Занятие «Основные пути приспособления живых организмов к условиям среды. Активная и скрытая жизнь»

Сопротивление и избегание – способы переживания неблагоприятных условий в активном состоянии.

При ухудшении условий среды многие виды способны приостанавливать свою жизнедеятельность и переходить в состояние скрытой жизни. Это явление было обнаружено в начале XVIII столетия Антони ван Левенгуком, который впервые наблюдал в сделанный им микроскоп мир мелких организмов. Он заметил и описал, что некоторые из них могут полностью высыхать на воздухе, а затем «оживать» в воде. В высушенном состоянии они кажутся полностью безжизненными. Позднее такое состояние мнимой смерти было названо анабиозом («ана» — нет, «биос» — жизнь).

Глубокий анабиоз — это практически полная остановка обмена веществ. В отличие от смерти организмы могут при этом возвращаться к активной жизни. Переход в состояние анабиоза чрезвычайно расширяет возможности выживания организмов в самых суровых условиях. В опытах высушенные семена и споры растений, некоторые мелкие животные — коловратки рис.1, нематоды выдерживают длительное время температуры жидкого воздуха (-190 °С) или жидкого водорода (-259,14 С).

Однако, при образовании кристаллов льда оживление становится невозможным, так как они разрушают структуру белковых молекул. Анабиоз происходит при высушивании и воздействии низких температур - в таком случае процесс дегидратации не затрагивает структуру белка. Анабиоз широко распространен среди спорообразующих бактерий и грибков - такие микроорганизмы могут погружаться в сон на тысячи лет. Черви, некоторые виды раков и моллюсков, а также земноводные и пресмыкающиеся теряют при анабиозе часть воды в теле, однако после анабиоза восстанавливают баланс воды, необходимый для поддержания нормальной жизнедеятельности.

Состояние анабиоза возможно лишь при полном обезвоживании организмов. При этом важно, чтобы потеря воды клетками тела не сопровождалась нарушением внутриклеточных структур. Большинство видов к этому не способно. Например, в клетках высших растений имеется обычно большая центральная вакуоль с запасом влаги. При высыхании она исчезает, клетка меняет форму, сжимается, и ее внутреннее строение нарушается. Поэтому глубокий анабиоз в природе встречается редко. Однако замедление обмена веществ и понижение жизнедеятельности в неблагоприятных условиях — явление широко распространенное. Клетки тела при этом частично обезвоживаются, происходит также и другая перестройка их состава.

Рис.1 Коловратка Рис. 2 Анабиоз коловратки

Состояние организмов, близкое к анабиозу, называют криптобиозом или скрытой жизнью («криптос» — скрытый). В состоянии пониженного обмена веществ организмы резко повышают свою устойчивость и очень экономно тратят энергию.

К явлениям скрытой жизни относятся оцепенение насекомых, зимний покой растений, спячка позвоночных животных, сохранение семян и спор в почве, а мелких обитателей — в пересыхающих водоемах В неактивном состоянии часто находятся в природе многие виды бактерий, пока не возникнут благоприятные условия для их размножения.

Одним из примеров организмов, способных к криптобиозу являются личинки комаров-звонцов вида Polypedilum vanderplanki рис.3.

Рис.3 личинки комаров-звонцов вида Polypedilum vanderplanki

Гипобиоз обратимое резкое снижение интенсивности процессов жизнедеятельности у животных, позволяющее сократить энергетические затраты организма в неблагоприятных условиях. Различают естественный (природный) гипобиоз — состояние, наблюдаемое в природе при определенных условиях у различных животных, и искусственный гипобиоз — клинический аналог природного. Понятие «гипобиоз» объединяет явления, характеризующиеся временным снижением функционирования жизнеспособных структур организма, например, осенне-зимний покой у растений или их клубней, корней и других частей; диапауза у насекомых; зимняя и летняя спячка животных. (Иногда в литературе понятия анабиоза и спячки употребляются как синонимы, тогда как они представляют собой разные состояния — анабиоз — приостановленная жизнедеятельность; спячка — лишь замедленная и ограниченная жизнедеятельность, т. е. гипобиоз).

