Адаптації є наслідком дії природного добору

Тривалий час природодослідників хвилювало питання походження адпата-цій. Річ у тім, що адаптація завжди добре відповідає вимогам середовища. Наприклад, широке крило дозволяє яструбу ширяти в потоках повітря майже без помахів крил, вистежуючи здобич біля землі. Натомість вужче й загострене крило ластівки вимагає частіших помахів, проте забезпечує чудове маневрування під час польоту, а тому й легкість у полюванні на дрібних і рухливих комах (рис. 2.1). Тож у вчених здавна поставало питання: чи «знає» природа заздалегідь, що вона хоче «створити»? Дати чітку відповідь на нього біологічна наука змогла лише в середині XIX ст. завдяки створенню еволюційної теорії Чарльзом Дарвіном.

Саме еволюційне вчення Дарвіна забезпечило розуміння того, що адаптації виникають поступово в процесі природного добору. Нагадаємо, що природний добір забезпечує переважне виживання та розмноження найбільш пристосованих особин у популяції. Завдяки йому зі зміною поколінь у популяції зростає кількість організмів краще адаптованих до даного середовища. Це явище все більшого пристосування в процесі історичного розвитку живого отримало назву адаптивна еволюція. Усе різноманіття видів є її наслідком.

Але звідки добір «знає», що треба добирати? У результаті спадкової мінливості, тобто утворення мутацій і нових комбінацій спадкового матеріалу (переважно в процесі статевого розмноження), у популяції постійно з’являються особини, чиї генотипи, а тому й фенотипи, відрізнятимуться. Під час життя, взаємодіючи з іншими представниками свого виду (наприклад, конкуруючи за їжу чи світло), організмами інших видів (мутуаліста-ми, хижаками, паразитами), умовами абіотичного середовища (наприклад, хто з меншими витратами переживе холоди), частина з усієї різноманітності особин популяції краще виживає й розмножується¹. Так, власне, і реалізується природний добір, завдяки якому з усього різноманіття генів, до нащадків переважно потрапляють ті, що забезпечують краще виживання.

Дрейф генів і їхній потік можуть як сприяти, так і протидіяти адаптивній еволюції

Окрім «класичних» дарвінівських факторів, участь у еволюції беруть й інші. Одним із таких чинників є дрейф генів — випадкові зміни частоти зустрічно-сті алелей у популяції. Через непрогнозовані зміни середовища, як-от стихійне лихо чи нерівноймовірне схрещування особин у популяції (не всі квітки на полі запилюються), якісь алелі (а, отже, і фенотипи, зумовлені ними) можуть із часом отримати перевагу, а якісь — зовсім зникати.

Припустімо, що в озері була популяція жаб, які мали різноманітне забарвлення тіла (рис. 2.2). Через посуху частина особин загинула, а вижити змогли лише одиниці, що переховувались у маленьких калюжах. Після сезону дощів озеро наповнилося водою, і популяція жаб відновила свою чисельність. Проте, як виявилося, різноманіття забарвлення шкіри в популяції значно зменшилося! Це було пов’язано зовсім не з тим, що жаби якогось певного кольору краще переносять посуху, а з випадковістю: усі особини, що вижили, виявилися зеленими. У сусідньому озері це могли б бути бурі жаби, а в іншому — жовті. При цьому в одному з озер домінантне положення міг посісти алель забарвлення, яке робить жаб менш помітними для хижаків. У такому разі завдяки дрейфу генів жаби набули адаптації за кольором тіла.

Але якщо внаслідок дрейфу генів вимруть організми, що несуть корисний алель захисного забарвлення, то він повністю зникне з генофонду популяції. І адаптація за кольором тіла теж припинить своє існування. Отже, дрейф генів діятиме проти адаптивної еволюції.

Ще одним схожим фактором є потік генів — неспрямоване перенесення алелів з одних популяцій до других. Потік генів відбувався, наприклад, при поширенні стійкості комарів до фосфорорганічних інсектицидів¹. У 1960-х роках інсектициди ефективно вбивали комарів по усьому світу (рис. 2.3). Але в

якихось популяціях Азії чи Африки виникла мутація, що забезпечила комах захистом від цих убивчих речовин. Унаслідок штормів або мандрівок разом із людиною (у кораблях чи літаках) стійкі до інсектицидів комарі поширились світом. Разом із ними до різних популяцій потрапив і ген стійкості. Оскільки цей ген дозволяв комахам виживати при контакті з фосфорорганічним інсектицидом, то особини, які його мали, переважно продовжували жити і, завдяки схрещуванням, передавали свою стійкість нащадкам. У результаті потоку генів і природного добору більшість комарів світу стала стійкою до цих смертельно отруйних

речовин. Фактично потік генів відіграв роль мутагенезу, забезпечивши генофонди популяцій новими алелями, яких у ньому не існувало.

