29.Формування адаптацій на молекулярному, клітинному та організмовому рівнях організації.

29

1.Формування адаптацій на молекулярному  рівні  організації.

Саме на молекулярному рівні зберігається та реалізується спадкова інформація, яка й визначає адаптивні властивості організмів (про це стверджує правило відповідності умов середовища мешкання генетичній визначеності організму).

Прокаріоти мають лише одну молекулу ДНК у ядерній зоні (нуклеоїді). 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 зміною їхньої активності. Зокрема, це стосується складу та активності травних ферментів. Одного з най-чарівніших денних метеликів нашої фауни – поліксену, занесеного до Червоної книги Украни. Гусінь цього метелика  може споживати листки рослин лише одного роду – Хвилівника. У неї немає ферментів, які б перетравлювали тканини інших рослин. 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.

Існують організми, які можуть споживати різні типи їжі. У тварин такі види називають поліфагами (від грец. поліс – багато та фагейн – їсти). 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.

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 і поліпептидних «антифризів» у морських кісткових риб надала їм змогу зберігати активність за від’ємних температур (серед льодовиків чи на великих глибинах).

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

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

Отже, основні напрями адаптацій на молекулярному рівні такі:

. 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.

2. Формування адаптацій на клітинному рівні організації.

Адаптації, пов’язані з морфологічними змінами клітин. Функціонування будь-якої клітини залежить від взаємодії різних її структурних компонентів. Наведемо деякі приклади. Ви знаєте, що є одноклітинні еукаріоти, які можуть існувати як в аеробних умовах, так і в анаеробних. Для аеробних організмів енергетичний обмін відбувається в три етапи: підготовчий, безкисневий(анаеробний) та кисневий (аеробний).

             У забезпеченні аеробного етапу енергетичного обміну провідна роль належить мітохондріям, у яких синтезується більша частина молекул АТФ. Але коли одноклітинні еукаріоти мешкають в анаеробних умовах, мітохондрії втрачають своє функціональне значення. Тому в клітинах анаеробних еукаріотів, таких як деякі вільноживучі амеби, інфузорії чи паразитичні види (наприклад, паразит людини – трихомонада), мітохондрій немає. Замість них є інші органели – гідрогеносоми, які беруть участь в енергетичному обміні анаеробних одноклітинних еукаріотів. Вони оточені двома мембранами, внутрішня з яких утворює виступи, які дещо нагадують кристи мітохондрій. Унаслідок анаеробних біохімічних процесів, які відбуваються в гідрогеносомах, звільняється енергія, яка при цьому використовується для синтезу молекул АТФ.

Паразит людини трипаносома має джгутик, який спрямований до заднього кінця клітини та сполучається з її тілом за допомогою тонкої мембрани. Ця мембрана є адаптацією до пересування у в’язкому середовищі, наприклад плазмі крові. Цікаво, що в організмі переносника – мухи цеце – клітини трипаносоми не мають такої мембрани. Так паразит адаптується до перебування в різних середовищах, змінюючи будову клітини.

Унаслідок адаптацій до здійснення певних функцій може змінюватись і будова деяких типів клітин еукаріотів. Ви вже знаєте, що еритроцити більшості видів ссавців не мають ядра. Разом з ядром дозрілі еритроцити втрачають і більшість органел, зокрема мітохондрії. Відсутність органел дає змогу еритроцитам ссавців мати більший об’єм гемоглобіну та транспортувати більший об’єм кисню. Але відсутність мітохондрій унеможливлює здійснення в цих клітинах кисневого(аеробного) етапу енергетичного обміну. Тому дозрілий еритроцит ссавців задовольняє свої обмежені енергетичні потреби лише за рахунок анаеробного гліколізу.

Цікавим прикладом зміни будови клітини одноклітинних еукаріотів залежно від умов мешкання є неглерія (пригадайте, до якого царства належить цей амебоподібний організм). Неглерії трапляються у прісних водоймах з підвищеною температурою води (+25…+30С), навіть у гарячих джерелах з температурою води до +45 .С. Зазвичай неглерія мешкає біля дна та пересувається за допомогою псевдоподій. За їхньою допомогою вона й живиться клітинами бактерій. Але якщо умови життя погіршуються – змінюється йонний склад води, активуються певні гени, й клітина перебудовується. У неглерії з’являються два джгутики, і вона набуває здатності швидко плавати. Завдяки цьому неглерія може залишати несприятливу ділянку водойми і мігрувати до ділянок зі сприятливими умовами. Там вона втрачає джгутики й набуває здатності до розмноження (джгутикова форма не розмножується).

