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

§ 15. НАЗЕМНО-ПОВІТРЯНЕ СЕРЕДОВИЩЕ ТА АДАПТАЦІЇ ДО НЬОГО ОРГАНІЗМІВ

Пригадайте, які екологічні фактори називають абіотичними, біотичними та антропогенними. Що таке анабіоз?

Провідна роль серед абіотичних факторів наземно-повітряного середовища належить освітленості, температурі та вологості.

Адаптації організмів щодо рівня освітленості. За вимогами до умов освітленості рослини поділяють на світлолюбні, тіньовитривалі й тіньолюбні. Світлолюбні види (береза, сосна, ковила та ін.) мають пагони з укороченими міжвузлями й сильно розгалужені, листки зазвичай дрібні або із розсіченими листковими пластинками, укриті товстою кутикулою. На нижньому боці листка може бути густе опушення з волосків тощо.

У тіньолюбних рослин (зелені мохи, плаун булавоподібний, квасениця звичайна, смерека тощо) листки темно-зеленого кольору з високою концентрацією хлорофілу, число продихів на одиницю поверхні листка менше, ніж у світлолюбних. Листки в тіньолюбних рослин здебільшого розташовані горизонтально чи утворюють листкову мозаїку (мал. 15.1).

Тіньовитривалим рослинам (дуб звичайний, липа серцелиста, бузок звичайний та ін.) властиві адаптації, притаманні як світлолюбним, так і тіньолюбним видам. Так, на одній рослині можуть бути листки різних типів, залежно від того, за якого режиму освітленості вони сформувалися: листки, розташовані по периферії крони, мають структуру, притаманну листкам світлолюбних рослин, а в її глибині - подібні до листків тіньолюбних. Якщо рослини зростають у місцевості, де періодично змінюється світловий режим, то в різні сезони у них можуть відповідно з’являтися листки, притаманні або світлолюбним, або тіньолюбним рослинам.

Мал. 15.1. Адаптації до ступеня освітлення у рослин: 1 - листкова мозаїка - адаптація до низької інтенсивності освітлення; 2 - протягом доби у деяких рослин положення листків може змінюватись: уночі вони складаються (а), удень, коли здійснюється фотосинтез, розправляються (б)

Мал. 15.2. 1. Представники родини Нектарницеві - яскраво забарвлені дрібні «денні» птахи. 2. Сова вухата - представник «нічної» групи з великими очима

У тварин щодо світла виділяють нічну (активні вночі) та денну (активні в світлу частину доби) групи (мал. 15.2). У представників «денної» групи зазвичай добре розвинений зір, вони здатні розрізняти кольори, часто мають яскраве забарвлення. Натомість у представників «нічної» групи, а також видів, що походять від предків, які вели нічний спосіб життя (представники родин Вовчі, Котячі тощо), кольоровий зір розвинений погано, очі можуть мати великі розміри (наприклад, у сов, лемурів), що дає можливість уловлювати незначну кількість світла. У тварин, що мешкають за відсутності світла (мешканці глибоких шарів ґрунту, печер тощо), органи зору сильно редуковані (кріт, сліпак) або можуть узагалі втрачатись (як-от, у хвостатої амфібії - протея).

Адаптації організмів щодо температури навколишнього середовища. Види, для існування яких оптимальною є низька температура, називають кріофілами, або холодолюбними. До них належать деякі бактерії, лишайники, мохи, членистоногі тощо. Рослини - мешканці тундри, високогір’я тощо, мають низьке стебло, яке часто стелиться по землі. В їхньому клітинному соку накопичуються цукри, що знижує точку замерзання цитоплазми. У комах ця точка замерзання знижується завдяки присутності в гемолімфі гліцерину (скорпіонові мухи-льодовичники можуть рухатися по снігу навіть при -20 °С; мал. 15.3, 1).

