АДАПТАЦИЯ | Энциклопедия Кругосвет
Содержание статьи- Генетическая основа.
- Питание.
- Защита.
- Размножение.
- Расселение.
АДАПТАЦИЯ, в биологии – развитие любого признака, который способствует выживанию вида и его размножению. Адаптации могут быть морфологическими, физиологическими или поведенческими.
Морфологические адаптации включают изменения формы или строения организма. Пример такой адаптации – твердый панцирь черепах, обеспечивающий защиту от хищных животных. Физиологические адаптации связаны с химическими процессами в организме. Так, запах цветка может служить для привлечения насекомых и тем самым способствовать опылению растения. Поведенческая адаптация связана с определенным аспектом жизнедеятельности животного. Типичный пример – зимний сон у медведя. Большинство адаптаций представляет собой сочетание перечисленных типов. Например, кровососание у комаров обеспечивается сложной комбинацией таких адаптаций, как развитие специализированных частей ротового аппарата, приспособленных к сосанию, формирование поискового поведения для нахождения животного-жертвы, а также выработка слюнными железами специальных секретов, которые предотвращают свертывание высасываемой крови.
Все растения и животные постоянно адаптируются к окружающей среде. Чтобы понять, как это происходит, необходимо рассматривать не только животное или растение в целом, но и генетическую основу адаптации.
Генетическая основа.
У каждого вида программа развития признаков заложена в генетическом материале. Материал и закодированная в нем программа передаются от одного поколения другому, оставаясь относительно неизменными, благодаря чему представители того или иного вида выглядят и ведут себя почти одинаково. Однако в популяции организмов любого вида всегда присутствуют небольшие изменения генетического материала и, следовательно, вариации признаков отдельных особей. Именно из этих разнообразных генетических вариаций процесс приспособления отбирает те признаки или благоприятствует развитию таких признаков, которые в наибольшей степени увеличивают шансы на выживание и тем самым на сохранение генетического материала. Адаптация, таким образом, может рассматриваться как процесс, посредством которого генетический материал повышает свои шансы на сохранение в последующих поколениях.
С этой точки зрения, каждый вид олицетворяет собой успешный способ сохранения определенного генетического материала.
Чтобы передать генетический материал, особь любого вида должна иметь возможность питаться, дожить до периода размножения, оставить потомство и затем распространить его на возможно большей территории.
Питание.
Все растения и животные должны получать из окружающей среды энергию и различные вещества, прежде всего кислород, воду и неорганические соединения. Почти все растения используют энергию Солнца, трансформируя ее в процессе фотосинтеза. Животные получают энергию, питаясь растениями или другими животными.
Каждый вид определенным образом приспособлен к тому, чтобы обеспечивать себя питанием. Ястребы имеют острые когти для захватывания добычи, а расположение глаз в передней части головы позволяет им оценить глубину пространства, что необходимо для охоты при полете на большой скорости. У других птиц, например цапель, развились длинные шея и ноги. Они добывают пищу, осторожно бродя по мелководью и подстерегая зазевавшихся водных животных.
Дарвиновы вьюрки – группа близкородственных видов птиц с Галапагосских островов – представляют классический пример высокоспециализированной адаптации к разным способам питания. Благодаря тем или иным адаптивным морфологическим изменениям, в первую очередь в строении клюва, одни виды стали зерноядными, другие – насекомоядными.
Если обратиться к рыбам, то хищники, например акулы и барракуды, имеют острые зубы для поимки добычи. Другие, например мелкие анчоусы и сельди, добывают мелкие частицы пищи путем фильтрации морской воды через гребневидные жаберные тычинки.
У млекопитающих прекрасным примером адаптации к типу питания служат особенности строения зубов. Клыки и коренные зубы у леопардов и других кошачьих исключительно остры, что позволяет этим животным удерживать и разрывать тело жертвы. У оленей, лошадей, антилоп и других пастбищных животных большие коренные зубы имеют широкие ребристые поверхности, приспособленные для пережевывания травы и иной растительной пищи.
Разнообразные способы получения питательных веществ можно наблюдать не только у животных, но и у растений.
Многие из них, в первую очередь бобовые – горох, клевер и другие – развили симбиотические, т.е. взаимовыгодные, отношения с бактериями: бактерии переводят атмосферный азот в химическую форму, доступную для растений, а растения предоставляют бактериям энергию. Насекомоядные растения, такие, как саррацения и росянка, получают азот из тел насекомых, пойманных ловчими листьями.
Защита.
