Підручник з Біології і екології (рівень стандарту). 11 клас. Задорожний - Нова програма

§ 7. Адаптації на молекулярному та клітинному рівнях

Як реалізується генетична інформація? Які функції виконують органели клітини? Які існують типи фотосинтезу? Представникам якої з груп — прокаріотів чи еукаріотів — властиве більше різноманіття біохімічних процесів у клітинах? Із чим це може бути пов'язано?

Рівні адаптації живих організмів

Адаптації живих організмів до умов середовища можуть відбуватися на всіх рівнях організації живого. Досить легко помітити адаптації на організмовому рівні, коли відразу видно зв'язок між будовою тіла організму та його середовищем існування.

Прикладами цього є обтічна форма тіла активно плаваючих водних, літаючих наземних організмів та пристосовані до риття нір передні кінцівки крота.

Але не менш важливі адаптації відбуваються на молекулярному й клітинному рівнях. Хоча їх помітити не завжди легко. Це можуть бути зміни в перебігу деяких біохімічних процесів, видозміни органел клітин, синтез нових сполук тощо.

Адаптації на молекулярному рівні

На молекулярному рівні адаптації можуть відбуватися дуже швидко. Невеличка зміна всього в одній молекулі може стати причиною суттєвих змін у шансах виживання організмів.

Прикладом такої адаптації є зміна форми молекул гемоглобіну в результаті заміни однієї пари нуклеотидів відповідного гена (мал. 7.1). Ця мутація стає причиною заміни однієї з амінокислот у молекулі білка на іншу, що змінює його конформацію. Молекули гемоглобіну зі зміненою формою гірше переносять кисень. Але гетерозиготні за цим геном особини мають значно більші шанси на виживання в разі зараження малярією.

Мал. 7.1. Мутація гена гемоглобіну та її наслідки

Ще один характерний приклад молекулярного механізму адаптації — зміна форми виведення з організму продуктів обміну Нітрогену (мал. 7.2). У риб ці продукти виводяться у вигляді амоніаку, який дуже добре розчиняється, але є токсичною сполукою і потребує для виведення великої кількості води.

Мал. 7.2. Організми з різними варіантами виведення продуктів обміну Нітрогену

У процесі пристосування до життя на суходолі хребетним довелося адаптуватися до життя в умовах дефіциту вологи. І витрати такої великої кількості води для виведення амоніаку були нераціональними. Ссавці адаптувалися до такої ситуації, замінивши амоніак сечовиною, яка набагато менш токсична. Вона потребує й набагато менше води для свого виведення, хоча розчинність її нижча, ніж в амоніаку.

Ще радикальніше розв'язали цю проблему птахи. У них продукти обміну Нітрогену виводяться у вигляді сечової кислоти, яка не є токсичною і потребує дуже мало води для виведення з організму.

Адаптації на клітинному рівні

Адаптації на клітинному рівні пов'язані зазвичай з особливостями будови або функціонування окремих органел чи інших структур клітини. Наприклад, під час адаптації одноклітинних організмів до життя у прісній воді виникла проблема надмірного надходження води в клітину за рахунок явища осмосу. Цю проблему вирішує поява скоротливої вакуолі, через яку зайва вода постійно виводиться з клітини (мал. 7.3).

Мал. 7.3. Скоротлива вакуоля амеби — адаптація до життя у прісних водоймах

Цікавим варіантом адаптації на клітинному рівні стало вироблення рослинами альтернативних варіантів фотосинтезу. У більшості рослин світлова й темнова фази фотосинтезу відбуваються одночасно в одному хлоропласті (так званий С3-фотосинтез). У цьому випадку вуглекислий газ для темнової фази надходить прямо через відкриті продихи. Але через відкриті продихи випаровується багато води, що небажано для рослин із посушливих умов існування. Тому в них виникли два варіанти адаптацій для економії вологи.

В обох випадках світлова й темнова фази фотосинтезу розділяються. У першому варіанті в рослин з С4-фотосинтезом (мал. 7.4) світлова й темнова фази фотосинтезу рознесені просторово й відбуваються в різних клітинах. Для забезпечення вуглекислим газом невеликої кількості клітин рослина може розкривати лише частину продихів.

Мал. 7.4. Кукурудза — рослина з С4-фотосинтезом

У другому варіанті у рослин із САМ-метаболізмом (мал. 7.5) фази фотосинтезу рознесені в часі. Світлова фаза відбувається вдень, а темнова — вночі. Продихи відкриваються тільки вночі й випаровують набагато менше вологи.

