Приспособление живых организмов к среде обитания: 4. Адаптация организмов к среде

Содержание

1. Среда обитания организмов и её факторы

Экология — это наука о взаимодействии живых организмов между собой и с окружающей средой.

Термин «экология» впервые использовал в \(1866\) г. немецкий учёный Эрнст Геккель. Слово «экология» имеет греческое происхождение и обозначает «наука о доме» (oikos — «дом», логос — «наука»)

Среда обитания — это всё, с чем живое существо соприкасается в природе.

На нашей планете есть четыре основные среды обитания, и в каждой из них свои специфические условия жизни:

  • водная среда;
  • наземно-воздушная среда;
  • почвенная среда;
  • среда, образуемая самими живыми организмами.

 

Рис. \(1\). Жизнь в воде

Рис. \(2\). Наземно-воздушная среда

Рис. \(3\). Обитатель почвы крот

Рис. \(4\). Черви-паразиты в кишечнике

Экологические факторы — это условия среды (тела и явления), с которыми организм находится в определённых взаимоотношениях.

Экологические факторы можно разделить на три группы: абиотические, биотические и антропогенные.


Абиотические факторы — это условия неживой природы. К ним относятся климатические факторы (освещённость, температура, количество влаги) и местные (рельеф земной поверхности, состав почвы, солёность воды, ветер, радиация и др.).
 

Биотические факторы — это все способы взаимодействия живых организмов и их влияния друг на друга (опыление растений насекомыми, транспорт семян животными, конкуренция за место, хищничество, микориза и т. д.).

 

Антропогенные факторы — это все виды деятельности человека, оказывающие воздействие на живые организмы и на окружающую среду.

Источники:

Рис. 1. Жизнь в воде. https://cdn.pixabay.com/photo/2016/09/09/08/57/diving-1656482_960_720. 14.11.2021.

Рис. 2. Наземно-воздушная среда. https://cdn.pixabay.com/photo/2018/10/17/23/33/rhino-3755231_960_720. 14.11.2021.

Рис. 3. Обитатель почвы крот.  https://cdn.pixabay.com/photo/2012/02/15/14/46/nature-13298_960_720. 14.11.2021.

Рис. 4. Черви-паразиты в кишечнике. https://image.shutterstock.com/image-illustration/intestinal-parasite-infection-helminths-small-600w-1041149938.

Конспект урока по теме» Приспособления живых организмов».

 

 

Тема урока:          Приспособления живых организмов.

Цель: создать условия для формирования понятия о приспособленности организмов как результат эволюционного процесса.

Задачи урока:

Образовательные: сформировать понятие приспособленности организмов к среде обитания, изучить формы разнообразных приспособлений у животных и растений, раскрыть относительный характер приспособлений, подвести к выводам о естественных причинах формирования приспособлений, опираясь на учение Ч.Дарвина о движущих силах эволюции.

Развивающие: развивать навыки лекционной и самостоятельной работы.

Воспитательные:  воспитывать у учащихся эстетического восприятия явлений живой природы.

Оборудование: учебники, гербарии

Тип урока: изучения и первичного закрепления новых знаний

Технологии: проектная, проблемная, личностно — ориентированная

Формы организации учебной деятельности: лекция, коллективная, групповая, самостоятельная.

Ход урока:

1. Организационный момент.   «Такие разные живые организмы» (картинки).

— Давайте вспомним, ребята, какой восторг вызывают у нас произведения искусства: скульптуры, картины, музыкальные произведения. Они заставляют нас остановится в жизненной суете, прислушаться, оглянуться, что – то вспомнить. К сожалению, не всегда подобная реакция бывает у нас при виде живых организмов. А ведь каждый из них может претендовать на звание произведения, но не искусства, а природы. Ведь вспомните, насколько причудливы и удивительны, могут быть самые обычные, привычные для нас живые организмы. У самого крохотного существа могут быть такие особенности, такие качества, которые имеют не только эстетическое значение, но и практическую пользу.

Ведь понятие «красота» в природе отсутствует, его придумал человек, зато есть понятия «целесообразность», «необходимость», «приспособленность».

Приспособленность  станет темой нашего сегодняшнего разговора.

2.  Изучение нового материала:

«Чтобы выжить, надо быстро изменяться (приспосабливаться).»
Л.Кэролл «Алиса в Зазеркалье»

Приспособленность – свойство живых организмов.

Работа в парах: используя материал учебник,  давайте попробуем выяснить можно ли различные особенности живых организмов считать приспособлениями.

Так что такое приспособления (адаптация)?

Приспособления (адаптация) – свойство живых организмов приобретать такие особенности в строении, поведении и физиологии, которые повышают выживаемость в конкретных условиях окружающей среды.

Все живые организмы оптимально приспособлены к своим условиям обитания. Приспособленность повышает шансы организмов на выживание и оставление потомства.