Окружающая среда состоит из живых и неживых компонентов. Живое окружение любого вида включает животных, питающихся особями этого вида. Адаптации хищных видов направлены на эффективную добычу пищи; виды-жертвы приспосабливаются, чтобы не стать добычей хищников.
Многие виды – потенциальные жертвы – имеют защитную или маскирующую окраску, которая скрывает их от хищников. Так, у некоторых видов оленей пятнистая шкура молодых особей незаметна на фоне чередующихся пятен света и тени, а зайцев-беляков трудно различить на фоне снежного покрова. Длинные тонкие тела насекомых-палочников тоже трудно увидеть, потому что они напоминают сучки или веточки кустов и деревьев.
У оленей, зайцев, кенгуру и многих других животных развились длинные ноги, позволяющие им убегать от хищников. Некоторые животные, например опоссумы и свиномордые ужи, даже выработали своеобразный способ поведения – имитацию смерти, которая повышает их шансы на выживание, поскольку многие хищники не едят падали.
Некоторые виды растений покрыты шипами или колючками, отпугивающими животных. Многие растения имеют отвратительный для животных вкус.
Факторы окружающей среды, в частности климатические, нередко ставят живые организмы в трудные условия. Например, животным и растениям часто приходится приспосабливаться к крайним значениям температуры. Животные спасаются от холода, используя изолирующий мех или перья, мигрируя в места с более теплым климатом или впадая в зимнюю спячку. Большинство растений переживает холода, переходя в состояние покоя, эквивалентное спячке у животных.
В жару охлаждение животного происходит за счет потоотделения или частого дыхания, увеличивающего испарение.
Некоторые животные, в особенности пресмыкающиеся и земноводные, способны впадать в летнюю спячку, которая по сути аналогична зимней, но вызвана жарой, а не холодом. Другие просто ищут прохладное место.
Растения могут до некоторой степени поддерживать свою температуру, регулируя интенсивность испарения, которое имеет то же охлаждающее действие, что и потоотделение у животных.
Размножение.
Критическим этапом в обеспечении непрерывности жизни является размножение – процесс, в ходе которого происходит передача генетического материала следующему поколению. Размножение имеет два важных аспекта: встречу разнополых особей для обмена генетическим материалом и выращивание потомства.
К числу адаптаций, обеспечивающих встречу особей разного пола, относится звуковая коммуникация. У некоторых видов большую роль в этом смысле играет обоняние. Например, котов сильно привлекает запах кошки в период течки. Многие насекомые выделяют т.н. аттрактанты – химические вещества, привлекающие особей противоположного пола.
Запахи цветков являются эффективной адаптацией растений для привлечения насекомых-опылителей. Некоторые цветки сладко пахнут и привлекают питающихся нектаром пчел; другие пахнут отвратительно, привлекая мух, питающихся на падали.
Зрение тоже очень важно для встречи особей разного пола. У птиц брачное поведение самца, его пышные перья и яркая окраска привлекают самку и подготавливают ее к копуляции. Окраска цветка у растений часто указывает, какое животное необходимо для опыления этого растения. Например, цветки, опыляемые колибри, окрашены в красный цвет, который привлекает этих птиц.
Многие животные выработали способы защиты своего потомства в начальный период жизни. Большинство адаптаций такого рода относятся к поведенческим и включают такие действия одного или обоих родителей, которые повышают шансы на выживание детенышей. Большинство птиц строит гнезда, характерные для каждого вида. Однако некоторые виды, например воловья птица, откладывают яйца в гнезда других видов птиц и вверяют детенышей родительской заботе вида-хозяина.
У многих птиц и млекопитающих, а также у некоторых рыб имеется период, когда один из родителей идет на большой риск, беря на себя функцию защиты потомства. Хотя такое поведение иногда грозит гибелью родителю, оно обеспечивает безопасность потомства и сохранение генетического материала.
Целый ряд видов животных и растений использует иную стратегию размножения: они производят на свет огромное число потомков и оставляют их незащищенными. В этом случае низкие шансы на выживание у отдельной подрастающей особи оказываются сбалансированы многочисленностью потомства. См. также РАЗМНОЖЕНИЕ.
Расселение.
Большинство видов выработало механизмы для удаления потомства от тех мест, где оно появилось на свет. Этот процесс, называемый расселением, увеличивает вероятность того, что потомство будет подрастать на еще не занятой территории.
Большинство животных просто избегает мест, где слишком сильна конкуренция. Однако накапливаются свидетельства в пользу того, что расселение обусловлено генетическими механизмами.