Адаптацією до мешкання в прісних водоймах є поява в процесі еволюції в одноклітинних еукаріотів скоротливої вакуолі. Ви вже знаєте, що завдяки роботі скоротливої вакуолі в клітині підтримується відносно постійний тиск – здійснюється осморегуляція. Що менша концентрація солей у воді, яка оточує клітину, то швидше скорочується ця органела(поміркуйте чому).

Важливою адаптацією багатьох одноклітинних прокаріотів є здатність формувати стадії спокою – цисти та спори. Спори вкриті щільнішою оболонкою, ніж цисти, тому вони стійкіші до дії несприятливих умов середовища мешкання. Цисти прокаріотів стійкі до висушування, дії опромінювання, але не витримують дії високих температур. Спори та цисти можуть формувати й різні представники еукаріотів: водорості, гриби, одноклітинні тварини.

Адаптації у вигляді функціональних змін клітин тісно пов’язані зі змінами на молекулярному рівні. Наприклад, прокаріоти, які опинилися в умовах промислового забруднення, можуть змінювати активність своїх ферментних систем. Це дає змогу засвоювати нові сполуки, задовольняючи свої метаболічні потреби. Зміни в активності ферментів дають можливість мешкати в ширшому діапазоні умов й еукаріотам. У клітинах багатоклітинних тварин за несприятливих умов можуть посилюватись інтенсивність процесів метаболізму, змінюватися будова плазматичних мембран, які забезпечують процеси транспорту різних йонів і сполук як усередину клітини, так і з клітини назовні. У клітинах, де переважають процеси біосинтезу, зокрема білків, краще розвинена ендоплазматична сітка. Те саме стосується і кількості рибосом у клітині.

Запам’ятаємо. Адаптації на клітинному рівні насамперед пов’язані зі змінами активності процесів пластичного та енергетичного обмінів. Оскільки більшість процесів метаболізму в клітині відбуваються з витратами енергії, основним напрямом адаптацій є підтримання синтезу молекул АТФ на рівні, потрібному для функціонування як окремих клітин, так і всього організму.

У багатоклітинних організмів адаптації на клітинному рівні слугують основою для формування адаптацій на більш високому рівні організації – тканин, органів, систем органів і цілісного організму.

3.Формування адаптацій на організмовому  рівні  організації.

Адаптації на організмовому рівні спрямовані на відповідність будови та життєвих функцій організмів середовищу їхнього мешкання.

Фази адаптаційного процесу на організмовому рівні.

У процесі формування адаптацій на організмовому рівні (на прикладі багатоклітинних тварин) виділяють три фази.

Початкова фаза адаптаційного процесу – це звикання організму до короткочасної дії певних чинників. Наприклад, у ссавців, коли вони потрапляють в умови зі зниженим вмістом кисню в атмосфері (як-от в умовах високогір’я), рефлекторно інтенсифікуються дихальні рухи та посилюється кровообіг.

          Наступна фаза – перехід до стійкої адаптації – здійснюється за умов тривалого впливу певного чинника або комплексного впливу різних чинників. Вона є функціональною адаптацією, бо під впливом певних подразників в організмі відбуваються

фізіологічні зміни. Адаптаційні процеси можуть зачіпати будь-які рівні організації організму: клітини, тканини, органи, системи органів.

Реалізація третьої фази – стійкої довготривалої адаптації – можлива лише за багаторазового або тривалого впливу на організм певних чинників. При цьому мобілізуються функціональні системи, сформовані раніше, й настають морфологічні зміни органів і систем органів. Ознаками досягнення певної адаптації організму є якісно новий його стан, для якого характерно підвищена стійкість до впливу несприятливих факторів та раціональне витрачання енергії.

Класифікація адаптацій на організмовому рівні.

Адаптації, які формуються на організмовому рівні організації, забезпечують отримання потрібних ресурсів, дають змогу пристосовуватись до змін навколишнього середовища, ефективно захищатись від природних ворогів, розмножуватись, заселяти нові території.

