Адаптация как фундаментальное свойство экологических систем.

Живой организм - это открытая система, связанная с окружающей средой обменом веществ, энергии и информации. Однако среда обитания не остается постоянной. Потоки веществ, энергии информации, связывающие организм со средой, могут изменяться. При этом в организме возникают такие процессы, которые нейтрализуют эти изменения. Так обеспечивается постоянство внутренней среды живого существа в условиях меняющегося окружения. Например, стабильное увеличение в воздухе содержания угарного газа приводит к возрастанию в плазме крови человека железосодержащего белка, необратимо связывающего СО₂. Тем самым гемоглобин крови защищается от токсиканта и не теряет свою активность.

Способность организма обеспечивать постоянство своей внутренней среды в условиях меняющегося окружения получила название адаптации (от лат. "адаптацио" - приспособление).

Адаптация присуща не только индивидуальным организмам, но и их сообществам. Поступление в водную экосистему отходов от предприятия вызывает механизм самоочистки вод. Попадающие в водоем фенолы, например, от ЦБК окисляются кислородом и ультрафиолетовыми лучами солнца, поглощаются прибрежной и водной растительностью и полностью разлагаются ею до СО₂ и воды.

Таким образом, адаптация - это фундаментальное свойство живой материи, которое обеспечивает устойчивость биологических систем в условиях непостоянства среды обитания. Адаптированность биологической системы к среде - результат совместного влияния фило- и онтогенеза. Весь процесс развития жизни на земле носит характер приспособления к среде обитания. Адаптация идет в двух направлениях. С одной стороны, организмы в процессе эволюции приобретает все большую независимость от внешних факторов (живорождение, покрытосемянность). С другой стороны, совершенствуются, шлифуются способы "подстройки" организма к конкретным условиям обитания (регуляция теплообмена, работы устьиц, разнообразие формы конечностей).

В ходе онтогенеза тоже идет процесс адаптации. Он осуществляется на основе реализации наследственной информации об адаптации, накопленной в течение миллионов лет эволюции, и зависит от условий существования особи. Адаптация в процессе онтогенеза тоже осуществляется по двум направлениям: путем "подстройки" под "требования" среды, то есть с помощью регуляторных механизмов, и путем противостояния внешним воздействиям, то есть с помощью защитных механизмов.

Приспособление биологического объекта происходит одновременно по отношению к многочисленным и разнообразным по природе факторам среды.

Адаптированность ныне живущих организмов и их сообществ к условиям обитания поражает воображение своей биологической целесообразностью. Приспособленностью к среде объясняется огромное разнообразие форм и цвета в природе, способов передачи информации, наличие человеческих рас и т.д. Но ни религия, ни мистика не способны, в отличие от науки, дать ни одного доказательного и непротиворечивого объяснения этим явлениям, особенно, когда имеют дело с проявлением относительного характера адаптации. Последний, связан с тем, что возможности приспособления у живых систем не безграничны. Если давление со стороны факторов среды превышает пределы адаптации системы - происходит нарушение ее внутреннего постоянства, она переходит в

новое качество (рис. 3-5).

Рис.3-5.Адаптация живого организма к меняющейся среде.

Процесс адаптации живого организма к меняющейся среде можно сравнить с колебаниями шарика на торце цилиндра при его раскачивании. Слишком сильные колебания цилиндра приводят к превышению предела адаптации системы и к переходя ее в новое качество.

А - относительное постоянство внутренней среды

Б - состояние неустойчивости (возможен переход к А и к В)

В - качественно новое состояние.

Пример: А-здоровый организм; Б - организм после переохлаждения, может развиться болезнь, но можно ее и не допустить, если вовремя принять меры (принять лекарство, прогреться);

В - организм заболел, для возвращении к состоянию А необходимо лечение. Переход из А в В на много легче, чем обратно. Это справедливо и для экосистем. Легко погубить экосистему озера (переход А в В). Но восстановить погибшую экосистему крайне сложно и как правило неосуществимо (переход из В в А).

Для организма это означает болезнь или даже смерть. Биологический вид резко сокращает свою численность. Экологическая система замещается на другую, как правило, менее продуктивную (высыхают леса, степи превращаются в пустыни, озера зарастают).

В условиях современного экологического кризиса механизмы адаптации биологических систем все чаще дают сбои. Неверно, думать, что причина этого явления кроется в качественном изменении состава среды, к которой организмы приспособились в процессе эволюции. Большинство химических веществ и физических факторов, вызывающих сегодня загрязнение планетарной среды, существовало на Земле задолго до появления не только производства, но и самого человека. Природными источниками загрязнения были и остаются лесные пожары, вулканическая деятельность, выделения микроорганизмов, растений, животных, селевые потоки, выход на поверхность земли полиметаллических руд и др. Это значит, что эволюция шла не в стерильных, идеальных условиях, и все ныне живущие организмы содержат генетическую информацию о способах адаптации к различным неблагоприятным факторам, включая тяжелые металлы, бензпирен, диоксины, радиацию.