Многие растения приспособились к распространению семян с помощью животных. Так, соплодия дурнишника имеют на поверхности крючочки, которыми они цепляются за шерсть проходящих мимо животных. Другие растения образуют вкусные мясистые плоды, например ягоды, которые поедаются животными; семена проходят через пищеварительный тракт и неповрежденными «высеваются» в другом месте. Для распространения растения используют и ветер. Например, ветром переносятся «пропеллеры» семян клена, а также семена ваточника, имеющие хохолки из тонких волосков. Степные растения типа перекати-поле, приобретающие к моменту созревания семян шарообразную форму, перегоняются ветром на большие расстояния, по пути рассеивая семена.
Выше были приведены лишь некоторые наиболее яркие примеры адаптаций. Однако практически каждый признак любого вида является результатом адаптации. Все эти признаки составляют гармоничную совокупность, что позволяет организму успешно вести свой особый образ жизни. Человек во всех его признаках, от структуры головного мозга до формы большого пальца на ноге, является результатом адаптации.
Адаптивные признаки способствовали выживанию и размножению его предков, имевших те же самые признаки. В целом концепция адаптации имеет большое значение для всех направлений биологии. См. также НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ.
Адаптации организмов к условиям обитания
В процессе эволюции в результате естественного отбора и борьбы за существование возникают приспособления (адаптации) организмов к определенным условиям обитания. Сама эволюция является по существу непрерывным процессом образования адаптаций, происходящим по следующей схеме: интенсивность размножения —> борьба за существование —> избирательная гибель —> естественный отбор —> приспособленность.
Адаптации затрагивают разные стороны жизненных процессов организмов и поэтому могут быть нескольких типов.
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.).
Маскировка
Суть маскировки в том, что форма тела и его окраска делают животных похожими на листья, сучки, ветви, кору или колючки растений. Часто встречается у насекомых, обитающих на растениях.
Предостерегающая или угрожающая окраска
Некоторые виды насекомых, имеющих ядовитые или пахучие железы, имеют яркую предостерегающую окраску. Поэтому хищники, однажды столкнувшиеся с ними, надолго запоминают эту окраску и больше не нападают на таких насекомых (например, осы, шмели, божьи коровки, колорадские жуки и ряд других).
Мимикрия
Мимикрия — это окраска и форма тела у безобидных животных, подражающие их ядовитым собратьям.
Например, некоторые не ядовитые змеи похожи на ядовитых. Цикады и сверчки напоминают крупных муравьев. У некоторых бабочек на крыльях имеются крупные пятна, напоминающие глаза хищников.
Физиологические адаптации
Этот тип адаптаций связан с перестройкой обмена веществ у организмов. Например, появление теплокровности и терморегуляции у птиц и млекопитающих. В более простых случаях — это приспособление к определенным формам пищи, солевому составу среды, высоким или низким температурам, влажности или сухости почвы и воздуха и т. п.
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)
Поведенческие адаптации
Данный тип адаптаций связан с изменением поведения в тех или иных условиях. Например, забота о потомстве приводит к лучшему выживанию молодых животных и повышает устойчивость их популяций.
В брачные периоды многие животные образуют отдельные семьи, а зимой объединяются в стаи, что облегчает их пропитание или защиту (волки, многие виды птиц).
Приспособления к периодическим факторам среды
Это адаптации к факторам среды, имеющим определенную периодичность в своем проявлении. К этому типу относятся суточные чередования периодов активности и отдыха, состояния частичного или полного анабиоза (сбрасывание листьев, зимние или летние диапаузы животных и др.), миграции животных, вызванные сезонными изменениями и т. п.
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.
Относительный характер адаптаций
Все приспособления целесообразны лишь для определенных условий, в которых они выработались. При изменении этих условий адаптации могут потерять свою ценность или даже принести вред имеющим их организмам. Белая окраска зайцев, хорошо защищающая их на снегу, становится опасной при малоснежных зимах или сильных оттепелях.
Относительный характер адаптаций хорошо доказывают и данные палеонтологии, свидетельствующие о вымирании больших групп животных и растений, не переживших изменение условий жизни.
7.2 Типы адаптации – Введение в эволюцию и поведение человека
Как только происходит адаптация, она обычно делится на один из трех основных типов: структурный, физиологический или поведенческий.
Мы распаковываем их ниже.
Структурные адаптации
— это те, которые изменяют физические, внешние черты организма или вида. Структурная адаптация может привести к тому, что животное будет летать, плавать быстрее, дольше бегать или станет более способным охотиться на добычу.
