Адаптации организмов к условиям обитания

Биохимические адаптации

Этот тип адаптаций связан с образованием определенных веществ, облегчающих защиту от врагов или нападение на другие организмы. Сюда можно отнести яды змей, скорпионов, пауков и некоторых других животных, облегчающие им охоту; антибиотики грибов и бактерий, защищающие их от конкурентов; токсины растений, предохраняющие их от поедания; пахучие вещества клопов и некоторых других насекомых, отпугивающие врагов и т. п. Сюда же можно отнести образование ферментов, разрушающих ядохимикаты и лекарственные препараты, используемые человеком и приводящие к появлению устойчивых к этим веществам форм бактерий, грибов и других организмов. К биохимическим адаптациям относится и особая структура белков и липидов у термофильных (устойчивых к высоким температурам) и психрофильных (холодолюбивых), позволяющая организмам существовать в горячих источниках, вулканических почвах или в условиях вечной мерзлоты. (подробнее об этом в статье Биохимические адаптации)

Формирование адаптации к повышенному содержанию цинка

Растения являются чуткими индикаторами геохимической среды. При этом рост растения является интегральной характеристикой отражающей степень адаптации растения к условиям окружающей среды (Барсукова, 1997).

В зависимости от условий выращивания ткани растений значительно отличались по степени оводнённости, поэтому расчет и обсуждение параметров проводился на основе значений сухой массы растений.

Ингибирование роста является общим проявлением для растений, связанным с токсичностью цинка (Collins, 1981). При выращивании растений в неблагоприятных условиях наблюдались значительные различия в чувствительности к избытку цинка, что в результате сказывалось на накоплении биомассы. Различия в накоплении растениями сухой массы представлены на рисунке 3.1.

В контрольных условиях в течение всего эксперимента масса 28 — ми дневных (фаза третьего листа) растений Z mays превосходила массу растений Т. aestivum, что вероятно обусловлено их принадлежностью к разным типам фотосинтетического метаболизма (Сз — и С4 — типам, соответственно). Известно, что у С4-растений ассимиляция С02 выше, чем у растений с С3 типом метаболизма (Полевой, 1989). Среди 60-ти дневных всходов контрольных растений календулы высокопродуктивным оказался сорт Калифорнийская (рис. З.1.).

В условиях стресса, при 1,5 кратном ОДК цинка в среде у растений кукурузы произошло снижение накопления массы в 2 раза; пшеницы и календулы сорта Калифорнийская в 1,6 раз, Кальта — в 1,5 раза, а у сорта Каблуна Голд наблюдалось увеличение накопления массы в 1,5 раза. Индекс устойчивости растений Т. aestivum имел значение 0,7 ± 0,02, Z mays L. — 0,5 ± 0,007, растений календулы сорта Кальта — 0,65 ± 0,07, Каблуна Голд -1,3, и сорта Калифорнийская — 0,64± 0,03.

Относительная скорость роста (RGR) является одним из главных критериев экологических адаптивных стратегий (Grime, 1979; 1988), который косвенно отражает комплексную систему устойчивости данного растения к конкретному виду стресса (Усманов, 1987). RGR является динамической характеристикой процесса использования накопленной биомассы на создание новых структур растения. У всех исследуемых объектов, кроме сорта Каблуна Голд, при изменении условий выращивания наблюдалось снижение параметра RGR (рис. 3.2.).

В оптимальных условиях 28-ми дневные растения пшеницы характеризовались меньшей относительной скоростью роста по сравнению с кукурузой, имеющей наибольшее значение RGR, что вероятно обусловлено различиями в метаболизме данных растений (рис. 3.2.). При 1,5 кратном ОДК Zn в среде растения кукурузы снизили RGR в 9 раз; пшеницы — в 4 раза, проявив

себя как более устойчивый по сравнению с кукурузой вид к данному типу стресса. Среди 60-ти дневных контрольных растений вида С. officinalis сорт Кальта имел более высокое значение RGR. При выращивании растений в условиях 3-х кратного превышения ОДК Zn у сортов Кальта и Калифорнийская происходило снижение RGR в 1,7 раз (рис. 3.2.); у сорта Каблуна Голд наблюдалось увеличение RGR в 1,2 раза.

