Эволюция адаптации. Формы адаптаций

Грандиозные изобретения человеческого разума не перестают удивлять, фантазии нет предела. Но то, что много веков создавала природа, превосходит самые креативные идеи и замыслы. Природа создала более чем полтора миллиона видов живых особей, каждая из которых индивидуальна и неповторима в своих формах, физиологии, приспособленности к жизни. Примеры адаптации организмов к постоянно меняющимся условиям проживания на планете - это примеры мудрости создателя и постоянный источник задач для разгадывания биологам.

Адаптация означает приспособленность или привыкание. Это процесс постепенного перерождения физиологических, морфологических или психологических функций существа в условиях изменившейся среды обитания. Изменениям подвергаются как отдельные особи, так и целые популяции.

Яркий пример адаптации непосредственной и косвенной - выживание растительного и животного мира в зоне повышенной радиации вокруг Чернобыльской АЭС. Непосредственная приспособляемость свойственна тем особям, которые сумели выжить, привыкнуть и начать размножаться, некоторые не выдержали испытания и погибли (косвенная адаптация).

Так как условия существования на Земле меняются постоянно, процессы эволюции и приспособленности в живой природе также являются процессом непрерывным.

Свежий пример адаптации - изменение среды обитания колонии зеленых мексиканских попугаев аратингов. С недавних пор они изменили привычное место обитания и поселились в самом жерле вулкана Масая, в среде, постоянно пропитанной серным газом высокой концентрации. Ученые еще не дали объяснение этому феномену.

Виды адаптации

Изменение всей формы существования организма представляет собой функциональную адаптацию. Пример адаптации, когда изменение условий приводит к обоюдному приспосабливанию живых организмов друг к другу, представляет собой коррелятивное приспособление или коадаптацию.

Приспособление может быть пассивным, когда функции или строение субъекта происходят без его участия, или активным, когда он сознательно изменяет свои привычки под стать окружающей среде (примеры адаптации людей к природным условиям или социуму). Бывают случаи, когда субъект приспосабливает окружающую среду под свои потребности - это объективная адаптация.

Биологи разделяют виды адаптации по трем признакам:

• Морфологические.
• Физиологические.
• Поведенческие или психологические.

Примеры адаптации животных или растения в чистом виде редки, большинство случаев привыкания к новым условиям происходит в смешанных видах.

Морфологические адаптации: примеры

Морфологические изменения - это произошедшие в процессе эволюции изменения формы тела, отдельных органов или всего строения живого организма.

Ниже приведены морфологические адаптации, примеры из животного и растительного мира, которые мы рассматриваем как само собой разумеющееся явление:

• Перерождение листьев в колючки у кактусов и других растений засушливых регионов.
• Панцирь черепахи.
• Обтекаемые формы тела жителей водоемов.

Физиологические адаптации: примеры

Приспособление физиологическое - это изменение ряда химических процессов, происходящих внутри организма.

• Выделение цветами сильного запаха для привлечения насекомых способствует запылению.
• Состояние анабиоза, в которое способны входить простейшие организмы, позволяет им сохранять жизнедеятельность через многие годы. Старейшая способная к размножению бактерия имеет возраст 250 лет.
• Накопление подкожного жира, который преобразуется в воду, у верблюдов.

Поведенческие (психологические) адаптации

С психологическим фактором больше связаны примеры адаптации человека. Поведенческие характеристики свойственны флоре и фауне. Так, в процессе эволюции изменение температурного режима заставляет некоторых животных впадать в спячку, птиц - улетать на юг, чтобы возвратиться весной, деревья - сбрасывать листву и замедлять движение соков. Инстинкт выбора наиболее подходящего партнера для продолжения рода движет поведением животных в брачный период. Некоторые северные лягушки и черепахи полностью замерзают на зиму и оттаивают, оживают с наступлением тепла.

Факторы, вызывающие потребность в переменах

Любые процессы адаптации - это ответная реакция на факторы экологии, которые ведут к изменению окружающей среды. Такие факторы подразделяются на биотические, абиотические и антропогенные.

Биотические факторы - это влияние живых организмов друг на друга, когда, к примеру, исчезает один вид, который служит пищей другому.

Абиотические факторы - это изменения в окружающей неживой природе, когда меняется климат, состав почвы, обеспеченность водой, циклы солнечной активности. Физиологические адаптации, примеры влияния абиотических факторов - экваториальные рыбы, которые могут дышать и в воде, и на суше. Они хорошо приспособились к условиям, когда пересыхание рек - частое явление.