Все мы видели, как кошачьи глаза светятся в темноте или отражают вспышку света. Это зеленое, голубое или золотое свечение глаз является результатом структурной адаптации, называемой тапетум лусидум. Этот отражающий слой находится в глазах многих ночных животных и сумеречных охотников. Отражая видимый свет от глаза к глазу, Tapetum lucidum помогает этим животным лучше видеть в темноте.
Haplorrhines потеряли Tapetum Lucidum в обмен на острое цветовое зрение. Поскольку большинство хаплорин добывают корм днем, им больше не требовалось усиление света, чтобы видеть ночью. Вместо этого это пространство было заполнено дополнительными фоторецепторами, позволяющими нам видеть мельчайшие различия в цвете фруктов и других потенциальных источников пищи, давая нам знать, созрел ли продукт для употребления или может вызвать у нас заболевание.
Глаза оранжевого табби отливают золотом в ответ на вспышку света в тускло освещенном помещении.
Другим примером структурной адаптации является перепончатая лапа утки. В какой-то момент эволюционной истории у предков этих водоплавающих птиц возникла мутация перепончатых лап. Эта мутация увеличила скорость и точность плавания и ныряния, и в конечном итоге была выбрана как черта. Структурная адаптация остается ценной для многих уток, гусей и других видов водоплавающих птиц.
Перепончатые лапы утки являются примером структурной адаптации. Хотя изначально это не было необходимо для жизни, предки уток, у которых развилась мутация перепончатых лап, были более успешными пловцами. Вероятно, это позволило им заполнить экологическую нишу в воде.
Физиологические адаптации
вызывают изменения в химическом составе тела, обмене веществ или других внутренних процессах, имеющих решающее значение для выживания и размножения. Они могут включать, но не ограничиваться, токсины, вырабатываемые некоторыми растениями, гормоны, такие как окситоцин, которые способствуют установлению связей и общительности, а также изменения в пищеварительном микробиоме, которые позволяют видам есть определенные продукты.
Типичным примером физиологической адаптации является четырехкамерный желудок большинства . Эти многокамерные желудки, состоящие из рубца, ретикулума, омасума и сычуга, позволяют жвачным животным переваривать низкокачественные растительные источники (например, траву, сено) и при этом извлекать из пищи наибольшее количество калорий, витаминов и минералов. это проходит впустую. Это происходит посредством процесса ферментации, которому помогает микробиом желудка жвачных животных, в результате чего образуются ценные жирные кислоты, витамины группы В, витамин К и аминокислоты.
Большинство людей думают о коровах, говоря о жвачных животных. Однако важно знать, что есть много жвачных животных, включая овец и коз, оленей, антилоп, лосей, верблюдов и альпак. Также важно отметить, что жвачные животные не имеют нескольких желудков. Скорее, у них есть один желудок с несколькими отделениями, каждое из которых способствует процессу переваривания пищи.
Рисунок 7.
1: На этом изображении показаны четыре отдела желудка коровы.Поведенческие адаптации
И последнее, но не менее важное: . Поведенческая адаптация изменяет то, как организм действует, ведет себя или взаимодействует с окружающей средой. Существует множество примеров поведенческих адаптаций, от пения птиц и китов до японских макак, которые моют сладкий картофель в близлежащей воде, прежде чем съесть его.
Поведенческие адаптации повсюду. Животные, которые скорее прячутся от хищников, чем сталкиваются с опасностью, выражают поведенческую адаптацию к осторожности. Волчата, которые приветствуют своих старших, облизывая морды, извиваясь и тявкая, делают это, потому что это приветствие укрепляет их отношения и побуждает взрослых волков отрыгивать завтрак для молодых. Даже тот факт, что вы сидите где-то перед своим компьютером и читаете эту главу, является поведенческой адаптацией — мы доберемся до этого через минуту.
В следующем видео рассказывается, как песни китов различаются в зависимости от популяции.
Тем не менее, эта вариация не статична. Когда разные стаи китов встречаются друг с другом, они делятся частями своих песен. Эти новые строки могут быть включены в существующую песню, что приведет к своего рода «сэмплированию» музыки друг друга. Это пример поведенческой адаптации, которая остается текучей к экологическим и социальным взаимодействиям. Мы могли бы даже назвать это «
Адаптация и выживание
Любое количество характеристик может варьироваться среди особей данного вида — некоторые из них могут быть крупнее, мохнатее, лучше бороться с инфекциями или иметь меньшие уши. Эти характеристики в значительной степени определяются их генами, которые передаются от родителей и впоследствии передаются их собственному потомству. Некоторые из этих характеристик или черт обеспечивают конкурентные преимущества, такие как скорость, сила или привлекательность.