Термофіли, або теплолюбні види, мешкають за високих температур (до +50 °С, іноді вищі) навколишнього середовища (наприклад, археї тропічних лісів, пустельні жуки чорнотілки, мал. 15.3, 2). Їхні адаптації пов’язані з особливостями будови білків та інших макромолекул, стійких до дії цього чинника. Температура - один з наймінливіших факторів наземно-повітряного середовища мешкання. Тому організми зазвичай адаптуються до її коливань у певних межах. Температурні адаптації тварин можуть бути пов’язані з хімічною або фізичною терморегуляцією чи особливостями поведінки.

Пригадаємо, терморегуляція — здатність підтримувати стале співвідношення між виробленням тепла (теплопродукцією) в організмі або його поглинанням з довкілля та витратами теплової енергії (тепловіддачею).

Мал. 15.3. Тварини кріофіли (холодолюбні) (1) та термофіли (теплолюбні) (2): 1 - муха льодовичник Вествуда (ряд Скорпіонові мухи); вид занесено до Червоної книги України; ці комахи активні від пізньої осені до ранньої весни, під час відлиг утворюють скупчення на снігу; чорне забарвлення дає змогу ефективно поглинати сонячне тепло, підвищуючи температуру тіла; 2 - жуки чорнотілки роду Стенокара - мешканці спекотної пустелі Наміб; під час туманів ці комахи конденсують вологу на поверхні тіла, яка у вигляді краплин стікає до ротового отвору

Мал. 15.4. Терморегуляція у тварин, пов’язана зі зміною поведінки: 1 - метелик, розправляючи крила в прохолодну погоду, вбирає крізь покриви сонячне тепло; 2 - водяний вуж гріється на сонці, вбираючи інфрачервоні сонячні промені, багаті на теплову енергію

Хімічна терморегуляція забезпечується збільшенням вироблення тепла у відповідь на зниження температури довкілля (наприклад, за рахунок скорочення м’язів, збільшення інтенсивності екзотермічних реакцій). Фізична терморегуляція пов’язана зі змінами рівня тепловіддачі (регуляція положення волосяного чи пір’яного покриву, діаметра капілярів шкіри, випаровування поту, транспірація у рослин, розподіл прошарків жиру в тварин тощо). (Наведіть ще приклади механізмів терморегуляції у тварин.)

У теплокровних1, або гомойотермних, тварин (ссавці, птахи) рівень теплопродукції високий, а механізми терморегуляції розвинені добре. Холоднокровним, або пойкілотермним, тваринам (як-от, усі безхребетні, риби, амфібії, рептилії) зазвичай притаманний відносно невисокий рівень обміну речовин, і, відповідно, менше виробляється тепла в організмі. Інтенсивність процесів життєдіяльності таких істот значною мірою залежить від температури довкілля. Те саме характерне й для мікроорганізмів, грибів і рослин: зі зниженням температури довкілля всі процеси життєдіяльності в них уповільнюються, а поновлюються тоді, коли організми отримують певну кількість тепла ззовні. Певні механізми терморегуляції пойкілотермних тварин пов’язані зі зміною поведінки: додаткову кількість тепла вони можуть отримати від інфрачервоного випромінювання, що надходить до поверхні Землі у складі сонячного спектра, виповзаючи на місця, що добре прогріваються (мал. 15.4).

• Адаптації тварин до існування в певних температурних умовах позначаються на особливості їхньої будови. Так, згідно з правилом Аллена (його сформулював американський зоолог Дж. Аллен у 1877 р.) у гомойотермних тварин Північної півкулі розміри частин тіла, що виступають (вуха, хвости тощо), збільшуються у напрямку поширення з півночі на південь. Це пов’язано з тим, що в умовах жаркого клімату більші вуха, хвости тощо, які мають добре розвинену сітку кровоносних капілярів, є спеціалізованими органами, що забезпечують тепловіддачу (мал. 15.5, 1).

