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

§ 5. ФОРМУВАННЯ АДАПТАЦІЙ НА МОЛЕКУЛЯРНОМУ РІВНІ ОРГАНІЗАЦІЇ

Пригадайте, що таке плазміди. Які організми належать до гаплоїдних, диплоїдних і поліплоїдних? Що таке преадаптації та адаптивний потенціал? Які ви знаєте форми природного добору? Що таке ферменти (ензими)? Які їхні властивості? Що таке мімікрія? Які сполуки називають глікопротеїдами?

Формування адаптацій на молекулярному рівні. Саме на молекулярному рівні зберігається та реалізується спадкова інформація, яка й визначає адаптивні властивості організмів (пригадайте, це стверджує правило відповідності умов середовища мешкання генетичній визначеності організму). Прокаріоти мають лише одну молекулу ДНК у ядерній зоні (нуклеоїді), тому набір їхньої спадкової інформації відповідає гаплоїдному набору хромосом еукаріотів. Отже, усі мутації в них можуть одразу проявлятися у фенотипі. Це підвищує адаптивний потенціал і дає можливість швидше формувати адаптації відповідно до змін у довкіллі.

В еукаріотів основний масив спадкової інформації розміщено в ядрі клітини. Еукаріотичні організми можуть бути гаплоїдними, диплоїдними або поліплоїдними. Домінантні мутації одразу проявляються у фенотипі; рецесивні - у гетерозиготному стані не проявляються, залишаючись своєрідним резервом спадкової мінливості. Але переходячи в гомозиготний стан, вони, проявляючись у фенотипі, можуть впливати на адаптаційні властивості організмів. Завдяки виникненню нових мутацій кількість алельних генів зростає. При цьому що більше є алелів певного гена, то більше в популяціях трапляється різних варіантів певної ознаки. Відповідно створюються умови для формування нових адаптацій.

Часто адаптації на молекулярному рівні пов’язані з активацією чи вимкненням відповідних генів, що призводять до зміни складу макромолекул, або зі зміною їхньої активності. Зокрема, це стосується складу та активності травних ферментів. На малюнку 5.1 зображено одного з найчарівніших денних метеликів нашої фауни - поліксену (1), занесеного до Червоної книги України. Гусінь цього метелика (2) може споживати листки рослин лише одного роду - Хвилівника. Хвилівник містить алкалоїди, що робить його неїстівним для багатьох тварин. Унаслідок такої спеціалізації гусінь поліксени уникає конкуренції з боку інших тварин, але це обмежує поширення виду.

Мал. 5.1. Денний метелик поліксени (1) та його гусениця (2), яка живиться рослиною хвилівником

Існують організми, які можуть споживати різні типи їжі. У тварин такі види називають поліфагами (від грец. поліс - багато та фагейн - їсти) (мал. 5.2). Поліфагія - це адаптація до змін в екосистемах (поміркуйте, яким чином). Незважаючи на широкий спектр травних ферментів у поліфагів, не всі вони активні одночасно. В один період активні ферменти, які забезпечують перетравлення наявної їжі. У разі зміни складу кормового раціону поліфага стають активними інші ферменти.

З різноманітних адаптацій, які спостерігають на молекулярному рівні, важливе значення має явище метаболічної регуляції — зменшення чи збільшення активності ферментів у зв’язку з процесами руху, росту, переходу до стану спокою, наступної стадії розвитку, зміною концентрації кисню в навколишньому середовищі. На структуру та функції ферментів організмів можуть впливати й абіотичні чинники: температура, вологість тощо.

Отже, якщо змінюються умови середовища або організм переходить на нову стадію розвитку, виникають нові метаболічні завдання, для розв’язання яких потрібні кількісні або якісні перетворення ферментних систем.

Мал. 5.2. Тварини-поліфаги: 1 - руда лісова мурашка може споживати сотні видів живих безхребетних тварин та їхні рештки, виділення комах-попелиць, а також рослинну їжу; 2 - річковий рак довгопалий живиться тваринами, їхніми рештками та рослинною їжею; 3 - сіра ворона споживає комах, рибу, жаб, ящірок, гризунів, пташенят та яйця птахів, рослинну їжу, харчові відходи тощо

Мал. 5.3. Антарктична риба трематом-пістряк - приклад холодолюбної тварини з температурою тіла -1,98 °С. Дуже солона вода може мати температуру замерзання нижчу за 0 °С

Цікаво знати

У кишечнику людини можуть мешкати два види амеб: кишкова та дизентерійна. Кишкова амеба не завдає шкоди здоров’ю хазяїна. Дизентерійна амеба зазвичай живиться симбіотичними бактеріями та рештками їжі, теж не завдаючи шкоди хазяїнові. Але за певних умов (пригадайте яких) вона здатна виділяти ферменти, що руйнують стінки кишечнику людини, та спричиняє захворювання дизентерію. Кишкова амеба таких ферментів не синтезує.

Ще один приклад адаптацій на молекулярному рівні - явище молекулярної мімікрії, притаманне деяким паразитам. У процесі тривалої спільної еволюції паразита та його хазяїна їхня молекулярна будова зближувалася, внаслідок чого захисні реакції хазяїна послаблювались.

Мутації регуляторних генів можуть спричинити як зміну концентрацій ферментів та інших макромолекул, так і появу нових їхніх видів. Так, точкові мутації (нуклеотидні заміни в генах) зумовлюють появу нових типів молекул, які забезпечують пристосування до нових місцеіснувань. Наприклад, поява глікопротеїдних (сполуки, що складаються з білків і вуглеводів) і поліпептидних «антифризів» у морських кісткових риб надала їм змогу зберігати активність за від’ємних температур (мал. 5.3).

До адаптацій на молекулярному рівні здатні також віруси. Унаслідок мутацій може змінюватися молекулярний склад вірусних частинок - віріонів. Це дає змогу інфікувати нові типи клітин або інші види організмів.

Запам'ятаємо

Адаптації на молекулярному рівні організації біологічних систем забезпечують формування адаптацій на вищих рівнях і спрямовані насамперед на підтримання їхнього гомеостазу.

Основні напрями адаптацій на молекулярному рівні:

  • підтримання структурної цілісності макромолекул (білків, різних типів нуклеїнових кислот);
  • підтримання стабільної діяльності систем, які забезпечують спрямованість і швидкість метаболічних процесів відповідно до змін у зовнішньому і внутрішньому середовищі та потреб організму;
  • достатнє забезпечення окремих клітин й цілісного організму енергетичним і будівельним матеріалом.

Ключові терміни та поняття

поліфаги, явище метаболічної регуляції.

Перевірте здобуті знання

1. Чим характеризуються адаптації на молекулярному рівні організації живої матерії? 2. Як процеси адаптацій біологічних систем, що відбуваються на молекулярному рівні, впливають на формування адаптацій на вищих рівнях організації (клітинному, організмовому тощо)? 3. Наведіть приклади біохімічних адаптацій та схарактеризуйте їх. 4. Поясніть суть явища «молекулярна мімікрія». Яке його значення для еволюції паразитичних організмів? 5. Які основні напрями адаптацій біологічних систем, що формуються на молекулярному рівні?

Поміркуйте

Як набір травних ферментів може вплинути на подальшу еволюцію організмів?