Антропогенные факторы - влияние человеческой деятельности, которое изменяет окружающую среду.

Приспособления к среде обитания

• Освещенность . У растений - это отдельные группы, которые отличаются потребностью в солнечном освещении. На открытых пространствах хорошо живут светолюбивые гелиофиты. В противоположность им - сциофиты: растения лесных чащ, хорошо себя чувствуют в затененных местах. Среди животных также есть особи, чья рассчитана на активный образ жизни в ночное время или под землей.
• Температура воздуха. В среднем для всего живого, в том числе и человека, оптимальной температурной средой считается диапазон от 0 до 50 о С. Однако жизнь есть практически во всех климатических регионах Земли.

Противоположные примеры адаптации к аномальным температурам описаны ниже.

Арктические рыбы не замерзают благодаря выработке в крови уникального антифризного белка, который не дает крови заледенеть.

Простейшие микроорганизмы обнаружены в гидротермальных источниках, температура воды в которых превышает градус кипения.

Растения-гидрофиты, то есть те, что живут в воде или около нее, погибают даже при незначительной потере влаги. Ксерофиты, наоборот, приспособлены жить в засушливых регионах, и погибают при большой влажности. Среди животных природа также поработала над адаптацией к водному и безводному окружению.

Адаптация человека

Способности человека к приспособлению поистине грандиозны. Секреты человеческого мышления раскрыты далеко не полностью, и тайны адаптивной способности людей еще долго будут загадочной темой для ученых. Превосходство Гомо сапиенса перед другими живыми существами - в способности сознательно менять свое поведение под требование окружающей среды или, наоборот, окружающий мир под свои потребности.

Гибкость поведения человека проявляется ежедневно. Если дать задание: «приведите примеры адаптации людей», большинство начинает вспоминать исключительные случаи выживания в Это редкие случаи, а в новых для себя обстоятельствах свойственна человеку ежедневно. Мы примеряем на себя новую обстановку в момент рождения на свет, в детском саду, школе, в коллективе, при переезде в другую страну. Именно это состояние принятия новых ощущений организмом называют стрессом. Стресс является психологическим фактором, но тем не менее под его воздействием меняются многие физиологические функции. В случае, когда человек принимает новую среду как положительную для себя, новое состояние становится привычным, а иначе стресс грозит стать затяжным и привести к ряду серьезных заболеваний.

Механизмы приспособления человека

Существуют три типа адаптации человека:

• Физиологическая . Самые простые примеры - акклиматизации и приспособленность к смене часовых поясов или суточного режима работы. В процессе эволюции сформировались различные типы людей, в зависимости от территориального места проживания. Арктический, высокогорный, континентальный, пустынный, экваториальный типы значительно разнятся физиологическими показателями.
• Психологическая адаптация. Это способность человека находить моменты понимания с людьми разных психотипов, в стране с иным уровнем менталитета. Человеку разумному свойственно менять свои устоявшиеся стереотипы под влиянием новой информации, особых случаев, стресса.
• Социальная адаптация. Тип привыкания, который свойственен только человеку.

Все адаптивные типы тесно связаны между собой, как привило, любая смена привычного существования вызывает в человеке потребность в социальной и психологической адаптации. Под их воздействием приходят в действие механизмы физиологических изменений, которые тоже подстраиваются под новые условия.

Такая мобилизация всех реакция организма названа адаптационным синдромом. Новые реакции организма появляются в ответ на резкие изменения обстановки. На первой стадии - тревоги - наблюдается изменение физиологических функций, изменения в работе обмена веществ и систем. Далее подключаются защитные функции и органы (в том числе мозг), начинают включать свои защитные функции и скрытые возможности. Третья стадия адаптации зависит от индивидуальных особенностей: человек или включается в новую жизнь и входит в обычное русло (в медицине в этот период наступает выздоровление), или же организм не принимает стресса, и последствия принимают уже негативную форму.

Феномены человеческого организма

В человеке заложен природой огромный запас прочности, который используется в повседневной жизни только в незначительном объеме. Проявляется он в экстремальных ситуациях и воспринимается как чудо. На самом же деле чудо заложено в нас самих. Пример адаптации: способность людей адаптироваться к нормальной жизни после удаления значительной части внутренних органов.

