Адаптации (приспособления) организмов к условиям среды

Адаптация – это приспособление организма к условиям среды за счет комплекса морфологических, физиологических, и поведенческих признаков.

Разные организмы приспосабливаются к различным условиям среды, и в результате появляются влаголюбы-гидрофиты и «сухотерпцы»-ксерофиты (рис. 6); растения засоленных почв – галофиты; растения, устойчивые к затенению (сциофиты), и требующие для нормального развития полного солнечного света (гелиофиты); животные, которые обитают в пустынях, степях, лесах или на болотах, ведут ночной или дневной образ жизни. Группы видов со сходным отношением к условиям среды (то есть живущих в одних и тех же экотопах) называются экологическими группами.

Способности адаптироваться к неблагоприятным условиям у растений и животных различаются. В силу того, что животные подвижны, их адаптации более разнообразны, чем у растений. Животные могут:

– избегать неблагоприятных условий (птицы от зимней бескормицы и холода улетают в теплые края, олени и другие копытные кочуют в поисках корма и т.д.);

– впадать в анабиоз – временное состояние, при котором жизненные процессы настолько замедлены, что почти полностью отсутствуют их видимые проявления (оцепенение насекомых, спячка позвоночных животных и др.);

– приспосабливаться к жизни в неблагоприятных условиях (от мороза их спасают шерстный покров и подкожный жир, у пустынных животных есть приспособления для экономного расходования воды и охлаждения и т.д.). (Рис. 7).

Растения малоподвижны и ведут прикрепленный образ жизни. Поэтому у них возможны лишь два последних варианта адаптаций. Так, для растений характерно снижение интенсивности процессов жизнедеятельности в неблагоприятные периоды: они сбрасывают листья, зимуют в виде погребенных в почву покоящихся органов – луковиц, корневищ, клубней, сохраняются в состоянии семян и спор в почве. У моховидных способностью к анабиозу обладает все растение, которое в сухом состоянии может сохраняться несколько лет.

Устойчивость растений к неблагоприятным факторам повышается за счет специальных физиологических механизмов: изменение осмотического давления в клетках, регулирование интенсивности испарения с помощью устьиц, использование мембран-«фильтров» для избирательного поглощения веществ и др.

Адаптации у разных организмов вырабатываются с разной скоростью. Наиболее быстро они возникают у насекомых, которые за 10–20 поколений могут приспособиться к действию нового инсектицида, чем объясняются неудачи химического контроля плотностипопуляций насекомых-вредителей. Процесс выработки адаптаций у растений или птиц происходит медленно, в течение столетий.

Наблюдаемые изменения в поведении организмов обычно связаны со скрытыми признаками, которые были у них как бы «про запас», но под действием новых факторов проявились и повысили устойчивость видов. Такими скрытыми признаками объясняется устойчивость некоторых видов деревьев к действию промышленного загрязнения (тополь, лиственница, ива) и некоторых сорных видов к действию гербицидов.

В состав одной экологической группы часто входят организмы, которые не похожи друг на друга. Это связано с тем, что к одному и тому же фактору среды разные виды организмов могут адаптироваться по-разному.

Например, по-разному переживают холод теплокровные (их называют эндотермными, от греческих слов эндон – внутри и терме – тепло) и холоднокровные (эктотермные, от греческого эктос – снаружи) организмы. (Рис. 8.)

Температура тела эндотермных организмов не зависит от температуры окружающей среды и всегда более или менее постоянна, ее колебания не превышают 2–4^о даже при самых сильных морозах и самой сильной жаре. Эти животные (птицы и млекопитающие) поддерживают температуру тела внутренним теплообразованием на основе интенсивного обмена веществ. Тепло своего тела они сохраняют за счет теплых «шуб» из перьев, шерсти и др.

Физиологические и морфологические адаптации дополняются приспособительным поведением (выбор защищенных от ветра мест для ночлега, строительство нор и гнезд, групповые ночевки у грызунов, тесные группы пингвинов, согревающих друг друга, и т.д.). Если температура окружающей среды очень высокая, то эндотермные организмы охлаждаются за счет специальных приспособлений, например испарением влаги с поверхности слизистых оболочек ротовой полости и верхних дыхательных путей. (По этой причине в жару у собаки учащается дыхание и она высовывает язык.)

