ГЛАВА II. ВОЗМОЖНОСТИ АДАПТАЦИИ ОРГАНИЗМОВ

Понятие об адаптации

Во многих случаях структурные и функциональные особенности организма как будто специально рассчитаны на то, чтобы повышать его шансы на успех в соответствующем местообитании. Такие особенности организма называют «адаптацией» или приспособлением к среде. Адаптация к среде отмечена на всех уровнях биологической организации. На поведенческом уровне организмы действуют обычно таким путем, который, по всей видимости, увеличивает их шансы выживание в данной среде и их способность к использованию этой среды. На анатомическом уровне структуры организма часто обнаруживают очевидное соответствие его образу жизни. На физиологическом уровне способы осуществления жизненных функций нередко отражают те внешние условия, с которыми сталкивается данный вид.

Проблема адаптации живых существ к условиям среды обитания является одной из важнейших проблем экологии.

Все живые организмы вынуждены постоянно приспосабливаться к множеству факторов непрерывно изменяющихся условий жизни. Адаптация – приспособление организмов (и видов) к условиям среды является фундаментальным свойством живого. Среда обитания любого живого организма, с одной стороны, медленно и неуклонно изменяется на протяжении жизни многих поколений соответствующего биологического вида, а с другой стороны, она предъявляет организму разнообразные требования, меняющиеся в короткие отрезки индивидуальной жизни.

Процесс адаптации – это приспособление строения и функций организмов к условиям существования. Способность адаптироваться к действию факторов окружающей среды является основным свойством любого живого организма, который обладает для этого целым рядом приспособительных актов. Важнейшими из них являются автоматические и саморегулирующиеся системы. Сюда относятся акты дыхания, деятельность сердечно-сосудистой системы, физико-химические константы тканей, внутренней среды и обмена веществ, саморегулирующиеся биохимические превращения и т.д. Многие из этих приспособительных механизмов появляются на свет уже готовыми: кровообращение, дыхание, противовоспалительные и антиокислительные системы.

В процессе адаптации формируются признаки и свойства, которые оказываются наиболее выгодными для живых существ и благодаря которым организм приобретает способность к существованию к конкретной среде обитания.

Начиная с момента рождения, организм внезапно попадает в совершенно новые для себя условия и вынужден приспособить к ним деятельность всех своих органов и систем. В дальнейшем, в ходе индивидуального развития, факторы, действующие на организм, непрерывно видоизменяются. Иногда они приобретают необычную силу или необычный характер и это требует постоянных функциональных перестроек.

Для любого организма существует оптимальная эндогенная и экзогенная, то есть внутренняя и внешняя экологическая среда. Существует оптимум этой среды, за границами которого биологическая активность снижается.

Адаптация – это все виды врожденной и приобретенной приспособительной деятельности, которые обеспечиваются определенными физиологическими реакциями, протекающими на клеточном, органном, системном и организменном уровнях.

Адаптивные процессы протекают на разных уровнях биологической организации. Простейшими и наиболее древними в филогенезе являются биохимические реакции адаптации. Эти реакции обычно не меняются при стрессорных ситуациях, и так называемая биохимическая адаптация часто является крайним средством, к которому организм прибегает только тогда, когда у него нет поведенческих или физиологических способов избежать неблагоприятного воздействия среды.

На основе этих простейших устойчивых структур и функций в дальнейшем развивались разнообразные системные процессы. Они стали протекать с участием клеток, тканей и функциональных систем.

Приспособление может происходить на уровне клетки, тканей или целого организма, затрагивая форму, размеры и т.п.

Все функциональные системы живого организма очень подвижны, они способны объединяться в системы еще более сложные и служить орудием приспособления. В результате организм приобретает способность очень разнообразно приспосабливаться к среде и создавать новые формы взаимодействия с окружающей средой.

У человека как высшего существа живой природы приспособительные реакции достигли наивысшего совершенства. Однако процесс приспосабливания осуществляется и в настоящее время непрерывно и незаметно для нас.

Мы замечаем эту изменчивость по косвенным показателям, таким, как увеличение средней продолжительности жизни, исчезновении ряда болезней, особенно инфекционных, возникновение новых болезней или изменение течения старых болезненных форм. Это происходит потому, что меняется реактивность организма и появляются новые экологические факторы, в основном техногенного характера. Это может быть связано с появлением новых лекарственных форм и т.д.

Экстремальные условия имеют большое значение для эволюции, так как они повышают изменчивость и способствуют естественному отбору. Бесконечное количество отклонений от нормального состояния организм приспособился выравнивать самым различным образом.

Признаки, способствующие выживанию организма, постепенно усиливаются под действием естественного отбора, пока не будет достигнута максимальная приспособленность к существующим условиям. Организмы в процессе эволюции и естественного отбора вырабатывают наследственно закрепленные особенности, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность в изменившихся экологических условиях, т.е. происходит адаптация.