Природный врожденный иммунитет на протяжении жизни может укрепляться рядом факторов или же, наоборот, ослабевать при неправильном образе жизни. К сожалению, увлечение вредными привычками - это тоже отличие человека от других живых организмов.

Соответствие строения органов выполняемым функциям (например, совершенство летательного аппарата птиц, летучих мышей, насекомых) всегда обращало на себя внимание человека и побуждало исследователей использовать принципы организации живых существ при создании многих машин и приборов. Не меньше поражают воображение гармоничные взаимоотношения растений и животных со средой обитания.

Факты, свидетельствующие о приспособленности живых существ к условиям жизни, столь многочисленны, что не представляется возможным дать сколько нибудь полное их описание. Приведем лишь некоторые яркие примеры приспособительной окраски?

Для защиты яиц, личинок, птенцов особенно важна покровительственная окраска . У открыто гнездящихся птиц (глухарь, гага, тетерев) самка, сидящая на гнезде почти неотличима от окружающего фона. Соответствует фону и пигментированная скорлупа яиц. Интересно, что у птиц, гнездящихся в дупле, самки нередко имеют яркую окраску (синицы, дятлы, попугаи).

Удивительное сходство с веточками наблюдается у палочников. Гусеницы некоторых бабочек напоминают сучки, а тело некоторых бабочек – лист. Здесь покровительственная окраска сочетается с покровительственной формой тела. Когда палочник замирает, то даже с близкого расстояния трудно обнаружить его присутствие – настолько сливается он с окружающей растительностью. Всякий раз, попадая в лес, на луга, в поле, мы даже не замечаем, как много насекомых скрывается на коре, листьях, в траве.

У зебры и тигра темные и светлые полосы на теле совпадают с чередованием тени и света окружающей местности. В этом случае животные малозаметны даже на открытом пространстве с расстояния 50-70 м. Некоторые животные (камбала, хамелеон) способны даже к быстрому изменению покровительственной окраски благодаря перераспределению пигментов в хроматофорах кожи. Эффект покровительственной окраски повышается при ее сочетании с соответствующим поведением: в момент опасности многие насекомые, рыбы, птицы замирают, принимая позу покоя.

Очень яркая предостерегающая окраска (обычно белая, желтая, красная, черная) характерна для хорошо защищенных ядовитых жалящих форм. Несколько раз попытавшись отведать клопа-«солдатика», божью коровку, осу птицы в конце концов отказываются от нападения на жертву с яркой окраской.

Интересные примеры адаптации связанны с мимикрией (от греческого мимос – актер). Некоторые беззащитные и съедобные животные подражают видам, которые хорошо защищены от нападения хищников. Например, некоторые пауки напоминают муравьев, а осовидные мухи внешне схожи с осами.

Эти и многие другие примеры говорят о приспособительном характере эволюции.

Относительность приспособленности.

В додарвиновский период развития биологии приспособленность живых существ служила доказательством бытия божия: без всемогущего творца сама природа не смогла бы так разумно устроить живые существа и так мудро приспособить их к среде. Господствовало мнение, что каждое отдельное приспособление абсолютно, так как соответствует определенной цели, заложенной творцом: ротовые части бабочки вытянуты в хоботок, чтобы она смогла ими достать нектар, спрятанный в глубине венчика; толстый стебель кактусу необходим для запасания воды и др.

Приспособленность организмов к среде выработана в процессе длительного исторического развития под действием естественных причин и не абсолютна, а относительна, так как условия среды обитания часто изменяются быстрее, чем формируются приспособления. Соответствуя конкретной среде обитания, приспособления теряют свое значение при ее изменении. Доказательством относительного характера приспособленности могут быть следующие факты:

защитные приспособления от одних врагов оказываются не эффективными от других (например, ядовитых змей, опасных для многих животных, поедают мангусты, ежи, свиньи);

проявление инстинктов у животных может оказаться нецелесообразным (ночные бабочки собирают нектар со светлых цветков, хорошо заметных ночью, но так же летят и на огонь, хотя и гибнут при этом);

полезный в одних условиях орган становится бесполезным и даже относительно вредным в другой среде (перепонки между пальцами у горных гусей, которые никогда не опускаются на воду);

возможны и более совершенные приспособления к данной среде обитания. Некоторые виды животных и растений быстро размножались и широко распространялись в совершенно новых для них районах земного шара, куда были случайно или намеренно завезены человеком.

