Организмы в течение жизни испытывают влияние факторов, сильно удаляющихся от оптимума. Им приходится переносить жару, засуху, морозы, голод. Приспособления.
1. анабиоз (мнимая смерть). Почти полная остановка обмена веществ. – мелкие организмы. При анабиозе организмы теряют до ½ или даже ¾ заключённой в тканях воды У беспозвоночных часто наблюдается явление диапаузы – пережидание неблагоприятных температурных условий, остановившись в своём развитии (стадия яйца, куколки у насекомых и т.д.).
2. скрытая жизнь. Высшие растения не могут выжить, если клетка высохнет. Если частичное обезвоживание – выживет. (зимний покой растений, спячка животных, семена в почве,
3. Постоянство внутренней среды, несмотря на колебания внешней среды. Постоянная температура тела, влаги (кактусы). Но много тратится энергии.
4. Избегание неблагоприятных условий. (гнезда, зарываются в снег, перелет птиц)
Примеры: Семена лотоса в торфе 2000лет., бактерии в льдах Антарктиды. У пингвинов температура 37-38, у северных оленей 38-39. кактусы. Мокрицы в Среднеазиатских сухих степях, Суслик серцебиение 300 ударов и 3.
Эволюционная адаптация
Виды адаптации:
Морфологические (защита от вымерзания: эпифиты – растут на других растениях, фанерофиты- почки защищены яешуйками (деревья, кустарники), криптофиты почки в почве, терофиты – однолетние растения. У животных – запасы жира, масса.
Физиологическая адаптация . : акклиматизация, высвобождение воды из жиров.
Поведенческая – выбор предпочтительного положения в пространстве.
Физическая – регулирование теплоотдачи. Химическая – поддержание температуры тела.
Эволюционная адаптация растений и животных к разным факторам среды легла в основу классификации видов.
1) По отношению к физическиме факторам среды
а) влияние температуры на организмы
Пределами толерантности для любого вида являются минимальная и максимальная летальные температуры. Большинство живых существ способно жить при температуре от 0 до 50ºС, что обусловлено свойствами клеток и межклеточной жидкости. Адаптация животных к температуре среды шла в 2 направлениях:
– пойкилотермные животные (холоднокровные) – их температура тела меняется в широких пределах в зависимости от температуры окружающей среды (беспозвоночные, рыбы, земноводные, пресмыкающиеся). Их приспособлением к изменениям температуры является впадение в анабиоз.
– гомойотермные животные (теплокровные) – животные, имеющие постоянную температуру тела (птицы (около 40ºС) и млекопитающие, в том числе человек (36–37ºС)). Гомойотермные животные могут выдерживать температуру ниже 0ºС. Для этих организмов характерно явление теплорегуляции .
Теплорегуляция (терморегуляция) – способность человека, млекопитающих и птиц поддерживать температуру мозга и внутренних органов в узких определённых границах, несмотря на значительные колебания температуры внешней среды и собственную теплопродукцию.При перегревании – происходит расширение кожных капилляров, и с поверхности тела происходит теплоотдача,– увеличивается потоотделение, за счёт испарения температура тела охлаждается (человек, обезьяны, непарнокопытные),– у непотеющих животных происходит тепловая одышка (испарение влаги происходит с поверхности ротовой полости и языка).При охлаждении– происходит сужение кожных сосудов, теплоотдача от них уменьшается,– поднимаются перья и волосы и шерсть на поверхности тела, в результате увеличивается воздушная прослойка между ними, являющаяся теплоизолирующей.
Кроме того, для теплокровных животных характерны постоянные приспособления к повышенным или пониженным температурам:
1) Варьирование размеров тела. В соответствии с правилом Бергмана : у теплокровных животных размер тела особей в среднем больше у популяций, живущих в более холодных частях ареала распространения вида. Это связано с уменьшением отношения:
Чем меньше это отношение, тем меньше теплоотдача.
2) Наличие шерстного и перьевого покрова. У животных, живущих в более холодных областях, увеличивается количество подшерстка, пуха, пуховых перьев у птиц. В условиях сезонности возможна линька, когда в зимнем шерстном покрове больше пуха и подшёрстка, а в летнем – только остевые волосы.
3) Жировая прослойка. Является теплоизолирующей. Особенно распространена у морских животных, обитающих в холодных морях (моржи, тюлени, киты и т.д.)
4) Жировой покров . Покров перьев водоплавающих птиц специальным водонепроницаемым покровом, препятствующим проникновению воды и слипанию перьев, т.е. сохраняется воздушная теплоизолирующая прослойка между перьями.
5) Зимняя спячка. Спячка – состояние пониженной жизнедеятельности и обмена веществ, сопровождающееся торможением нервных реакций. Перед впадением в спячку животные накапливают в организме жир и укрываются в убежищах. Спячка сопровождается замедлением дыхания, сердцебиения и др. процессов. Температура тела снижается до 3–4ºС. Некоторые животные (медведи) сохраняют нормальную t тела (это зимний сон ). В отличие от анабиоза холоднокровных животных, во время спячки теплокровные животные сохраняют способность контролировать физиологическое состояние с помощью нервных центров и поддерживать гомеостаз на новом уровне.
6) Миграции животных (характерны для и теплокровных, и холоднокровных) – сезонное явление. Примером являются перелёты птиц.
Адаптация растений к температуре. Большинство растений может существовать при температуре от 0 до 50ºС. Однако активная жизнедеятельность осуществляется при температурах от 10 до 40 ºС. В этом диапазоне температур может происходить фотосинтез. Вегетационный период растений – период со среднесуточными температурами выше +10ºС.
По способу адаптации к изменениям температуры растения делятся на 3 группы:
– фанерофиты (деревья, кустарники, лианы) – сбрасывают все зелёные части на холодный период, а их почки остаются зимой над поверхностью снега и защищаются покровными чешуйками;
– криптофиты (геофиты) – также теряют всю видимую растительную массу на холодный период, сохраняя почки в клубнях, луковицах или корневищах, скрытых в почве.
– терофиты – однолетние растения, отмирающие с наступлением холодного сезона, выживают лишь семена или споры.
б) влияние освещённости на организмы
Свет – это первичный источник энергии, без которого невозможна жизнь на Земле. Свет участвует в фотосинтезе, обеспечивая создание органических соединений из неорганических веществ растительностью Земли. Поэтому влияние света в большей степени важно для растений. В фотосинтезе участвует часть спектра (от 380 до 760 нм) – область физиологически активной радиации.
По отношению к освещённости выделяются 3 группы растений:
– светолюбивые – для таких растений оптимумом является яркий солнечный свет – травянистые растения степей и лугов, древесные растения верхних ярусов.
– тенелюбивые – для этих растений оптимумом является слабая освещённость – растения нижних ярусов таёжных ельников, лесостепных дубрав, тропических лесов.
– теневыносливые – растения, имеющие широкий диапазон толерантности к свету и могут развиваться как при яркой освещённости, так и в тени.
Свет имеет большое сигнальное значение и является основой фотопериодизма.
Фотопериодизм – это реакция организма на сезонные изменения длины дня. От фотопериодизма зависит время зацветания и плодоношения у растений, начало периода спаривания у животных, время начала миграции у перелётных птиц. Фотопериодизм широко используется в с/х.
в) влияние условий увлажнения на организмы
Условия увлажнения зависят от двух факторов:– количество осадков; – испаряемость (количество влаги, которое может испариться при данной температуре)
По отношению к влаге все растения делятся на 4 группы:
– гидатофиты – водные растения целиком или большей частью погруженные в воду. Они могут быть прикреплены корнями к грунту (кувшинка), другие не прикреплены (ряска);
– гидрофиты – водные растения, прикреплённые к почве и погруженные в воду только нижними своими частями (рис, рогоз);
– гигрофиты – растения влажных местообитаний. Не имеют приспособлений, ограничивающих расход воды (травянистые растения лесной зоны);
– мезофиты – растения, переносящие незначительную засуху (большинство древесных растений, злаковые растения степей);
– ксерофиты – растения сухих степей и пустынь, имеющие приспособления к недостатку влаги:
а) склерофиты – растения с большой корневой системой, способной всасывать влагу из почвы с большой глубины, и с мелкими листьями или листьями, преобразованными в колючки, что способствует снижению площади испарения (верблюжья колючка);
б) суккуленты – растения, способные накапливать влагу в мясистых листьях и стеблях (кактусы, молочаи).
