Адаптация живых организмов. Закон толерантности

В течение жизни на живые организмы воздействует множество различных экологических факторов природного и антропогенного характера. Чтобы выжить, животные и растения вынуждены приспосабливаться к условиям окружающей среды, причем эти приспособления вырабатываются у них в процессе эволюции и естественного отбора и закрепляются генетически. Эволюционно выработанные и наследственно закрепленные особенности живых организмов, обеспечивающие их нормальную жизнедеятельность в условиях динамического влияния экологических факторов, называются адаптациями (от лат. adaptatio – приспособление).

Наиболее ярко проявляются температурные адаптации. Например, у обитающих в жарких странах насекомых, как правило, светлая или блестящая окраска, отражающая часть солнечных лучей. Южные растения тоже нередко имеют блестящие серебристые листья. Растения, обитающие в пустыне, вообще лишены листьев, что обеспечивает им минимальные потери влаги. А в холодных районах чаще встречается темная окраска, способствующая поглощению тепла. Животные высокогорий и полярных районов для удержания тепла обзаводятся теплоизоляцией – жировой прослойкой, плотными перьями, густым мехом.

Размеры и форма тела также связаны с температурными условиями. Среди родственных видов обитатели холодных районов обычно крупнее своих теплолюбивых сородичей – «правило Бергмана». Чем крупнее животное, тем меньше отношение поверхности его тела к объему и, следовательно, меньше потери тепла. Точно так же объясняется и другая закономерность – «правило Аллена»: у животных, обитающих в холодном климате, выступающие части тела (уши, лапы, хвост) обычно бывают короче.

Организмы адаптируются не только к температурным колебаниям, но и к динамике влажности, освещенности, солнечной радиации и другим экологическим факторам. Чем выше способность вида адаптироваться к отдельным факторам, тем больше шансов выжить в условиях окружающей среды.

Большинство биологических видов приспособлено не к определенным значениям данного фактора, а к его временным флуктуациям. Организм способен выживать только в пределах определенного диапазона изменчивости данного фактора. Как при более низких, так и при более высоких его значениях жизненные процессы оказываются заторможенными, и может наступить гибель организма. Зависимость интенсивности жизнедеятельности организма или популяции от интенсивности фактора называется кривой толерантности (выносливости) (рис.3.1).

Данная кривая имеет две критические точки, определяемые минимальным и максимальным значениями экологического фактора. Заключенный между ними интервал изменчивости фактора является диапазоном экологической толерантности. Чем шире амплитуда колебаний фактора, при которой организм может сохранять жизнеспособность, тем выше его устойчивость, т.е. толерантность к тому или иному воздействию. Таким образом, толерантность (от лат. tolerantia – терпение) – это выносливость организмов по отношению к колебаниям какого-либо экологического фактора, способность организма выдерживать отклонения экологического фактора от оптимальных значений.

Для каждого вида организмов по каждому экологическому фактору можно определить зону оптимума, в которой условия его существования будут наиболее благоприятны, активность организмов будет максимальной, а сами они будут лучше и быстрее расти, развиваться, размножаться.

Специфические адаптивные механизмы дают возможность организму переносить определенный размах отклонений фактора от оптимальных значений без нарушений нормальных функций организма. Эти значения фактора формируют зоны сниженной активности. Зон с такими значениями две – соответственно отклонению фактора от оптимума в сторону недостатка или избытка.

 

Рис. 3.1. Кривая толерантности организмов

Дальнейший сдвиг значений фактора в сторону увеличения или уменьшения снижает эффективность действия адаптивных механизмов и, как следствие, нарушает жизнедеятельность организма (замедляется рост, нарушаются циклы размножения и т.д.). Значения любого экологического фактора, близкие к предельным минимальным и максимальным величинам, образуют зоны угнетения или стрессовые зоны. В стрессовых зонах активность организмов обычно сильно ограничена. При достижении минимального и максимального значений фактор становится несовместим с жизненными процессами, а в организме произойдут изменения, вызывающие его гибель.

Адаптация к любому фактору связана с затратой энергии. В зоне оптимума энергия расходуется только на фундаментальные жизненные процессы. При выходе за пределы оптимума включаются адаптивные механизмы, функционирование которых связано с затратами энергии: чем больше отклонение, тем больше затраты.

Кривая интенсивности жизнедеятельности организма в зависимости от величины экологического фактора не всегда имеет симметричный вид. Во многих случаях оптимум может располагаться вблизи крайних точек, а наиболее благоприятным для организма будет тот диапазон, в котором напряженность фактора является максимальной или минимальной.

Кроме этого, существует ряд условий, определяющих изменчивость толерантности во времени и пространстве, в зависимости от категории особей. Зона толерантности и положение оптимума данного фактора могут быть различны для разных функций организма. Например, термические границы толерантности многих организмов шире для выживания, чем для размножения. Толерантность организма может зависеть от пола и возраста, от скорости изменения экологического фактора. Одни и те же виды организмов, живущие в различных ареалах, также могут иметь различные границы толерантности. Таким образом, именно локальные популяции, а не биологический вид в целом проявляют приспособляемость к характерным для данной местности интенсивностям фактора.

Информация об оптимальных значениях отдельных факторов и диапазоне выносливости (толерантности) организма по отношению к конкретным факторам имеет значение для общей характеристики вида при решении таких задач, как акклиматизация видов в новых условиях, влияние антропогенной деятельности на организмы, связанное с существенными колебаниями отдельных экологических факторов.