Биофизические механизмы адаптации

Биофизика рассматривает приспособительную реакцию клетки или многоклеточного организма с точки зрения их организации как системы, открытой по отношению к внешней среде, таким образом, свободно обменивающейся с последней энергией и веществом. При этом динамическое равновесие процессов притока и оттока вещества и энергии обеспечивает необходимый уровень стационарного состояния живой системы, постоянство внутренней среды и различных градиентов на ее границах, определяющих нормальное функционирование клеток и целого организма в данных условиях (см. Биологическая система). Для поддержания стационарного состояния живая система использует принцип обратной связи (см.), или динамической аутостабилизации, что позволяет живой системе как бы автоматически выбирать тот режим скоростей обменных реакций, который обеспечивает оптимальный вариант приспособления к внешней среде. Например, при возрастании функциональной активности клетки (повышение теплопродукции, производство осмотической или механической работы и др.) в ее митохондриях возникает дефицит АТФ и накапливаются АДФ и фосфор, которые в свою очередь ускоряют процесс биосинтеза АТФ в дыхательной цепи.

Адаптационная реакция живой системы представляет собой переход с одного стационарного уровня обменных реакций на другой, но поскольку процесс обмена состоит из цепей реакций с общими химическими посредниками, то такой переход связан обычно с экстремальными явлениями — вспышкой наблюдаемого процесса или его временным замедлением (см. Адаптационный синдром).

Адаптация живой клетки является следствием физ.-хим. гетерогенности организации ее цитоплазмы. Разделение взаимодействующих субстратов при помощи мембран является важным принципом организации живой системы и проявляется во время осуществления защитно-приспособительных реакций организма. Так, например, лизирующие ферменты (протеазы) в интактной клетке заключены в лизосомы и не могут переваривать белок. При повреждении клетки и соответственно ее лизосом их мембраны лопаются, ферменты освобождаются и переваривают клетку, совершая тем самым важный для организма процесс — удаление поврежденных клеток.

Ультрафиолетовые лучи, воздействуя на мембраны клеток кожи, освобождают фермент тирозиназу, под действием которого образуется меланиновый пигмент, защищающий тело от обжигающего действия солнечных лучей.

В биомембранах с «вмонтированными» в них строго последовательными цепями ферментов (например, дыхательная цепь митохондрий, редокс-цепи свободного окисления в микросомах) обеспечивается «эстафетное» превращение субстратов в живой клетке. Таким путем достигается экономная адаптация организма к пище (индуцированный синтез ферментов, необходимых только в данном случае), адаптация к токсинам и лекарственным препаратам (биотрансформация в микросомах) и другое.

Возможности адаптации живой системы ограничены степенью надежности организации биомембран. Даже небольшое увеличение ионной проницаемости мембран уже приводит к потере их способности аккумулировать энергию.

Важную роль в регулировании состояния биомембран приписывают антиокислителям (см.), которые предохраняют липидные слои биомембран от окислительной деструкции.

См. также Мембраны биологические, Проницаемость.

Физиологическая адаптация

Одним из видов физиологической адаптации является адаптация рецепторов, выражающаяся в снижении частоты импульсов в отходящем афферентном волокне, несмотря на постоянное действие раздражителя. Время, в течение которого происходит такое снижение частоты импульсов, или скорость адаптации, различно для разных рецепторов и для одного и того же класса рецепторов, находящихся в органах с различной функцией (стенка аорты, стенка мочевого пузыря.

Рецепторы мышечного веретена адаптируются в течение нескольких минут, кожные тактильные рецепторы — в течение нескольких секунд, тельца Пачини, расположенные в брыжейке,— в течение нескольких миллисекунд. Барорецепторы каротидного синуса и дуги аорты при постоянном раздражении также адаптируются. При периодических раздражениях они сигнализируют об изменении кровяного давления, что является необходимым условием его постоянства.

Механизм адаптации рецепторов сложен. Поскольку основу деятельности рецептора составляет генераторный потенциал, раздражающий нервные окончания и вызывающий разряд импульсов, адаптация рецепторов зависит от аккомодации нервных окончаний к постоянному действию потенциала.

Со времени работ Нернста (1908) известно, что при длительном раздражении электрическим током постоянной величины или при медленном его нарастании происходит увеличение порога раздражения, наступающее, как это доказано в наст, время, вследствие изменений ионной проницаемости мембраны.