– эфемеры – растения, проходящие свой жизненный цикл за очень короткий срок (период дождей или таяния снегов) и к периоду засухи образующие семена (маки, ирисы, тюльпаны).
Приспособления животных к засухе:
– поведенческие способы (миграция) – характерны для животных саванн в Африке, Индии, Южной Америке;
– образование защитных покровов (раковины улиток, роговые покровы рептилий);
– впадение в анабиоз (рыбы, земноводные в африканских и австралийских пересыхающих водоёмах);
– физиологические способы – образование метаболической воды (воды, образующейся в результате обмена веществ за счёт переработки жиров) – верблюды, черепахи, овцы.
г) влияние движения воздуха на организмы. Движение воздушных масс может быть в виде их вертикального перемещения – конвекции, или в виде ветра, т. е. горизонтального перемещения. Движение воздуха способствует расселению спор, пыльцы, семян, микроорганизмов. Анемохоры – приспособления для распространения ветром (парашутики одуванчика, крылья семян клёна и т.д.). Угнетающее действие ветер может оказывать на птиц и других летающих животных
д) влияние движения воды на организмы. Основные виды движения воды – волны и течения.В зависимости от скорости течения:
– в спокойных водах – у рыб сплюснутое с боков тело (лещ, плотва)
– в быстротекущих водах – тело рыб округлое в сечении (форель).
Вода – плотная среда, поэтому в целом все водные животные имеют обтекаемую форму тела: как рыбы, так и млекопитающие (тюлени, киты, дельфины), и даже моллюски (кальмары, осьминоги). Самая совершенная морфологическая адаптация к движению в воде – у дельфина, поэтому он может развивать в воде очень большие скорости и выполнять сложные маневры.
2) химические факторы среды
а) Химические факторы воздушной среды
Состав атмосферы: азот –78,08%; кислород – 20,95 %; аргон, неон и другие инертные газы – 0,93 %; углекислый газ – 0,03 %; прочие газы 0,01.
Лимитирующим фактором является содержание углекислого газа и кислорода. В приземном слое атмосферы содержание углекислого газа находится в минимуме толерантности, а кислорода – в максимуме толерантности растений по этим факторам.
Адаптация к недостатку кислорода:
а) У почвенных животных и животных, живущих в глубоких норах.
б) У высокогорных животных: – повышение объёма крови,– увеличенное количество эритроцитов (кровяных клеток, переносящих кислород),– повышенное содержание гемоглобина в эритроцитах,– повышенное сродство гемоглобина к кислороду, т.е.1 молекула гемоглобина может переносить больше молекул кислорода, чем у равнинных животных.(ламы, альпаки, горные козлы, снежные барсы, яки, горные куропатки, фазаны).
в) У ныряющих и полуводных животных: – повышенный относительный объём лёгких,– больше объём и давление воздуха в лёгких при вдыхании,– приспособления, характерные для горных животных.(дельфины, киты, тюлени, каланы, морские змеи и черепахи, опуши).
г) у водных животных (гидробионтов) – это приспособления к использованию кислорода из водного раствора: – наличие жаберного аппарата, имеющего большую площадь поверхности,– густая сеть кровеносных сосудов в жабрах, обеспечивающих наиболее полное всасывание кислорода из раствора,– увеличенная поверхность тела, которая является у многих беспозвоночных важным каналом диффузионного поступления кислорода.Рыбы, моллюски, ракообразные).
б) Химические факторы водной среды
а) содержание СО 2 (повышенное содержание углекислого газа в воде может привести к гибели рыб и др. водных животных; с другой стороны при растворении в воде СО 2 , образуется слабая угольная кислота , легко образующая карбонаты (соли угольной кислоты), являющиеся основой скелетов и раковин водных животных);
б) кислотность среды (инструментом поддержания кислотности являются карбонаты, водные организмы имеют очень узкий диапазон толерантности к этому показателю)
в) солёность воды – содержание растворенных сульфатов, хлоридов, карбонатов, измеряется в промилле ‰ (грамм солей на литр воды). В океане 35 ‰. Максимальная солёность в Мёртвом море (270 ‰). Пресноводные виды не могут обитать в морях, а морские – в реках. Однако, такие рыбы, как лосось, сельдь всю жизнь проводят в море, а для нереста поднимаются в реки.
3. Эдафические факторы – почвенные условия произрастания растений.
а) физические:– водный режим,– воздушный режим,– тепловой режим,– плотность,– структура.
б) химические:– реакция почвы,– элементарный химический состав почвы, – бменная способность.
Важнейшее свойство почвы – плодородие – это способность почвы удовлетворять потребность растений в питательных веществах, воздухе, биотической и физико-химической среде и на этой основе обеспечивать урожай сельскохозяйственных структур, а также биогенную продуктивность диких форм растительности.
Приспособление растений к засолению:
Солеустойчивые растения называют галофитами (солерос, полыни, солянки) – эти растения произрастают на солонцах и солончаках.
«Приспособленность организмов и образование новых видов»
1. Приспособленность организмов и ее относительность
В XIXв. исследования приносили все новые данные, раскрывающие приспособленность животных и растений к условиям окружающей среды; вопрос же о причинах этого совершенства органического мира оставался открытым. Дарвин объяснил происхождение приспособленности в органическом мире с помощью естественного отбора.
Ознакомимся предварительно с некоторыми фактами, свидетельствующими о приспособленности животных и растений.
Примеры приспособленности в животном мире. В животном мире широко распространены различные формы защитной окраски. Их можно свести к трем типам: покровительственная, предостерегающая, маскировочная.
Покровительственная окраска помогает организму стать менее заметным на фоне окружающей местности. Среди зеленой растительности клопы, мухи, кузнечики и другие насекомые часто окрашены в зеленый цвет. Фауну Крайнего Севера (белый медведь, полярный заяц, белая куропатка) характеризует белая окраска. В пустынях преобладают желтые тона окраски животных (змеи, ящерицы, антилопы, львы).
Предостерегающая окраска ясно выделяет организм в окружающей среде яркими, пестрыми полосами, пятнами (форзац 2). Она встречается у ядовитых, обжигающих или жалящих насекомых: шмелей, ос, пчел, жуков-нарывников. Яркая, предостерегающая окраска обычно сопровождает другие средства защиты: волоски, шипы, жала, едкие или остро пахнущие жидкости. К этому же типу окраски относится угрожающая.
Маскировка может достигаться сходством по форме тела и окраске с каким-либо предметом: листом, веткой, сучком, камнем и т. д. При опасности гусеница бабочки-пяденицы вытягивается и застывает на ветке наподобие сучка. Бабочку совки-гнилушки в неподвижном состоянии легко принять за кусочек гнилого дерева. Маскировка достигается также мимикрией. Под мимикрией имеют в виду сходство в окраске, форме тела и даже в поведении и повадках между двумя или несколькими видами организмов. Например, шмеле видные и осовидные мухи, лишенные жала, очень похожи нашмелей и ос - жалящих насекомых.
Не следует думать, что защитная окраска обязательно и всегда спасает животных от истребления врагами. Но более приспособленные по окраске организмы или группы их погибают значительно реже, чем менее приспособленные.
Наряду с защитной окраской у животных сложились многие другие приспособления к условиям жизни, выражающиеся в их повадках, инстинктах, поведении. Например, перепела в случае опасности быстро опускаются на поле и замирают в неподвижной позе. В пустынях змеи, ящерицы, жуки прячутся от зноя в песок. В момент опасности многие животные принимают 16 угрожающие позы.
Примеры приспособленности у растений. Высокие деревья, кроны которых свободно обдувает ветер, как правило, имеют плоды и семена с летучками. Для подлеска и кустарников, где обитают птицы, характерны яркие, со съедобной мякотью плоды. У многих луговых трав плоды и семена имеют крючочки, которыми они прицепляются к шерсти млекопитающих.
Разнообразные приспособления препятствуют самоопылению и обеспечивают перекрестное опыление растений.
У однодомных растений мужские и женские цветки созревают не одновременно (огурцы). Растения с обоеполыми цветками защищены от самоопыления разновременным созреванием тычинок и пестиков или особенностями их строения и взаимного расположения (у первоцвета).
Укажем еще примеры: нежные ростки весенних растений - ветреницы, чистяка, голубой перелески, гусиного лука и др.- переносят температуры ниже нуля благодаря наличию концентрированного раствора сахара в клеточном соке. Очень медленный рост, низкорослость, мелколистность, поверхностное расположение корней у деревьев и кустарников в тундре (ива, береза, можжевельник), чрезвычайно быстрое развитие полярной флоры весной и летом - все это приспособления к жизни в условиях вечной мерзлоты.