Эволюционный процесс в любой популяции протекает в 2 этапа:

  1. Сначала возникает генетическое разнообразие проявляющееся в фенотипических признаках;
  2. Сохраняются те признаки и свойства, которые обеспечивают особям приспособленность к условиям среды.

Приспособления затрагивают внешние и внутренние признаки и свойства организмов, особенности размножения и поведения, а это приводит к различным формам приспособленности организмов к окружающей среде.

1.       Адаптации (приспособления) общего и частного характера у организмов.

запишите в тетради и объясните, какие существуют формы адаптации у живых организмов?

1.       Адаптации у растений.

Работа в группах по заданиям.

Растения… Многие не обращают внимания на них, так они привычны, и напрасно.

Удивительные вещи порой можно обнаружить в организме растений.

Познакомимся с их маленькими хитростями растений

·         Почему у водных растений устьица на верхней стороне листа?

·         А какая хитрость есть еще на ваш взгляд у пустынников?

·         Как называются растения, вегетационный период которых длится очень недолго, и при этом происходят все важнейшие физиологические процессы?

·         — Почему у этих растений возникает необходимость охотиться?

·         — Что привлекает насекомых и птиц при опылении растений?

·         — Приведите примеры защиты растений от поедания животными?

·         — Перечислите признаки ветро- и насекомоопыляемых растений.

·         — Какие существуют приспособления у растений для распространения плодов и семян?

·         — Растение – паразит( повилика, заразиха) только этим отличается от других растений?

·         – Можно ли хитрости растений назвать «приспособлениями»? Что дают приспособления растений?(Дают возможность выжить и не беспокоиться о будущем своих поколений)

Да, действительно все эти хитрости можно назвать «приспособлениями». Кроме того, вы должны усвоить, что особенности растений связанные с недостатком влаги можно назвать физиологической адаптацией, т.е. адаптацией к неблагоприятным условиям среды.

2.      Адаптация у животных.

Мы с вами постепенно переходим к изучению адаптаций у животных. Посмотрим, как обстоит дело с приспособлениями у них.

Как вы понимаете физиологические адаптации?

Значение адаптаций (приспособлений)    Работа в группах:

·         Действительно ли, приспособления так необходимы каждому живому организму в отдельности и всему виду в целом?

Выживание в изменяющихся или постоянных условиях среды.

Возможность оставить потомство.

Процветание и эволюционирование вида в целом.

Эволюционные изменения и разнообразие видов в природе.

Относительный характер приспособленности 

Работа в группах: самостоятельная работа по группам

·         Почему приспособленность всегда относительна? Ответ свой обоснуйте.

·         Каждое приспособление имеет смысл в определённых условиях среды.

Когда изменяются условия обитания, приспособления или утрачивают значение, или становятся безразличными, или, даже могут повредить живому организму.

Поэтому, при изменении условий, изменяются и приспособления.

Любые приспособления целесообразны только в обычной для вида обстановке. При изменении условий среды они оказываются бесполезными или вредными для организма.

Например:

Постоянный рост резцов грызунов – очень важная особенность, но лишь при питании твердой пищей. Если крысу держать на мягкой пище, резцы, не изнашиваясь, вырастают до таких размеров, что питание становится невозможным.

3. Закрепление: 

1). Работа в группах:

1. Представьте на мгновение, что вы хорошо приспособленный к условиям своего обитания организм, ну, допустим, зелёная саранча. Разгар лета, июль. Степь выгорела. Опишите своё состояние. (выгоревшая степь губительна для зелёного насекомого, т.к. оно заметно на пожелтевшей траве)

2.Как же тогда быть с приспособлением, ведь зелёная окраска саранчи была её защитой. Может быть, приспособления не так полезны, как кажется на первый взгляд? ( Нет, они полезны, но в определенных условиях)

2). Выполнение лабораторной работы    «Изучение адаптаций организмов к среде обитания»

ЦЕЛЬ: закрепить умения выявлять черты приспособленности организмов к среде обитания.

ОБОРУДОВАНИЕ: гербарии, муляжи

ХОД РАБОТЫ

1.Рассмотрите выданный вам объект; обнаружьте наиболее очевидные приспособления к тем условиям среды, в которых обитает данный организм; опишите эти конкретные приспособления.

2. Выясните относительный характер приспособленности; докажите почему приспособления носят относительный характер.

Ответы оформите в виде таблицы

     «Возникновение приспособленности и ее относительный характер»

  Вид

Среда обитания

Черты приспособленности

Относительный характер приспособленности

 

 

 

 

ВЫВОД 

приспособленность организмов к среде и их органов к выполняемой функции является результатом естественного отбора ;

приспособленность носит относительный характер.

4. Выводы урока ЕО обеспечивает развитие приспособлений к существующим условиям, но не ко всем возможным условиям среды.

5. Домашнее задание   творческое задание: найти материал о любой адаптации к среде обитания растений и животных

6. Подведение итогов.