Для многих организмов (или их зародышей) в природных условиях (например, споры микроорганизмов, цисты простейших, мхи, лишайники, личинки ряда насекомых, коловратки, тихоходки) существуют полные ряды естественных состояний перехода от активной жизнедеятельности до анабиоза (биоз — гипобиоз —мезабиоз — анабиоз). Этот ряд у большинства высших растений (за исключением их семян) заканчивается глубоким гипобиозом — осенне-зимним покоем; у зимоспящих животных — спячкой (при этом наблюдаются переходы бодрствование — дремотные состояния — сон — спячка). Для организмов, не приспособленных к анабиозу, такие ряды являются неполными. Например, у высших незимоспящих животных и человека этот ряд завершается неглубокой формой гипобиоза — сном.

Различают три естественных состояния гипобиоза: суточный гипобиоз, связанный с изменениями условий среды, происходящими в течение суток; сезонный гипобиоз, начинающийся перед периодически повторяющимся наступлением неблагоприятных условий внешней среды (причем сигнальное воздействие внешних факторов происходит у разных организмов по-разному); вынужденный гипобиоз, наступающий в результате прямого воздействия неблагоприятных для жизнедеятельности условий внешней среды и прекращающийся непосредственно после их изменения в лучшую сторону.

Искусственный гипобиоз

В экспериментальной биологии и в различных областях медицины — хирургии, терапии — все более широкое применение находит метод искусственного снижения метаболизма теплокровных животных и человека, или искусственный гипобиоз. Состояние гипобиоза отличается от любой разновидности гипотермии существенным снижением уровня потребления кислорода и оксигенации тканей: при гипобиозе потребление кислорода в 2 раза ниже, чем при равной по глубине гипотермии, а потребление кислорода в состоянии глубокого гипобиоза составляет 1/6 - 1/7 от нормы. Искусственный гипобиоз характеризуется также снижением минутного объема сердца и показателей дыхания. Стабилизированное состояние гипобиоза (по сравнению с состоянием гипотермии) характеризуется снижением количества катехоламинов в крови, а содержание глюкозы, напротив, поддерживается на уровне верхней границы нормы, в то время как при гипотермии наблюдается повышение содержания глюкозы в плазме крови. Все этапы развития и поддержания гипобиоза сопровождаются повышением содержания мочевины в тканях мозга. Аналогичные сдвиги в содержании мочевины в мозге были отмечены у сусликов в период зимней спячки. По мнению ряда исследователей (М. С. Гаевская и др., 1963), мочевина защищает белковые молекулы от конформационных изменений при пониженных температурах.

Избегание неблагоприятных воздействий – выработка организмом таких жизненных циклов, при которых наиболее уязвимые стадии его развития завершаются в самые благоприятные по температурным и другим условиям периоды года.

Обычный путь таких приспособлений – миграция.

Эволюционно возникающие приспособления организмов к условиям среды обитания, выражающееся в изменении их внешних и внутренних особенностей носит название адаптации. Существуют различные типа адаптаций.

Морфологические адаптации. У организмов возникают такие особенности внешнего строения, которые способствуют выживанию и успешной жизнедеятельности организмов в обычных для них условиях.

Например, обтекаемая форма тела у водных животных, строение суккулентов, приспособления галофитов.

Морфологический тип адаптации животного или растения, при котором они имеют внешнюю форму, отражающую способ взаимодействия со средой обитания, называют жизненной формой вида. В процессе приспособления к одинаковым условиям среды разные виды могут иметь сходную жизненную форму.

Например, кит, дельфин, акула, пингвин.

Например, обеспечение влагой за счет окисления жира у верблюдов.