению жизнедеятельности и понижению уровня метаболизма, что способствует экономному использованию энергетических запасов.

При резком ухудшении условий среды организмы разных видов могут приостанавливать свою жизнедеятельность и переходить в состояние так называемой скрытой жизни (спячка, анабиоз).

Второй тип приспособления – активный. В этом случае организмы с помощью специфических адаптивных механизмов компенсируют изменения, вызванные воздействующим фактором таким образом, что внутренняя среда остается практически постоянной. Так, теплокровные животные – птицы и млекопитающие, обитая в условия изменчивой температуры, поддерживают внутри себя постоянную температуру, которая оптимальна для биохимических процессов в клетках тела.

Третий путь – избегание неблагоприятных воздействий – это выработка организмом таких жизненных циклов, при которых наиболее уязвимые стадии его развития завершаются в самый благоприятный по температурным и другим условиям периода года.

Обычный для животных путь приспособления к неблагоприятным периодам – миграции. Так, сайгаки ежегодно уходят на зиму в малоснежные южные полупустыни, где зимние травы в связи с сухостью климату более питательны и доступны. Однако летом травостои полупустынь быстро выгорают, поэтому на период размножения сайгаки переходят в более влажные северные степи. У птиц – это перелеты, подчас на довольно длинные расстояния. У человека – технологическое кондиционирование среды.

Весьма важными являются адаптации наземных организмов к температурному фактору. Наиболее типичные три механизма таких адаптаций: физический, химический, поведенческий.

Физический осуществляется регулированием теплоотдачи. Факторами ее являются кожные покровы, жировые отложения, испарения воды (потовыделение у животных, транспирация у растений). Показано, например, что у тропических млекопитающих теплоизоляционные свойства шерстяного покрова почти на порядок ниже, чем у обитателей Арктики. Химические адаптации базируются на поддержании определенной температуры тела. Это требует интенсивного обмена веществ. Процесс рефлекторного усиления теплопродукции в ответ на снижение температуры окружающей среды носит название химической терморегуляции. В частности, ряд животных использует высвобождающееся при мускульной деятельности тепло для стабилизации температуры тела. Поведенческий путь осуществляется посредством выбора организмами предпочтительных положений: открытые солнцу или затененные места, смена позы, разного вида укрытия. В зонах умеренного климата многие млекопитающие и некоторые птицы в зимнее время используют теплоизолирующие свойства снежного покрова. Так, белая куропатка, ночуя в подснежной лунке, экономит около 45% энергетических ресурсов.

Рассмотрим также примеры адаптаций к тем или иным факторам среды.

3.6.1. Морфологические адаптации

Эти адаптации связаны с наличием таких особенностей внешнего строения, которые способствуют выживанию и успешной жизнедеятельности организмов в обычных для них условиях.

Примером подобных адаптаций является выработанное в процессе эволюции строение организмов, обитающих в воде: приспособления к скоростному плаванию у китообразных, к парению в воде у планктона.

Морфологический тип приспособления животного или растения, при котором они имеют внешнюю форму, отражающую способность взаимодействия со средой обитания, называют жизненной формой вида. При этом разные виды могут иметь сходную жизненную форму, если ведут близкий образ жизни. Примером могут служить кит (млекопитающее), пингвин (птица) и акула (рыба).

Сочетание дефицита влаги и высокой температуры воздуха создает особенно жесткие условия для поддержания вводно-солевого баланса обитателей наземной среды. Такие организмы обладают рядом фундаментальных морфологических преобразований.

Приспособившиеся к обитанию в местах с недостаточным увлажнением растения- ксерофиты распространены в пустынях, степях, в песчаных дюнах, на прогреваемых склонах. По принципу адаптаций растения–ксерофиты подразделяются на две группы: суккуленты и склерофиты.

Суккуленты в своих приспособлениях к дефициту влаги исходят из принципа запасания. Типичные представители – кактусы, агавы, алоэ, накапливающие влагу в стеблях или листьях. Для многих видов характерна редукция листьев, превращение их в колючки. Расходование водных запасов происходит очень медленно. Так, кактус Цириус, не получая воды в течении двух лет, потерял за это время лишь 13% массы, а другой за 3 года – 36%. Из деревьев, которые запасают воду в стволах, наибольшую известность имеют африканский баобаб и бутылочное дерево Австралии. Баобаб при общей высоте в 20 м и толщине ствола, порой достигающей 20 м, способен сделать запас влаги в своей мягкой древесине до 120 тыс. л.

