|
|
|||
|
БІОСИСТЕМИ. БІОСФЕРА
ЕКОСИСТЕМИ. ПОПУЛЯЦІЇ
ОРГАНІЗМИ У ДОВКІЛЛІ
ЛЮДСТВО ТА ЙОГО ДОЛЯ
|
|||
|
V-23. Адаптації організмів |
|||
V-23. Адаптації організмів
Для живих істот з глибоко пронизуючими всю їхню організацію кореляціями та взаємозалежностями компроміс між суперечливими вимогами оптимізації різних адаптивних функцій має бути особливо напруженим. Тому стійкий епігенотип (надійна для певного кола умов система забезпечення індивідуального розвитку) має бути організований за принципом глибоко опрацьованого компромісу між суперечливими потребами максимальної оптимізації всіх адаптивних функцій.
О. П. Расніцин
Багато живих організмів досягають досконалості за тим чи іншим параметром. Розглянемо лише широковідомі приклади. Ви знаєте, наскільки досконалі орлиний зір, собачий нюх, черепаше довгожительство, швидкість стрижа і витривалість верблюда. Чому ці чудові якості зустрічаються порізно, а чи не поєднуються в одному організмі? Мабуть тому, що вони погано поєднуються один з одним. Хоч як це сумно, вдосконалення пристосувань за якимось одним параметром означає зниження рівня пристосованості за іншими. Виграючи в чомусь одному, організми неминуче повинні програвати в іншому.
Вам, напевно, відомо, що ті організми, які опікуються потомством, народжують набагато меншу кількість нащадків, ніж ті, хто залишає наступне покоління без догляду. Чим дрібніша ікра у риб, тим більша кількість (за інших рівних) ікринок вимітатиме кожна самка. Щоб зрозуміти, чому це відбувається, можна оцінити кількість енергії, яку кожен із видів витрачає на розмноження. У цьому випадку ми переконаємося, що витрати на виробництво потомства у різних видів приблизно можна порівняти. Ця кількість енергії може бути витрачена на вироблення невеликої кількості енергоємних ікринок або безлічі дрібних; Крім виробництва ікри, енергію можна витратити на турботу про ікру та мальків (облаштування гнізда, захист, годування). У кожному випадку особливості розмноження того чи іншого виду будуть компромісом між необхідністю залишити потомство та необхідністю економити енергію. За певних витрат на розмноження стратегія кожного виду — компроміс між різними формами таких витрат.
Чи завжди умови, в яких живуть організми, є для них оптимальними? Звичайно, не завжди. Несприятливі умови можуть характеризувати якесь місцеперебування постійно, а можуть наставати час від часу, періодично (протягом доби, року чи сонячного циклу) чи нерегулярно (наприклад, погодні аномалії). Як реагують організми на несприятливе їм середовище? Виробляють ті чи інші адаптації до них.
Адаптації — пристосування до певних умов середовища, які виявляються відповідно до морфологічних, фізіологічних та поведінкових ознак організму його способу життя у певних умовах середовища. Адаптацію можна розглядати як відповідність між ознаками організму і особливостями його способу життя у певному середовищі. Адаптації спостерігаються як наслідок, який можна досліджувати через доцільність живих організмів та інших біосистем (за Аристотелем проблема доцільності є головною проблемою біології). Той самий термін іноді використовується процесу вироблення адаптацій, що може вносити певну термінологічну плутанину.
Преадаптації — ознаки, що виникли як пристосування до одного фактора, але виявляються корисними для подолання дії іншого фактора. Легені перших чотириногих виникли як орган дихання повітрям із води, багатою органікою, а кінцівки з пальцями — як засіб для переміщення по мілководді. У комплексі вони виявилися преадаптацією до освоєння суші.
Якщо умови середовища є надзвичайно несприятливими, боротися з ним виявляється неможливим. Наприклад, ні в Арктиці, ні в Антарктиці немає ні амфібій, ні рептилій — подолання холоду виявляється неможливим для цих пойкілотермних тварин. У менш жорстких умовах середовища можна виділити три групи адаптацій організмів до несприятливих умов: подолання, уникнення та витримування. Розглянемо їх по черзі.