Температура тела и подвижность эктотермных животных зависит от температуры окружающей среды. Насекомые и ящерицы при прохладной погоде становятся вялыми, малоподвижными. Многие виды животных при этом обладают способностью к выбору места с благоприятными условиями температуры, влажности и освещения солнечным светом (ящерицы греются на освещенных плитах горных пород).

Впрочем, абсолютная эктотермность наблюдается только у очень маленьких организмов. Большинство холоднокровных организмов все-таки способно к слабой регуляции температуры тела. Например у активно летающих насекомых – бабочек, шмелей температура тела поддерживается на уровне 36–40^оС даже при температуре воздуха ниже 10^оС.

Аналогично различаются по своему облику виды одной экологической группы у растений. Они также могут приспосабливаться к одним и тем же условиям среды разными способами. Так, разные виды ксерофитов по-разному экономят воду: у одних – имеются толстые оболочки клеток, у других – опушение или восковой налет на листьях. Некоторые ксерофиты (например, из семейства губоцветные) выделяют пары эфирных масел, которые окутывают их как «одеялом», что снижает испарение. Корневая система у одни ксерофитов мощная, уходит в почву на глубину нескольких метров и достигает уровня грунтовых вод (верблюжья колючка), у других – поверхностная, но сильно разветвленная, что позволяет собирать воду осадков.

Среди ксерофитов есть кустарники с очень небольшими жесткими листьями, которые могут сбрасываться в самое сухое время года (карагана кустарниковая в степи, пустынные кустарники), дерновинные злаки с узкими листьями (ковыли, типчак), суккуленты (от латинского суккулентус – сочный). Суккуленты имеют сочные листья или стебли в которых накапливается запас воды, и легко переносят высокие температуры воздуха. К суккулентам относятся американские кактусы и растущий в среднеазиатских пустынях саксаул. Они обладают особым типом фотосинтеза: устьица открываются ненадолго и только в ночное время, в эти прохладные часы растения запасают углекислый газ, а днем используют его для фотосинтеза при закрытых устьицах. (Рис. 9.)

Разнообразие приспособлений к переживанию неблагоприятных условий на засоленных почвах наблюдается и у галофитов. Среди них есть растения, которые способны накапливать соли в своем теле (солерос, шведка, сарсазан), выделять избыток солей на поверхность листьев специальными железками (кермек, тамариксы), «не пускать» соли в свои ткани за счет непроницаемого для солей «корневого барьера» (полыни). В последнем случае растениям приходится довольствоваться малым количеством воды и они имеют облик ксерофитов.

По этой причине не следует удивляться тому, что в одних и тех же условиях встречаются непохожие друг на друга растения и животные, которые приспособились к этим условиям разыми способами.

Контрольные вопросы

1. Что такое адаптация?

2. За счет чего животные и растения могут приспосабливаться к неблагоприятным условиям среды?

2. Приведите примеры экологических групп растений и животных.

3. Расскажите о разных приспособлениях организмов к переживанию одних и тех же неблагоприятных условий среды.

4. В чем различие приспособлений к низким температурам у эндотермных и эктотермных животных?

Биологическая индикация

Живые организмы тесно связаны с условиями среды. И потому о состоянии окружающей среды и ее изменениях – загрязнении, повышении или уменьшении влажности почвы, ее засолении, изменении климата и т.д. часто можно судить по реакции отдельных организмов и их популяций или по видовому составу экосистем.

Оценка среды по состоянию организмов и видовому составу экосистем называется биологической индикацией (биоиндикацией). Достоинство биологической индикации состоит в том, что организмы могут «рассказывать» не только о состоянии среды в данный момент, но и о ее изменении за длительное время. Например, если имел место «залповый» выброс большого количества загрязняющего вещества, то уже спустя несколько часов при наличии ветра он не будет зарегистрирован прибором, а растения «запомнят» этот выброс и «расскажут» о нем.

Кроме того, если предприятие выбрасывает в атмосферу или воду сразу десятки загрязняющих веществ, оценить их влияние на природу порознь часто невозможно. По реакции организмов на загрязнение можно оценить вредоносность всего «комплекта».