Склерофиты по морфологическим признакам и по принципам поддержания водного баланса прямо противоположны суккулентам. Они не способны запасать воду в органах и тканях, а напротив, отличаются слабой обводненностью и внешне выглядят как сухие, жесткие, несочные растения. Встречаются главным образом в засушливых районах (полынь, некоторые злаки, саксаул, оливковое дерево, олеандр). Склерофиты отличаются высокой тканевой устойчивостью к дегидратации – могут терять до 25% влаги без заметных патологических последствий. Важное приспособление склерофитов заключается в свойственной им большой сосущей силе корней, что определяется высоким, до 60 атм., осмотическим давлением клеточного сока. Это позволяет извлекать влагу даже при малом ее количестве в почве.

Большое значение в особенностях вводно-солевого обмена в ксерофитных условиях имеет повышенное содержание солей в почвах аридных регионов. Избыточное поступление солей через корневую систему создает условия, нарушающие клеточно-тканевые процессы, и вредно для растений. Однако солеустойчивость разных видов различна. Растения – галофиты переносят достаточно большие концентрации солей и часто растут на сильно засоленных почвах (сухие степи, пустыни, морские побережья). Настоящие галофиты накапливают в тканях до 10% солей. Это ведет к увеличению осмотического давления клеточного сока, что повышает возможность извлечения воды из засоленных почв. Эти растения способны регулировать содержание солей в своих тканях путем их выделения или накопления солей в листьях или побегах (тамариск, галофильные злаки, мангровые растения). Наиболее интересным представителем является черный саксаул – безлистное, не дающее тени дерево, которое довольствуется солоноватыми и даже солеными водами. Он усваивает их за счет высокой всасывающей силы (летом осмотическое давление составляет 100 атм) корней, длина которых достигает 20 – 25 м. Летом саксаул сбрасывает ветви и тем самым избавляется от избытка солей.

У ряда земноводных имеются морфологические приспособления, ограничивающие кожные водопотери. Слизь, покрывающая кожу (жабы, лягушки), замедляет испарение воды в 5 раз, а при наличии корки подсохшей слизи – в 7 раз. Определенное ограничение потерь воды вносят и образующиеся у жаб и некоторых других амфибий грубые утолщения кожного эпителия - «бородавки».

3 .6.2. Физиологические адаптации

При стойком отклонении условий среды от биологического оптимума происходят такие изменения физиологической регуляции, которые повышают её эффективность и вместе с этим уменьшают общее функциональное напряжение организма. Подобные изменения носят название физиологической адаптации.

Физиологические адаптации заключаются, например, в особенностях ферментативного набора в пищеварительном тракте животных, определяемого составом пищи. Обитатели пустынь способны обеспечивать потребность во влаге путем биохимического окисления жиров. Так, верблюды способны переносить потери воды до 27% массы тела, поскольку при окислении 100 г жиров образуется до 110 г метаболической воды.

Повышенная способность к утилизации метаболической воды у некоторых групп насекомых и паукообразных, у пустынных грызунов выражено настолько отчетливо, что они могут жить и размножаться в условиях полного отсутствия воды, восполняя все потребности организма только метаболическим путем.

Общая адаптация к различным температурным условиям обитания основывается на изменении тканевой устойчивости, которая во многом связана с термостабильностью белков и различной термической настройкой ферментных систем. В частности, адаптация к действию низких температур связана с комплексом механизмов, блокирующих повреждающее влияние отрицательных температур на клетки и ткани. Переохлажденное состояние холодноводных рыб поддерживается накоплением в жидкостях тела так называемых биологических антифризов – гликопротеидов, понижающих точку замерзания и препятствующих образованию кристаллов льда в клетках и тканях. В качестве антифризов могут выступать сахара, аминокислоты и другие вещества, связывающие воду. Ярким примером являются рыбы – белокровки (около 18 видов), обитающие в холодных водах Антарктиды. Эти рыбы (размером не более 60 см) уникальны тем, что у них в живом состоянии кровь не красная, а прозрачная или белая из-за полного отсутствия в ней красных кровяных телец. Кислород переносится не гемоглобином, а кровяной плазмой. Реакция эритроцитов является своеобразной адаптацией, способствующей понижению вязкости крови, что обеспечивает достаточное кровообращение при жизни в ледяных водах Антарктиды. Большинство этих рыб обитает на глубинах от 5 до 340 м, а отдельные виды встречаются на глубинах до 2000 м.

