К биологическим системам относятся сложные системы различных уровней организации. На каждом таком уровне проявляется свойство приспосабливаться к изменениям условий существования — адаптация.
В основе адаптационных процессов, происходящих на более высоких уровнях организации живого, лежат молекулярно-биологические и клеточные механизмы. Во многих случаях изменения функционирования клеток связаны с изменением активности определенных генов. В многоклеточных организмах функционирования клеток определяет деятельность органов и систем органов. Примерами адаптации организменного уровня может служить изменение поведения животных, строения или функций в рамках наследственной нормы реакции при изменении условий существования.
На популяционно-видовом и экосистемном уровнях организации живого, адаптации могут проявляться как изменения численности организмов определенных видов, в частности популяционные волны, возникновение которых является результатом саморегуляции в экосистемах. Другим знакомым вам примером экосистемных адаптации являются экологические сукцессии.
Действие естественного отбора при изменении условий существования вызывает эволюционные изменения и, как следствие, появление новых видов организмов. Эти процессы связаны с изменениями встречаемости различных аллелей, что делает возможным перестройку генофонда популяций.
В научной литературе мы встречаем различные определения понятия адаптации. В эволюционной биологии адаптацией называют динамический процесс приспособления к длительным изменениям условий существования, что приводит к эволюционным изменениям. Приобретенные организмами в этом процессе видоизменения также называют адаптациями. Также адаптациями к краткосрочных изменений условий существования является физиолого-биохимические реакции, происходящие в организмах.
Адаптация (от. лат. Adaptatio — приспособление) — свойство живого приспосабливаться к изменениям условий существования. Можно выделить две основные группы адаптационных процессов. Одни являются эволюционными и приводят к видоизменений групп организмов во времени. Другие же являются преимущественно приспособительными реакциями на уровне отдельных организмов.
Адаптация и гомеостаз
Биологические системы находятся в процессе обмена веществ с окружающей средой, что обеспечивает их необходимой энергией и вызывает способность к самообновлению. Как результат, происходит динамическое обновление химического состава, при котором состояние равновесия достигается благодаря способности биологических систем поддерживать гомеостаз.
Гомеостаз — постоянство внутренней среды биологической системы, достигается путем координированных реакций, которые делают возможным восстановление равновесия.
Наиболее подробно вы изучали механизмы поддержания гомеостаза на примере организма человека. Это обеспечивается регуляторными системами: нервной, гуморальной и иммунной. Некоторые из таких изменений является сравнительно кратковременными — например, ускорение сердечных сокращений и дыхания во время физической активности, которые возвращаются к норме после ее прекращения. Другие же могут быть более длительными — например, увеличение вследствие физических тренировок объема мышечных волокон и количества в них митохондрий. Более подробно о механизмах адаптации вы также можете прочитать в статьях Адаптация как свойство биологических систем и Биохимические адаптации.
Общие закономерности формирования адаптаций
Каковы результаты эволюции органического мира? Приспособленность живых существ к условиям окружающей среды была осознана человеком еще в античные времена. Однако, до середины XIX века это объясняли начальной целесообразностью природы.
Научное объяснения приспособленности живых существ дал Чарлз Роберт Дарвин, изложив его в труде «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятных пород в борьбе за жизнь». Ученый считал, что приспособленность не является извечной и абсолютной, а вырабатывается в процессе эволюции. Он рассматривал эволюцию как процесс необратимых изменений строения и функций организмов в течение их исторического существования, следствием которого является приспособленность живого к условиям окружающей среды. В работе также отмечено, что все современные виды являются потомками вымерших предковых форм.
Дарвин приводил примеры различных взаимоотношений между организмами и между организмами и условиями неживой природы, которые назвал борьбой за существование. Уступая в эти сложные взаимоотношения, одни организмы выживают, а другие — погибают. Почему же не все имеют шанс выжить? В природе существует противоречие между способностью организмов к неограниченному размножению и ограниченностью ресурсов среды обитания (еда, территория и т.п.). В результате борьбы за существование происходит естественный отбор — процесс выживания наиболее приспособленных организмов определенного вида к условиям существования. Ч. Р. Дарвин в своей книге отмечал: «Естественный отбор действует только путем сохранения и накопления малых наследственных изменений, каждое из которых, если оно выгодно для существа, сохраняется». Новые виды возникают на основе случайных изменений, происходящих в каждом организме индивидуально, передаются потомкам и не имеют приспособительного характера, то есть материалом для эволюции служит наследственная изменчивость.
В основе индивидуальной адаптации лежит генотип — закодированная в структуре молекул ДНК наследственная информация, которая реализуется в фенотип — совокупность признаков и свойств. Фенотип является результатом взаимодействия генотипа и условий среды обитания. Это согласуется с утверждением И. И. Шмальгаузена: наследственным является не внешнее проявление какого-то признака, а способность реагировать определенным образом на изменения в окружающей среде, то есть норма реакции на эти условия. Наличие такой пластичности позволяет поддерживать гомеостаз, несмотря на различия условий, в которых происходит развитие отдельных особей. Под нормой адаптивной реакции понимают пределы изменений биологической системы под влиянием действующих на нее факторов среды, при которых не нарушается гомеостаз. Адаптацию, приобретенную в ходе индивидуальной жизни организма при его взаимодействии с окружающей средой, называют фенотипической.
Процесс выработки адаптации начинается с элементарного адаптационного явления — появления ценного генотипа. Если в отношении него начинает действовать движущая форма отбора, возникает устойчивое изменение генофонда популяции. Это формирование в процессе эволюции новых приспособлений, способствующих адаптации биологических систем к условиям окружающей среды, называют адаптогенезом.
