Зміст

З історії відкриттів……………………………………………………3

Адаптація як загальна властивість біологічних систем……….4

Загальні закономірності формування адаптацій…………….5-7

Адаптації на молекулярному рівні організації живого………..8

Адаптації на клітинному рівні організації живого………….9-10

З історії відкриттів

Мислителі давнини у своїх філософських працях намагалися дати відповідь на запитання, які завжди цікавили людство: «У чому причина різноманіття організмів на нашій планеті? Чим пояснити пристосованість живих істот до умов існування?» Вагомий внесок у розвиток поглядів на живий світ зробили праці давньогрецьких філософів. Геракліт Ефеський (535-475 рр. до н. е.) уважав, що світ вічний і єдиний, у ньому все змінюється й нічого не повторюється. Видатний філософ Арістотель (384-322 рр. до н. е.) уважав, що організми з’являються внаслідок самозародження. Завдяки працям Арістотеля і його учнів закладено основи порівняльної анатомії та ембріології, учення про відповідність організмів, ідею градації. У філософській поемі «Про природу речей» давньоримський поет і філософ Тіт Лукрецій Кар (99-55 рр. до н. е.) висловлював ідею, що виживають і дають потомство лише найбільш пристосовані істоти.

Першою науковою спробою пояснити історичний розвиток живої природи була еволюційна теорія французького природодослідника Жана Батиста Ламарка, яку він виклав у праці «Філософія зоології» (1809). Учений розглядав еволюцію як безперервний процес набуття організмами корисних пристосувань, що успадковуються потомками.

Адаптація як загальна властивість біологічних систем

Дайте означення поняття біологічна система.

До біологічних систем належать складні системи різних рівнів організації. На кожному рівні виявляється властивість пристосовуватися до змін умов існування – адаптація.

Адаптація як загальна властивість біологічних систем. В основі адаптаційних процесів, що відбуваються на більш високих рівнях організації живого, лежать молекулярно-біологічні та клітинні механізми. У багатьох випадках зміни функціонування клітин пов’язані зі зміною активності певних генів. У багатоклітинних організмах функціонування клітин визначає діяльність органів і систем органів. Прикладами адаптацій організмового рівня може слугувати зміна поведінки тварин, будови або функцій у межах спадкової норми реакції за зміни умов існування

На популяційно-видовому та екосистемному рівнях організації живого адаптації можуть виявлятися як зміни чисельності організмів певних видів, зокрема популяційні хвилі, виникнення яких є результатом саморегуляції в екосистемах. Іншим знайомим вам прикладом екосистемних адаптацій є екологічні сукцесії.

Дія природного добору за зміни умов існування спричинює еволюційні зміни та, як наслідок, появу нових видів організмів . Ці процеси пов’язані зі змінами зустрічальності різних алелів, що вможливлює перебудову генофонду популяцій.

У науковій літературі натрапляємо на різні означення поняття адаптації. В еволюційній біології адаптацією називають динамічний процес пристосування до тривалих змін умов існування, що призводить до еволюційних змін. Набуті організмами в цьому процесі видозміни також називають адаптаціями. Також адаптаціями до короткотривалих змін умов існування є фізіолого-біохімічні реакції, що відбуваються в організмах.

Адаптація (від. лат. adaptatio – пристосування) – властивість живого пристосовуватися до змін умов існування.

Можна виділити дві головні групи адаптаційних процесів. Одні є еволюційними та призводять до видозмін груп організмів у часі. Інші ж є переважно пристосувальними реакціями на рівні окремих організмів.

Адаптація та гомеостаз. Біологічні системи перебувають у процесі обміну речовин з навколишнім середовищем, що забезпечує їх необхідною енергією й зумовлює здатність до самооновлення. Як результат, відбувається динамічне оновлення хімічного складу, за якого стан рівноваги досягається завдяки здатності біологічних систем підтримувати гомеостаз.

Гомеостаз — сталість внутрішнього середовища біологічної системи, що досягається шляхом координованих реакцій, які вможливлюють відновлення рівноваги.