З іншого боку, потік генів може додавати до популяції й алелі, що протидіятимуть чи «вимикатимуть» корисні, які підвищують пристосованість. Або ж, навпаки, популяція втрачатиме носіїв корисних алелей через потік генів. В обох випадках потік генів протидіятиме адаптивній еволюції. Саме процес природного добору є єдиним еволюційним механізмом, що призводить до появи адаптацій.

Появу навіть складних адаптацій можна пояснити поступовою дією природного добору

Однією з проблем теорії природного добору було пояснення механізму формування складних адаптацій. Річ у тім, що складна адаптація, як-от око чи мозок, не може з’явитися миттєво, за одне покоління. Але структура цього органу є настільки складною, що виникнення, наприклад, чверті ока чи лише однієї звивини мозку немає ніякого сенсу, бо таке пристосування не буде функціонувати як єдиний орган. Дарвін не міг пояснити появу складних органів (ні по частинах, ні в цілому), але з часом еволюційні біологи розтлумачили механізми їхнього розвитку.

Виявилось, що складні адаптації розвиваються поступово, і при цьому їхні частини повноцінно функціонують та покращують пристосування організму до середовища. Так, наприклад, формування ока почалось із появи шару світлочутливих рецепторів у водних тварин, з якого згодом утворилася сітківка (рис. 2.4, А). За його наявності тварина могла легко визначати день чи ніч надворі, де поверхня водойми, а де дно. З часом світлочутливий шар прогнувся до середини, утворивши келихоподібне око (рис. 2.4, Б). Воно дає

змогу краще визначати напрямок, з якого падає світло. За певний проміжок часу отвір «келиха» звузився, що дало можливість чіткіше бачити об’єкт і визначати розташування джерела світла (рис. 2.4, В). На наступному етапі око заповнилось спеціальною прозорою рідиною, що підвищила захист світлочутливого шару, а також забезпечила сталий коефіцієнт заломлення, незалежний від складу води навколо (рис. 2.4, Г). Для фокусування, а, отже, і покращення чіткості зображення, що формується на світлочутливому шарі, в оці сформувалася лінза — кришталик (рис. 2.4, Д). Приблизно в той же час з’явилися райдужка, що живить око й регулює діаметр отвору для світла — зіниці, та рогівка, що забезпечує додаткове світлозаломлення (рис. 2.4, Е). Поява кожної зі структур ока мала адаптивний характер і виникала завдяки природному добору. Тому можна стверджувати, що складні адаптації з’являються завдяки поступовому розвитку шляхом природного добору.

Преадаптація — це майбутня адаптація

Часто процес формування органів іде «хибним» шляхом, коли функція органу змінюється під час еволюції. Характерним прикладом такого шляху є формування пір’я в птахів. Доведено, що предками сучасних птахів були нелітаючі динозаври. У попередників птахів у шкірі почали формуватися волосинопо-дібні «пір’їни» (рис. 2.5). Основною функцією яких було збереження тепла, подібно до волосин нашої шкіри. Згодом перо розгалузилося, і в нього з’явився стрижень. Таке пір’я, властиве нелітаючим динозаврам, почало виконувати, ймовірно, також і маскувальну функцію чи відігравати важливу роль у залицянні. У майбутньому будова опахала ускладнилася, а маса пера зменшилася, воно набуло вигідних аеродинамічних властивостей і почало брати участь у польоті. Отже, спочатку пір’я виконувало теплоізоляційну функцію, згодом маскувальну та шлюбну, і лише потім почало використовуватися для польоту. Тобто орган формувався для виконання однієї функції, а згодом почав виконувати іншу¹.

¹ Насправді, функція не змінилася, а додалася, бо й досі пір’я бере участь у теплоізоляції (недарма ж пухові куртки є найтеплішими), маскуванні (наприклад, біле пір’я в полярних сов) і шлюбному процесі (як-от хвостове пір’я в павича).