Таким образом, относительный характер приспособленности противоречит утверждению об абсолютной целесообразности в живой природе.

Реакции на неблагоприятные факторы среды только при некоторых условиях являются губительными для живых организмов, а в большинстве случаев они имеют адаптивное значение. Поэтому эти ответные реакции были названы Селье «общим адаптационным синдромом». В более поздних работах термины «стресс» и «общий адаптационный синдром» он употреблял как синонимы.

Адаптация — это генетически детерминированный процесс формирования защитных систем, которые обеспечивают повышение устойчивости и протекание онтогенеза в неблагоприятных для него условиях.

Адаптация является одним из важнейших механизмов, который повышает устойчивость биологической системы, в том числе растительного организма, в изменившихся условиях существования. Чем лучше организм адаптирован к какому-то фактору, тем он устойчивее к его колебаниям.

Генотипически обусловленная способность организма изменять метаболизм в определенных пределах в зависимости от действия внешней среды называется нормой реакции . Она контролируется генотипом и свойственна всем живым организмам. Большинство модификаций, которые возникают в пределах нормы реакции, имеют адаптивное значение. Они соответствуют изменениям среды обитания и обеспечивают лучшую выживаемость растений при колебаниях условии окружающей среды. В этой связи такие модификации имеют эволюционное значение. Термин «норма реакции» введен В.Л. Йогансеном (1909).

Чем больше способность вида или сорта модифицироваться в соответствии с окружающей средой, тем шире его норма реакции и выше способность к адаптации. Это свойство отличает устойчивые сорта сельскохозяйственных культур. Как правило, несильные и кратковременные изменения факторов внешней среды не приводят к существенным нарушениям физиологических функций растений. Это обусловлено их способностью сохранять относительное динамическое равновесие внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций в условиях изменяющейся внешней среды. В то же время резкие и продолжительные воздействия приводят к нарушению многих функций растения, а нередко и к его гибели.

Адаптация включает в себя все процессы и приспособления (анатомические, морфологические, физиологические, поведенческие и др.), которые способствуют повышению устойчивости и способствуют выживанию вида.

1. Анатомо-морфологические приспособления . У некоторых представителей ксерофитов длина корневой системы достигает несколько десятков метров, что позволяет растению использовать грунтовую воду и не испытывать недостатка влаги в условиях почвенной и атмосферной засухи. У других ксерофитов наличие толстой кутикулы, опушенность листьев, превращение листьев в колючки уменьшают потери воды, что очень важно в условиях недостатка влаги.

Жгучие волоски и колючки защищают растения от поедания животными.

Деревья в тундре или на больших горных высотах имеют вид приземистых стелющихся кустарников, зимой они засыпаются снегом, который защищает их от сильных морозов.

В горных районах с большими суточными колебаниями температуры растения часто имеют форму распластанных подушек с плотно расположенными многочисленными стеблями. Это позволяет сохранять внутри подушек влагу и относительно равномерную в течение суток температуру.

У болотных и водных растений формируется специальная воздухоносная паренхима (аэренхима), которая является резервуаром воздуха и облегчает дыхание частей растения, погруженных в воду.

2. Физиолого-биохимические приспособления . У суккулентов приспособлением для произрастания в условиях пустынь и полупустынь является усвоение СО 2 в ходе фотосинтеза по CAM-пути. У этих растений устьица днем закрыты. Таким образом, растение сохраняет внутренние запасы воды от испарения. В пустынях вода является главным фактором, ограничивающим рост растений. Устьица открываются ночью, и в это время происходит поступление СО 2 в фотосинтезирующие ткани. Последующее вовлечение СО 2 в фотосинтетический цикл происходит днем уже при закрытых устьицах.

К физиолого-биохимическим приспособлениям относятся способность устьиц открываться и закрываться, в зависимости от внешних условий. Синтез в клетках абсцизовой кислоты, пролина, защитных белков, фитоалексинов, фитонцидов, повышение активности ферментов, противодействующих окислительному распаду органических веществ, накопление в клетках сахаров и ряд других изменений в обмене веществ содействует повышению устойчивости растений к неблагоприятным условиям внешней среды.