Многие сорные растения производят неизмеримо большее количество семян, чем культурные, - это приспособительный признак.
Многообразие приспособлений. Виды растений и животных отличаются приспособленностью не только к условиям неорганической среды, но и друг к другу. Например, в широколиственном лесу травяной покров весной образуют светолюбивые растения (хохлатка, ветреница, медуница, чистяк), а летом - теневыносливые (будра, ландыш, зеленчук). Опылителями раннецветущих растений являются главным образом пчелы, шмели и бабочки; летнее цветущие растения опыляются обычно мухами. Многочисленные насекомоядные птицы (иволга, поползень), гнездясь в широколиственном лесу, уничтожают его вредителей.
В одной и той же среде обитания организмы обладают различными приспособлениями. Птица оляпка не имеет плавательных перепонок, хотя она добывает себе пищу род водой, ныряя, пользуясь крыльями и цепляясь ногами за камни. Крот и слепыш принадлежат к роющим животным, но первый роет конечностями, а второй проделывает подземные ходы головой и сильными резцами. Тюлень плавает при помощи ластов, а дельфин пользуется хвостовым плавником.
Происхождение приспособлений у организмов. Объяснение появления сложных многообразных приспособлений к конкретным условиям окружающей среды, данное Дарвином, в корне отличалось от понимания этого вопроса Ламарком. Эти ученые резко разошлись также в определении главных движущих сил эволюции.
Теория Дарвина дает вполне логичное материалистическое объяснение происхождения, например, покровительственной окраски. Рассмотрим возникновение зеленого цвета тела гусениц, живущих на зеленых листьях. Предки их могли быть окрашены в какой-либо другой цвет и не питаться листьями. Предположим, что в силу каких-то обстоятельств они вынуждены были перейти на питание зелеными листьями. Легко представить себе, что птицы склевали множество этих насекомых, хорошо заметных на зеленом фоне. В числе различных наследственных изменений, которые всегда наблюдаются в потомстве, могли быть изменения в окраске тела гусениц, делавшие их менее заметными на зеленых листьях. Из числа гусениц с зеленоватым оттенком какие-то особи сохранились и дали плодовитое потомство. В последующих поколениях процесс преимущественного выживания гусениц, менее заметных по окраске на зеленых листьях, продолжался. С течением времени благодаря естественному отбору зеленая окраска тела гусениц все более и более соответствовала основному фону.
Возникновение мимикрии может быть объяснено также лишь естественным отбором. Организмы с малейшими уклонениями в форме тела, окраске, поведении, усиливающими сходство с защищенными животными, имели больше возможности выжить и оставить многочисленное потомство. Процент гибели таких организмов был ниже тех, которые не обладали полезными изменениями. Из поколения в поколение полезное изменение усиливалось и совершенствовалось через накопление признаков сходства с защищенными животными.
Движущая сила эволюции - естественный отбор.
Теория Ламарка оказалась совершенно беспомощной в объяснении органической целесообразности, например, происхождения различных типов защитной окраски. Невозможно предположить, что животные «упражнялись» в окраске или фирме тела и путем упражнения приобрели приспособленность. Нельзя объяснить и взаимную приспособленность организмов друг к Другу. Например, совершенно необъяснимо возникновение соответствия хоботка у рабочих пчел строению цветка определенных видов опыляемых ими растений. Рабочие пчелы не размножаются, а пчелиные матки хотя и производят потомство, но не Могут «упражнять» хоботок, так как не собирают пыльцу.
Вспомним движущие силы эволюции по Ламарку: 1) «стремление природы к прогрессу», вследствие чего органический мир развивается от простых форм к сложным, и 2) изменяющее действие внешней среды (непосредственное на растения и низших животных и косвенное с участием нервной системы на высших животных).
Понимание Ламарком градации как постепенного повышения организации живых существ согласно «непреложным» законам, по существу, приводит к признанию веры в бога. Теория прямого приспособления организмов к условиям окружающей среды через появление у них только адекватных изменений и обязательного наследования приобретаемых этим путем признаков логически вытекает из представления об изначальной целесообразности. Наследование приобретаемых признаков экспериментально не подтвердилось.
Чтобы отчетливее показать основное различие у Ламарка и Дарвина в понимании механизма эволюции, приведем объяснение их собственными словами одного и того же примера.
Образование длинных ног и длинной шеи у жирафы
По Ламарку
«Известно, что это самое высокое из млекопитающих животных обитает во внутренних областях Африки и водится в местах, где почва всегда сухая и лишена растительности. Это заставляет жирафу объедать листву деревьев и делать постоянные усилия, чтобы дотянуться до нее. Вследствие этой привычки, существующей с давних пор у всех особей данной породы, передние ноги жирафы стали длиннее задних, а ее шея настолько удлинилась, что это животное, даже не приподнимаясь на задних ногах, подняв только голову, достигает шести метров (около двадцати футов) в высоту… Всякое же изменение, приобретенное органом благодаря привычному употреблению, достаточному для того, чтобы произвести данное изменение, сохраняется в дальнейшем путем размножения при условии, если оно присуще обоим индивидуумам, совместно участвующим в оплодотворении при воспроизведении своего вида. Это изменение передается дальше и переходит, таким образом, ко всем индивидуумам последующих поколений, подвергающимся воздействию тех же условий, Хотя потомкам уже не приходится приобретать его тем путем, каким оно действительно было создано».
По Дарвину
«Жирафа по своему высокому росту, очень длинной шее, передним ногам, голове и языку прекрасно приспособлена к обрыванию листьев с верхних ветвей деревьев… самые высокие особи, которые были на дюйм или на два выше других, могли часто сохраняться в периоды засух, бродя в поисках за кормом по всей стране. Эта незначительная разница в размерах, обусловливаемая законами роста и изменчивости, не имеет значения для большинства видов. Но иначе было с нарождавшейся 10 жирафой, если принять во внимание ее вероятный образ жизни, потому что те особи, у которых какая-либо или несколько разных частей тела были длиннее, чем обыкновенно, вообще должны были переживать. При скрещивании они должны были оставлять потомков или с теми же самыми особенностями строения, или с наклонностью изменяться в том же направлении, тогда как особи, организованные менее благоприятно в этом отношении, должны были оказаться наиболее склонными к гибели. …естественный отбор и охраняет и тем самым отделяет всех более высоких особей, давая им полную возможность скрещиваться, и способствует уничтожению всех более низких особей».
Теория прямого приспособления организмов к условиям окружающей среды через появление адекватных изменений и их наследование находит сторонников и в настоящее время. Вскрыть ее идеалистический характер возможно только на основе глубокого усвоения учения Дарвина о естественном отборе - движущей силе эволюции.
Относительность приспособлений организмов. Учение Дарвина о естественном отборе не только объяснило, как могла возникнуть приспособленность в органическом мире, но и доказало, что она всегда имеет относительный характер. У животных и растений наряду с полезными признаками встречаются бесполезные и даже вредные,
Вот несколько примеров бесполезных для организмов, нецелесообразных органов: грифельные косточки у лошади, остатки задних конечностей у кита, остатки третьего века у обезьян и человека, червеобразный отросток слепой кишки у человека.
Любое приспособление помогает организмам выжить только в тех условиях, в которых оно выработалось естественным отбором. Но и в этих условиях оно относительно. В яркий, солнечный день зимой белая куропатка выдает себя тенью на снегу. Заяц-беляк, незаметный на снегу в лесу, становится видным на фоне стволов, выбежав на опушку леса.
Наблюдения за проявлением инстинктов у животных в ряде случаев показывают их нецелесообразный характер. Ночные бабочки летят на огонь, хотя и гибнут при этом. Их влечет к огню инстинкт: они собирают нектар в основном со светлых цветков, хорошо заметных ночью. Самая лучшая защита организмов далеко не во всех случаях надежна. Овцы съедают без вреда для себя среднеазиатского паука-каракурта, чей укус ядовит для многих животных.
Узкая специализация органа может стать причиной гибели организма. Стриж не может взлететь с ровной поверхности, так как у него длинные крылья, но очень короткие ноги. Он взлетает, только оттолкнувшись от какого-то края, как от трамплина.