Существуют разные биологические индикаторы (биоиндикаторы). О загрязнении окружающей среды можно судить по внешним признакам растений или животных. Благодаря «памяти» этих организмов, можно узнать и о тех факторах, которые в настоящее время уже не действуют. Например, появление черных пятен на листьях липы свидетельствует о том, что в зимнее время дворники чрезмерно увлекались посыпанием снега солью для ускорения его таяния, о выбросах сернистого газа «расскажут» пятна на листьях подорожника большого. О степени загрязнения воздуха можно судить и по состоянию хвои сосны (рис. 10). По ширине годичных колец сосен в окрестностях химического предприятия можно определить, в какие годы завод особенно сильно загрязнял атмосферу. В эти годы закладываются более тонкие кольца. Поскольку на ширину колец влияет также и количество осадков, при биоиндикации используется «контроль» – толщина колец в сходных условиях, но без загрязнения.

Можно достаточно точно определить, сколько солей содержится в почве, если в экосистеме появились растения-индикаторы почвенного засоления: подорожник солончаковатый, шведка, солерос, бодяк бесстебельный, ситник Жерарда и др. (Рис. 11.)

О действии некоторых факторов можно судить по особенностям формы листьев или по высоте растений. Например, тростник, если солей в воде немного, может достигать высоты 4 м, а если вода «пересолена», его побеги не превышают 0,5 м. Можно составить специальную шкалу, и по высоте тростника определять качество воды в водоеме.

Есть растения-индикаторы состояния почв на пашне. Если появились полевица побегообразующая и мята полевая, значит, на пашне застаивается вода; разрослись щавель малый и клевер пашенный – почва стала кислой, и ее надо известковать; появились паслен черный и крапива жгучая – почву «перекормили» азотными удобрениями, и урожай может быть загрязнен нитратами.

По составу растений-сорняков можно оценить и интенсивность применения гербицидов. Например, преобладание среди сорных растений звездчатки средней и овсюга – свидетельство частого применения гербицидов, которых эти виды совсем не боятся. Появление василька синего говорит об обратном. Этот вид, погибает почти от всех гербицидов и при химизации растениеводства исчезает в первую очередь. Подобные оценки можно сделать и по составу беспозвоночных животных в пахотном слое почвы.

Присутствие в водоемах водокраса лягушечьего и тем более наяды, сальвинии (рис. 12) или водяного ореха – показатель высокого качества воды, а массовое развитие роголистника, рдеста плавающего и ряски – признак сильного загрязнения водоема.

Чуткие индикаторы загрязнения атмосферы – некоторые виды мхов и лишайников. Степень задымления городов можно определить по составу лишайников на стволах деревьев. Некоторые виды лишайников исчезают при самом слабом загрязнении атмосферы. Другие – выдерживают относительно высокие концентрации загрязняющих веществ. Лишайники накапливают загрязняющие химические и радиоактивные вещества. Химический анализ слоевищ лишайников позволяет точнее «засечь» появление загрязнения в атмосфере, чем при использовании приборов. (В частности, в Швеции появление радиоактивной пыли от Чернобыльской АЭС было установлено при анализе лишайников.)

Существуют и специальные живые приборы бриометры (от греческого слова бриос – мох) – маленькие коробочки с мхами определенных видов. Бриометры выставляются в разных местах города. За сутки мхи хорошо «запоминают» режим задымления атмосферы. Кроме мхов для этих целей используются и некоторые особо чувствительные растения, например, кресс-салат, который также чутко реагирует на состояние атмосферы.

Конечно, биоиндикация не заменяет химических анализов. Тем не менее, во многих случаях оценивать действие экологических факторов методами биоиндикации очень полезно. Для такой оценки не нужны дорогостоящие приборы, возможно осуществление оперативного наблюдения (мониторинга) за состоянием условий среды, особенно за режимом загрязнения атмосферы, воды и почвы. Эти методы могут использовать школьники.

Контрольные вопросы

1. Что такое биологическая индикация?

2. В чем ее достоинства и недостатки?

3. Какие признаки организмов и экосистем могут использоваться при биологической индикации?

4. Как используются в биологической индикации лишайники и мхи?