Одна и та же биохимическая реакция может осуществляться несколькими молекулярными формами одного и того же фермента (изоферментами), при этом каждая изоформа проявляет каталитическую активность в относительно узком диапазоне некоторого параметра окружающей среды, например температуры. Наличие целого ряда изоферментов позволяет растению осуществлять реакцию в значительно более широком диапазоне температур, по сравнению с каждым отдельным изоферментом. Это дает возможность растению успешно выполнять жизненные функции в изменяющихся температурных условиях.

3. Поведенческие приспособления, или избегание действия неблагоприятного фактора . Примером могут служить эфемеры и эфемероиды (мак, звездчатка, крокусы, тюльпаны, подснежники). Они проходят весь цикл своего развития весной за 1,5-2 месяца, еще до наступления жары и засухи. Таким образом, они как бы уходят, или избегают попадания под влияние стрессора. Подобным образом раннеспелые сорта сельскохозяйственных культур формируют урожай до наступления неблагоприятных сезонных явлений: августовских туманов, дождей, заморозков. Поэтому селекция многих сельскохозяйственных культур направлена на создание раннеспелых сортов. Многолетние растения зимуют в виде корневищ и луковиц в почве под снегом, защищающим их от вымерзания.

Адаптация растений к неблагоприятным факторам осуществляется одновременно на многих уровнях регуляции — от отдельной клетки до фитоценоза. Чем выше уровень организации (клетка организм, популяция) тем большее число механизмов одновременно участвует в адаптации растений к стрессам.

Регуляция метаболических и адаптационных процессов внутри клетки осуществляется с помощью систем: метаболической (ферментативной); генетической; мембранной. Эти системы тесно связаны между собой. Так, свойства мембран зависят от генной активности, а дифференциальная активность самих генов находится под контролем мембран. Синтез ферментов и их активность контролируются на генетическом уровне, в то же время ферменты регулируют нуклеиновый обмен в клетке.

На организменном уровне к клеточным механизмам адаптации добавляются новые, отражающие взаимодействие органов. В неблагоприятных условиях растения создают и сохраняют такое количество плодоэлементов, которое в достаточном количестве обеспечено необходимыми веществами, чтобы сформировать полноценные семена. Например, в соцветиях культурных злаков и в кронах плодовых деревьев в неблагоприятных условиях более половины заложившихся завязей могут опасть. Такие изменения основаны на конкурентных отношениях между органами за физиологически активные и питательные вещества.

В условиях стрессов резко ускоряются процессы старения и опадения нижних листьев. При этом нужные растениям вещества перемещаются из них в молодые органы, отвечая стратегии выживания организма. Благодаря реутилизации питательных веществ из нижних листьев сохраняются жизнеспособными более молодые — верхние листья.

Действуют механизмы регенерации утраченных органов. Например, поверхность ранения покрывается вторичной покровной тканью (раневой перидермой), рана на стволе или ветке зарубцовывается наплывами (каллюсами). При утрате верхушечного побега у растений пробуждаются спящие почки и усиленно развиваются боковые побеги. Весеннее восстановление листьев вместо опавших осенью — это также пример естественной регенерации органов. Регенерация как биологическое приспособление, обеспечивающее вегетативное размножение растений отрезками корня, корневища, слоевища, стеблевыми и листовыми черенками, изолированными клетками, отдельными протопластами, имеет большое практическое значение для растениеводства, плодоводства, лесоводства, декоративного садоводства и пр.

В процессах защиты и адаптации на уровне растения участвует и гормональная система. Например, при действии неблагоприятных условий в растении резко возрастает содержание ингибиторов роста: этилена и абсциссой кислоты. Они снижают обмен веществ, тормозят ростовые процессы, ускоряют старение, опадение органов, переход растения в состояние покоя. Торможение функциональной активности в условиях стресса под влиянием ингибиторов роста является характерной для растений реакцией. Одновременно с этим в тканях снижается содержание стимуляторов роста: цитокинина, ауксина и гиббереллинов.

На популяционном уровне присоединяется отбор, который приводит к появлению более приспособленных организмов. Возможность отбора определяется существованием внутрипопуляционной изменчивости устойчивости растений к разным факторам внешней среды. Примером внутрипопуляционной изменчивости по устойчивости может служить недружность появления всходов на засоленной почве и увеличение варьирования сроков прорастания при усилении действия стрессора.