Подолання. Ми сказали, що ані амфібій, ані рептилій у фауні полярних областей немає. Натомість ссавців та птахів там чимало. Основний шлях їхнього пристосування до жорстокого холоду полягає в активній підтримці постійної температури тіла. Нехай переважна частина енергії їжі піде на підтримку постійної температури тіла: якщо залишку вистачить задоволення основних життєвих потреб, вижити можна буде і серед вічних льодів.
Окрім холоду, однією з основних проблем, що обмежують різноманітність арктичної фауни, є майже повна відсутність рослинної їжі на суші. Вищим рослинам у розвиток потрібні тривалі позитивні температури; там, де їх немає, весь наземний фотосинтез пов'язаний з водоростями та ціанобактеріями, що мешкають на поверхні каміння та льоду. Зате полярні води багаті на життя, особливо тваринами. Завдяки своїй надзвичайно високій теплоємності вода не дає замерзнути ні водним тваринам, ні водоростям. Хороша розчинність газів у холодній воді забезпечує сприятливі умови для їхнього функціонування. Відтак багато наземних ссавців та птахів полярних областей живуть завдяки продукції моря. Одним із прикладів чудових пристосувань до життя у надзвичайно негостинному середовищі є білий ведмідь.
Серед ряду Хижі представники родини Ведмежі характеризуються найвищою часткою рослинної їжі в їхньому раціоні. Єдиний вид, якого це не стосується, — білий ведмідь, виключно м'ясоїдна тварина. Деякі види ведмедів (як бурий ведмідь) здатні доповнювати свій раціон рибою, яку вони ловлять у річках (наприклад, лососями під час їхнього нересту), але переважно вони харчуються на суші. Харчування білого ведмедя здебільшого пов'язане з морем, і цей хижак досконало освоїв плавання та пірнання у крижаній воді. «Суходолом» для білого ведмедя значною мірою служать льоди, що плавають поверхнею Льодовитого океану (на жаль, скорочення площі льодів через глобальне потепління обертається для білих ведмедів на катастрофу). Великі розміри тіла, потужний жировий прошарок і високий рівень обміну речовин дозволяють ведмедеві підтримувати постійно високу температуру тіла в найжорстокіші холоди. Навіть біла шерсть ведмедя є дивом пристосування: її колір маскує ведмедя на льоді і снігу, а проникність для сонячного випромінювання дозволяє пропускати світло до темної шкіри звіра, що добре нагрівається.
Як ви розумієте, розглянутий випадок є далеко не єдиним прикладом подолання несприятливих умов організмами. А чим є поведінка та спосіб життя людини, як не подолання незліченних обмежень з боку середовища?
Уникнення несприятливих умов. Форми уникнення несприятливих умов різноманітні. Можна вважати, що бабак, що ховається від дощу в свою нору, або пустельна ящірка, що переміщається навколо куща саксаулу з урахуванням руху тіні від нього уникають несприятливих для них умов. З іншого боку, ці форми поведінки краще розглядати як вибір сприятливих, бажаних умов. Фактично йдеться про те, що всередині постійного місця проживання тієї чи іншої тварини змінюються локальні умови, і вона вибирає ті з них, які є для неї найбільш підходящими. А що робити, якщо у всьому місці проживання умови для життя зіпсувалися? Одне з найпоширеніших «рішень» — міграції.
Міграціями називають закономірні переміщення тварин між різними місцем проживання, віддаленими один від одного на значні (для цих тварин) відстані. Застереження про значущість відстаней для тварин не випадкове. Мігруючі птахи можуть переміщатися на інший бік Земної кулі, а мігруючі ґрунтові безхребетні йти з шару листового опаду на глибину в кілька десятків сантиметрів. І те, й інше можна вважати міграціями, пропорційними здібності аналізованих тварин до переміщення.
Як очевидно з наведених прикладів, міграції можуть бути горизонтальними (географічними) і вертикальними. Залежно від того, яка причина (регулярно діюча або нерегулярна) викликає ці перельоти, міграції можна поділити на періодичні та неперіодичні.