Мал. 7.5. Кактус опунція — рослина із САМ-метаболізмом

Адаптацією на клітинному рівні є також утворення гаусторіїв у паразитичних грибів. Гаусторії — це бічні вирости гіф, які проникають усередину клітини організму-хазяїна (мал. 7.6). Вони є єдиною структурою, яка забезпечує живлення гриба завдяки поглинанню потрібних йому речовин із клітин хазяїна. У гаусторіях відбуваються активні біохімічні процеси. У них міститься велика кількість рибосом та мітохондрій, а також зазвичай добре розвинена ендоплазматична сітка. Гаусторії утворюються в таких представників грибів, як борошнисто-росяні гриби, сажкові гриби тощо.

Мал. 7.6. Проникнення гаусторіїв грибів у клітини рослини

Отже, тепер ви знаєте

1. На яких рівнях організації живого відбуваються адаптації? 2. На якому рівні організації живого можна легко помітити адаптації? 3. Які адаптації можуть відбуватися на молекулярному рівні? 4. Які адаптації можуть відбуватися на клітинному рівні? 5*. Як пов'язані між собою виведення птахами продуктів обміну Нітрогену у вигляді сечової кислоти та відсутність у них сечового міхура?

Запитання та завдання

6*. Рослини з С4-фотосинтезом поширені переважно в більш південних регіонах і рідко трапляються у високих широтах. Запропонуйте й обґрунтуйте пояснення цього факту.

Адаптації в еволюції людини

Преадаптація до прямоходіння

Вертикальне положення тіла під час локомоції почало формуватися у предків людини ще під час життя на деревах. Перші ознаки цього помітні в найбільш раннього представника цієї еволюційної лінії — сахельантропа (жив 7 млн років тому). У нього вперше серед приматів почалося переміщення потиличного отвору із задньої частини черепа на нижню, що є свідченням адаптації до випрямленого пересування.

Реконструкція ардипітека

І лише нащадки ардипітеків — австралопітеки — мали нижні кінцівки, пристосовані для переміщення переважно земною поверхнею, а не по деревах. Здатність пересуватися у вертикальному положенні виявилася надзвичайно вдалим пристосуванням до життя в савані. Це полегшувало орієнтування, дозволяло переносити дитинчат і їжу та вивільняло передні кінцівки для використання палок і каменів як знарядь для захисту від хижаків. Тому за порівняно короткий час (приблизно 300 тис. років) будова нижніх кінцівок змінилася, що дозволило австралопітекам успішно перейти до життя на просторах саван.

Череп та реконструкція сахельантропа

Аналіз скелета ардипітека, який жив на 2 млн років пізніше, свідчить про те, що він був ще більше пристосований до прямоходіння, ніж сахельантроп. І хребет, і таз ардипітека вже мали особливості, які свідчили про пересування у випрямленому стані, але будова кінцівок ясно вказувала на те, що ардипітеки жили і живилися переважно на деревах.

Порівняння скелетів шимпанзе та австралопітека (кольором позначено ділянки, що забезпечують рух)

Міні-довідник

Відповідь на запитання, яким чином сформувалася така преадаптація, була отримана під час спостереження за орангутанами. Виявилося, що вони періодично пересуваються вертикально. У цьому випадку ноги забезпечують утримання на гілках, а руками мавпи можуть збирати плоди або підтримувати рівновагу. Скоріш за все, у предків людини цей спосіб пересування по деревах став основним, а після зміни середовища існування з деревного на наземний виявився вдалою передумовою для життя в новій екологічній ніші.

Один із способів локомоції орангутана

Адаптація на молекулярному рівні

Адаптація до нового середовища існування під час переходу до життя в савані відбувалася у предків людини на різних рівнях організації, зокрема і на молекулярному. Для ефективного виживання в нових умовах суттєво зростала роль соціальних стосунків і взаємопідтримки особин у групах, тому з'явилася необхідність у зниженні агресивності поведінки. Одним із можливих шляхів стало зниження рівня тестостерону в організмі. Зовнішньою ознакою такої зміни стало зменшення розмірів ікол у представників еволюційної лінії людини.

Розмір ікол шимпанзе і людини

Адаптація до екологічної ніші. «Полуденний хижак»

Однією з цікавих гіпотез, яка пояснює зовнішній вигляд сучасної людини, є гіпотеза зайняття нашими предками екологічної ніші «полуденного хижака». В умовах африканської савани період часу всередині дня є періодом зниженої активності більшості мешканців савани через сильну жару і ризик перегріву у випадку активних рухів. Утрата волосяного покриву на тілі та сильний розвиток потових залоз дозволили предкам людини ефективно запобігати перегріву в найбільш жаркий період доби, а наявність густого волосся на голові вберігала від перегріву мозок. Це дозволило різко підвищити ефективність полювання, бо через ризик перегріву їхні жертви не могли довго втікати, а хижаки — нападати.

Безволосе тіло і пишне волосся на голові — адаптація до полуденної активності