• Згідно з правилом Бергмана (його сформулював німецький учений К. Бергман у 1847 р.) в одного або двох близьких видів гомойотермних тварин, що мають однакові способи терморегуляції, більші за розмірами особини мешкають на півночі. Оскільки у тварин із більшими розмірами тіла співвідношення площі поверхні тіла до його об’єму менше, ніж у дрібніших особин, вони менше віддають тепла у довкілля і відповідно менше витрачають енергії для підтримання сталої температури тіла (мал. 15.5, 2). 1

1 Терміни «теплокровність» і «холоднокровність» певною мірою позбавлені сенсу, оскільки у так званих холоднокровних тварин кров може бути теплою за умов високих температур навколишнього середовища.

Мал. 15.5. 1. Полярна лисиця (а) та пустельна лисиця фенек (б). 2. У вовків, що мешкають на Таймирі (а), тіло завдовжки до 137 см, а маса - до 49 кг; натомість вовки - мешканці Монголії (б) - мають тіло завдовжки до 120 см і масу до 40 кг

Деяким видам гомойотермних тварин притаманна гетеротермія: у несприятливі періоди року вони можуть впадати у сплячку або стан зимового сну, під час якої температура їхнього тіла знижується (взимку - бурі ведмеді, їжаки, бабаки та ін., улітку під час посушливого періоду - мешканці пустель і напівпустель - гризуни). Завдяки цьому вони знижують рівень обміну речовин і не витрачають значних ресурсів.

Адаптації рослин до змін температури довкілля пов’язані здебільшого з біохімічними, фізіологічними та морфологічними механізмами. Рослини здатні віддавати тепло завдяки великій площі випромінювання та транспірації (випаровування вологи). Наприклад, у спекотну погоду завдяки транспірації температура поверхні листків може бути нижчою за температуру навколишнього повітря на 4-6 °С. Крім того, рослини змінюють положення листків: під час сильного сонячного опромінення вони повертають їх ребром у напрямку сонячних променів, а тропічні рослини з родини Бобові за температури +35 °С і вище складають листочки складного листка; деякі тропічні бобові можуть скручувати листки у трубочку. У рослин - мешканців пустель й напівпустель - листки можуть бути сріблястими та блискучими, завдяки чому вони відбивають інтенсивне світло. Формування холодостійкості в рослин пов’язане із загартовуванням, тобто з поступовим підвищенням здатності витримувати низькі температури.

Адаптації організмів до вологості. У процесі пристосування до існування в наземно-повітряному середовищі в організмів виробилися адаптації до добування води, економного споживання вологи й переживання посушливих періодів. Так, у рослин посушливих місцезростань коренева система здатна проникати на значну глибину (сосна звичайна, верблюжа колючка), що допомагає добувати ґрунтові води, або добре розгалужена в поверхневих шарах ґрунту (кактуси), що забезпечує ефективне засвоєння вологи зі значної площі під час короткочасних дощів. У таких рослин також зменшується площа листкових пластинок, потовщується їхня кутикула, зменшується кількість продихів, листки часто видозмінюються на голки, лусочки тощо, а функцію фотосинтезу перебирає на себе зелене стебло (кактуси, верблюжа колючка; мал. 15.6). Деякі багаторічні рослини здатні накопичувати вологу в листках (алое, молодило) або стеблах (кактуси) і потім її економно витрачати. Такі рослини називають сукулентами. Багаторічні трав’янисті рослини здатні переживати посушливий період у вигляді видозмінених підземних пагонів (кореневищ, цибулин, бульбоцибулин тощо), тоді як їхня надземна частина відмирає. Дерева й кущі зменшують випаровування в посушливий період, скидаючи листки.