Основу нового приспособления часто составляет структура, сформировавшаяся ранее с участием естественного отбора и выполнявшая определенную функцию, а при изменении условий взяла на себя и новую функцию без ущерба для старой. Наличие структур, способных расширить или изменить круг функций, называют преадаптации. В своей работе Ч. Р. Дарвин так писал о преадаптации: «Но свойства, приобретенные таким посредственным путем и в начале совсем бесполезные для вида, могли быть впоследствии обращены в пользу измененных потомков при новых условиях их жизни и обретенных привычках».
Непосредственным результатом естественного отбора являются постадаптации (от лат. Post — после и адаптация) — эволюционные изменения организмов, которые совершенствуют имеющиеся приспособления этого вида к уже освоенным им условиям существования или уже используемую функцию этого органа. Примерами постадаптации есть усложнения и совершенствования у животных органов пищеварения, кровообращения, дыхания и тому подобное.
Свойства адаптации
Адаптация биологических систем к изменениям условий существования начинается с стрессовых реакций — различными средствами, затратами, ресурсами компенсировать критические внешние воздействия. Адаптация является постоянным процессом, который может быть вызван как природными, так и антропичних факторами. Адаптация является не только способностью биологических систем реагировать на изменения среды обитания, но и способностью этих систем активно влиять, изменять и преобразовывать саму среду. Каждая адаптация полезна относительно определенного условия среды.
Полезность любой адаптации зависит от условий, которые почти не бывают абсолютно стабильными как в пространстве, так и во времени.
Относительный характер адаптации
Относительность адаптации в пространстве и времени обусловлена тем, что в генетически гетерогенной популяции естественный отбор из множества случайных разнонаправленных изменений сохраняет и накапливает те из них, которые имеют приспособительное значение. На определенную биологическую систему может одновременно влиять несколько факторов среды, повышая адаптивность по отдельной признаку, но снижая ее по другим признакам. Такие факторы как изоляция, малый размер популяции, дрейф генов, которые могут приводить к снижению жизнеспособности биологической системы, также вызывают относительность адаптации.
Дарвин подчеркивал, что степень приспособленности организмов относительна — конечно возможны и более совершенные формы приспособленности к свойствам среды. Это можно доказать многочисленными примерами чрезвычайно быстрого размножения и широкого распространения целого ряда видов животных и растений в совершенно новых для них районах земного шара, куда они были случайно или намеренно завезены человеком (кролики в Австралии, кошки и собаки на островах Океании, канадская элодея в водах Европы и т.д.). Все эти виды возникли в других географических районах, но оказались более приспособленными к условиям новых для себя сред обитания, чем виды, издавна населявших эти территории.
Часто относительность адаптации иллюстрируют наличием «бесполезных» структур в организации биосистем, в том числе рудиментарных органов. Однако установлено, что различные рудиментарные органы могут иметь определенные функции, хотя бы и отличные от исходной. Доказано также, что рудиментарные органы могут служить основой для эволюционного формирования новых адаптаций.
Пример относительного характера адаптации: белая куропатка имеет зимой белое оперение за исключением черных перьев хвоста — рулевого. Защитное значение белого окраса очевидно, а черные перья у затаившейся птицы незаметны. Однако они очень заметны в полете. Поскольку белые куропатки зимой сбиваются в стаи, то черный цвет хвоста, вероятно, облегчает возможность птицам не потерять друг друга в снегах при слабом освещении. Такая окраска куропатки — пример удачного «компромисса» в эволюционном выполнении двух важных задач: быть мало заметным для хищников и достаточно заметным для особей своего вида.
Значение преадаптаций в процессе формирования адаптаций
Адаптации часто формируются на базе преадаптаций — свойств или приспособлений организмов определенного вида, которые могут иметь адаптивную ценность. Концепция преадаптации заключается в том, что многие органы и адаптации сформировались, первично выполняя другие функции, чем на конечной стадии своего развития. В определенный момент орган начинает выполнять дополнительную функцию, которая оказывается важнее для организма, чем начальная. Например, переход позвоночных животных из водоемов к существованию на суше был связан с определенными преадаптациями. В частности, скелет грудных плавников у рыб усилился появлением скелета их поясов. Благодаря этому впоследствии сформировались парные конечности наземных животных.
Эволюционный момент, когда орган приобретает новую функцию и начинает выполнять новую адаптивную роль, называют преадаптационным порогом. Орган, который изменился в процессе эволюции в новом направлении, может потерять прежнюю функцию. Например, новая функция передней жаберной дуги рыб — функция челюстей — оказалась такой важной, что предыдущая функция (участие в дыхательных движениях) впоследствии была утрачена.
Термин «преадаптация» предложил в 1911 г. французский ученый Люсьен Кено (1866-1951). Под преадаптацией он понимал такие особенности организмов, которые возникают случайно (то есть в результате мутаций), но в дальнейшем приобретают приспособительную ценность. Но преадаптивное состояние организма (или отдельного органа) возникает не как непосредственный результат случайных мутаций, а на основе предварительной приспособительной эволюции.
У некоторых организмов мутации генов-регуляторов вызывают ускорение их полового созревания вплоть до возникновения неотении. Возникнув как преадаптация, неотения может быть закреплена в процессе эволюции как адаптация. Неотения (от греч. néos — незрелый, téino — вытягивание, удлинение) — явление, при котором особи приобретают способность к половому размножению и завершению онтогенеза (индивидуального развития) на ранних стадиях развития еще до достижения взрослого состояния.