Найбільш детально ви вивчали механізми підтримки гомеостазу на прикладі організму людини. Це забезпечується регуляторними системами: нервовою, гуморальною та імунною. Деякі з таких змін є порівняно короткочасними — наприклад, прискорення серцевих скорочень та дихання під час фізичної активності, які повертаються до норми після її припинення. Інші ж можуть бути більш тривалими — наприклад, збільшення внаслідок фізичних тренувань об’єму м’язових волокон і кількості в них мітохондрій . Більш детально про механізми адаптацій ми поговоримо в наступних параграфах.

Загальні закономірності формування адаптацій

Дайте означення понять еволюція, боротьба за існування, природний добір.

Які результати еволюції органічного світу?

Пристосованість живих істот до умов навколишнього середовища була усвідомлена людиною ще в античні часи. Однак, аж до середини XIX століття це пояснювали початковою доцільністю природи.

Загальні закономірності формування адаптацій. Наукове пояснення пристосованості живих істот дав Чарлз Роберт Дарвін, виклавши його в праці «Походження видів шляхом природного добору, або Збереження сприятливих порід у боротьбі за життя». Учений уважав, що пристосованість не є одвічною й абсолютною, а виробляється в процесі еволюції. Він розглядав еволюцію як процес незворотних змін будови та функцій організмів протягом їхнього історичного існування, наслідком якого є пристосованість живого до умов навколишнього середовища. У праці наголошено, що всі сучасні види є потомками вимерлих предкових форм.

Дарвін наводив приклади різноманітних взаємовідносин між організмами та між організмами й умовами неживої природи, які назвав боротьбою за існування . Уступаючи в ці складні взаємовідносини, одні організми виживають, а інші – гинуть. Чому ж не всі мають шанс вижити? У природі існує протиріччя між здатністю організмів до необмеженого розмноження й обмеженістю ресурсів середовища існування (їжа, територія тощо). Унаслідок боротьби за існування відбувається природний добір – процес виживання найбільш пристосованих організмів певного виду до умов існування. Ч. Р. Дарвін у своїй книзі наголошував: «Природний добір діє тільки шляхом збереження і нагромадження малих спадкових змін, кожна з яких вигідна для істоти, що зберігається». Нові види виникають на основі випадкових змін, що відбуваються в кожному організмі індивідуально, передаються потомкам і не мають пристосувального характеру, тобто матеріалом для еволюції слугує спадкова мінливість.

В основі індивідуальної адаптації лежить генотип – закодована в структурі молекул ДНК спадкова інформація, що реалізується у фенотип – сукупність ознак та властивостей. Фенотип є результатом взаємодії генотипу та умов середовища існування. Це узгоджується з твердженням українського науковця І. І. Шмальгаузена: спадковим є не зовнішній вияв якоїсь ознаки, а здатність реагувати певним чином на зміни в навколишньому середовищі, тобто норма реакції на ці умови . Наявність такої пластичності дає змогу підтримувати гомеостаз, незважаючи на відмінності умов, у яких відбувається розвиток окремих особин. Під нормою адаптивної реакції розуміють межі змін біологічної системи під впливом діючих на неї чинників середовища, за яких не порушується гомеостаз. Адаптацію, набуту в ході індивідуального життя організму за його взаємодії з навколишнім середовищем, називають фенотипічною.

Процес вироблення адаптацій розпочинається з елементарного адаптаційного явища – появи цінного генотипу. Якщо стосовно нього починає діяти рушійна форма добору, виникає стійка зміна генофонду популяції. Це формування в процесі еволюції нових пристосувань, що сприяють адаптації біологічних систем до умов навколишнього середовища, називають адаптогенезом.

Згадайте значення регуляції активності генів. Прочитайте твердження: «Норма реакції – спектр експресії генів за незмінного генотипу, з якого обирається найбільш відповідний умовам середовища рівень активності генів, що й формує специфічний фенотип». Поясніть, як ви розумієте наведене твердження.