Вид в современном представлении состоит из большого числа биотипов — более мелких экологических единиц, генетически одинаковых, но проявляющих разную устойчивость к факторам внешней среды. В различных условиях не все биотипы одинаково жизненны, и в результате конкуренции остаются лишь те из них, которые наиболее отвечают данным условиям. То есть, устойчивость популяции (сорта) к тому или иному фактору определяется устойчивостью составляющих популяцию организмов. Устойчивые сорта имеют в своем составе набор биотипов, обеспечивающих хорошую продуктивность даже в неблагоприятных условиях.

Вместе с тем, в процессе многолетнего культивирования у сортов изменяется состав и соотношение биотипов в популяции, что отражается на продуктивности и качестве сорта, часто не в лучшую сторону.

Итак, адаптация включает в себя все процессы и приспособления, повышающие устойчивость растений к неблагоприятным условиям среды (анатомические, морфологические, физиологические, биохимические, поведенческие, популяционные и др.)

Но для выбора наиболее эффективного пути адаптации главным является время, в течение которого организм должен приспособиться к новым условиям.

При внезапном действии экстремального фактора ответ не может быть отложен, он должен последовать незамедлительно, чтобы исключить необратимые повреждения растения. При длительных воздействиях небольшой силы адаптационные перестройки происходят постепенно, при этом увеличивается выбор возможных стратегий.

В этой связи различают три главные стратегии адаптации: эволюционные , онтогенетические и срочные . Задача стратегии — эффективное использование имеющихся ресурсов для достижения основной цели — выживания организма в условиях стресса. Стратегия адаптации направлена на поддержание структурной целостности жизненно важных макромолекул и функциональной активности клеточных структур, сохранение систем регуляции жизнедеятельности, обеспечение растений энергией.

Эволюционные, или филогенетические адаптации (филогенез — развитие биологического вида во времени) — это адаптации, возникающие в ходе эволюционного процесса на основе генетических мутаций, отбора и передающиеся по наследству. Они являются наиболее надежными для выживания растений.

У каждого вида растений в процессе эволюции выработались определенные потребности к условиям существования и приспособленность к занимаемой им экологической нише, стойкое приспособление организма к среде обитания. Влаголюбие и теневыносливость, жароустойчивость, холодоустойчивость и другие экологические особенности конкретных видов растений сформировались в результате длительного действия соответствующих условий. Так, теплолюбивые и короткодневные растения характерны для южных широт, менее требовательные к теплу и длиннодневные растения — для северных. Хорошо известны многочисленные эволюционные адаптации к засухе растений-ксерофитов: экономное расходование воды, глубоко залегающая корневая система, сбрасывание листьев и переход в состояние покоя и другие приспособления.

В этой связи сорта сельскохозяйственных растений проявляют устойчивость именно к тем факторам внешней среды, на фоне которых проводится селекция и отбор продуктивных форм. Если отбор проходит в ряде последовательных генераций на фоне постоянного влияния какого-либо неблагоприятного фактора, то устойчивость сорта к нему может быть существенно увеличена. Закономерно, что сорта селекции НИИ сельского хозяйства Юго-Востока (г. Саратов), более устойчивы к засухе, чем сорта, созданные в селекционных центрах Московской области. Таким же путем в экологических зонах с неблагоприятными почвенноклиматическими условиями сформировались устойчивые местные сорта растений, а эндемичные виды растений устойчивы именно к тому стрессору, который выражен в ареале их обитания.

Характеристика устойчивости сортов яровой пшеницы из коллекции Всероссийского института растениеводства (Семенов и др., 2005)

В природной обстановке условия среды обычно изменяются очень быстро, и времени, в течение которого стрессовый фактор достигает повреждающего уровня, недостаточно для формирования эволюционных приспособлений. В этих случаях растения используют не постоянные, а индуцируемые стрессором защитные механизмы, формирование которых генетически предопределено (детерминировано).

Онтогенетические (фенотипические) адаптации не связаны с генетическими мутациями и не передаются по наследству. Формирование такого рода адаптаций требует сравнительно много времени, поэтому их называют долговременными адаптациями. Одним из таких механизмов является способность ряда растений формировать водосберегающий путь фотосинтеза CAM-типа в условиях водного дефицита, вызванного засухой, засолением, действием низких температур и других стрессорами.

Эта адаптация связана с индукцией экспрессии «неактивного» в нормальных условиях гена фосфоенолпируваткарбоксилазы и генов других ферментов CAM-пути усвоения СО 2 , с биосинтезом осмолитов (пролина), с активацией антиоксидантных систем и изменением суточных ритмов устьичных движений. Все это приводит к очень экономному расходованию воды.

У полевых культур, например, у кукурузы, аэренхима в обычных условиях произрастания отсутствует. Но в условиях затопления и недостатка в тканях кислорода в корнях у нее происходит гибель части клеток первичной коры корня и стебля (апоптоз, или программируемая смерть клеток). На их месте образуются полости, по которым кислород из надземной части растения транспортируется в корневую систему. Сигналом для гибели клеток является синтез этилена.

Срочная адаптация происходит при быстрых и интенсивных изменениях условий обитания. В основе ее лежит образование и функционирование шоковых защитных систем. К шоковым защитным системам относятся, например, система белков теплового шока, которая образуется в ответ на быстрое повышение температуры. Эти механизмы обеспечивают кратковременные условия выживания при действии повреждающего фактора и тем самым создают предпосылки для формирования более надежных долговременных специализированных механизмов адаптации. Примером специализированных механизмов адаптации является новообразование антифризных белков при низких температурах или синтез сахаров в процессе перезимовки озимых культур. Вместе с тем, если повреждающее действие фактора превышает защитные и репарационные возможности организма, то неминуемо наступает смерть. В этом случае организм погибает на этапе срочной или на этапе специализированной адаптации в зависимости от интенсивности и продолжительности действия экстремального фактора.

Различают специфические и неспецифические (общие) ответные реакции растений на стрессор.

Неспецифические реакции не зависят от природы действующего фактора. Они одни и те же при действии высокой и низкой температуры, недостатка или избытка влаги, высокой концентрации солей в почве или вредных газов в воздухе. Во всех случаях в клетках растений повышается проницаемость мембран, нарушается дыхание, возрастает гидролитический распад веществ, увеличивается синтез этилена и абсцизовой кислоты, тормозится деление и растяжение клеток.

В таблице представлен комплекс неспецифических изменений, протекающих у растений под влиянием различных факторов внешней среды.

Изменение физиологических параметров у растений под действием стрессовых условий (по Г.В, Удовенко, 1995)

Исходя из данных таблицы видно, что устойчивость растений к нескольким факторам сопровождается однонаправленными физиологическими изменениями. Это дает основание считать, что повышение устойчивости растений к одному фактору может сопровождаться повышением устойчивости к другому. Это подтверждено экспериментами.

Опытами в Институте физиологии растений РАН (Вл. В. Кузнецов и др.) показано, что кратковременная тепловая обработка растений хлопчатника сопровождается повышением их устойчивости к последующему засолению. А адаптация растений к засолению приводит к повышению их устойчивости к высокой температуре. Тепловой шок повышает способность растений приспосабливаться к последующей засухе и, наоборот, в процессе засухи повышается устойчивость организма к высокой температуре. Кратковременное воздействие высокой температурой повышает устойчивость к тяжелым металлам и УФ-Б облучению. Предшествующая засуха способствует выживанию растений в условиях засоления или холода.

Процесс повышения устойчивости организма к данному экологическому фактору в результате адаптации к фактору иной природы называется кросс-адаптацией .

Для изучения общих (неспецифических) механизмов устойчивости большой интерес представляет ответ растений на факторы, вызывающие у растений водный дефицит: на засоление, засуху, низкие и высокие температуры и некоторые другие. На уровне целого организма все растения реагируют на водный дефицит одинаково. Характерно угнетение роста побегов, усиление роста корневой системы, синтеза абсцизовой кислоты, снижение устьичной проводимости. Спустя некоторое время, ускоренно стареют нижние листья, и наблюдается их гибель. Все эти реакции направлены на снижение расходования воды за счет сокращения испаряющей поверхности, а также за счет увеличения поглотительной деятельности корня.

Специфические реакции — это реакции на действие какого-либо одного стрессового фактора. Так, фитоалексины (вещества со свойствами антибиотиков) синтезируются в растениях в ответ на контакт с болезнетворными микроорганизмами (патогенами).

Специфичность или не специфичность ответных реакций, подразумевает, с одной стороны, отношение растения к различным стрессорам и, с другой стороны, характерность реакций растений различных видов и сортов на один и тот же стрессор.

Проявление специфических и неспецифических ответных реакций растений зависит от силы стресса и скорости его развития. Специфические ответные реакции возникают чаще, если стресс развивается медленно, и организм успевает перестроиться и приспособиться к нему. Неспецифические реакции обычно возникают при более кратковременном и сильном действии стрессора. Функционирование неспецифических (общих) механизмов устойчивости позволяет растению избегать больших затрат энергии для формирования специализированных (специфических) механизмов адаптации в ответ на любое отклонение от нормы условий их обитания.

Устойчивость растений к стрессовому воздействию зависит от фазы онтогенеза. Наиболее устойчивы растения и органы растений в покоящемся состоянии: в виде семян, луковиц; древесные многолетние — в состоянии глубокого покоя после листопада. Наиболее чувствительны растения в молодом возрасте, так как в условиях стресса процессы роста повреждаются в первую очередь. Вторым критическим периодом является период формирования гамет и оплодотворения. Действие стресса в этот период приводит к снижению репродуктивной функции растений и снижению урожая.

Если стрессовые условия повторяются и имеют небольшую интенсивность, то они способствуют закаливанию растений. На этом основаны методы повышения устойчивости к низким температурам, жаре, засолению, повышенному содержанию в воздухе вредных газов.

Надежность растительного организма определяется его способностью не допускать или ликвидировать сбои на разных уровнях биологической организации: молекулярном, субклеточном, клеточном, тканевом, органном, организменном и популяционном.

Для предотвращения сбоев в жизнедеятельности растений под влиянием неблагоприятных факторов используются принципы избыточности , гетерогенности функционально равнозначных компонентов , системы репарации утраченных структур .

Избыточность структур и функциональных возможностей — один из основных способов обеспечения надежности систем. Избыточность и резервирование имеет многообразные проявления. На субклеточном уровне повышению надежности растительного организма способствуют резервирование и дублирование генетического материала. Это обеспечивается, например, двойной спиралью ДНК, увеличением плоидности. Надежность функционирования растительного организма в изменяющихся условиях поддерживается также благодаря наличию разнообразных молекул информационной РНК и образованию гетерогенных полипептидов. К ним относятся и изоферменты, которые катализируют одну и ту же реакцию, но отличаются по свои физико-химическим свойствам и устойчивостью структуры молекул в изменяющихся условиях среды.

На уровне клетки пример резервирования — избыток клеточных органелл. Так, установлено, что для обеспечения растения продуктами фотосинтеза достаточно части имеющихся хлоропластов. Остальные хлоропласты как бы остаются в резерве. То же касается и общего содержания хлорофилла. Избыточность проявляется также в большом накоплении предшественников для биосинтеза многих соединений.

На организменном уровне принцип избыточности выражается в образовании и в разновременной закладке большего, чем требуется для смены поколений, числа побегов, цветков, колосков, в огромном количестве пыльцы, семязачатков, семян.

На популяционном уровне принцип избыточности проявляется в большом числе особей, различающихся по устойчивости к тому или иному стрессовому фактору.

Системы репарации также работают на разных уровнях — молекулярном, клеточном, организменном, популяционном и биоценотическом. Репаративные процессы идут с затратой энергии и пластических веществ, поэтому репарация возможна только при сохранении достаточной интенсивности обмена веществ. Если обмен веществ прекращается, то прекращается и репарация. В экстремальных условиях внешней среды особенно большое значение имеет сохранение дыхания, так как именно дыхание обеспечивает энергией репарационные процессы.

Восстановительная способность клеток адаптированных организмов определяется устойчивостью их белков к денатурации, а именно устойчивостью связей, которые определяют вторичную, третичную и четвертичную структуру белка. Например, устойчивость зрелых семян к высоким температурам, как правило, связана с тем, что после обезвоживания их белки приобретают устойчивость к денатурации.

Главным источником энергетического материала как субстрата дыхания является фотосинтез, поэтому от устойчивости и способности фотосинтетического аппарата восстанавливаться после повреждений зависит энергообеспечение клетки и связанные с ним репарационные процессы. Для поддержания фотосинтеза в экстремальных условиях в растениях активизируется синтез компонентов мембран тилакоидов, происходит торможение окисления липидов, восстанавливается ультраструктура пластид.

На организменном уровне примером регенерации может служить развитие замещающих побегов, пробуждение спящих почек при повреждении точек роста.