Стратегії адаптацій організмів. Поняття про екологічно пластичні та екологічно непластичні види

Організм є складною інтегрованою біологічною системою, збереження гомеостазу якої досягається завдяки процесу адаптації під час взаємодії організму та середовища. Усі процеси, які відбуваються в організмі, забезпечують підтримання стану рівноваги у відповідь на вплив середовища. Тому в біологічній науці виник напрям вивчення сукупності еволюційних пристосувань, які забезпечують відновлення структури, функцій організму та спрямовані на виживання виду, – стратегій адаптацій організмів. Для кожного типу стратегії характерний свій комплекс адаптивних ознак.

Стратегії адаптацій організмів.

Стратегія адаптацій організмів (адаптивна стратегія) – це певний загальний напрям формування пристосувань організмів різних видів, що забезпечує їхнє існування в часі. За тривалістю формування адаптацій розрізняють три стратегічні напрями адаптивних процесів.

1. Стратегія еволюційних адаптацій має найбільш тривалий характер формування пристосувань до змін середовища і потребує зміни багатьох поколінь. Адаптивні зміни за цієї стратегії пов’язані зі змінами генетичної інформації, що визначають нові ознаки. Завдяки еволюційним адаптаціям можуть виникати нові молекули білків, що надають організмам здатності до засвоєння нових місцеіснувань. Прикладом цього типу адаптивних стратегій є формування білків-антифризів у полярних риб, різних видів хлорофілу в рослин. До цієї групи адаптацій належать ароморфози, ідіоадаптації та загальна дегенерація.

2. Стратегія акліматизації здійснюється упродовж життя особини. У цьому випадку для формування адаптивних ознак використовується генетична інформація, що була в геномі організмів від народження. Зміни мають характер неспадкових модифікацій, наприклад сезонні зміни будови, життєдіяльності або поведінки організмів.

3. Стратегія негайної адаптації відбувається настільки швидко, що не може бути пов’язана зі змінами експресії генів або перебудовою клітинних структур. Ця стратегія здійснюється завдяки змінам активності ферментів. Прикладом негайних адаптацій можуть бути позитивні або негативні таксиси рослин, адаптація еритроцитів до умов високогір’я.

За характером формування адаптивних механізмів розрізняють три основні шляхи і, відповідно, три стратегії формування адаптацій.

1. Стратегія за принципом резистентності (активний шлях адаптацій) передбачає формування адаптивних механізмів підтримки гомеостазу внутрішнього середовища незалежно від змін середовища життя. Наприклад, підтримування сталої температури тіла у гомойотермних тварин (птахів, ссавців), активна протидія втратам води у рослин-склерофітів (олеандра, оливкового дерева, ковили).

2. Стратегія за принципом толерантності (пасивний шлях адаптацій) вимагає підпорядкування життєвих функцій організмів змінам умов навколишнього середовища. Такий тип пристосувань реалізується переважно на рівні клітин і тканин, виявляється певним зниженням метаболізму, сповільненням поділу, росту й розвитку клітин та ін. Прикладом таких адаптацій є гіпобіоз, або спокій вимушений (наприклад, заціпеніння риб, амфібій), криптобіоз, або спокій фізіологічний (наприклад, сплячка ссавців, глибокий спокій рослин), анабіоз (повна тимчасова зупинка життя, наприклад, у тихоходок, коловерток).

3. Стратегія уникнення несприятливих упливів – це стратегія формування в організмів життєвих циклів і проявів поведінки, що дають змогу уникнути несприятливих змін чинників середовища. Наприклад, сезонні міграції тварин, швидке цвітіння рослин-ефемероїдів у сприятливий короткочасний сезонний період.

   Науковці довели, що здатність організмів витрачати різну кількість ресурсів на розмноження сформувалася в процесі природного добору і є специфічною ознакою виду. За розміром затрат енергії, потрібної для розмноження, види організмів можна поділити на дві групи: рудерали (r-стратеги) і конкуренти (К-стратеги).