Приспособления растений, препятствующие поеданию животными, относительны. Голодный скот поедает и растения, защищенные колючками. Взаимная польза организмов, связанных отношениями симбиоза, также относительна. Иногда грибные нити лишайника разрушают сожительствующие с ними водоросли. Все эти и многие другие факты говорят, что целесообразность не абсолютна, а относительна.
Экспериментальные доказательства естественного отбора. Впосле дарвиновское время был проведен ряд экспериментов, подтвердивших наличие естественного отбора в природе. Например, рыбы (гамбузии) были помещены в бассейны с различно окрашенным дном. Птицы уничтожили 70% рыб в том бассейне, где они были более заметны, и 43% там, где они по окраске лучше подходили к фону дна.
В другом эксперименте наблюдали за поведением крапивника (отряд воробьиных), который не клевал гусениц пяденицы с покровительственной окраской, пока они не шевелились.
Опытами подтверждено значение предостерегающей окраски в процессе естественного отбора. На опушке леса разложили на досках насекомых, относящихся к 200 видам. Птицы прилетали около 2000 раз и склевывали только тех насекомых, у которых не было предостерегающей окраски.
Так же опытным путем было установлено, что большинство птиц избегает перепончатокрылых насекомых с неприятным вкусом. Клюнув осу, птица от трех до шести месяцев не трогает и осовидных мух. Потом начинает клевать их, пока не попадет на осу, после чего опять долго не трогает мух.
Производились опыты по «искусственной мимикрии». Птицы охотно поедали личинок жука - мучного хрущака, окрашенных безвкусной краской кармином. Часть личинок покрывали смесью краски с хинином или другим неприятным на вкус веществом. Птицы, натолкнувшись на таких личинок, перестали клевать всех окрашенных личинок. Опыт изменили: на теле личинок сделали различные рисунки, и птицы брали только тех, чей рисунок не сопровождался неприятным вкусом. Таким образом, у птиц возник условный рефлекс на предупреждающие яркие сигналы или рисунки.
Экспериментальное исследование естественного отбора проводилось и ботаниками. Оказалось, что сорные растения обладают рядом биологических особенностей, возникновение и развитие которых Можно объяснить только как приспособления к условиям, созданным человеческой культурой. Например, растения рыжик (сем. крестоцветных) и торица (сем. гвоздичных) имеют семена, очень похожие по величине и весу на семена льна, посевы которого они засоряют. То же можно сказать о семенах погремка бескрылого (сем. норичниковых), засоряющего посевы ржи. Сорные растения созревают обычно одновременно с культурными растениями. Семена тех и других трудно отделяются друг от друга при провеивании. Человек скашивал, обмолачивал сорняки вместе с урожаем, а потом и высеивал на поле. Невольно и бессознательно он способствовал естественному отбору семян различных сорных растений по линии сходства с семенами культурных растений.
2. Образование новых видов
С давних пор человека поражало многообразие органического мира. Как оно возникло? Учение о естественном отборе объяснило, как образуются новые виды в природе. Дарвин исходил из фактов, касающихся домашних пород. Первоначально породы домашних животных были менее разнообразными по сравнению с современными. Преследуя разные цели, люди проводили искусственный отбор в различных направлениях. В результате породы дивергировали, т. е. расходились в признаках между собой и с их общей родоначальной породой.
Дивергенция в естественных условиях. Дивергенция происходит все время в природе, и ее движущей силой является естественный отбор. Чем больше отличаются друг от друга потомки какого-либо вида, тем легче они расселяются по более многочисленным и более разнообразным ареалам, тем легче будут размножаться. Дарвин рассуждал таким образом. Какое-то хищное четвероногое по численности достигло предела возможности существования в данной местности. Допустим, что физические условия страны не изменились; может ли этот хищник размножаться дальше? Да, если потомки захватят места, занятые другими животными. А это может произойти в связи с переходом на другую пищу или в новые условия обитания (на деревьях, в воде и т. п.). Чем разнообразнее будут по своим признакам потомки этого хищника, тем шире они распространятся.
Дарвин приводит пример. Если на одном участке земли посеять травы одного вида, а на другом, похожем, - травы, относящиеся к нескольким различным видам или родам, то во втором случае общий урожай будет больше.
В природе на участке, площадью чуть большей 1 м2, Дарвин насчитал 20 различных видов растений, принадлежащих к 18 родам и 8 семействам.
Подобные факты подтверждают правильность положения, выдвинутого Дарвином: «… наибольшая сумма жизни осуществляется при наибольшем разнообразии строения...» Между растениями одного вида при их одинаковых потребностях в почве, влаге, освещении и т. д. происходит самое ожесточенное биологическое состязание. При естественном отборе будут сохраняться формы, наиболее отличающиеся друг от друга. Чем заметнее становятся различия между приспособительными признаками форм, тем больше расходятся и сами формы.
Благодаря естественному отбору процесс эволюции носит дивергентный характер: от одной исходной формы берет начало целый «веер» форм, как бы особые ветви от одного общего корня, но не все они получают дальнейшее развитие. Под действием естественного отбора в бесконечно длинном ряду поколений одни формы сохраняются, другие вымирают; одновременно с процессом дивергенции идет процесс вымирания, и оба они тесно связаны между собой. Наиболее расходящиеся по признакам формы обладают наибольшими возможностями выжить в процессе естественного отбора, так как они меньше конкурируют между собой, чем промежуточные и родоначальные, которые постепенно редеют и вымирают.
Разновидность - ступень к образованию вида. Дарвин представлял, что процесс образования новых видов в природе начинается с распадения вида на внутривидовые группы, которые он назвал разновидностями.
Благодаря естественному отбору и дивергенции разновидности приобретают все более различающие их наследственные признаки и становятся особыми, новыми видами.
Различие между разновидностью и видом очень велико. Разновидности одного вида скрещиваются между собой и дают плодовитое потомство. Виды в естественных условиях, как правило, не скрещиваются, благодаря чему происходит биологическая изоляция видов.
Чтобы лучше пояснить, как идет процесс видообразования в природе, Дарвин предложил следующую схему (рис. 11).
На схеме изображены возможные пути эволюции 11 видов одного рода, обозначенных буквами А, В, С и т. д. - до L включительно. Расстояния между буквами показывают близость между видами.
Так, виды, обозначенные буквами D и Е или F и G, менее сходны друг с другом, чем виды А и В или К и L и т. п. Горизонтальные линии означают отдельные этапы в эволюции этих видов, причем каждый этап условно принят за 1000 поколений.
Проследим эволюцию вида А. Пучок пунктирных линий из точки А изображает его потомков. В силу индивидуальной изменчивости они будут отличаться друг от друга и от родоначального вида А. Полезные изменения сохранятся в процессе естественного отбора. При этом обнаружит свое полезное действие дивергенция: признаки, наиболее различные между собой (линии а1 и т1 пучка), сохранятся, будут накапливаться из поколения в поколение и все более расходиться. Со временем систематики признают а1 и т1 особыми разновидностями.
Пусть в течение первого этапа - первой тысячи лет - от вида А произошли две ясно выраженные разновидности а1 и т1. Под действием условий, вызвавших изменения родительского вида А, эти разновидности станут изменяться и дальше. Может быть, на десятом этапе они будут иметь такие различия между собой и с видом А, что их следует считать за два отдельных вида: а10 и т10. Часть разновидностей будет вымирать, и, возможно, десятого этапа достигнет только f10, образуя третий вид. На последнем этапе представлены 8 новых видов, взявших начало от вида A: a14, q14, р14, в14, f14, о14, е14 и т14. Виды a14, q14 и р14 ближе друг к другу, чем к остальным видам, и образуют один род, остальные-виды дают еще два рода. Эволюция вида I протекает сходным образом.
Судьба других видов иная: из них только виды Е и F доживают до десятого этапа, вид Е потом вымирает. Особо заметьте вид F14: он сохранился до нашего времени почти неизмененным по сравнению с родоначальным видом F. Так может произойти, если условия окружающей среды не изменяются или очень мало изменяются в течение длительного времени.
Дарвин подчеркивал, что в природе не всегда сохранялись лишь наиболее расходящиеся, крайние разновидности, средние также могли выжить и дать потомство. Один вид может обогнать другой в своем развитии; из крайних разновидностей иногда развивается только одна, но может развиться и три. Все зависит от того, как складываются бесконечно сложные отношения организмов между собой и с окружающей средой.
Примеры видообразования. Приведем примеры образования видов, причем будем пользоваться термином подвид, принятым в науке вместо «разновидность».