Основная причина кризиса адаптации современных нам биосистем - слишком большая скорость антропогенного изменения среды. Только за последние 100-150 лет многие ее химические и физические показатели изменились в 2 и более раз. Биологическая эволюция происходит очень медленно, адаптация к среде отшлифовывается тысячелетиями. В результате изменения в среде обитания живых существ, все чаще превышают их адаптационные способности.

Истощение ресурсов адаптации современных биологических систем обусловливает актуальность изучения не только механизмов приспособлений, но и способов управления ими.

 

ЭВОЛЮЦИЯ ЭКОСИСТЕМ.

Экологические сукцессии.

Развитие биоценозов, при котором имеет место замещение во времени одного сообщества другим, называют экологической сукцессией. В большинстве случаев процессы сукцессии занимают временные промежутки, измеряемые годами и десятилетиями, хотя в отдельных случаях смены сообществ, следуют с большей скоростью (например, во временных водоемах). Наряду с этим, известны вековые изменения экосистем, отражающие общие пути эволюции биосферы. В отсутствие внешних нарушающих процессов сукцессия представляет собой направленный и, следовательно, предсказуемый процесс. Сукцессия происходит в результате изменений сообществом физической среды и взаимодействий «конкуренция – сосуществование» на популяционном уровне. Таким образом, сукцессия контролируется сообществом, не смотря на то, что физическая среда определяет характер и скорость изменения, а часто и ограничивает пределы развития.

Если сукцессионные изменения вызваны преимущественно внутренними взаимодействиями, то говорят об автогенной или эндоэкогенетической сукцеассии (т.е. самопорождающейся). Если же на изменения регулярно воздействуют или контролируют их внешние силы среды на выходе (например пожары, штормы), то такую сукцессию называют аллогенной или экзоэкогенетической (порожденной из вне). Примеры аллогенной сукцессии можно найти в различных воздействиях на биоценозы со стороны человека: мелиоративное осушение болот, загрязнение водоемов, неумеренный выпас скота и т. П. Автогенные сукцессии вызываются в первую очередь изменением структуры и системы связей в существующих сообществах. Впрочем, эти две категории сукцессии взаимосвязаны и могут переходить одна в другую.

Начальный этап сукцессии был назван академиком В.Н. Сукачевым (создателем теории биоценологии) этапом сингенеза. На этом этапе происходит процесс первоначального формирования растительного покрова, связанный с вселением (миграцией) растений на данную территорию. Отбором растений в процессе приспособления к ее условиям, а затем и конкуренцией между ними из-за средств жизни, Сингенетическая сукцессия, которая направляется исходно исключительно абиотическими свойствами местности, приводит к формированию фитоценоза, после чего сукцессия идет по принципу автогенной, приводя к устойчивому сообществу, соответствующему понятию климакса.

В наиболее общем виде сукцессии, проходят через фазы:

1. обнажения (появление незаселенного пространства);

2. миграции (заселение его первыми, пионерными формами жизни);

3. эцезиса (колонизация и приспособление к конкретным условиям среды);

4. соревнования (конкуренция с вытеснением ряда первичных вселенцев),

5. реакции (обратное воздействие сообщества на биотоп и условия существования);

6. стабилизации (формирование климаксового биоценоза, наиболее адаптированного по отношению к комплексу климатических условий).

Таким образом, сукцессионные серии начинаются, как правило, с экзоэкогенеза, переходящего в эндоэкогенез по мере формирования внутренних связей в возникающем фитоценозе.

Важным механизмом стабилизации являются конкурентные отношения, в процессе которых достигается равновесное состояние, характеризующее завершающее сообщество. Более подробная классификация механизмов сукцессии предусматривает три категории отношений между организмами в сукцессионных сериях (последовательность сообществ, сменяющих друг друга в данном пространстве).

· Модель облегчения или стимуляции соответствует фазе эндоэкогенетической сукцессии и заключается в том, что ранние поселенцы своей деятельностью изменяют среду, делая ее доступной для следующей волны колонистов.

· Модель толерантности проявляется в виде конкурентных отношений, в результате которых происходит отбор толерантных и конкурентоспособных видов. Смена видов основывается на их различии в стратегии потребления ресурсов; виды более поздних стадий более устойчивы.

· По модели ингибирования все виды сообщества способны одновременно колонизировать открывшееся местообитание, устойчивы к вторжению конкурентов, но более поздние вселенцы способны закрепиться и увеличить численность только после выпадения кого-либо из предшественников. Так, в тропических дождевых лесах ползучий кустарник Lantanata занимает большие площади, практически, исключая поселение на них деревьев. Виды растений, входящие в состав первичных и последующих сообществ сукцессионной серии, могут отличаться по эколого-физиологическим свойствам. Показано, в частности, что раннесукцессионные виды травянистых и древесных растений отличаются большей скоростью фотосинтеза.