   1.У першому випадку незалежно від індивідуальної пристосованості організмів умови середовища призводять до випадкової загибелі особин певного виду. Так виникає r-стратегія, притаманна, наприклад, більшості комах, гризунів, однорічних рослин. Ці організми мають невисоку тривалість життя, короткі життєві цикли, невеликі розміри, високу народжуваність, зазвичай одне розмноження протягом життя, здатність до переживання несприятливих періодів у стані спокою. За рахунок великої чисельності й швидкого розвитку r-стратеги першими займають нові середовища мешкання. Більшість потомків цих організмів не виживають, тому їхня чисельність дуже сильно коливається в часі.

   2.У другому випадку особини популяцій виду у більшому ступені виживають завдяки індивідуальній пристосованості, вступаючи в міжвидову або внутрішньовидову конкуренцію. Таку сукупність пристосувань називають K-стратегія. Організми, які мають таку стратегію адаптації, характеризуються низькою смертністю на ранніх етапах розвитку і високою тривалістю життя. Завдяки високій пристосованості практично все потомство виживає, тому їхня чисельність коливається дуже слабо. Їм властива підвищена захищеність від хижаків, різні форми турботи про потомків. Така стратегія адаптацій характерна, наприклад, для великих ссавців, деревних рослин

   Отже, будь-яка зі стратегій адаптацій організмів визначає загальний результат відповідно до змін умов середовища.

   Перегляньте презентацію, яка познайомить вас з різними прикладами стратегій пристосування організмів:

Адаптация м’язів людини до фізичних навантажень має стадійний характер. У ній виокремлюють два етапи – термінову і довготривалу адаптацію. Пригадайте будову скелетного м’яза людини й зіставте його елементи (1 – 7) з їх назвами (А – Е). А – м’язове черевце; Б – протофібрили; В – міофібрили; Г – сухожилок; Д –м’язове волокно; Е – м’язовий пучок; Є – оболонка пучка.

Застосуйте свої знання й поясніть молекулярні та клітинні механізми адаптації м’язів до фізичних навантажень.

Адаптивний потенціал виду.

Ботанік Леонтій Раменський (1938) і незалежно від нього еколог Філіп Ґрайм (1979) запропонували розрізняти три основні типи рослин стосовно забезпеченості ресурсами (інтенсивності стресу) та порушень екосистеми, складником якої є ці рослини. Чинниками порушень може бути інтенсивний випас худоби, розорювання степу, землетруси, виверження вулканів, лісові пожежі, кислотні дощі тощо. Схематично систему стратегій адаптацій Раменського–Ґрайма можна зобразити у вигляді рівностороннього трикутника, літери в кутах якого (C, S, R) позначають три первинні типи стратегій, а комбінації двох і трьох літер – перехідні (вторинні) типи.

Систему стратегій Раменського–Ґрайма успішно використовують не лише в ботаніці, а й у зоології та мікробіології. Далі ми наведемо опис трьох основних типів стратегій:

Тип С (англ. сompetitor – конкурент) – віолент. Це зазвичай великі за розмірами організми, які витрачають значну частину енергії на підтримання життя дорослих особин, маючи низьку народжуваність і смертність.

Наприклад: Організм-віолент - Дуб. Цуманська пуща. Полісся. Україна.

Дуб має розлогу крону, за рахунок чого активно використовує ресурси середо вища.

Такі організми переважають в екосистемах і є конкурентоспроможними за сприятливих умов і відсутності порушень. За погіршення умов (висихання ґрунту, засолення тощо) або за порушень екосистеми такі організми гинуть, не маючи пристосувань для переживання дії цих чинників.

Тип S (англ. stress-tolerant – стійкий до стресу) – патієнт. Це організми, здатні за рахунок спеціальних адаптацій переживати сильний стрес.