Широко расселенные виды, например медведь бурый, заяц-беляк, лисица обыкновенная, белка обыкновенная, встречаются от Атлантического до Тихого океана и имеют большое число подвидов. В средней полосе СССР произрастает более 20 видов лютика. Все они произошли от одного родоначального вида. Потомки его захватили различные места обитания - степи, леса, поля - и благодаря дивергенции постепенно обособились друг от друга сначала в подвиды, потом в виды (рис. 12). Ознакомьтесь с другими примерами на том же рисунке.
Видообразование продолжается и в наше время. На Кавказе живет сойка с черным оперением на затылке. За самостоятельный вид ее еще нельзя считать, это подвид обыкновенной сойки. В Америке встречается 27 подвидов певчего воробья. Большинство из них внешне мало отличаются один от другого, но некоторые имеют резкие отличия. Со временем промежуточные по своим признакам подвиды могут вымереть, а крайние станут самостоятельными молодыми видами, утеряв способность скрещиваться друг с другом.
Значение изоляции. Обширность территории расселения вида благоприятствует естественному отбору и дивергенции. Это происходит при расселении какого-либо вида в обособленных друг от друга местностях. В подобных случаях проникновение организмов из одной местности в другую сильно затруднено и возможность скрещивания между ними резко снижается или совершенно отсутствует.
Приведем примеры. На Кавказе в разделенных высокими горами местностях водятся особые подвиды бабочек, ящериц и пр. В озере Байкал живут многие виды и роды ресничных плоских червей, ракообразных и рыб, больше нигде не встречающихся. Это озеро отделено от других водных бассейнов горными хребтами уже около 20 млн. лет и только через реки сообщается с Северным Ледовитым океаном.
В других случаях организмы не могут скрещиваться вследствие биологической изоляции. Например, два вида воробья - домовый и полевой - зимой держатся совместно, но гнездятся они обычно по-разному: первый - под крышами домов, второй - в дуплах деревьев, по опушкам леса. Вид черного дрозда в настоящее время распадается на две группы, еще неразличимые внешне. Но одна из них обитает в глухих лесах, другая держится близ жилья человека. Это начало образования двух подвидов.
Конвергенция. Всходных условиях существования животные различных систематических групп иногда приобретают сходные приспособления к окружающей среде, если подвергаются действию одного и того же отбирающего фактора. Этот процесс получил название конвергенции - схождения признаков. Например, передние роющие конечности крота и медведки очень сходны, хотя эти животные относятся к разным классам. Сильно напоминают друг друга по форме тела китообразные и рыбы, сходны конечности у плавающих животных, относящихся к разным классам. Конвергентными бывают и физиологические особенности. Накопление жира у ластоногих и китообразных объясняется результатом естественного отбора в условиях водной среды: уменьшает потерю тепла организмом.
Конвергенция в пределах далеких систематических групп (типов, классов) объясняется только действием сходных условий существования на течение естественного отбора. На конвергенцию у сравнительно близкородственных животных влияет еще и единство их происхождения, которое как бы облегчает возникновение сходных наследственных изменений. Именно поэтому она и наблюдается чаще в пределах одного и того же класса.
Многообразие видов. Учение Дарвина об эволюции органического мира объясняет многообразие видов как неизбежный результат естественного отбора и связанной с ним дивергенции признаков.
Постепенно в процессе эволюции виды усложнялись, органический мир поднимался на все более высокую ступень развития. Однако повсюду в природе одновременно сосуществуют животные и растения, обладающие разной степенью сложности своей организации.
Почему же естественный отбор не «поднял» все низкоорганизованные группы на высшую ступень организации?
Естественным отбором все группы растений и животных приспособлены лишь к своим условиям существования, поэтому и не могли подняться все на одну и ту же высокую ступень организации. Если эти условия не требовали повышения сложности строения, то степень ее и не повышалась потому, что, по словам Дарвина, «при очень простых жизненных условиях высокая организация не оказала бы никакой услуги». В Индийском океане при более или менее постоянных условиях обитают виды головоногих моллюсков (наутилусов), почти не изменившиеся на протяжении многих сотен тысячелетий. То жеотносится к современным кистеперым рыбам.
Таким образом, одновременное сосуществование организмов разной сложности строения объясняется теорией естественного отбора и дивергенцией.
Результаты естественного отбора. Естественный отбор имеет три тесно связанных важнейших следствия: 1) постепенное усложнение и повышение организации живых существ; 2) приспособленность организмов к условиям внешней среды; 3) многообразие видов.
Список литературы
1. Азимов А. Краткая история биологии. М.,1997.
2. Кемп П., Армс К. Введение в биологию. М.,2000.
3. Либберт Э. Общая биология. М.,1978 Льоцци М. История физики. М.,2001.
4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М.,1999.
5. Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. М.,1993.
Вопрос 1. Приведите примеры приспособленности организмов к условиям существования.
У животных приспособительными могут быть форма тела, окраска, поведение. Так, например, копыта лошади являются наиболее удобными для быстрого перемещения по открытым пространствам, втягивающиеся когти кошачьих обеспечивают бесшумное передвижение, у водных млекопитающих сформировалось рыбообразное тело для наиболее эффективного перемещения в воде, у птиц с разной скоростью и характером полета формируется та или иная форма крыла. Среди насекомых, не обладающих активными средствами защиты, широко распространена форма тела, имитирующая объекты фона, например богомол, палочник, гусеницы бабочек. Некоторые организмы способны принимать окраску, соответствующую фону, на котором они обитают (хамелеон, камбала).
Вопрос 2. Почему у некоторых видов животных наблюдается яркая демаскирующая окраска?
Яркая окраска обычно характерна для ядовитых животных и предупреждает хищников о несъедобности объекта их нападения, свойственна ядовитым, жалящим или обжигающим насекомым (пчелы, осы, жуки-нарывники и др.). Божью коровку, очень заметную, птицы никогда не склевывают из-за выделяемого насекомым ядовитого секрета. Яркую предупреждающую окраску имеют несъедобные гусеницы, многие ядовитые лягушки, змеи. Эта окраска заранее предупреждает хищника о бесполезности и опасности нападения. Путем «проб и ошибок» хищники быстро приучаются избегать нападения на жертву с предупреждающей окраской.
Вопрос 3. В чем сущность явления мимикрии?
Мимикрией называется сходство беззащитного и съедобного вида с одним или несколькими неродственными видами, хорошо защищенными и обладающими предостерегающей окраской. Явление мимикрии распространено у бабочек и других насекомых. Многие насекомые имитируют жалящих насекомых. Известны жуки, мухи, бабочки, копирующие ос, пчел, шмелей. Мимикрия встречается и у позвоночных животных - змей. Во всех случаях сходство чисто внешнее и направлено на формирование определенного зрительного впечатления у потенциальных врагов.
Вопрос 4. Каким путем поддерживается низкая численность вида-подражателя?
Подражание одних видов другим оправдано: истреблению подвергается значительно меньшая часть особей и того вида, который послужил моделью, и вида-подражателя. Необходимо, однако, чтобы численность вида-подражателя была значительно меньше численности вида-модели. Иначе у врагов не будет выработан устойчивый отрицательный рефлекс на предостерегающую окраску. Поддерживать численность вида-имитатора на нужном уровне позволяет то, что генофонд этих видов насыщен летальными мутациями. В гомозиготном состоянии эти мутации вызывают гибель организма, в результате чего высокий процент особей не достигает половозрелого состояния.
Вопрос 5. Распространяется ли действие естественного отбора на поведение животных? Приведите примеры.
Для выживания организмов в условиях борьбы за существование большое значение имеет приспособительное поведение. Эффективность приспособительной окраски и формы тела резко повышается в сочетании с поведением. Например, способность кошачьих длительное время сидеть в засаде и совершать молниеносные прыжки беспечивает успех охоты засадного хищника. Способность волка заходить с подветренной стороны и охотиться в стае - полезные качества для этого охотника. Несомненно, оправданно запасание некоторыми животными корма на неблагоприятный сезон года. Например, полевка-экономка запасает до 10 кг злаков, зерна, кореньев и сухой травы. Затаивание в случае опасности для организмов, не имеющих активных способов защиты, позволяет им сохранить жизнь.
Вопрос 6. Почему у видов животных, заботящихся о потомстве, число потомков уменьшается? Приведите примеры.
У низкоорганизованных организмов потомство чаще всего оставляется на произвол судьбы. Именно этим объясняется такая высокая плодовитость беспозвоночных и низших позвоночных. Большое число потомков в условиях высокой истребляемости молоди служит средством борьбы за существование вида. При развитой заботе о потомстве количество выживших и достигших половой зрелости потомков резко возрастает, что позволяет снизить их первоначальную численность.