Основу нового пристосування часто складає структура, яка сформувалася раніше за участю природного добору та виконувала певну функцію, а за зміни умов узяла на себе й нову функцію без шкоди для старої. Наявність структур, здатних розширити або змінити коло функцій, називають преадаптацією. У своїй праці Ч. Р. Дарвін так писав про преадаптацію: «Але властивості, набуті таким посереднім шляхом і на початку зовсім безкорисні для виду, могли бути згодом обернені на користь змінених нащадків при нових умовах їх життя і новонабутих звичках» .

Безпосереднім результатом природного добору є постадаптації (від лат. post – після та адаптація) – еволюційні зміни організмів, що вдосконалюють наявні пристосування цього виду до вже освоєних ним умов існування або вже використовувану функцію цього органа. Прикладами постадаптації є ускладнення й удосконалення у тварин органів травлення, кровообігу, дихання тощо.

Властивості адаптацій. Адаптація біологічних систем до змін умов існування починається зі стресових реакцій – різними засобами, витратами, ресурсами компенсувати критичні зовнішні впливи. Адаптація є постійним процесом, який може бути спричинений як природними, так і антропічними чинниками. Адаптація є не лише здатністю біологічних систем реагувати на зміни середовища існування, але й здатністю цих систем активно впливати, змінювати та перетворювати саме середовище. Кожна адаптація корисна стосовно певної умови середовища.

Корисність будь-якої адаптації залежить від умов, які майже не бувають абсолютно стабільними як у просторі, так і в часі.

Приклад з праці Ч. Р. Дарвіна «Походження видів шляхом природного добору, або Збереження сприятливих порід у боротьбі за життя»:

«Черепні шви в молодих ссавців розглядалися як прекрасне пристосування, що полегшує акт пологів, і, без сумніву, вони можуть сприяти або навіть бути необхідними, але оскільки ці шви існують і на черепах птахів і плазунів, яким доводиться тільки вилуплюватися з яйця, – то ми маємо право зробити висновок, що це пристосування випливає з самих законів росту, і тільки пізніше з нього була здобута користь при акті народження для вищих тварин.»

Відносний характер адаптацій. Відносність адаптацій у просторі і часі зумовлена тим, що в генетично гетерогенній популяції природний добір з багатьох випадкових різноспрямованих змін зберігає та нагромаджує ті з них, які мають пристосувальне значення. На певну біологічну систему може одночасно впливати декілька чинників середовища, підвищуючи адаптивність за окремою ознакою, але знижуючи її за іншими ознаками (рис. 6). Такі чинники як ізоляція, малий розмір популяції, дрейф генів, можуть призводити до зниження життєздатності біологічної системи, що також зумовлює відносність адаптацій.

Дарвін підкреслював, що ступінь пристосованості організмів відносний – звичайно можливі й більш досконалі форми пристосованих до цього середовища. Це можна довести численними прикладами надзвичайно швидкого розмноження та широкого розповсюдження цілої низки видів тварин і рослин в абсолютно нових для них районах земної кулі, куди вони були випадково або зумисно завезені людиною (кролі в Австралії, кішки та собаки на островах Океанії, канадська елодея у водах Європи тощо). Усі ці види виникли в інших географічних районах, але виявилися більш пристосованими до умов нових для себе середовищ мешкання, ніж ті види, що здавна населяли ці території.

Адаптації на молекулярному рівні організації живого

Назвіть складники молекулярного рівня організації живого.

У підтриманні гомеостазу біологічних систем вищого рівня беруть участь механізми гомеостазу біосистем нижчого рівня. Тому для розуміння функціонування біологічних систем різних рівнів необхідно спочатку ознайомитися із механізмами адаптацій на молекулярному та клітинному рівнях організації живого.

Механізми адаптацій на молекулярному рівні організації живого. Насамперед збереження ефективності функціонування біологічних систем за зміни умов існування забезпечується підтримкою гомеостазу на молекулярному рівні. Можна виокремити три головні напрями розвитку таких процесів (рис. 7).