Найвідоміша категорія міграцій — перельоти птахів. Так, для більшості наших перелітних птахів причиною, яка змушує їх вирушати в дорогу, є зимове безхарчів’я (а сигнальним фактором, який запускає відповідну поведінку, — скорочення довжини світлового дня). До найдальших перельотів відносяться міграції полярної крячки — птаха, який гніздиться в Арктиці, а на зимівлю відлітає в Антарктику (де під час зими в Північній півкулі настає «тепла» пора року). Протяжність цього перельоту (лише в один кінець) перевищує 30 000 км! У тих випадках, коли зміни умов не є дуже різкими, птахи можуть здійснювати не перельоти, а кочівлі, за яких вони залишаються в межах одного регіону, де переміщуються залежно від погоди чи наявності відповідного корму.
Сезонні міграції характерні також для багатьох копитних Африки чи Середньої Азії. Їх причина — зміна вологості та наявності доступної їжі.
Вертикальні міграції типові для мешканців гір, ґрунту та, особливо, водойм. Так, для зоопланктону дуже характерні добові переміщення до поверхні вночі, і на глибину десятки і сотні метрів вдень. Справа в тому, що їжею зоопланктону є фітопланктон. Фітопланктон пов'язаний у своєму поширенні з поверхневими шарами води — глибше немає світла для фотосинтезу. Щоб харчуватися фітопланктоном, зоопланктону потрібно перебувати поряд із ним. Але вдень біля поверхні води легко стати здобичею риб, які покладаються у своєму харчуванні на зір. Тому багато планктонних тварин, зокрема, ракоподібних, ховаються вдень у темряву на глибині, а вночі піднімаються до поверхні за власною їжею. До речі, ці переміщення роблять досить істотний внесок у перемішування шарів морської води, впливаючи на колообіг багатьох біогенів.
Слід зазначити, що міграції не завжди є формою уникнення несприятливих умов. Наприклад, для прохідних риб характерні нерестові міграції з морських вод у прісні (анадромні міграції, як у лососів) або з прісних вод у морські (катадромні міграції, як у вугрів). Звичайно, можна розглядати ці міграції і як уникнення несприятливих умов (морська вода несприятлива для ікри та личинок лососів, а прісна — для ранніх стадій розвитку вугрів), але в цілому ці міграції швидше відображають еволюційну історію виду та стратегію його пристосування до середовища проживання. Такі міграції називаються онтогенетичними. Онтогенетичні міграції морських черепах, які у своїх подорожах можуть обігнути Земну кулю, не поступаються своєю протяжністю перельотам полярних крячок.
Витримування несприятливих умов. Ми вже говорили, як важко пойкілотермним чотириногим жити в умовах суворого холодного клімату. Проте, деякі з амфібій та рептилій пристосувалися до життя за Полярним колом. Антарктика оточена океаном, а до Арктики наближаються і Євразія, і Північна Америка. Наприклад, за Полярне коло заходять ареали звичайної гадюки та живородної ящірки. Однак далі за всі амфібії і рептилії (до 72° північної широти!) розселяється на північ сибірський вуглозуб. Це невелике (близько 15 см з хвостом) хвостате земноводне переходить Полярне коло на Північному Уралі, в Магаданському краї та в Якутії. Вуглезуби мешкають навіть на околицях «полюса холоду», якутського міста Оймякон! Які особливості допомагають їм виживати у умовах?
Насамперед, це здатність переносити холод. Ці тварини витримують вморожування у вічну мерзлоту (зареєстрований рекорд перебування у замороженому стані — 90 років) та зберігають активність при 0 ° С. Здатність витримувати холод пов'язана з низьким рівнем обміну, холодостійкістю ферментів і наявністю в тканинах кріопротекторних речовин, що перешкоджають утворенню кристалів льоду, що руйнують і висушують клітини.