Вопрос 7. В чем заключается относительный характер приспособительных признаков у организмов? Приведите примеры, характерные для растений и животных.
Строение живых организмов очень тонко приспособлено к условиям существования. Любой видовой признак или свойство носит приспособительный характер, целесообразный в данной среде, в данных жизненных условиях только в обычной для вида обстановке. При изменении условий среды они становятся бесполезны- ми или даже вредными для организма. Благодаря мимикрии большинство птиц не трогает ос и пчел, однако среди них есть виды, которые едят и ос, и пчел, и их подражателей. Еж и птица-секретарь без вреда поедают ядовитых змей. Панцирь наземных черепах надежно защищает их от врагов, но хищные птицы поднимают их в воздух и разбивают о землю.
Любые приспособления целесообразны только в обычной для вида обстановке. При изменении условий среды они оказываются бесполезными или вредными для организма. Постоянный рост резцов грызунов - очень важная особенность, но лишь при питании твердой пищей. Если крысу держать на мягкой пище, резцы, не изнашиваясь, вырастают до таких размеров, что питание становится невозможным. Так, все особенности строения и поведения кошек целесообразны для хищника, подстерегающего добычу в засаде: мягкие подушечки на пальцах, втягивающиеся когти, способность видеть в темноте. В то же время на открытых пространствах все эти приспособления бесполезны.
Глубоко уходящая корневая система у пустынных растений не приносит пользу в условиях влажных мест обитаний. Преобразование конечностей в ласты у водных млекопитающих полезно для обитания в воде, но на суше китообразные неподвижны, а ластоногие перемещаются весьма неуклюже.
Таким образом, любая структура и любая функция являются приспособлением к конкретным условиям внешней среды, т.е. приспособления имеют относительный характер. Ни один из приспособительных признаков не обеспечивает абсолютной безопасности для их обладателей.
Рассмотрите рисунки 158-163. В чем заключаются приспособления у изображенных на рисунках организмов к условиям обитания? Подумайте, сохранятся ли эти приспособления у организмов, если условия их обитания изменятся.
Все организмы обладают разнообразными приспособления к условиям обитания. Эти приспособления развиваются в процессе эволюции в два этапа. Вначале у организмов вследствие мутационной и комбинативной изменчивостей появляются новые признаки. Затем эти признаки испытываются естественным отбором на их соответствие условиям среды.
Примеры приспособлений организмов. Примеры приспособлений организмов к условиям обитания столь многочисленны, что описать их все практически невозможно. Приведем лишь некоторые примеры.
Рис. 158. Покровительственная окраска у животных: 1 - сплошная окраска зимнего оперения у тундровой куропатки; 2 - расчленяющая окраска у оленей-аксисов
К морфологическим приспособлениям относят, встречающиеся у разных организмов, различные типы покровительственной, предостерегающей окраски, маскировки и средств пассивной защиты.
Покровительственная окраска развивается у особей, живущих открыто, что делает их менее заметными на окружающем фоне. Такая окраска бывает сплошной (белый цвет оперения у тундровой куропатки зимой), если окружающий фон однородный, либо расчленяющей (светлые и темные точки на шкуре оленей-аксисов), если на окружающем фоне чередуются пятна света и тени (рис. 158). Эффект покровительственной окраски усиливается соответствующим поведением животного. В момент опасности они затаиваются, что делает их еще менее заметными на окружающем фоне.
Предостерегающая окраска развивается у особей, имеющих химические средства защиты от врагов. К ним относят, например жалящих или ядовитых насекомых, несъедобные или обжигающие растения. В процессе эволюции у них выработались не только ядовитые химические вещества, но и яркая, обычно красночерная или желточерная окраски (рис. 159). Некоторые животные с предостерегающей окраской в момент опасности демонстрируют хищнику яркие пятна, принимают угрожающую позу, чем приводят врага в замешательство.
Рис. 159. Предостерегающая окраска у лягушек-древолазов
Маскировка - защита, которой служит не только окраска, но и форма тела. Различают два типа маскировки. Первый заключается в том, что маскирующийся организм по своему внешнему виду напоминает какой-либо предмет - лист, сучок, камень и т. п. Такой тип маскировки широко встречается у насекомых: палочников, клопов и гусениц бабочек пядениц (рис. 160).
Рис. 160. Маскировка у клопов-листотелок
Второй тип маскировки основан на подражательном сходстве незащищенных организмов с защищенными. Так, безобидные бабочки-стеклянницы окраской брюшка напоминают жалящих насекомых - ос, поэтому насекомоядные птицы их не трогают (рис. 161).
Рис. 161. Маскировка у бабочки-стеклянницы
Средства пассивной защиты увеличивают вероятность сохранения организма в борьбе за существование. Например, панцири черепах, раковины моллюсков, иглы ежей защищают их от нападения врагов. Шипы на стеблях розы и колючки у кактусов препятствуют поеданию этих растений травоядными млекопитающими (рис. 162).
Рис. 162. Средства пассивной защиты у кактуса-опунции
Физиологические приспособления обеспечивают устойчивость организмов к изменению температуры, влажности, освещенности и других условий неживой природы.
Так, при понижении температуры окружающего воздуха у земноводных и пресмыкающихся в организме понижается уровень обмена веществ и наступает зимний сон. У птиц и млекопитающих, наоборот, при понижении температуры окружающего воздуха обмен веществ в организме усиливается, что увеличивает теплопродукцию. Развивающийся при этом густой перьевой, шерстный покров и подкожный слой жира препятствует потере организмом тепла (рис. 163).
Рис. 163. Зимний мех белки отличается густым подшерстком
Поведенческие приспособления встречаются только у животных с высокоразвитой нервной системой. Они представляют собой различные формы поведения, направленные на выживание как отдельных особей, так и вида в целом.
Все поведенческие приспособления можно разделить на врожденные и приобретенные. К врожденным относят, например брачное поведение, защиту и выкармливание потомства, избегание хищников, миграции. Так, львица при вылизывании своих детенышей запоминает их запах. Этот же процесс пробуждает у нее потребность защищать львят от врагов (рис. 164, 1).
Рис. 164. Поведенческие приспособления организмов: 1 - львица, вылизывающая львят; 2 - макаки японские, греющиеся в горячем источнике; 3 - водоплавающие птицы, зимующие на незамерзающем водоеме в городе
Важную роль в жизни животных играют и приобретенные поведенческие приспособления. Например, самый северный вид обезьян - макак японский, встречающийся на севере Японии, перешел к снежно-водному образу жизни (рис. 164, 2). Зимой при наступлении более сильных морозов эти обезьяны спускаются с гор к горячим источникам, где греются в теплой воде. Другой наглядный пример. В крупных городах средней полосы России изменилось поведение перелетных птиц. Так, некоторые водоплавающие птицы перестали улетать на зимовку в теплые края. Они собираются в большие стаи на незамерзающих водоемах, где всегда есть необходимая пища (рис. 164, 3).
Относительная целесообразность приспособлений. Все приспособления у организмов вырабатываются в конкретных условиях их среды обитания. Если условия среды меняются, приспособления могут утратить свое положительное значение, иными словами, они обладают относительной целесообразностью.
Существует множество доказательств относительной целесообразности приспособлений: защита организма от одних врагов оказывается неэффективной от других; поведение организма может стать бессмысленным; полезный в одних условиях орган оказывается бесполезным в других. Например, камышевка, благодаря родительскому инстинкту, выкармливает кукушонка, вылупившегося из яйца, подброшенного в гнездо кукушкой (рис. 165).
Рис. 165. Относительная целесообразность приспособлений организмов - камышевка, выкармливающая кукушонка
Итак, основным результатом действия движущих сил эволюции является появление у организмов новых и совершенствование имеющихся приспособлений. Поскольку условия существования организмов изменяются, абсолютных приспособлений в природе не бывает, и процесс их появления бесконечен. У особей, относящихся к одному виду, различия в имеющихся приспособлениях незначительны. Закрепление же этих различий в условиях изоляции, приводит к появлению новых видов, т.е. к видообразованию.
Упражнения по пройденному материалу
- Как возникают приспособления у особей к среде обитания?
- В чем проявляется относительная целесообразность приспособлений? Ответ проиллюстрируйте примерами.