У насекомых важную роль в переживании низких температур играют глицерин, гликоген, сахара, выступающие в качестве антифриза. У муравьев к зиме количество глицерина возрастает до 10%, а у отдельных ос - до 30%.Поэтому ряд насекомых переносит снижение температуры до – 45⁰С.

При наступлении неблагоприятного периода года (пониженная температура, отсутствие влаги) ряд животных способны впадать в оцепенение или спячку (анабиоз). При этом температура тела снижается практически до уровня окружающей температуры, резко замедляется обмен веществ, пульс и дыхание, внешние признаки жизни отсутствуют. Зимняя спячка свойственна барсукам, енотам, сусликам, ежам, летучим мышам, бурым медведям. Во время спячки температура тела падает до 3 – 4⁰С, число сердечных сокращений – с 500 – 700 до 4 – 20 ударов в минуту (у летучей мыши – с 1000 до 25), число дыхательных движений – до 2 – 3 (вместо 100 - 150).

Некоторые живые организмы способны выносить высыхание вплоть до полной потери воды. В состоянии анабиоза отдельные виды гусениц и бактерий, а также коловратки и тихоходки выдерживают температуры жидкого водорода (-259⁰С) и гелия (-269⁰С). Однако они способны восстановить активную жизнедеятельность при условии увлажнения и при соответствующей температуре окружающей среды.

Своеобразным примером физиологической адаптации является фотосинтезирующие красные водоросли, успешно развивающиеся у Багамских островов на глубине 265 м, куда проникает всего 0,0005% солнечной радиации. (Обычно водоросли обитают в освещаемой зоне на глубинах до 20 – 40 м, а в случае высокой прозрачности воды встречаются до 200 м). Такие водоросли помимо хлорофилла имеют дополнительные пигменты, которые расширяют спектральный состав доступного для фотосинтеза излучения.

Наибольшей выносливостью и устойчивостью к факторам среды обладают микроорганизмы и некоторые грибы. Так, для ряда бактерий верхние критические точки давления лежат в области 12 тыс атм. Споры бактерий, конидий и мицелий некоторых грибов не теряют жизнеспособность в условиях высокого вакуума, достигающего 10^-11–10^-13 мм.рт.ст. (вакуум космоса составляет 10^-16 мм. рт. ст.). Бактерии обнаружены в водах атомных реакторов, некоторые из них выдерживают облучение порядка 2–3 млн рад (разовое облучение тела человека дозой в 500 рад ведет к смертельному исходу).

3.6.3. Поведенческие адаптации

При отклонениях факторов среды от оптимальных значений у многих организмов наблюдается опережающее реагирование – избегание неблагоприятных воздействий и активный поиск других более благоприятных условий и местообитаний. Организм реагирует не только на величину отклонения, но и на темп нарастания угрозы. Эти реакции очень разнообразны: миграции, перелеты птиц, реакции группирования, движение органов растений, наконец, у человека – технологическое кондиционирование среды.

Поведенческие (этологические) адаптации проявляются в самых разнообразных формах.Например, существуют формы приспособительного поведения животных, направленные на обеспечение оптимального теплообмена с окружающей средой. Приспособительное поведение может проявляться в создании убежищ, выборе мест с оптимальной влажностью или освещенностью.

Так, способность к выбору мест с оптимальными условиями температуры, влажности и освещенности отмечена практически у всех исследованных в этом отношении видов. Многие насекомые, пресмыкающиеся и амфибии активно отыскивают освещенные солнцем места для обогрева. У растений – это повороты пластинок листьев относительно солнечных лучей. Отдельные животные используют для прогрева тепло, накопленное песком, скалами и т.п.