Наприклад: організм-патієнт - Ящірка молох. Піщані пустелі Австралії.

Вода, накопичена під час роси або туману, переміщується вздовж канавок шкіри прямо в ротову порожнину ящірки.

Вони мешкають або в умовах дефіциту ресурсів, або в умовах, які обмежують споживання цих ресурсів (посуха, брак світла або ресурсів мінерального живлення, зависокі чи занизькі температури тощо), тому не мають великої конкуренції з іншими видами.

Тип R (лат. ruderis – бур’янистий) – експлерент. Ці організми заміщають віолентів під час сильних порушень середовищ мешкання внаслідок послаблення конкуренції.

До цього типу зокрема відносять однорічні рослини, які утворюють велику кількість насіння. Воно або зберігається в ґрунті, або має пристосування для поширення. Ці організми також можуть використовувати ресурси в стабільних середовищах мешкання, але в період, коли вони виявляються тимчасово незатребуваними іншими видами

Наприклад: організми-експлеренти - Національний парк «Долина смерті». Каліфорнія. США.

У пустелі однорічні ефемери за короткий період вегетації після дощів ніби покривають поверхню ґрунту килимом.

Адаптивний потенціал виду. Багато видів рослин мають здатність у різних умовах використовувати різні пристосувальні можливості. Класичним прикладом пластичностість стратегії є болотна форма Сосни звичайної. Це карликова чагарникова форма висотою 60–80 см, довжина хвої якої не перевищує 1 см, а тривалість життя досягає 100 років. Ця сосна утворює шишки з насінням, з якого за сприятливих умов виростає звичайна сосна. Пригнічення життєдіяльності сосни пов’язано з впливом наростаючого вгору торф’яного субстрату.

Варто наголосити, що можливості адаптацій особин кожного виду не є безмежними. Здебільшого можливості виду є генетично детермінованими. У такому разі науковці говорять про адаптивний потенціал виду.

! Адаптивний потенціал виду – ступінь пристосувальних можливостей виду в мінливих умовах навколишнього середовища.

Види, які мають високий адаптивний потенціал і можуть виживати в широкому діапазоні змін умов існування, називають екологічно пластичними, або еврибіонтними. Такі види здатні заселяти нові місця мешкання, адаптуватися за великих порушень гомеостазу екосистеми, пристосовуватися до різноманітності умов існування в різних частинах великого за площею ареалу. Натомість екологічно непластичні, або стенобіонтні види вузько спеціалізовані до умов середовища мешкання, погано пристосовуються навіть до незначних змін, тобто мають невисокий адаптивний потенціал

Ведмідь бурий - екологічно пластичний вид

Панда велика - екологічно непластичний вид

Упродовж життя організму адаптивний потенціал може змінюватися. Зокрема, у людини підвищення адаптаційних можливостей організму можливе за рахунок фізичного тренування й загартовування. Загартовування – це систематичне використання природних чинників, що забезпечує підвищення стійкості організму до несприятливих умов. Загартовування полягає в тренуванні механізмів, за допомогою яких організм реагує на певні кліматичні чинники. У процесі таких тренувань реакції організму поступово стають швидшими й точнішими, унаслідок чого зростає стійкість організму. Фізичне тренування та загартовування поліпшують кровообіг, терморегуляцію й обмін речовин, підвищують імунітет, посилюють розумову діяльність і фізичну працездатність, що і є чинниками підвищення адаптивного потенціалу організму.

Дайте відповіді на запитання:

1. Дайте означення понять стратегії адаптації організмів, адаптаційний потенціал виду.

2. Схарактеризуйте різні підходи до класифікації стратегій адаптації організмів.

3. Порівняйте стратегії адаптацій системи Раменського–Ґрайма.

4. Наведіть приклади організмів з різними стратегіями адаптацій.

5. Порівняйте екологічно пластичні та екологічно непластичні види.