Аккомодативная способность нервных окончаний определяет скорость адаптации (см. Аккомодация). Чувствительные волокна обладают меньшей аккомодацией, чем двигательные. В свою очередь чувствительные волокна, иннервирующие медленно адаптирующиеся рецепторы растяжения (мышечные веретена или рецепторы гортани), отличаются минимальными аккомодативными свойствами.

Адаптация рецепторов зависит не только от аккомодации, но и от первичных процессов рецепции, напр. состояния светочувствительного пигмента. Кроме того, Адаптация рецепторов постоянно регулируется эфферентными влияниями из центральной нервной системы, поступающими к ним по волокнам симпатической нервной системы и специальным центробежным путям.

О состоянии физиологической адаптации судят по изменению порога чувствительности анализаторной системы в зависимости от изменения интенсивности стимула. Исследование адаптации глаза называется адаптометрией (см. Адаптация зрительная).

Клеточная адаптация — приспособление клеток к условиям окружающей среды, направленное на выживаемость и воспроизведение. У высших животных и растений адаптация идет, как правило, на уровне целостного организма; участие клеток в этом процессе составляет лишь ее компонент. Все изложенное ниже относится к простейшим организмам.

Клеточная адаптация условно разделяется на гено- и фенотипическую. Генотипическая Адаптация возникает вследствие отбора клеток с определенным генотипом, обусловливающим выносливость; фенотипическая адаптация возникает как защитная реакция на действие повреждающего фактора. В последнем случае большую роль играют интенсивность и сроки воздействия. Сильное воздействие может привести клетку к гибели до наступления адаптации. При действии слабого раздражителя (подпороговой силы) или при медленном нарастании его может возникнуть так наз. перекрестная устойчивость, то есть, клетки становятся менее чувствительными не только к данному раздражителю, но и к другим агентам.

Возникшая под влиянием слабого раздражителя устойчивость может сохраняться и после того, как прекратится его действие. Это выявляется после повторного применения того же агента. Скорость изменения резистентности клетки, как и длительность адаптации значительно варьирует. Степень адаптации клетки — повышение или понижение порога чувствительности — обеспечивает уровень активной функции (например, функции рецепторов).

Механизмы, лежащие в основе адаптации, зависят от природы клеток и характера повреждающего фактора. В некоторых случаях клетки способны изменять повреждающее вещество путем физико-химического связывания агента или путем химического превращения его в менее токсическую форму. Бактериальные клетки могут синтезировать специальные ферменты, расщепляющие токсическое вещество (индукция пенициллиназы в культуре стафилококков, устойчивых к пенициллину). Повышение устойчивости клетки к раздражителю может быть обусловлено повышением устойчивости самих белков цитоплазмы за счет изменений конформации цепей белка либо путем образования комплекса фермент — субстрат, пли за счет синтеза новых белков.

Адаптация в кибернетике

Адаптация в кибернетике — автоматическое (без участия человека) изменение кибернетической системой характера функционирования (поведения) с целью достижения наилучшего результата при случайном, непредвиденном, изменении характеристик окружающей среды. Такие системы называют адаптивными, или системами автоматического приспособления или поиска, самоприспосабливающимися, самонастраивающимися, самообучающимися системами. Биологический организм соответствует кибернетической системе, включающей систему управления и объект управления. Эта аналогия широко используется при моделировании различных функций. Напр., бионика (см.) исследует механизмы биологических процессов с целью конструирования на их основе технических устройств и решения инженерных задач. Делаются попытки объяснить биологические явления, используя понятия теории управления (кибернетики).

Важнейшими видами адаптивных систем являются системы автоматического поиска какой-либо величины, самообучающиеся системы для распознавания образов (см.), системы, автоматически вырабатывающие модель с неизвестными параметрами и использующие эту модель для управления. Системы автоматического поиска реализуют упорядоченный или случайный (методом проб и ошибок) поиск таких параметров управляемого объекта, при которых некоторый показатель работы этого объекта достигает оптимальной величины.

Системы распознавания образов имитируют способность многих животных и человека отличать друг от друга (распознавать) сходные предметы и классифицировать их. Методы автоматического распознавания реализуются техническими системами, способными обучаться и затем уже без помощи «учителя» и «подсказок» автоматически классифицировать объекты. Эти методы применяются во многих отраслях науки и техники, в том числе и в медицине. Так была создана система адаптивной обработки информации, позволяющая дифференцировать рак желудка от язвенной болезни.