Впервые общая неспецифическая адаптационная реакция была открыта канадским ученым Гансом Селье в 1936 году. Селье в экспериментах на крысах показал, что если организм подвергается действию сильных агентов различного характера – холоду, хирургическому вмешательству, мышечной нагрузке, интоксикации, то в организме возникает целый ряд изменений в различных органах и системах, характер и направленность которых одинаковы и не зависят от природы повреждающего агента. Стандартные изменения функций многих органов при действии на организм самых разнообразных внешних агентов Селье назвал «Общим Адаптационным Синдромом». Общую реакцию на неблагоприятное действие он назвал реакцией стресса, или реакцию напряжения («stress» – по английски – напряжение), а факторы, вызывающие подобную реакцию организма – стресс-факторами.

Приспособительные реакции физиологического характера обусловлены, главным образом, действием на организм различных внешних агентов малой и средней интенсивности и длительности. Все чрезвычайные раздражители являются патогенными факторами, которые нарушают механизмы саморегуляции функций, резко сужают диапазон уравновешивания организма со средой и тем самым ограничивают способность живых существ поддерживать постоянство своей внутренней среды. Но организм обладает возможностью восстанавливать свою целостность, компенсировать утраченные функции. Особенно важно отметить, что, с точки зрения рефлекторной теории И.П. Павлова, сами патогенные раздражители выступают в качестве стимуляторов таких реакций, которые являются защитно- приспособительными.

Экстремальные условия имеют большое значение и для эволюции, т. к. они повышают изменчивость и способствуют естественному отбору ( существование некоторых микроорганизмов в необычных для жизни средах - нефти, в горных радиоактивных породах, в атомных реакторах, вакууме, при огромных гидростатических давлениях и сверхнизких температурах и т. д. )

Способностью приспосабливаться обладает как организм в целом, так и отдельная клетка. У организма больше возможностей регулировать свои функции, и поэтому, казалось бы, он должен быть устойчивее клетки. Однако вопрос этот очень сложен, так как в большинстве случаев клетки обладают большей устойчивостью к действию неблагоприятных факторов, чем целостный организм. Причины высокой резистентности клеток современных организмов к некоторым экстремальным воздействиям заключаются в том, что при зарождении жизни на Земле и в начальный период её эволюции (до возникновения фотосинтезирующих организмов) протоорганизмы находились и развивались при совершенно иных условиях среды, когда отмечалось наличие высокой ультрафиолетовой и ионизирующей радиации вследствие того, что атмосфера в то время была меньшей защитой от проникновения лучистой энергии солнца. Кроме того, организмы в то время существовали при отсутствии или малом содержании кислорода и, возможно, при резких сменах температур.

По мере появления атмосферного кислорода улучшились условия для развития сложных организмов. Вместе с тем уменьшилась способность этих организмов переносить ультрафиолетовую радиацию и другие экстремальные факторы, хотя отдельные клетки сохранили большую возможность существовать в условиях, неблагоприятных для целых организмов. Устойчивость клеток, например, к ультрафиолетовой радиации, зависит от фермента фотореактивации цитохрома С, который связан с окислительными функциями и обладает определённым спектром поглощения видимого и ультрафиолетового света. Он существует не только в тех клетках, которые обладают аэробным дыханием, но и в тех, которые обладают анаэробным дыханием. Велика устойчивость клеток к охлаждению и замерзанию, а также к другим экстремальным воздействиям, что в значительной степени зависит от соответствующих реакций нуклеиновых кислот и белковых комплексов клетки на эти факторы.

К общим биологическим особенностям клеток и одноклеточных организмов относится их способность к анабиозу, хотя практически у многих из них она не проявляется. Обратимая остановка метаболизма, видимо, имела большое значение при зарождении жизни и на ранних этапах её развития, а в настоящее время играет большую роль тогда, когда организм попадает в экстремальные условия. Этим можно объяснить потенциальную способность большинства клеток, в том числе и высокоорганизованных животных, переносить сверхнизкие температуры, с которыми они сталкивались в течение эволюции. Даже неадаптированные к холоду клетки теплокровных животных могут в среде защитных веществ (глицерин, этиленгликоль и др.) переносить температуру жидких газов вплоть до температуры, близкой к абсолютному нулю.