Мал. 15.6. Адаптації посухостійких рослин до зростання в посушливих умовах: 1 - кактус опунція, як й інші кактуси, накопичує вологу у своєму стеблі; 2 - кактус карнегія велетенська здатний запасати більш як 3 т води; 3 - верблюжа колючка - представник склерофітів

Однією з умов нормального існування рослин у наземно-повітряному середовищі є адаптації до підтримання водного балансу, тобто певного співвідношення між кількістю води, яка поглинається рослинами, та тією її кількістю, яку вони витрачають. Якщо вологолюбні рослини (росичка, зозулин льон, бальзамін) можуть зростати лише за умов високої зволоженості або заболоченості ґрунтів, то посухостійкі рослини (ковила, типчак, кактуси) мають пристосування, що дають змогу добувати воду за її нестачі, обмежувати її випаровування або запасати у своїх органах. На відміну від сукулентів, у склерофітів - сухих рослин - жорсткі пагони з добре розвиненими механічними тканинами, листки дрібні, часто згорнуті у трубку (саксаул, ковила тощо) (мал. 15.6, 3).

Серед тварин, як і серед рослин, виділяють вологолюбні (мокриці, амфібії тощо), посухолюбні (пустельні комахи, павукоподібні, рептилії) та посухостійкі (більшість наземних тварин) види. Усі адаптації до регуляції водного балансу в тварин поділяють на морфологічні, фізіологічні та етологічні. Прикладами морфологічних адаптацій є добре розвинений шар епікутикули (зовнішній її ліпідний шар) у багатьох членистоногих (мал. 15.7, 1), зроговілі лусочки та щитки плазунів, мушлі черевоногих молюсків.

Мал. 15.7. Адаптації тварин, які дають змогу мешкати в посушливих умовах: 1 - скорпіон строкатий - мешканець пустель і напівпустель Євразії - має добре розвинений шар епікутикули, який запобігає втратам вологи через покриви; 2 - мокриці роду Гемілепістус здатні мешкати в сухих і спекотних глинистих пустелях, риючи глибокі вертикальні нірки (до 1 м завглибшки), які залишають, коли підвищується вологість приґрунтового шару повітря. Запаси води в організмі вони поповнюють, споживаючи тканини рослин

Фізіологічні адаптації пов’язані з особливостями життєвих функцій тварин. Так, багато мешканців посушливих місцеіснувань здатні до утворення метаболічної води завдяки окисненню запасів жиру (верблюди, гризуни, комахи та ін.). У комах особливі залози стінок задньої кишки всмоктують воду з неперетравлених решток їжі та продуктів обміну речовин, завдяки чому вона залишається в організмі. Іншими прикладами фізіологічних адаптацій до економії води в організмі тварин є регуляція інтенсивності виділення поту та випаровування через слизові оболонки, підвищення витривалості до зневоднення організму, а також особливості терморегуляції тварин. Так, у пойкілотермних тварин (наприклад, рептилій) нагрівання тіла до температури довкілля зменшує випаровування води, що потрібно для охолодження тіла.

Етнологічні способи регуляції водного балансу пов’язані зі зміною поведінки тварин. Великі хребетні тварини здатні здійснювати значні міграції до джерел води (слони, антилопи) або споруджувати підземні нори, у яких вологість повітря під час посухи значно вища тощо (мал. 15.7, 2). Тварини посушливих місцеіснувань часто активні вночі, коли повітря вологіше та прохолодніше. На період тривалої посухи тварини можуть впадати у діапаузу - стан тимчасового фізіологічного спокою, який характеризується призупиненням росту, розвитку та зниженням загального рівня обміну речовин.

Ключові терміни та поняття

гомойотермні та пойкілотермні тварини, сукуленти, склерофіти, діапауза.

Перевірте здобуті знання

1. Які абіотичні фактори відіграють провідну роль у наземно-повітряному середовищі? 2. Які адаптації спостерігають у рослин до різних умов освітлення? 3. Як рослини можуть регулювати температуру свого тіла? 4. Які адаптації до різних температурних режимів притаманні тваринам? 5. Порівняйте адаптації тварин і рослин до існування в посушливих умовах.

Поміркуйте

Чому тремтіння ссавців та людини під час переохолодження має адаптивне значення?