Підручник з Біології і екології (рівень стандарту). 11 клас. Андерсон - Нова програма

§ 2. Загальні закономірності формування адаптацій

Дайте означення понять еволюція, боротьба за існування, природний добір.

Які результати еволюції органічного світу?

Пристосованість живих істот до умов навколишнього середовища була усвідомлена людиною ще в античні часи. Однак, аж до середини XIX століття це пояснювали початковою доцільністю природи.

Загальні закономірності формування адаптацій. Наукове пояснення пристосованості живих істот дав Чарлз Роберт Дарвін, виклавши його в праці «Походження видів шляхом природного добору, або Збереження сприятливих порід у боротьбі за життя». Учений уважав, що пристосованість не є одвічною й абсолютною, а виробляється в процесі еволюції. Він розглядав еволюцію як процес незворотних змін будови та функцій організмів протягом їхнього історичного існування, наслідком якого є пристосованість живого до умов навколишнього середовища. У праці наголошено, що всі сучасні види є потомками вимерлих предкових форм.

Дарвін наводив приклади різноманітних взаємовідносин між організмами та між організмами й умовами неживої природи, які назвав боротьбою за існування (рис. 3). Уступаючи в ці складні взаємовідносини, одні організми виживають, а інші - гинуть. Чому ж не всі мають шанс вижити? У природі існує протиріччя між здатністю організмів до необмеженого розмноження й обмеженістю ресурсів середовища існування (їжа, територія тощо). Унаслідок боротьби за існування відбувається природний добір - процес виживання найбільш пристосованих організмів певного виду до умов існування. Ч. Р. Дарвін у своїй книзі наголошував: «Природний добір діє тільки шляхом збереження і нагромадження малих спадкових змін, кожна з яких вигідна для істоти, що зберігається». Нові види виникають на основі випадкових змін, що відбуваються в кожному організмі індивідуально, передаються потомкам і не мають пристосувального характеру, тобто матеріалом для еволюції слугує спадкова мінливість.

Рис. 3. Приклади форм боротьби за існування в праці Ч. Р. Дарвіна

Ч. Р. Дарвін (1809 - 1882)

  • 1. «Але й про рослину на окраїні пустині також говорять, що вона бореться з посухою...».
  • 2. «Про рослину, що кожного року утворює тисячу насінин, з яких в середньому тільки одна виростає в стиглу рослину, справді можна сказати, що вона бореться з такими ж, як вона, та іншими рослинами, які вже вкривають ту ж ділянку землі».
  • 3. «Оскільки омела розсіюється птахами, то її існування залежить від них, і, можна сказати, що вона бореться з іншими рослинами, які дають плоди, тим, що спокушає птахів пожирати її плоди і таким способом розносити її насіння».

Які форми боротьби за існування описані вченим? Наведіть приклади різних форм боротьби за існування.

В основі індивідуальної адаптації лежить генотип - закодована в структурі молекул ДНК спадкова інформація, що реалізується у фенотип - сукупність ознак та властивостей. Фенотип є результатом взаємодії генотипу та умов середовища існування. Це узгоджується з твердженням українського науковця І. І. Шмальгаузена: спадковим є не зовнішній вияв якоїсь ознаки, а здатність реагувати певним чином на зміни в навколишньому середовищі, тобто норма реакції на ці умови (рис. 4). Наявність такої пластичності дає змогу підтримувати гомеостаз, незважаючи на відмінності умов, у яких відбувається розвиток окремих особин. Під нормою адаптивної реакції розуміють межі змін біологічної системи під впливом діючих на неї чинників середовища, за яких не порушується гомеостаз. Адаптацію, набуту в ході індивідуального життя організму за його взаємодії з навколишнім середовищем, називають фенотипічною.

Процес вироблення адаптацій розпочинається з елементарного адаптаційного явища - появи цінного генотипу. Якщо стосовно нього починає діяти рушійна форма добору, виникає стійка зміна генофонду популяції. Це формування в процесі еволюції нових пристосувань, що сприяють адаптації біологічних систем до умов навколишнього середовища, називають адаптогенезом.

Рис. 4. Водяна рослина Стрілиця звичайна

У стрілиці спостерігається гетерофілія, тобто різні за формою листки - стрілоподібні і стрічкоподібні. У особин, які зростають на глибині 1,5 м й більше, листки мають лише стрічкоподібну форму (а). У особин, які зростають на самому березі водойми, листки набувають стріловидної форми (б). Уважається, що стрічкоподібні підводні листки краще засвоюють розчинений у воді вуглекислий газ. А якщо рослина зростає частково зануреною, на ній утворюються листки обох форм (в).

Згадайте значення регуляції активності генів. Прочитайте твердження: «Норма реакції - спектр експресії генів за незмінного генотипу, з якого обирається найбільш відповідний умовам середовища рівень активності генів, що й формує специфічний фенотип». Поясніть, як ви розумієте наведене твердження.