- Могут ли у организмов в ходе длительной эволюции возникнуть абсолютные, т. е. совершенные, приспособления? Ответ аргументируйте.
Приспособления, способствующие удалению лишней воды:
Особая форма листьев (саблевидные листья, свисающие вниз).
Образование желобков по краю листа (деревья капельницы).
Продольно-складчатая поверхность листа.
Удаление внутренней влаги при помощи гидатодов.
Приспособление р-ий к недостатку влаги:
Мясистость и сочность стеблей и листьев (н-р Кактусы).
Листья колючки (Кактусы), либо листья утолщаются, как н-р у алоэ и агавы.
Хорошо развитая корневая с-ма. Корни м.б. либо поверхностные, широко разветвлённые и хорошо улавливающие атм-ые осадки, либо стержневые, проникающие на большую глубину до грунтовой воды.
Листья мелкие, сухие, часто в виде игл, колючек, чешуй и на них много устьиц, к-ые при недостатке воды закрываются. Большие листья (н-р у ковыля, типчака) могут свёртываться устьичной стороной внутрь.
39. Свет как эк-ий фактор. Эк-ие группы р-ий по отношению к свету. Приспособления р-ий к различным условиям освещения. Хроматическая адаптация, листовая мозаика, фотопереодизм.
Одним из важнейших эк-их ф-ров, особенно для фотосинтезирующих зелёных р-ий, явл-ся свет. Солнце излучает огромное к-во Е. При этом на видимые лучи (видимый свет) приходится примерно половина всей поступающей на Землю лучистой энергии. Остальные 50% составляют невидимые инфракрасные лучи, около 1% - ультрафиолетовые. Особое зн-ие в жизни всех орг-ов имеет видимый свет. На свету происходит образование хлорофилла и осуществляется важнейший в биосфере процесс фотосинтеза.
С точки зрения оптики р-ия – это непрозрачное тело, к-ое частично поглащает, частично отражает и пропускает солнечную Е. Осн-ым органом воспринимающим радиацию является лист. Спектральная область поглащения радиации листом включает УФ, видимые, ИФК лучи.
УФ лучи поглощаются стр-ми клетки (оболочкой, цитоплазмой, ферментами и различными пигментами).
ИФК поглощаются цитоплазмой и водой сод-ся в тканях листа.
В диапазоне видимого света имеется 2 максимальных поглощения:
В области оранжево-красных (660-680 нм)
В области сине-феолетовых (460-490 нм.
Видимый свет оказывает смешанное действие на орг-мы: красные лучи – преимущественно тепловое, синие и фиолетовые изменяют скорость и направление биохим-их реакций.
В листе преобладают зелёные пигменты, поглощающие лучи в области 660-680 нм.
Установлено, что многие р-ия хорошо развиваются под прозрачными бесцветными стёклами, а под красными и особенно зелёными растут плохо и часто вообще не образуют генерат-ых органов.
В целом свет влияет на скорость роста и развития р-ий, на интенсивность фотосинтеза.
По отношению к свету различают следующие эк-ие группы р-ий: световые (светолюбы), теневые (тенелюбы) и теневыносливые.
Световые виды (гелеофиты) обитают на открытых местах с хорошей освещённостью и в лесной зоне встречаются редко. Они образуют обычно разреженный и невысокий раст-ый покров, чтобы не затенять друг друга.
Теневые р-ия (сциофиты )невыносят сильного освещения и живут под пологом леса в постоянной тени. Это в основном лесные травы. На вырубках при резком осветлении они проявляют явные признаки угнетения и часто гибнут.
Теневыносливые р-ия (факультативные гелиофиты )могут жить при хорошем освещении, но легко переносят и некоторое затенение. К ним относятся большинство р-ий лесов.
Для световых р-ий хар-на приземистость, розеточное расположение листьев, укороченные побеги. На недостаточное освещение они реагируют развитием обесцвеченных побегов, удлинением междоузлий, изгибанием побегов в сторону света.
Теневыносливые древесные породы и теневые травянистые р-ия отличаются мозаичным расположением листьев. У эвкалиптов листья обращены к свету ребром. У деревьев световые и теневые листья (располагаются соответственно на поверхности и внутри кроны) – хорошо освещаемые и затенённые – имеют анат-ие различия. Световые листья толще и грубее, иногда блестящие, что способствует отражению света. Теневые листья обычно матовые, неопушённые, тонкик с очень нежной кутикулой или вовсе без неё.
Также определённая форма кроны – куполообразная, сферическая, конусообразная обеспечивает приток солнечной радиации к листовым пластинкам различных ярусов.
Расположение листьев в ценозе подчиняется правилу «листовой мозаики »: листья верхних ярусов расп-ся почти вертикально, нижележащих ярусов – более наклонно, а нижние листья – горизонтально.
Фотопериод–это соотношение светлой и тёмной частей суток. Был открыт в 1920 г. Гардером и Аллардом при изучении оранжерейных р-ий.
Реакции орг-ов на чередование и продолжительность светлых и тёмных периодов суток называются фотопериодизмом.
По типу фотопериодической реакции р-ия делятся на 4 группы:
Р-ия короткого дня.
Этим р-ям для перехода к цветению требуется 12 и меньше часов света в сутки (конопля, табак и т.д.).
Р-ия длинного дня.
Необходимо более 12 часов света в сутки (картофель, пшеница и многие растения северных областей).
Стенофотопериодические р-ия.
Цветут и плодоносят при продолжительности дня 10-16 часов.
Нейтральные фотопериодические р-ия.
Не обладают фотопериодической чуствительностью и зацветают при любой длине дня, кроме короткой (гречиха, томат, одуванчик, многие сорняки).
Свойство орг-ов изменять сост-ие пигментного комплекса в зависимости от условий обитания наз-ся–«хроматической адаптацией »
40. t-ра как эк-ий ф-р. Эк-ие группы р-ий по отношению к. t-ре. Приспособления р-ий к различным. t-ным режимам. Концепция о. t-ных градиентах среды и р-ия. Эффективные. t-ры развития р-ых орг-ов.
Т-ра определяет развитие, существование и распределение живых орг-ов по земному шару. Эк-ми значениями явл-ся – доза воздействия ф-ра и тепловой режим. Тепловой режим влияет на продолжительность жизни орг-ов в течение суток, сезонов и т.д.
Значение т-ур как ф-ра, состоит в том, что т-ра оказывает влияние на жизненные процессы (правило Вант-Гоффа). Согласно этому правилу, скорость хим-их реакций возрастает в 2-3 раза при повышении т-ры на каждые 10 градусов. При т-ах выше или ниже опт-ых скорость биохим-их реакций в орг-ме снижается или они вообще нарушаются, что приводти к замедлению темпов роста и даже гибели орг-ма.
По отношению к т-ре р-ия делятся:
Криофильные (холодолюбивые р-ия).
Мезотермные (умеренные широты).
Термофильные (тропические,субтропические пояса).
Криофилы - относятся холодостойкие р-ия, переносящие низкие т-ры в сост-ии покоя. Встречаются в умеренной зоне. Их ареалы не выходят за границы бореальной лесной области (бактерии, грибы, лишайники, мхи).
Мезотермофиты – относятся теплолюбивые, но не жароустойчивые р-ия (р-ия влажного тропического пояса, обитающие при т-ре 20-30 градусов). Не имеют приспособлений к т-му режиму. К ним относят вечнозелёные р-ия субтропического пояса (земляничное дерево, пальмы). К мезотермофитам умеренных широт относят широколиственные породы (липа, бук, граб, каштан), а также р-ия травянистого яруса широколиственных лесов.
Термофилы – р-ия способные выносить т-ру выше 45 градусов без видимых повреждений. Хаар-ны для троп-их и субтропических поясов земли и на открытых местообитаниях. Р-ия пустынь, полупустынь, степей, саванн, наскальные мхи и лишайники, термофильные бактерии и водоросли.
Разные р-ия по разному приспосабливаются к различным т-ым режимам. Так, н-р, в зоне высоких т-ур при пониженной влажности (в тропических и субтропических пустынях) исторически сформировался своеобразный морф-ий тип р-ий:
Сокращение листовой пов-сти, вплоть до её редукции;
Свёртывание листьев в трубку;
Густое белое опушение;
Гладкая восковая поверхность, наличие кутикулы;
Ориентация листьев ребром к солнцу;
Сильное развитие покровных тканей;
Толстостенный многослойный эпидермис, развитие перидермы и корки.