Адаптивные системы, предназначенные для определения характеристик (идентификации) объектов управления, позволяют решать задачи управления сложными системами, находящимися под воздействием случайных и неконтролируемых воздействий.

Библиография: Бызов A. Л. Переработка зрительной информации в сетчатке позвоночных, Вестя. АН СССР, № 7, с. 55, 1969. Гранит Р. Электрофизиологическое исследование рецепции, пер. с англ., с. зі, М., 1957, библиогр.; Лазарев Л. IL Исследования по адаптации, М.— Л. 1947; Ходоров Б. И. Проблема возбудимости, Л., 1969, библиогр.; N crnst W. Zur Theorie des elektrischcn Rcizen. Pflugere Arch. ges. Physiol., Bd 122, S. 27b, 1908.

Клеточная А.— Александров В. Я. Адаптивные изменения устойчивости клеток, Руководство по цитологии, под рея, А. С. Трошина, т. 2, с. 608, М.—Л., 1966, библиогр.;Дин А. и Хиншельвух С. Механизмы автоматического приспособления в бактериальных клетках, явления адаптации, в кн.; Регуляция клеточного обмена, пер. с англ., иод ред. С. Я. Кап-ланского, с. 366, М., 1962; Клегг П. н Клегг А. Гормоны, клетки, организм. Роль гормонов у млекопитающих, пер. с англ., М., 1971; Севаг М. Г. и де Курси С. Д. Биохимические процессы, лежащие в основе устойчивости микроорганизмов к лекарственным препаратам и биохимические пути предотвращения этой устойчивости, в кн.; Функциональн. биохим, клеточп. структур, под ред. А. И. Опарина, с. 369, М., 1970, библиогр.; Ябров А. А. К вопросу о механизме клеточного стресса. Цитология, т. 11, № 2, с. 137, 1969, библиогр.

Биофизические механизмы А. — Бауэр Э. С. Теоретическая биология, с. 165, М.— Л., 1935;П ригожинИ. Введение в термодинамику необратимых процессов, пер. с англ., М., 1960, библиогр.; Проблемы биохимической адаптации, под ред. A. А. Покровского, М., 1966, библиогр.; Физико-химические основы авторегул яцищ в клетках, под ред. Е. Б. Бурлакова щ О. Р. Колье* с. 7 и др., М., 1968. библиогр.

А. в кибернетике — Гублер Е. В, Вычислительные методы распознавания патологических процессов, Л., 1970, библиогр.; Чадееш B. М. Адаптивные модели в системах управления, М., 1966, библиогр.; Фицнев Л. Н. Управление координацией движения, М-, 1971, библиогр.; Цыпкин Я. а. Адаптация и обучение в автоматически* системах, М., 1968, библиогр.

А. И. Есаков; А. Г. Бутковский (киб.) В. А. Веселовский (биофиз) Ю. Е. Ершикова (биол)

Приспособления к экстремальным условиям обитания

Растения и животные, обитающие в пустынях и полярных областях Земли, также приобретают ряд специфических адаптаций. У кактусов листья преобразовались в колючки (уменьшение испарения и защита от выедания животными), а стебель превратился в фотосинтезирующий орган и резервуар воды. Пустынные растения имеют длинную корневую систему, позволяющие добывать воду с большой глубины. Пустынные ящерицы могут обходиться без воды, поедая насекомых и получая воду путем гидролиза их жиров. У северных животных кроме густого меха имеется также большой запас подкожных жиров, уменьшающий охлаждение тела.

*§ 6—1. Адаптации растений к различным температурным условиям среды

Типы адаптаций растений к различным температурным условиям среды

Резкие колебания температуры — сильные морозы или жаркая погода — неблагоприятны для растений, так как они относятся к пойкилотермным организмам. Поэтому у них существует ряд приспособлений для борьбы с холодом или перегревом. Все адаптации растений к температурным условиям среды по характеру можно разделить на три типа: биохимические, физиологические и морфологические.

К биохимическим адаптациям относятся изменения химического состава цитоплазмы или клеточного сока в экстремальных температурных условиях. При высокой температуре в цитоплазме клеток теплолюбивых растений увеличивается содержание защитных веществ (органических кислот, солей, слизи). Они препятствуют нарушению цитоплазмы и обезвреживают токсические вещества, образующиеся под действием высокой температуры.