У некоторых водных животных аналогичная задача решается перемещением между более мелководными, хорошо прогреваемыми зонами прибрежных вод, и более глубокими и прохладными участками.

Одна из распространенных форм терморегуляторного поведения – использование особенностей микроклимата. Выбор мест, характеризующихся укрытостью от ветра, сглаженными суточными перепадами температур и т.п., ведет к значительному сокращению энергозатрат на физиологическую терморегуляцию и широко используется многими видами птиц и млекопитающих. Для птиц, в частности, большое значение имеет выбор мест для ночлега: в густых кронах, дуплах, зарослях тростника температура может быть на 5 – 8⁰С выше, чем на открытом месте.

В зонах умеренного климата многие млекопитающие и некоторые птицы используют теплоизолирующие свойства снежного покрова. В районах с суровыми, но многоснежными зимами температура под снегом может быть на 15–30⁰С выше внешней. Это свойство снега используют мыши, кроты, рябчики, синицы, тетерева.

Перечисленные примеры далеко не исчерпывают все формы приспособительного поведения. Сюда следует добавить способность многих птиц и млекопитающих к активному сооружению гнезд, нор и других убежищ с благоприятным микроклиматом, использование поз, экономящих расход энергии и увеличивающих прогреваемую солнечными лучами поверхность.

Весьма ярким примером адаптации является мимикрия – подражание животных и растений определенным предметам неживой и живой природы. Мимикрия проявляется только в тех признаках, которые хорошо заметны внешне: форма, окраска, поведение. В этом случае могут совмещаться все три вида адаптации.

Приспособительная окраска является одним из важных средств пассивной защиты организмов. Многие животные средних и высоких широт зимой имеют белую окраску (песец, заяц, горностай).Скрывающая (расчленяющая) окраска, связанная с чередованием на теле животных темных и светлых полос (зебра, тигр), приводит к тому, что они плохо видны на открытой местности. Ряд животных способны менять свою окраску в зависимости от цвета фона. Медленные изменения окраски свойственны гусеницам некоторых видов бабочек, пауков. Быстрая смена окраски, определяемая перемещением пигментных зерен, известна для головоногих моллюсков, некоторых ракообразных, рыб, амфибий, рептилий. Палитра меняющихся расцветок очень широка. Так, африканские лягушки могут принимать цвета: белый, желтый, золотистый, оранжевый, кирпичный, бурый, каштановый, пурпурно-красный, лиловый, розовый, голубовато-зеленый, серый.

Часто встречается мимикрия Бейтса, при которой незащищенный съедобный организм (имитатор) подражает неродственному ему виду (модели), который невкусен или опасен для хищника. Так, многие виды безвредных змей сходны по внешнему виду (и поведению) с ядовитыми; безвредные мухи часто подражают пчелам; большая тополевая бабочка – стеклянница внешним видом и поведением подражает шершню. Жуки – дровосеки могут подражать осам, муравьям и выглядеть как несъедобные жуки из других групп.

Человек – один из представителей царства животных, он не утратил своей биологической сущности и все законы экологии справедливы для него в той же мере, в какой и для других животных.

Пространство, в котором локализована ниша человека (т.е. место, где режимы факторов не выходят за пределы унаследованной от предков толерантности), весьма ограничено. Человек может обитать только в пределах суши, по вертикали ниша простирается примерно на 3 - 3,5 км над уровнем моря. И хотя человек расширил границы своего начального ареала, расселился в высоких, средних и низких широтах, освоил глубины океана и космос, его фундаментальная экологическая ниша при этом практически не изменилась. За пределами исходного ареала он может выживать не путем адаптации, а с помощью специально создаваемых защитных устройств (теплые жилье и одежда, кислородные приборы и т.п.).

В условиях промышленных предприятий многие факторы (вибрация, шум, температура, электромагнитные поля, примеси ряда веществ в воздухе и др.) находятся за пределами толерантности человеческого организма.

Из сказанного следует второе основное правило охраны природы с экологических позиций: охрана природы (и окружающей среды) состоит в системе мероприятий по сохранению экологических ниш живых организмов, включая человека.

Таким образом, либо ниша человека будет сохранена для настоящего и будущих поколений, либо человек как биологический вид обречен на исчезновение.