В зоне низких т-ур отмечаются следующие адаптации:
Уменьшение листовой поверхности, свёртывание листьев, опушение сего р-ия, так и почечных чешуй, развитие кутикулы, зимние осмоление почек, неглубокие корневые с-мы.
К физиол-им приспособлениям р-ий, сглаживающим вредное влияние высоких и низких т-ур м.б. отнесены интенсивность транспирации, накопление в клетках солей, изменяющих т-ру свёртывания плазмы, св-во хлорофилла препятствовать проникновению наиболее горячих солнечных лучей. Наибольшее значение для терморегуляции морозоустойчивых р-ий имеет накопление в клетках сахара и других в-в, увеличивающих концентрацию клеточного сока и снижающих обводнённость клеток. Это делает р-ие более выносливым.
В 1966 г Радченко разработал концепцию о температурных градиентах среды и р-ий . Её суть состоит в том, что выделяют отриц-ый и полож-ый т-ый градиент. Отриц-ый градиент – это когда т-ра почвы ниже, чем т-ра воздуха.
Полож-ый градиент – это когда т-ра воздуха ниже т-ры п-вы. Большинство р-ий приспособлены к отриц-му т-му градиенту, а меньшая часть р-ий приспособлены к полож-му градиенту т-ур.
Под эффективной т-ой понимают разницу между т-ой среды и т-ым порогом развития орг-ов. Для каждого вида она имеет верхние пределы, так как слишком высокие т-ры уже не стимулируют, а тормозят развитие. И порог развития и сумма эффективных т-ур для каждого вида свои. Они зависят от ист-ой приспособленности вида к условиям жизни. Для семян р-ий умеренного климата, н-р гороха, клевера, порог развития низкий: их проростание начинается при т-ре п-вы от 0 до +1 градуса; более южные культуры – кукуруза и просо – начинают прорастать только при + 8 + 10 градусов, а семенам финиковой пальмы для начала развития нужно прогревание почвы до + 30 градусов. Сумму эффективных т-ур рассчитывают по формуле: С =(t –t 1)n, где C- искомая величина; t – наблюдаемая (реальная т-ра); t 1 – нижний порог развития; n – продолжительность развития в днях.
41. Почва как среда обитания р-ий. Эк-ие группы р-ий по отношению к эдафическим факторам.
Почва – важная среда жизни р-ий. Она представляет собой опорный субстрат для наземных и большинства водных р-ий. Представляет собой питат-ую среду, из к-ой р-ия усваивают питат-ые в-ва. П-ва предохраняет подземные части р-ий и семена, и споры от неблагоприятных воздействий.
Имеет сложный многокомпонентный с-ав:
Твёрдая мин-ая часть в виде нерастворимых орг-их соед-ий;
Твёрдую орг-ую часть, состоящую из остатков ж-ых и р-ий и нерастворимые гумусовые в-ва;
Почвенный р-ор (водный р-ор газов орг-их и неорг-их в-в);
Почвенный воздух;
Почвенные м/о, р-ия, ж-ые.
М-о выделить целый ряд эк-их групп р-ий по отношению к разным св-вам почв. Так, по реакции на кислотность почвы различают:
Ацидофиллы или ацидофиты предпочитают почвы с кислой реакцией. К ним относят р-ия сфагновых болот, багульник болотный, клюква, брусника, хвощ лесной и т.д.
Базифиллы или базифиты предпочитают почвы с щелочной реакцией. К ним относятся мордовник, лесная ветреница.
Нейтрофиллы или нейтрофиты предпочитают почвы с нормальной реакцией. Это большинство культурных р-ий.
Амфифиллы или амфифиты безразличны к реакции почвы и могут произрастать в широком диапазоне Ph. Малина голубая, золотая роза, ежевика, земляника и. т. д.
По отношению к валовому составу почвы различают:
Олиготрофные р-ия, довольствующиеся малым кол-вом зольных элементов (сосна обыкновенная).
Эфтрофные, нуждающиеся в большом кол-ве зольных эл-ов (дуб, сныть обык-ая и т.д.).
Мезотрофные , требующие умеренного кол-ва зольных элементов (ель обыкновенная).
В зависимости от хим-их Эл-ов, к избытку которых р-ия приспосабливаются выделяют:
Нитрофилы – р-ия, предпочитающие почвы богатые азотом. Они поселяются в местообитаниях где накапливается большое кол-во орг-го в-ва (на скалах с птичьими базарами, на стенах и карнизах зданий, на пастбищах, заброшенных усадьбах, скотных дворах, мусорных кучах). К ним относятся – наскальные нитрофильные лишайники, бузина, малина, сныть обыкновенная, все виды крапивы, белена, все виды рода лопух и щирица и т.д.
Галофиты –р-ия засолённых почв. Все они имеют очень высокое осмотическое давление, позволяющее им использовать почвенные растворы, поскольку сосущая сила корней превосходит сосущую силу почвенного раствора. Некоторые галофиты выделяют излишки солей через листья или накапливают их в своём орг-ме. Вот почему их иногда используют для получения соды и патоша. Типичными галофитами являются солерос, сарсазан, содовая и калийная солянки, паташник.
Нек-ые виды р-ий приурочены к разным субстратам: псаммофиты – заселяют сыпучие подвижные пески. Древесные и кустарниковые псаммофиты при засыпании их песком образуют придаточные корни. Придаточные почки и побеги развиваются на корнях, если растения обнажаются при выдувании песком (белый саксаул, кандыми, песчаная акация и т.д.). Нек-ые псаммофиты спасаются от заноса песком быстрым ростом побегов, редукцией листьев. У них развились специальные приспособления, увеличивающие летучесть и пружинистость плодов. Их плоды передвигаются вместе с движущимся песком и не засыпаются им. Они легко переносят засуху благодаря различным приспособлениям. Это и песчаные чехлы на корнях, и опробковение корней, и сильное развитие боковых корней. Большинство псаммофитов безлистые или имеют чётко выраженную ксероморфную листву (листья жёсткие с сизым восковым налётом, узкие и свёрнутые или блестящие и кожистые).
Петрофиты – растут на каменистых почвах.
42. Вода как эк-ий ф-р. Эк-ие группы ж-ых по отношению к воде. Водный баланс животныхых орг-ов.
Вода – является необходимым условием существования всех живых орг-ов. Она относится к числу наиболее важных природных ресурсов нашей планеты. Вода необходима для всех форм жизни, возникших, по мнению учёных, именно в водной среде. Общее кол-во воды на Земле оценивается цифрой 1386 млн км 3 .
Вода является единственной природной жидкостью, имеющейся на поверхности Земли в огромных кол-вах. В природе вода существует в трёх агрегатных состояниях: жидком, твёрдом и газообразном.
Физиол-ое значение воды для живых орг-ов состоит в том, что она обеспечивает сохранение структуры и нормальное функционирование живой клетки путём воздействия на биол-ие мембраны и протекающие с их участием процессы. Вода является универсальным растворителем, обладает плотностью, проницаемостью и даже может компенсировать перепады тем-р.
По отношению к воде можно выделить три эк-ие группы ж-ых:
Гигрофилы – влаголюбивые ж-ые, нуждающиеся в высокой влажности среды. У них слабо развиты или вообще отсутствуют мех-мы регуляции водного обмена. Они не могут накапливать в значительном количестве и удерживать длительное время запасы воды в теле. Такие ж-ые, как правило, обитают во влажной среде и вынуждены постоянно пополнять запасы воды (мокрицы, комары, наземные планарии, немертины и т.д.). Типично гигрофильной группой являются наземные моллюски и амфибии.
Мезофиллы – животные обитающие в условиях умеренной влажности. К ним можно отнести озимую совку. Многие другие насекомые, птицы, млекопитающие, являясь также типичными мезофиллами, существуют в районах с невысокой влажностью воздуха и сравнительно легко переносят её колебания.
Ксерофилы – это сухолюбивые ж-ые, не переносящие высокой влажности. У всех ксерофилов хорошо развиты механизмы регуляции водного обмена и приспособления к удержанию воды в теле. Приспособления к жизни в засушливых условиях могут быть самыми различными. Так, слоновая черепаха запасает воду в мочевом пузыре; многие насекомые, грызуны и др ж-ые получают воду с пищей; нек-ые млекопит-ие избегают дефицита влаги путём отложения жиров, при окислении к-ых образуется метаболическая вода. За счёт метаболической воды живут многие насекомые, питающиеся сухим кормом, верблюды, курдючные овцы, жирнохвостые тушканчики и др.