Якщо умови середовища не підходять для активної життєдіяльності, багато організмів можуть переходити в той чи інший фізіологічний стан, у якому їхня здатність зазнавати дії несприятливих факторів посилюється. До таких станів відноситься анабіоз (або криптобіоз) — стан, при якому життєві процеси настільки уповільнені, що протікають без зовнішніх проявів. Анабіоз є пристосуванням до холоду, сухості та інших несприятливих факторів; після покращення умов організм повертається у фізіологічну норму.
Так, при зволоженні у мохах та лишайниках переходять до активності тихоходи — восьминогі безхребетні тварини, представники невеликого типу Tardigrada, що належить до тієї самої гілки розвитку тварин, що й членистоногі. Довжина цих тварин найчастіше вимірюється частками міліметра. Неквапливо переміщаючись мохом, тихоходи харчуються клітинами рослин, бактеріями або безхребетними тваринами. Тихоходи характеризуються винятковою стійкістю до несприятливих факторів середовища на стадії, що покоїться. Коли вологість моху знижується, тихоход стискається, відкриває рота, втягує кінцівки і переходить у стадію «діжечки» — впадає в анабіоз. У цьому стані тихоход здатен довго витримувати сухість, низькі температури, дію токсичних речовин, вакуум, високі дози радіації та багато інших несприятливих факторів. На стадії «діжечки» тихоходи, ймовірно, можуть навіть винести подорож через відкритий космос! На цій стадії такі тварини можуть проводити більшу частину свого життя. Ймовірно, в рідко зволожуваних місцях термін життя однієї особини (меншої за міліметр довжиною!) може перевищувати 100 років! Потрапивши у вологе середовище, тихоход виходить зі стадії спокою і стає доволі чутливим до багатьох несприятливих факторів середовища.
Деякі тварини, наприклад гетеротермні ссавці та птахи, здатні впадати у сплячку — уповільнення життєвих процесів, що супроводжується значним зниженням температури тіла та зниженням частоти серцебиття. Все ж таки, при сплячці, на відміну від анабіозу, прояви життєдіяльності залишаються помітними. Сплячка може бути сезонною (байбаки, їжаки та ін.), добовою (кажани, колібрі) і нерегулярною, при несподіваному погіршенні умов (стрижі, єнотоподібні собаки).
Парадоксальним чином, як приклад тварин, які впадають в анабіоз або сплячку, часто називають ведмедів, для яких ці стани якраз і нехарактерні. Холоди ведмеді (як і борсуки) переносять у стані зимового сну (просто глибшого сну, ніж звичайний), а не анабіозу. Ці тварини досить великі (згадайте про правило Бергмана), щоб тривалий час підтримувати постійну температуру тіла, не отримуючи енергії з їжі. Мисливець, що провалився в барліг до ведмедя, швидко його розбудить. Самки ведмедів народжують у такому стані дитинчат і вигодовують їх молоком! На відміну від ведмедя, наприклад, бабак, що знаходиться в стані справжньої сплячки, має вкрай знижену температуру, в багато разів уповільнену частоту серцевих скорочень і може прокинутися лише після досить тривалих і енерговитратних фізіологічних процесів (виділення тепла клітинами бурого жиру).
Сплячкою (а також заціпенінням) зазвичай називають і той стан, в якому зимують амфібії та рептилії помірних широт. Наприклад, болотяна черепаха восени (у жовтні — листопаді) пірнає на дно водойми, звідки вирине вже навесні (у квітні). Фізіологічні процеси черепахи різко гальмуються, і для життєдіяльності їй вистачає газообміну через поверхню ротової порожнини, глотки і клоаки. Черепаха в такому стані може проявляти певну активність (наприклад, переміститися на дні водойми з місця на місце).
Середньоазійська черепаха у пустелях Туркменії виходить із зимової сплячки (гібернації) у лютому та зберігає активність до кінця травня. Коли пустельна трава висихає, черепахи йдуть у літню сплячку (естівацію). Наприкінці вересня — на початку жовтня осінні дощі можуть пробудити невелику кількість трав'янистої рослинності. У цей час черепахи на короткий термін виходять зі сплячки. Якщо дощів було замало, естівація перетворюється на гібернацію (режим зниженої активності за високої температури тіла змінюється таким за низької). В особливо суворих умовах загальна тривалість періоду активності середньоазіатської черепахи не перевищує 3 місяців!