У холодостойких растений при низких температурах происходит накопление углеводов (в основном глюкозы) в клеточном соке, что снижает точку замерзания воды.

Физиологические адаптации заключаются в изменении процессов жизнедеятельности и продолжительности жизненных циклов в зависимости от температурного режима среды. Эффективной защитой растений от перегрева служит усиленная транспирация (испарение воды при отсутствии дефицита), благодаря большому количеству устьиц в листьях.

У растений пустынь и степей короткий цикл развития позволяет избегать действия высоких температур. Вся вегетация происходит ранней весной, а летнюю жару они переживают в состоянии семян или подземных побегов. Экологическую группу травянистых однолетних растений с очень коротким вегетационным периодом называют эфемерами (веснянка). Существуют также подобные эфемерам многолетние растения — эфемероиды, у которых отмирает лишь надземная часть (тюльпан, подснежники). А при наступлении благоприятных условий их жизнь возобновляется за счет питательных веществ, накопленных в подземной части.

Крайней мерой в борьбе с холодом или жарой является переход растений в состояние анабиоза (обратимая приостановка жизненных процессов) вследствие обезвоживания. Например, мхи и лишайники могут длительное время находиться в таком состоянии.

К морфологическим адаптациям относятся особенности строения тканей и органов, а также разнообразие жизненных форм при обитании в разных температурных условиях. Действие высоких температур на растения субтропического и тропического поясов снижается за счет усиления отражения солнечных лучей и уменьшения светопоглощающей поверхности. Повышению отражения солнечного света способствует светлая окраска листьев, их блестящая или опушенная поверхность. Уменьшение поглощения света достигается благодаря видоизменению листовых пластинок. Это могут быть колючки (кактусы), уменьшение размера (саксаул), рассеченность (пальмы), сворачивание (ковыль) листьев. Противодействует перегреву растений вертикальное по отношению к солнечным лучам расположение листьев. Может происходить изменение угла их наклона поворотом листовой пластинки.

Адаптации у растений холодного климата проявляются в виде формирования карликовых (березы, ивы), стелющихся (стланик кедровый, можжевельник туркестанский) и подушковидных (высокогорные и арктические растения-подушки) жизненных форм. Такие растения меньше подвержены воздействию ветра, лучше укрыты снегом зимой, полнее используют тепло почвы летом.

Есть морфологические адаптации, которые защищают растения как от высоких, так и от низких температур. Ими являются: развитие мощной корки (наружной части коры) у деревьев, перидермы у молодых побегов, защитных чешуй у почек, прочной кожуры у семян.

Повторим главное. По потребности к количеству тепла растения разделяют на три экологические группы: теплолюбивые, нуждающиеся в умеренных температурах и холодостойкие. К разным температурным условиям среды у растений выработались различные биохимические, физиологические и морфологические адаптации.

Морфологические адаптации

Они связаны с изменением строения тела. Например, появление перепонок между пальцами ног у водоплавающих животных (амфибий, птиц и др.), густого шерстного покрова у северных млекопитающих, длинных ног и длинной шеи у болотных птиц, гибкого тела у норных хищников (например, у ласки) и т. п. У теплокровных животных при продвижении на север отмечается увеличение средних размеров тела (правило Бергмана), что уменьшает относительную поверхность и теплоотдачу. У придонных рыб формируется плоское тело (скаты, камбала и др.). У растений в северных широтах и высокогорных районах часты стелющиеся и подушковидные формы, меньше повреждаемые сильными ветрами и лучше согреваемые солнцем в припочвенном слое.

Покровительственная окраска

Покровительственная окраска очень важна для видов животных, не имеющих эффективных средств защиты от хищников. Благодаря ей животные становятся менее заметными на местности. Например, самки птиц, высиживающие яйца, почти не отличимы от фона местности. Яйца птиц также окрашены под цвет местности. Покровительственную окраску имеют донные рыбы, большинство насекомых и многие другие виды животных. На севере чаще встречается белая или светлая окраска, помогающая маскироваться на снегу (полярные медведи, полярные совы, песцы, детеныши ластоногих — бельки и др.). У ряда животных появилась окраска, образованная чередованием светлых и темных полос или пятен, делающая их менее заметными в кустарниках и густых зарослях (тигры, молодые кабаны, зебры, пятнистые олени и др.). Некоторые животные способны очень быстро менять окраску в зависимости от условий (хамелеоны, осьминоги, камбала и др.).