А іноді трапляється, що певна риса лише з появою нових вимог стає адаптацією. Так сталося з кістками черепа людини. Зі збільшенням розміру мозку предків сучасної людини, матерям усе важче було народжувати немовлят через обмежений діаметр отвору між кістками тазу, який повинна пройти тепер велика головка плоду під час пологів. Для полегшення цього процесу ще незрослі кістки черепа плоду зміщуються, зменшуючи висоту голови для зменшення опору (рис. 2.6). Таке зміщення було б неможливим, якщо б череп був одним цілим чи його кістки нерухомо зросталися заздалегідь. Тобто незрослий стан і наявність окремих кісток черепа стали адаптацією до пологів у людини лише з формуванням великого мозку, і, внаслідок, великого черепа.

Подібні до викладених вище характеристики, що мають потенційно пристосувальне значення для ще неіснуючих форм взаємодії організму й середовища, називають преадаптаціями¹. У їхньому формуванні, так само як і у формуванні адаптацій, провідну роль відіграє природний добір.

¹ Від лат. prae--перед чимось, попереду та adaptio — пристосування; також пошире

ним в еволюційній біології є термін екзаптація.

² Від лат. post--після чогось, позаду та adaptio.

³ Феромони — леткі речовини, що виділяються організмами до зовнішнього середовища й беруть участь у хімічній комунікації між особинами одного виду.

Постадаптація робить адаптацію кращою

Формування адаптації не є кінцевим етапом її розвитку. У майбутньому на основі адаптацій можуть виникати постадаптації. Постадаптація² — це вдосконалена в процесі еволюції адаптація. Її формування відбувається в середовищі, до якого в організму адаптація вже існує. Під час цього процесу вона змінюється так, що це перетворення покращує пристосованість організму до вимог довкілля. Зазвичай постадаптації мають прояв у незначних змінах уже виробленої адаптації: у потовщенні захисного шару корку в корі, у збільшенні виділення феромонів³ для приваблення статевих партнерів, у зміцненні стінки гнізда для кращого захисту пташенят тощо. За зміни умов середовища постадаптація може перетворитися на преадаптацію. Але, на відміну від останньої, постадаптація — це закономірний результат спрямованого еволюційного процесу на покращення пристосування, тоді як преадаптація виникає як випадковість: зручне пристосування до нових вимог. Так, у прикладі з пір’ям птахів, перехід від волосиноподібного пір’я до пір’я зі стрижнем і опахалом був постадаптацією з терморегуляційною функцією, яка стала преадаптацією до польотного пір’я.

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

■ 1. Унаслідок дії природного добору збільшується кількість тих організмів, які А мають більше мутацій Б не мають мутацій

В переважно виживають Г розмножуються нестатево

2. Увігнута форма світлосприймального шару ока є прикладом А преадаптації Б постадаптації В дрейфу генів Г природного добору

■ 3. Сергій та Олена висловили свої думки щодо походження пір’я птахів. Сергій уважає, що пір’я птахів розвинулося з волосся динозаврів. Олена впевнена, що пір’я сучасних птахів виникло завдяки природному добору. Хто з них має рацію?

А лише Сергій Б лише Олена

В обидвоє Г жоден

4. Який процес ілюструє наведене зображення?

А природний добір Б адаптацію

В потік генів Г дрейф генів

5. Який із наведених прикладів є преадаптацією?

А потові залози ссавців (з них виникли молочні залози)

Б очі рептилій (з них розвинулись очі ссавців)

В двокамерне серце риб (стало основою трикамерного серця амфібій) Г оплодень (його структура різниться в соковитих і сухих плодів)

6. Увідповідніть компонент ока людини та його функцію

А фокусування світла

1 зіниця ..

Б живлення передньої частини ока

2 кришталик . . . .

„ В регулювання кількості світла в оці

3 райдужка

4 _сі_ткі_вка Г захист світлочутливого шару

Д світлосприйняття

У житті все просто

■ 7. Скориставшись описом механізму реалізації природного добору, поясність, як у динозаврів сформувалося польотне пір’я.

■ 8. Порівняйте у вигляді таблиці мутагенез і потік генів. Що є схожим і відмінним у цих процесах та їхньому внеску в еволюцію?

■ 9. Чи може преадаптація стати джерелом постадаптації й навпаки?

У житті не все просто

■ 10. Чи «знає» заздалегідь природа, якою буде адаптація в кінцевому результаті? А чи може людина спрогнозувати її приблизний вигляд? Що для цього потрібно знати?

■ 11. Чи можна застосувати поняття «преадаптація» й «постадаптація» до науково-технічного прогресу? Доведіть свою точку зору на прикладі еволюції якось пристрою.

 

Це матеріал з підручника Біологія 11 клас Шаламов (рівень стандарту)