До нормального життєвого циклу людини сплячка, звичайно, не входить, але наші досить далекі предки були до неї, ймовірно, здатні. І сьогодні деякі ссавці, які не впадають у сплячку, можуть бути в неї штучно занурені. Так, змушуючи вдихати газову суміш із сірководнем, можна занурити в сплячку лабораторних мишей (а потім вивести з неї, вентилюючи їх легені збагаченою киснем сумішшю та зігріваючи їхнє тіло).
За цілим рядом нещасних випадків відомо, що людину можна повернути до життя, якщо її тіло охолоджується в умовах, коли центр терморегуляції не забезпечує спроб утримати нормальну температуру тіла. Це може статися при різкому охолодженні (дитина провалилася під лід), в атмосфері вуглекислоти (водій автомобіля-рефрижератора випадково закрив себе в камері з «сухим льодом» — твердою вуглекислотою) або за якихось інших, ще недостатньо вивчених умов. Люди, що замерзли (але не остигли до негативних температур) у такому стані, в разі правильних рятувальних дій можуть бути виведені з такого стану навіть через кілька годин.
Потенційна здатність людини до перебування у фізіологічно неактивному стані стала підставою для ідеї вводити в такі стани космонавтів під час тривалих космічних перельотів. Не відкидаючи цю ідею геть-чисто, слід зазначити, що поки що вона перебуває в області чистої фантастики.
Для вивужування грошей із багатих клієнтів у деяких країнах Заходу існує послуга посмертного заморожування (кріоники). Відразу після смерті тіло людини глибоко охолоджують і занурюють у рідкий азот (-196°С). Потім його поміщають у посудину Дьюара (простіше — термос), де зберігають в азоті, підливаючи свіжий замість випаровуваного. Зазвичай ця діяльність відбувається за відсотки капіталу, який заморожений клієнт залишив фірмі, відповідальну за зберігання його тіла. Скам'янілі від холоду тіла клієнтів тримають в особливих сховищах у вертикальному положенні вниз головою, щоб у разі зниження рівня азоту постраждали ступні, а не голова. При цьому слід сприймати на віру, що коли в майбутньому люди навчаться лікувати хвороби, від яких померли заморожені клієнти таких фірм, вони розморозять їхні тіла, вилікують наслідки смертельних хвороб та нададуть можливість нового життя у щасливому майбутньому. Не кажучи про те, що прогнозувати можливості і дії наших нащадків надзвичайно важко, ймовірно, технологія заморозки трупів, що використовується в таких фірмах, призводить до незворотного руйнування клітин людей, чий страх смерті проявився у такій дивній формі.
Зрештою, витримати несприятливі періоди можуть допомогти стадії спокою життєвого циклу. До них належать цисти найпростіших, спори бактерій, грибів і деяких рослин, насіння рослин, яйця тварин у спокої та багато іншого. Крім витримування несприятливих умов, стадії спокою можуть виконувати й інші функції, наприклад, розселення. Наприклад, яйця щитнів (ракоподібних з загону Листоногі, до яких, зокрема, відносяться і більш відомі широкому загалу дафнії) служать як для витримування сухого сезону, так і для поширення з переносним вітром пилом.
Для багатьох рослин характерно, що з настанням сприятливих умов їх насіння не проростає одночасно, а утворює грунтовий банк насіння у спокої. Навіть якщо якась катастрофа знищить ліс, якщо хоча б десь збережеться лісовий ґрунт, у ньому чекатиме відповідної години насіння більшості популяцій квіткових рослин, що утворювали цей ліс (а також спори характерної для цього лісу бактеріофлори — сукупності бактерій, як і мікобіоти — сукупності грибів).
На завершення розгляду докладних прикладів, зазначимо, що здатність організмів витримувати несприятливі умови є надзвичайно важливою для підтримки спостережуваного нами стану біосфери.
Додаткові матеріали:
Колонка: И ещё о цвете кожи: почему мы белые и почему мы загораем