Одним з напрямів є збереження структурної цілісності і функціональної активності макромолекул (нуклеїнових кислот, ферментів, структурних і скорочувальних білків) і надмолекулярних комплексів (хроматину, рибосом, мембран).

Наведемо декілька прикладів. Репарація ДНК зумовлює відновлення структури цієї молекули в разі ушкоджень, спричинених дією негативних чинників (іонізувальне випромінювання, отрути тощо) або ж спонтанних помилок (наприклад, під час реплікації).

Спеціалізовані білкові комплекси, які називають протеасомами, контролюють стан важливих внутрішньоклітинних білків і руйнують старі або ушкоджені. Руйнування старих або ушкоджених клітинних структур також здійснюється за допомогою травних ферментів, які містяться в лізосомах. Зазначений процес називають аутофагією.

Адаптації на клітинному рівні організації живого

Дайте означення поняття клітина.

Які чинники впливають на ріст і розвиток клітин?

Процеси на молекулярному рівні організації живого є підґрунтям усіх адаптаційних процесів. На їх основі формуються більш складні реакції з перебудовою життєдіяльності та структури клітин, зміною характеру їх взаємодій, що призводить до адаптивних зрушень діяльності органів та їх систем. Можна вирізнити декілька напрямів клітинної відповіді на зовнішні впливи.

Адаптаційні зміни об’єму клітини. За певних впливів може відбуватися істотне зменшення об’єму клітини – атрофія. У разі, якщо таких клітин багато, може змінюватися об’єм і функціонування органу, який утворений цими клітинами. Відомим ефектом є атрофія скелетних м’язів, спричинена зниженням їхньої активності внаслідок травм (ушкодження нервів) або ж істотного зниження рухової активності. Адаптивність цієї реакції полягає в тому, що організм витрачає менше ресурсів на підтримання життєдіяльності органу, який не використовується. Подібний ефект притаманний і серцевому м’язу. Для того, щоб запобігти зниженню об’єму та маси м’язів, необхідно підтримувати мінімальний обсяг щоденної фізичної активності. Атрофія може бути фізіологічною, наприклад, важливий імунний орган нашого організму тимус набуває максимальної маси на першому році життя, а надалі поступово знижує її. Гіпертрофія – процес, який характеризується збільшенням об’єму клітини. Інколи це може свідчити про порушення функціонування органу .

Поділ, ріст та загибель клітин як адаптивний чинник. Гіперплазія є способом збільшення маси органів унаслідок поділу клітин, при цьому їхній об’єм, на відміну від гіпертрофії, залишається на стабільному рівні . Так відбувається відновлення втрачених клітин, у тому числі і фізіологічне, наприклад у багатошаровому зроговілому епітелії. Збільшення об’єму молочних залоз у ссавців у період вагітності є адаптацією до майбутнього вигодовування малят. Ознакою нормальної гіперплазії є контрольованість цього процесу регуляторними чинниками, наприклад факторами росту. Стан, коли новоутворені клітини не реагують на них і починають неконтрольовано ділитися, називають неоплазією. Одним з його виявів є формування злоякісних пухлин при онкологічних захворюваннях.

Адаптивним може бути не лише клітинний поділ або ріст, а й припинення росту або загибель клітин. Програмовану загибель клітини називають апоптозом. Цей процес необхідний для зникнення тимчасових органів (хвіст у пуголовків жаб), контрольованого руйнування деяких структур (опадання листків рослин восени), впливу Т-лімфоцитів на чужорідні клітини, фізіологічного знищення старих клітин тощо.

Ще одним шляхом клітинних адаптацій є метаплазія, що являє собою перетворення диференційованих клітин на клітини іншого типу у відповідь на стресові чинники. Прикладом може бути заміна нормального війчастого епітелію дихальних шляхів на багатошаровий зроговілий у курців як відповідь на тривалу дію тютюнового диму .