*Морфологічні адаптації пов’язані зі змінами будови або забарвлення організмів. Це, наприклад, такі захисні адаптації тварин, як криптизм, мімікрія та мімезія.

 Криптизм (від грец. криптос – прихований) – здатність організмів набувати певного забарвлення, яке робить їх непомітними або малопомітними на тлі предметів навколишнього середовища.

Мімікрія – здатність наслідувати забарвлення чи форму добре захищених тварин.

Мімезія – здатність тварин у разі небезпеки нагадувати за формою або забарвленням неїстівні предмети(сухі гілки, камінці тощо). У рослин мімезія полягає у виробленні окремих пристосувань, які нагадують ознаки моделі. Так, у деяких рослин квітки не мають нектарників, однак приваблюють запилювачів, нагадуючи квітки гарних нектароносіїв.

Явище, коли забарвлення і поведінка тварин роблять їх помітними на тлі довкілля, має назву демонстрація. Наприклад, яскраво забарвлені отруйні (колорадський жук, сонечка – їхня гемолімфа містить отруйні сполуки) або жалоносні (оси, бджоли) комахи сигналізують потенціальному ворогу про небезпечність контактів з ними.

*Фізіологічні адаптації насамперед спрямовані на підтримання гомеостазу організму й пов’язані зі змінами функціонування окремих органів, систем органів або з формуванням функціональних систем. Вони забезпечують швидку реакцію організму на зміни у зовнішньому або внутрішньому середовищі й так само швидко зникають, коли дія певного чинника припиняється.

Отже, фізіологічні адаптації насамперед пов’язані зі змінами процесів метаболізму: травлення, газообміну, кровообігу, виділення тощо. Це забезпечує підтримання стабільного обміну речовин і тривале існування в змінених умовах довкілля, а також одержання потомства.

*Онтогенетичні адаптації спрямовані на підтримання рівноваги між організмами та середовищем їхнього мешкання. Вони дають змогу реалізувати норму адаптивної реакції в умовах, у яких ця норма реакції склалася в процесі еволюції. Коли вплив факторів середовища на біологічну систему перевищує норму адаптивної реакції, вона втрачає здатність до адаптації. Норма адаптивної реакції – це межі, у яких біологічна система може змінюватися під впливом факторів середовища без порушень її цілісності та здатності саморегулювання.

*Адаптацію, набуту в процесі онтогенезу організму при його взаємодії з навколишнім середовищем, називають фенотиповою адаптацією.

 *Адаптації, потрібні для здійснення онтогенезу (індивідуального розвитку), можуть закріплюватись у процесі історичного розвитку виду (філогенезу). Такі філогенетичні адаптації формуються протягом життя багатьох поколінь. Це насамперед ароморфози (наприклад, виникнення вторинних яйцевих оболонок у рептилій, птахів або ссавців, плаценти у ссавців, фаза лялечки у комах, що розвиваються з повним перетворенням) та ідіоадаптації(як-от, розвиток яйцевого зуба для розрізання шкаралупи в дитинчат крокодилів, черепах, пташенят).

*Етологічні адаптації пов’язані зі зміною поведінки особин. Ви пам’ятаєте, що поведінка тварин або людини пов’язана з реалізацією інстинктів (які становлять собою ланцюг взаємопов’язаних безумовних рефлексів, спрямованих на здійснення певної життєвої функції: полювання на здобич, захист від ворогів тощо) та умовних рефлексів. Приклад етологічної адаптації: представники вищих раків – лангусти – здійснюють далекі міграції, шикуючись у довгі шеренги таким чином, що кожен наступний лангуст торкається вусиками попереднього; особини, які тримаються останніми, в разі небезпеки прямують до хижаків і викликають атаку на себе; це дає можливість вижити більшій частині групи та продовжити міграцію.

*У людини спостерігають соціальні адаптації – процеси активного пристосування індивіда до умов соціального середовища – сукупності економічних, соціальних, політичних, духовних умов існування, формування та діяльності як окремих індивідуумів, так і соціальних груп. Пристосованість будь-якого організму до умов середовища мешкання досягається за рахунок цілого комплексу адаптацій. При цьому що складніше організовані організми, то численніші та різноманітніші їхні адаптації.