Структурные и поведенческие адаптации
Адаптация может быть структурной, то есть физической частью организма. Адаптация также может быть поведенческой, влияющей на то, как организм реагирует на окружающую среду.
Пример структурной адаптации – то, как некоторые растения приспособились к жизни в сухих жарких пустынях. Растения, называемые суккулентами, приспособились к этому климату, накапливая воду в своих коротких толстых стеблях и листьях.
Сезонная миграция — пример поведенческой адаптации. Серые киты ( Eschrichtius robustus ) ежегодно мигрируют на тысячи километров, переплывая летом из холодного Северного Ледовитого океана в теплые воды у побережья Мексики на зиму. Детеныши серых китов рождаются в теплых южных водах, а затем перемещаются группами, называемыми стаями, в богатые питательными веществами воды Арктики.
Адаптации, развивающиеся в ответ на одну проблему, иногда помогают или используются для решения другой. Перья, вероятно, были первым приспособлением для осязания или регулирования температуры. Позже перья стали длиннее и жестче, позволяя планировать, а затем и летать. Такие признаки называются экзаптациями.
Некоторые черты, с другой стороны, теряют свою функцию, когда другие приспособления становятся более важными или когда меняется окружающая среда. Свидетельства этих черт остаются в рудиментарной форме – уменьшены или бесфункциональны. У китов и дельфинов есть рудиментарные кости ног, остатки приспособления (ноги), которые их предки использовали для ходьбы.
Среда обитания
Адаптации часто развиваются в ответ на изменение среды обитания организмов.
Знаменитым примером приспособления животных к изменениям окружающей среды является английская плодожорка ( Biston betularia ). До 19 века самый распространенный вид этой бабочки был кремового цвета с более темными пятнами.
Несколько перченых мотыльков были серыми или черными.
Промышленная революция изменила окружающую среду, изменился и внешний вид перцовой моли. Мотыльки более темного цвета, встречавшиеся редко, начали размножаться в городской атмосфере. Их сажевый цвет сливался с деревьями, запачканными промышленными загрязнениями. Птицы также не могли видеть темных бабочек, поэтому вместо них они ели кремовых бабочек. Мотыльки кремового цвета начали возвращаться после того, как Великобритания приняла законы, ограничивающие загрязнение воздуха.
Видообразование
Иногда развивается адаптация или набор адаптаций, которые разделяют один вид на два. Этот процесс известен как видообразование.
Сумчатые в Океании являются примером адаптивной радиации, типа видообразования, при котором виды развиваются, чтобы заполнить множество пустых экологических ниш. Сумчатые, млекопитающие, вынашивающие своих развивающихся детенышей в сумках после непродолжительной беременности, прибыли в Океанию до того, как земля отделилась от Азии.
Цихлиды, обитающие во многих африканских озерах, демонстрируют другой тип видообразования, симпатрическое видообразование. Симпатрическое видообразование противоположно физической изоляции. Это происходит, когда виды разделяют одну и ту же среду обитания. Адаптация позволила сотням разновидностей цихлид жить в озере Малави. Каждый вид цихлид имеет уникальную специализированную диету: один вид цихлид может питаться только насекомыми, другой может питаться только водорослями, третий может питаться только другой рыбой.
Коадаптация
Организмы иногда адаптируются с другими организмами и к ним.
Это называется коадаптацией. Некоторые цветы производят нектар, который нравится колибри. Колибри, в свою очередь, приспособили длинные тонкие клювы, чтобы извлекать нектар из определенных цветов. Когда колибри идет на кормежку, она непреднамеренно собирает пыльцу с пыльников цветов, которая оседает на рыльце следующих цветов, которые она посещает. В этих отношениях колибри получает пищу, а пыльца растений распространяется. Коадаптация полезна для обоих организмов.
Мимикрия — еще один вид коадаптации. В мимикрии один организм приспособился быть похожим на другой. Безобидная королевская змея (иногда называемая молочной змеей) адаптировала цветовой узор, напоминающий смертоносную коралловую змею. Эта мимикрия удерживает хищников от королевской змеи.
Мимический осьминог ( Thaumoctopus mimicus ) имеет как поведенческие, так и структурные адаптации. Этот вид осьминогов может копировать внешний вид и движения других животных, таких как морские змеи, камбалы, медузы и креветки.