Для организмов, не обладающих совершенной терморегуляцией (пойкилотермных), характерна способность адаптироваться к неблагоприятным условиям среды путём понижения уровня своего обмена (образование цист покоя, диапауза, спячка), а иногда почти полным его прекращением (приближение к анабиозу при высыхании и замораживании). При этом устойчивость клеток в период зимовки повышается не только к адекватному фактору (низкой температуре), но и к другим воздействиям. Так, мышечная клетка насекомых к осени становится устойчивее не только к отрицательной температуре, но и к солям, спирту и т. д. Все клетки насекомых во время периода покоя становятся устойчивыми к отсутствию кислорода в среде, к различным видам радиации и т. д. Следовательно, адаптация к ведущему фактору – холоду влечёт за собой цепь изменений, имеющих более или менее важное значение для клеток и организма в целом. Такое повышение общей устойчивости особенно необходимо, если организм одновременно подвергается многим экстремальным воздействиям. Анабиотическое или диапаузное повышение устойчивости клеток к действию различных агентов является результатом нескольких метаболических процессов, направленных на повышение клеточной резистентности. Сюда относится повышение устойчивости белковых компонентов клетки к повреждению вследствие накопления в клетках особых защитных веществ, так называемых веществ-денатураторов. Затем при диапаузном состоянии отмечается замена денатурированных белков клетки нативными веществами, а также увеличение ресинтеза белка, которому естественно предшествует увеличение мощности митохондриальной системы и окислительного ресинтеза АТФ. И, наконец, диапаузное или анабиотическое состояние характеризуется усилением в тканях защитных или компенсаторных процессов.

Особенно много данных свидетельствует о наличии в организме насекомых в период диапаузы и зимовки глицерина, который по окончании диапаузы исчезает. Глицерин обладает широко известным антифризным свойством, защищая ткани от повреждающего действия низких температур. Но одновременно глицерин может защищать насекомых и от действия высоких температур. Кроме глицерина, защитным действием обладает и ряд других веществ: некоторые аминокислоты, фракции небелкового азота, сахар, адреналин, АТФ, повышенное содержание белков в гемолимфе и т. д.

Формы адаптации

Существует две формы адаптации: генотипическаяи фенотипическая.

Генотипическая адаптацияформируется на основе наследственности, мутаций и естественного отбора. Это не заранее сформированная адаптация, а возможность необходимых адаптационных реакций под влиянием среды обитания. Генотипическая адаптация способствует формированию фенотипа, защищает организм от встречи с опасными факторами среды. Она передается по наследству.

Фенотипическаяадаптация формируется в процессе взаимодействия конкретного организма с окружающей его средой обитания. Эта форма адаптации не передается по наследству. Каждое новое поколение адаптируется заново к широкому спектру новых факторов, требующих выработки новых специализированных реакций. Это выгодно для сохранения вида.

Механизмом всех форм фенотипической адаптации является взаимосвязь между функцией и генетическим аппаратом. Существуетперекрестная адаптация,когда активная адаптация к одному фактору повышает устойчивость к другим факторам. Например, адаптация к физическим нагрузкам повышает устойчивость организма к недостатку кислорода, тормозит развитие атеросклероза, гипертонической болезни, диабета.

Все многообразие реакций организма на действие различных факторов внешней среды можно разделить на два класса:

1) возникающие сразу после воздействия на организм факторов (кратковременное приспособление)

2) постепенно формирующиеся реакции долговременного приспособления.

Быстро возникающие реакции кратковременной адаптации – это реакции, для осуществления которых во взрослом организме всегда имеются готовые, вполне сформированные механизмы, например, отдергивание конечностей в ответ на боль. Эти реакции реализуются немедленно после начала действия раздражителя.

Долговременная адаптация включает реакции, для осуществления которых в организме нет готовых сформировавшихся механизмов, а имеются лишь генетические предпосылки. Это, например, развивающаяся устойчивость к низким и высоким температурам, изменившемуся составу пищи, нехватке кислорода и т.д.

Существует три типа приспособительного поведения живых организмов:

1. Бегство от неблагоприятного раздражителя (например, животные уходят от холода, прячась в теплые норы)

2. Пассивное подчинение раздражителю (например, при наступлении холода животные снижают температуру тела и впадают в сонное состояние)

3. Активное противодействие раздражителю за счет развития адаптивных реакций (например, теплокровные животные реагируют на холод сложным балансированием теплопродукции и теплоотдачи и сохраняют температуру тела стабильной)

Таким образом, существует пассивная адаптация (или синтаксическая форма) и активная адаптация (катотаксическая форма).

Пассивная адаптация осуществляется путем понижения жизнеспособности организма, например, анабиоз, спячка, применение наркотиков, снотворных). Активная адаптацияосуществляется путем повышения уровня обменных процессов в организме.

Биологический смысл активной адаптации состоит в установлении и поддержании гомеостаза. Гомеостаз – это динамическое постоянство состава внутренней среды организма.

Когда окружающая среда изменяется, происходит перестройка гомеостаза, адекватная конкретным условиям среды, что и служит основой адаптации.

Главная роль в адаптивном процессе принадлежит нервной системе и железам внутренней секреции с их гормонами.Например, гормоны гипофиза и коры надпочечников вызывают двигательные реакции и изменения кровообращения и дыхания. Изменения деятельности этих систем являются первой реакцией на любое сильное раздражение. Эти изменения предотвращают сдвиги гомеостаза.

К важным адаптационным устройствам относится иммунитет, а также клеточная адаптация – приспособления клеток к условиям окружающей среды, направленные на выживаемость и воспроизведение.

Поиск по сайту: