Adaptace je evoluční adaptace organismů na podmínky prostředí, vyjádřená změnami v jejich vnějších a vnitřních vlastnostech. Schopnost adaptace je jednou z hlavních vlastností života obecně, protože poskytuje samotnou možnost jeho existence, schopnost organismů přežít a rozmnožovat se. Adaptace se projevují na různých úrovních: od biochemie buněk a chování jednotlivých organismů až po strukturu a fungování společenstev a ekologických systémů. Adaptace vznikají a vyvíjejí se během evoluce druhů. Hlavní adaptační mechanismy na úrovni organismu: 1) biochemické – projevují se v intracelulárních procesech, jako je např. změna práce enzymů nebo změna jejich množství; 2) fyziologické – například zvýšené pocení se zvyšující se teplotou u řady druhů; 3) morfoanatomické – rysy stavby a tvaru těla spojené s životním stylem; 4) behaviorální – např. zvířata vyhledávající příznivá stanoviště, vytváření nor, hnízd atd.; 5) ontogenetické – zrychlení nebo zpomalení individuálního vývoje, podporující přežití při změně podmínek. Morfologické adaptace zahrnují změny tvaru nebo struktury organismu. Příkladem takového přizpůsobení je tvrdý krunýř želv, který poskytuje ochranu před dravými zvířaty. Adaptace rostlin rostoucích v horkém a suchém podnebí na nedostatek vláhy se projevuje tím, že se listy proměnily v trny, aby se omezilo odpařování vlhkosti, kmen ztloustnul a masitý, schopný akumulovat zásoby vody, a kořeny se prodloužily, takže rostlina si mohla zajistit vodu a čerpat ji ve velkých hloubkách
Ne. Změna ve struktuře organismu se nazývá forma života nebo biomorf. Například formy života kvetoucích rostlin přizpůsobené životu v horkých pouštích v podmínkách nedostatku vlhkosti se nazývají sklerofyty a sukulenty (obr. 44). Sklerofyty mají tvrdé výhonky a listy, které zabraňují odpařování vlhkosti. Sukulenty jsou rostliny, které mají speciální pletiva pro uchovávání vody (masité listy, silné stonky). a b Obr. 44. Životní formy rostlin přizpůsobené horkému klimatu: a – sklerofyty; b – sukulenty Rostliny, které žijí na vlhkých místech, nesnášejí nedostatek vody a mají nízkou odolnost vůči suchu, se nazývají hygrofyty (obr. 45). Vyznačují se tenkými, širokými listy, často pokrytými chloupky pro zvětšení listové plochy, což podporuje intenzivní odpařování vlhkosti. Rýže. 45. Hygrofyta – rostliny přizpůsobené vlhkému klimatu
Paraziti se přizpůsobují existenci na povrchu nebo uvnitř jiného organismu zjednodušením stavby těla, specifickými fixačními orgány (háčky, přísavky) a vysokou plodností. Dravci se přizpůsobují podmínkám, ve kterých musí získávat potravu. Jestřábi mají ostré drápy pro zachycení kořisti a umístění očí v přední části hlavy jim umožňuje posoudit hloubku prostoru, což je nezbytné pro lov při letu vysokou rychlostí. Špičáky a stoličky leopardů a jiných kočkovitých šelem jsou výjimečně ostré, což těmto zvířatům umožňuje držet a trhat tělo jejich kořisti. Fyziologické adaptace jsou spojeny s chemickými procesy v těle. Vůně květiny tak může sloužit k přilákání hmyzu a tím přispět k opylení rostliny. Produkce látek s nepříjemným zápachem umožňuje skunku zastrašit své nepřátele. Hadi, štíři a další hmyz produkují jedovaté látky narušující životní funkce, což jim umožňuje lovit a bojovat s nepřáteli. Některé druhy si vyvinuly schopnost v případě nebezpečí upadnout do stavu strnulosti zvaného katalepsie. Mnoho dravců se neživí mršinami, takže se vyhýbají nehybnému tělu. Chameleon mění barvu svého těla pro účely maskování. Zimní spánek, charakteristický pro sviště, medvěda hnědého a netopýra, je projevem fyziologické adaptace na chlad. Tělo velblouda má vyvinutou schopnost ukládat tuk, při přechodech pouští tělo oxiduje tuk za vzniku vody – to je příklad fyziologické adaptace na nedostatek vody. Jiná forma fyziologické adaptace – schopnost spontánně amputovat tu či onu část těla (autotomie) – je obranná reakce vůči predátorům a zajišťuje přežití jedince i přes ztrátu ocasu nebo končetiny. Adaptací na různé teplotní podmínky byl vznik poikilotermních a homeotermních organismů. Poikilotermie (z řeckého ποικίλος – různý, proměnlivý a θερμία – teplo; též ektotermie; dříve se používal termín chladnokrevnost) je evoluční adaptace druhu nebo (v lékařství a fyziologii) stav těla, ve kterém tělo teplota živého tvora se značně liší v závislosti na okolní teplotě. Poikilotermní živočichové zahrnují všechny bezobratlé a mezi obratlovce ryby, obojživelníky a plazy. Homeothermy (ze starověké řečtiny.
oμοιος – podobný, totožný a θέρμη – teplo) – schopnost živého tvora udržovat stálou tělesnou teplotu bez ohledu na okolní teplotu. Mezi živými tvory, kteří dnes existují, jsou ptáci a savci homeotermní. Homeothermie je výhodná vlastnost organismu z evolučního hlediska, protože mu poskytuje větší míru nezávislosti na faktorech prostředí, což mu umožňuje zůstat aktivní v chladném počasí. Fotoperiodismus je reakce těla na změny délky dne. Délka denního světla přitom působí jednak jako podmínka růstu a vývoje, jednak jako faktor-signál pro nástup určitých fází vývoje nebo chování organismů. Ve vztahu k rostlinám se obvykle rozlišují krátkodenní a dlouhodenní organismy. Rostliny krátkého dne existují v nízkých (jižních) zeměpisných šířkách, kde během dlouhé vegetační sezóny zůstávají dny relativně krátké. Rostliny s dlouhým dnem jsou charakteristické pro vysoké (severní) zeměpisné šířky, kde je při krátkém vegetačním období den delší než v jižních zeměpisných šířkách, a to až do 24 hodin. Přesouvání rostlin z jedné zeměpisné šířky do druhé bez zohlednění tohoto jevu obvykle končí neúspěchem: rostliny se vyvíjejí abnormálně a nedozrávají. Signální vlastnost fotoperiodismu je vyjádřena tím, že rostlinné a živočišné organismy obvykle svým chováním a fyziologickými procesy reagují na délku dne. Například zkrácení délky dne je signálem pro přípravu organismů na zimu: pro rostliny je to zvýšení koncentrace buněčné mízy atd.; pro zvířata – hromadění tuků, výměna kůže, příprava ptactva na migraci atd. Rozdělení rostlin do ekologických skupin – světlomilné, stínomilné a stínomilné – vychází z jejich vztahu k intenzitě světla. Pro stínomilné lesní trávy je optimální stanoviště umístěno pod zápojem lesa. Adaptace zvířat na teplotu prostředí se odráží v pravidlech T. Allena a K. Bergmana. Pravidlo K. Bergmana uvádí, že zvířata žijící v oblastech s převládajícími nízkými teplotami mívají větší tělesné rozměry ve srovnání s obyvateli teplejších oblastí a oblastí. To se vysvětluje tím, že množství tepla produkovaného buňkami těla je přímo úměrné velikosti jedince. Čím větší jedinec, tím více tepla produkuje. Přenos tepla je přímo úměrný povrchu těla. S nárůstem objemu těla se plocha
se mírně zvětšuje, takže zvětšující se tělesná velikost umožňuje lépe kompenzovat tepelné ztráty v chladném klimatu. Pravidlo T. Allena uvádí, že zvířata žijící v oblastech s převládajícími nízkými teplotami mívají kratší vyčnívající části těla (uši, tlapky, ocas, nos) ve srovnání s obyvateli teplejších oblastí a oblastí. Čím menší je povrch těla, tím méně tepla tělo ztrácí. Malé uši, tlapky a ocas jim umožňují šetřit teplo, které je pro obyvatele chladného klimatu tak nezbytné. Behaviorální (etologická) adaptace je změna v chování organismu v reakci na změnu faktoru prostředí. Behaviorální adaptace zahrnuje sezónní migrace ptáků, stavbu hnízd, nor, úkrytů a ochranu potomstva. Adaptace je možná díky takovým vlastnostem živé hmoty, jako je variabilita, dědičnost a přirozený výběr. U každého druhu je program pro vývoj znaků zakotven v genetickém materiálu. Z těchto různorodých genetických variací proces adaptace vybírá nebo podporuje rozvoj těch vlastností, které nejvíce zvyšují šance na přežití, a tím na uchování genetického materiálu. Adaptaci lze tedy považovat za proces, kterým genetický materiál zvyšuje své šance na přetrvání v následujících generacích. Organismy se přizpůsobují periodickým faktorům. Zdrojem adaptace jsou mutace, ke kterým dochází jak pod vlivem přírodních faktorů, tak v důsledku umělého ovlivnění těla. Mutace je změna struktury genů – hlavních nositelů dědičné informace. Tyto změny jsou různé, mohou buď zvýšit přežití druhu za současných podmínek, nebo vést k onemocnění a smrti. Mutace dědí potomci. V případě pozitivních změn jsou takoví potomci ve změněných podmínkách zvýhodněni; jedinci s tímto typem mutace se šíří, zatímco jedinci s negativními mutacemi nemohou konkurovat silnějším příbuzným. Přinášejí slabé, neživotaschopné potomstvo. Výsledkem je, že tento typ mutace časem zmizí spolu se svými nositeli. Přirozený výběr tak dokončuje fázi adaptace druhu na změněné podmínky prostředí.
Cesta adaptace, která zvyšuje odolnost vůči rozvoji regulačních procesů, které umožňují navzdory nepříznivým faktorům vykonávat všechny životní funkce organismů, se nazývá aktivní. Příkladem aktivní adaptace je vznik homeotermie u ptáků a savců. Cesta adaptace, která je spojena s podřízením životních funkcí těla změnám faktorů prostředí, se nazývá pasivní. Například při prudkém zhoršení podmínek prostředí mohou organismy různých druhů pozastavit své životní funkce a dostat se do stavu takzvaného skrytého života (neboli imaginární smrti), kterému se říká pozastavená animace. Ve stavu pozastavené animace se metabolismus (metabolické procesy) téměř úplně zastaví. Člověk nemá ve své schopnosti obývat jakoukoli podnebnou zónu sobě rovné. Kromě přirozených adaptací, kterými druh Homo sapiens prošel, hraje významnou roli v adaptaci člověka na různé podmínky prostředí jeho sociální podstata. Laboratorní práce č. 17 Adaptace organismů na nepříznivé faktory prostředí Účel práce: seznámit se s existujícími formami adaptace organismů na různé nepříznivé faktory prostředí. Vybavení a materiál: počítačová třída; systémové požadavky: Intel, 3,4 GHz; 150 MB; Windows XP/Vista/7; DVD-ROM; 1 GB volného místa na pevném disku; program pro čtení pdf souborů: Adobe Acrobat Reader, Foxit Reader. Postup práce Prohlédněte si fotografie, dokončete úkoly a odpovězte na otázky. 1. Formulujte zákon nezávislého působení faktorů prostředí. Uveďte příklad, který to potvrdí. 2. Jaký faktor se nazývá omezující faktor? Vyjmenujte limitující faktory pro následující organismy (obr. 46 – 53). 3. Vysvětlete mechanismus vzniku adaptací organismů na měnící se podmínky prostředí.
4. U každého organismu pojmenujte typ adaptace a vysvětlete, na který faktor v každém případě adaptace nastala (obr. 54 – 59).
| Rýže. 46. Rostliny ve smrkovém lese | Rýže. 47. Pstruh |
Adaptace je přizpůsobení organismu určitým podmínkám prostředí v důsledku souboru vlastností – morfologické, fyziologické, behaviorální. V důsledku adaptací vznikají organismy adaptované na různé podmínky prostředí: vlhkomilní hydrofyta a „suchorodé“ xerofyty; rostliny, které jsou odolné vůči stínu (sciofyty) a vyžadují plné sluneční světlo pro normální vývoj (heliofyty); zvířata, která žijí ve stepích, lesích nebo bažinách, jsou noční nebo denní, obývají půdy s různou vlhkostí atd.
Adaptace zvířat na přežití v nepříznivých podmínkách jsou obecně rozmanitější než u rostlin. Lze je zredukovat na tři hlavní oblasti:
– vyhýbání se nepříznivým podmínkám (stěhování ptáků, migrace jelenů a jiných kopytníků při hledání potravy, hrazení v půdě nebo sněhu atd.);
– přechod do stavu pozastavené animace – prudké snížení intenzity životních procesů (klidová stadia u bezobratlých živočichů, strnulost ještěrek a hadů při nízkých teplotách, hibernace medvědů a jezevců atd.);
– rozvoj adaptací pro život v nepříznivých podmínkách (srst a podkožní tuk u zvířat v chladném klimatu, hospodárné využívání vody u pouštních zvířat atd.).
Rostliny jsou „ukotveny“ (vedou připoutaný životní styl), a proto jsou pro ně možné pouze dvě možnosti adaptace: snížení intenzity životních procesů v nepříznivých obdobích (opadání listů, přezimování ve fázi orgánů zahrabaných v půdě – cibule, oddenky , hlízy, stejně jako semena a spor) nebo zvýšení odolnosti vůči nepříznivým faktorům díky speciálním zařízením. Vytvářejí se adaptace k přežití nepříznivých abiotických (sucho, salinita, nedostatek světla, chlad) a biotických (vliv fytofágů, opylovačů, rozptylovačů semen, konkurence s jinými rostlinami) faktorů.
Adaptace se u různých skupin organismů vyvíjejí různou rychlostí. Nejrychleji vznikají u hmyzu, který se za 10–20 generací dokáže adaptovat na působení nového insekticidu, což vysvětluje selhání chemické kontroly hustoty populací hmyzích škůdců. Proces vývoje adaptací u rostlin nebo ptáků je pomalý a vyžaduje staletí.
Uveďme několik příkladů adaptace organismů na abiotické faktory prostředí.
Ektotermní a endotermní organismy. Teplota je jedním z hlavních přímých faktorů ovlivňujících všechny organismy. Horní hranice tolerance tohoto faktoru je 60 °C (teplota koagulace bílkovin), dolní hranice se liší podle typu organismu.
Existují dva zásadně odlišné typy adaptace na teplotu: pasivní a aktivní.
První typ je charakteristický pro ektotermní (poikilotermní) organismy (všechny taxony organického světa, kromě ptáků a savců). U těchto organismů je tělesná teplota regulována vnějším teplem. Jejich aktivita závisí na vnějších teplotních podmínkách: hmyz, ještěrky a mnoho dalších zvířat se v chladném počasí stávají pomalými a neaktivními. Mnoho živočišných druhů má schopnost vybrat si místo s optimálními podmínkami teploty, vlhkosti a slunečního záření (ještěrky se vyhřívají na osvětlených skalních deskách).
Druhý typ je charakteristický pro endotermní organismy (ptáci a savci), kteří si teplo zajišťují vlastní produkcí tepla a jsou schopni aktivně regulovat tvorbu a spotřebu tepla. Tělesná teplota se přitom mírně mění, její výkyvy nepřesahují 2–4° ani v největších mrazech. Hlavními adaptacemi jsou chemická termoregulace díky uvolňování tepla (například při dýchání) a fyzická termoregulace díky tepelně izolačním strukturám (tuková vrstva, peří, vlasy atd.).
Dalším typickým příkladem adaptace organismů na změny podmínek prostředí, které pomáhají regulovat tělesnou teplotu, jsou biorytmy. Jedná se o přirozené periodické změny ve fyziologii nebo chování organismů při změně denní doby, ročních období, odlivu a odlivu a lunárního fáze.