Основу нового пристосування часто складає структура, яка сформувалася раніше за участю природного добору та виконувала певну функцію, а за зміни умов узяла на себе й нову функцію без шкоди для старої. Наявність структур, здатних розширити або змінити коло функцій, називають преадаптацією. У своїй праці Ч. Р. Дарвін так писав про преадаптацію: «Але властивості, набуті таким посереднім шляхом і на початку зовсім безкорисні для виду, могли бути згодом обернені на користь змінених нащадків при нових умовах їх життя і новонабутих звичках» (рис. 5).

Безпосереднім результатом природного добору є постадаптації (від лат. post - після та адаптація) - еволюційні зміни організмів, що вдосконалюють наявні пристосування цього виду до вже освоєних ним умов існування або вже використовувану функцію цього органа. Прикладами постадаптації є ускладнення й удосконалення у тварин органів травлення, кровообігу, дихання тощо.

Властивості адаптацій. Адаптація біологічних систем до змін умов існування починається зі стресових реакцій - різними засобами, витратами, ресурсами компенсувати критичні зовнішні впливи. Адаптація є постійним процесом, який може бути спричинений як природними, так і антропічними чинниками. Адаптація є не лише здатністю біологічних систем реагувати на зміни середовища існування, але й здатністю цих систем активно впливати, змінювати та перетворювати саме середовище. Кожна адаптація корисна стосовно певної умови середовища.

Корисність будь-якої адаптації залежить від умов, які майже не бувають абсолютно стабільними як у просторі, так і в часі.

Рис. 5. Приклади преадаптацій

Тіктаалік - рід викопних лопатеперих риб

Викопні рештки були виявлені 2004 р. у відкладеннях пізнього девону (близько 375 млн років тому) на острові Елсмір (північ Канади).

Тіктааліка вважають перехідною формою між рибами й амфібіями: є плечовий пояс, легені

Приклад з праці Ч. Р. Дарвіна «Походження видів шляхом природного добору, або Збереження сприятливих порід у боротьбі за життя»:

«Черепні шви в молодих ссавців розглядалися як прекрасне пристосування, що полегшує акт пологів, і, без сумніву, вони можуть сприяти або навіть бути необхідними, але оскільки ці шви існують і на черепах птахів і плазунів, яким доводиться тільки вилуплюватися з яйця, - то ми маємо право зробити висновок, що це пристосування випливає з самих законів росту, і тільки пізніше з нього була здобута користь при акті народження для вищих тварин.»

Поясніть, чому наведені явища вважають прикладами преадаптації.

Відносний характер адаптацій. Відносність адаптацій у просторі і часі зумовлена тим, що в генетично гетерогенній популяції природний добір з багатьох випадкових різноспрямованих змін зберігає та нагромаджує ті з них, які мають пристосувальне значення. На певну біологічну систему може одночасно впливати декілька чинників середовища, підвищуючи адаптивність за окремою ознакою, але знижуючи її за іншими ознаками (рис. 6). Такі чинники як ізоляція, малий розмір популяції, дрейф генів, можуть призводити до зниження життєздатності біологічної системи, що також зумовлює відносність адаптацій.

Дарвін підкреслював, що ступінь пристосованості організмів відносний - звичайно можливі й більш досконалі форми пристосованих до цього середовища. Це можна довести численними прикладами надзвичайно швидкого розмноження та широкого розповсюдження цілої низки видів тварин і рослин в абсолютно нових для них районах земної кулі, куди вони були випадково або зумисно завезені людиною (кролі в Австралії, кішки та собаки на островах Океанії, канадська елодея у водах Європи тощо). Усі ці види виникли в інших географічних районах, але виявилися більш пристосованими до умов нових для себе середовищ мешкання, ніж ті види, що здавна населяли ці території.

Часто відносність адаптації ілюструють наявністю «некорисних» структур в організації біосистем, зокрема й рудиментарних органів. Однак з'ясовано, що різноманітні рудиментарні органи можуть мати певні функції, хоч би й відмінні від початкової. Доведено також, що рудиментарні органи можуть бути основою для еволюційного формування нових адаптацій.

Рис. 6. Приклад відносного характеру адаптації

Біла куріпка має взимку білосніжне оперення за винятком чорного пір'я хвоста - рульового. Захисне значення білого забарвлення очевидне, причому чорне пір'я в птаха, що зачаївся, непомітне. Проте воно дуже помітне в польоті. Оскільки білі куріпки взимку збиваються в зграї, то чорний колір хвоста, напевно, полегшує можливість птахам не загубити одне одного в снігах при слабкому освітленні. Таке забарвлення куріпки - приклад вдалого «компромісу» в еволюційному виконанні двох важливих завдань: бути мало помітним для хижаків і достатньо помітним для особин свого виду.

Наведіть власні приклади адаптацій і поясніть їх відносний характер.

  • 1. Дайте означення понять преадаптація, постадаптація.
  • 2. Перелічіть властивості адаптацій.
  • 3. Поясніть відносний характер адаптацій.
  • 4. Сформулюйте закономірності формування адаптацій.
  • 5. Сформулюйте висновок про значення преадаптацій та адаптацій в еволюції органічного світу.