Cirkadiánní biorytmy jsou jasně vyjádřeny u zvířat a lidí: doba aktivní činnosti a odpočinku se u různých druhů liší.
Denní živočichové získávají potravu přes den, u nočních živočichů (sovy, netopýři) začíná období bdělosti tmou. S denním biorytmem jsou spojeny desítky fyziologických ukazatelů (puls, krevní tlak, tělesná teplota atd.), na kterých závisí činnost organismu.
Sezónní biorytmy jsou výrazné jak u zvířat, tak u rostlin, zejména v oblastech s výraznými klimatickými změnami mezi sezónami. S ročními obdobími jsou spojeny rytmy rozmnožování zvířat a jejich migrace (především stěhovaví ptáci), nástup fenologických fází vývoje rostlin (pučení, kvetení, plodování, shazování listů na zimu).
Zvířata, která zůstávají zimovat v chladném klimatu, reagují na měnící se podmínky zvýšením stupně tepelné izolace těla. Tepelně-izolační schopnost zimního „kožichu“ medvěda černého je tedy o 93 % vyšší než jeho letní srsti.
Xerofyty a halofyty. Rostliny jasně vyjádřily adaptace na podmínky nedostatečné vlhkosti a vysokého obsahu soli v půdě.
Xerofyty jsou rostliny odolné vůči suchu, které mohou ztratit až 50 % vody, kterou obsahují, aniž by hrozilo nebezpečí úhynu. Xerofyty mají celou řadu adaptací na podmínky nedostatku vláhy: hluboké a rozvětvené kořenové systémy schopné odebírat vodu z velkého objemu půdy a hloubky 8–10 m; vysoký osmotický tlak buněčné mízy; silná kutinizovaná vrstva s voskovým povlakem na listech, který snižuje odpařování; úzké listy, přítomnost chlupů na nich, zvýšení počtu průduchů a zlepšené mechanismy pro regulaci jejich lumen, zvýšení objemu vakuol (sukulence) atd. Kromě toho xerofyty vydávají těkavé aromatické látky, které obalují rostlinu a také pomáhají snižovat odpařování.
Xerofyty mají speciální verzi fotosyntézy – C4, při které se spotřebuje vody na jednotku vyprodukované organické hmoty 2x méně než u mezofytů s fotosyntézou C3. Navíc některé xerofyty mají jinou variantu fotosyntézy zvanou metabolismus sukulentních kyselin.
Aby neztrácely vodu, sukulenty (kaktusy, saxaul, pryšce atd.) otevírají v noci průduchy, ukládají oxid uhličitý a vážou ho do kyseliny. Ve dne na světle provádějí fotosyntézu s uzavřenými průduchy na úkor nočních rezerv.
Halofyty jsou rostliny přizpůsobené k růstu na zasolených půdách, které se v Běloruské republice přirozeně vyskytují ve stepní zóně. V ropných polích, kde se slané vody dostávají na povrch, lze halofyty nalézt i v lesní zóně.
Všechny adaptace halofytů souvisejí s jejich vodním režimem: „snaží se“ snížit jak absorpci vody, tak její vypařování. Rostliny mohou zvýšit osmotický tlak buněčné mízy, aby „vytáhly“ vodu z roztoku s vysokou koncentrací solí (pelyněk), nebo snížit spotřebu vody v důsledku šťavnatosti (tj. hromadění vlhkosti v šťavnatých listech a stoncích, např. , slaninka), uvolňující přebytečnou sůl na povrch listů pomocí speciálních žláz (například Kermek).
Testové otázky pro sekci 4.2
1. Co jsou adaptace organismů?
2. Jak se liší adaptace mezi zvířaty a rostlinami?
3. Vyjmenujte hlavní směry adaptace zvířat.
4. Uveďte příklady ektotermních a endotermních organismů.
5. Jaké znáte typy biorytmů?
6. Uveďte příklady sezónních biorytmů rostlin a živočichů.
7. Jak se rostliny přizpůsobují suchu?
8. Jak se rostliny přizpůsobují slanosti?