Надеюсь, вы понимаете, что приспособленным можно назвать не только тот организм, у которого есть что – то необычное, а каждый вид, обитающий в природе, более того, такие организмы повсюду нас окружают

Итак, мы выяснили, что в понятие «приспособленность вида» входят не только внешние признаки, но и соответствие строения внутренних органов выполняемым ими функциям, а также  соответствие физиологических функций организма условиям обитания.

 Каждое приспособление вырабатывается на основе наследственной изменчивости в процессе борьбы за существование и отбора в ряду поколений.

Следует помнить, однако, что все приспособления носят относительный характер, т.е. они помогают организму выжить лишь в данных конкретных условиях. При изменении же этих условий приспособление может стать бесполезным и даже вредным.  Постоянный рост резцов грызунов – очень важная особенность, но лишь для питания твёрдой пищей.  Если крысу держать на мягкой пище, резцы, не изнашиваясь, вырастают до таких размеров, что питание становится невозможным.

 

 

 

 

 


 

3.4. Основные пути приспособления живых организмов к условиям среды

Читайте также

ТЕСТЫ ДЛЯ ИТОГОВОЙ ПРОВЕРКИ ПО КУРСУ «МНОГООБРАЗИЕ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ»

ТЕСТЫ ДЛЯ ИТОГОВОЙ ПРОВЕРКИ ПО КУРСУ «МНОГООБРАЗИЕ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ» Систематика 1. Выберите правильную последовательность систематических категорий.A. Вид, семейство, род, отряд, класс, тип, подтип, царствоБ. Вид, род, семейство, отряд, класс, подтип, тип, подцарство,

СЛОВАРЬ НАЗВАНИЙ ЖИВЫХ И ИСКОПАЕМЫХ ОРГАНИЗМОВ

СЛОВАРЬ НАЗВАНИЙ ЖИВЫХ И ИСКОПАЕМЫХ ОРГАНИЗМОВ Значком (†) отмечены вымершие группы. АВСТРАЛИ?ЙСКИЕ СТРАУ?СЫ, казуарообр?зные (Casuariformes) — отряд нелетающих бескилевых птиц, ограниченный Австралийской зоогеографической областью. Миоцен — ныне.АВСТРАЛОПИТ?К (Australopithecus)

Место человека в системе живых организмов

Место человека в системе живых организмов Любое из живых существ, обитающих на нашей планете, может быть отнесено к тому или иному таксону. Этим термином именуют значимые для биологической систематики группы организмов. Таксоны высшего ранга, несводимые в более крупные

4.4. Основные афферентные пути и проекции вестибулярных сигналов

4.4. Основные афферентные пути и проекции вестибулярных сигналов Два основных пути поступления вестибулярных сигналов в кору мозга обезьян следующие: прямой – через вентральное постлатеральное ядро и непрямой – через вентролатеральное ядро. В коре основные афферентные

Азбука общения живых организмов

Азбука общения живых организмов Многообразен мир животных, и каждый существующий вид в своей жизни пользуется довольно сложной и своеобразной сигнализацией. Среди различных способов передачи информации в животном мире значительная роль отводится запахам. Животные и

2.1. Органические соединения в составе живых организмов

2.1. Органические соединения в составе живых организмов Органические соединения характерны только для живых организмов. Можно сказать, что жизнь на Земле построена на основе углерода, который обладает рядом уникальных свойств. Основное значение для выполнения роли

Глава 4. ОСНОВНЫЕ СРЕДЫ ЖИЗНИ И АДАПТАЦИИ К НИМ ОРГАНИЗМОВ

Глава 4. ОСНОВНЫЕ СРЕДЫ ЖИЗНИ И АДАПТАЦИИ К НИМ ОРГАНИЗМОВ На нашей планете живые организмы освоили четыре основные среды обитания, сильно различающиеся по специфике условий. Водная среда была первой, в которой возникла и распространилась жизнь. В последующем живые

4.1.2. Основные свойства водной среды

4.1.2. Основные свойства водной среды Плотность воды – это фактор, определяющий условия передвижения водных организмов и давление на разных глубинах. Для дистиллированной воды плотность равна 1 г/см3 при 4 °C. Плотность природных вод, содержащих растворенные соли, может

10. Адаптации организмов к условиям обитания как результат действия естественного отбора

10. Адаптации организмов к условиям обитания как результат действия естественного отбора Вспомните!На основании собственных наблюдений приведите примеры приспособленности организмов к условиям существования. В течение многих веков в естествознании господствовало

29. Роль живых организмов в биосфере

29. Роль живых организмов в биосфере Вспомните!Какое вещество В. И. Вернадский называл живым; косным?Что называют круговоротом веществ в природе?Роль живого вещества в биосфере. Основное внимание в учении о биосфере В. И. Вернадский уделял роли живого вещества. Учёный

Почва. Приспособление организмов к жизни | Природоведение. Реферат, доклад, сообщение, краткое содержание, конспект, сочинение, ГДЗ, тест, книга

Тема: Среда обитания

Бактерии и одноклеточные организмы настолько крохотные, что промежутков между комочками почвы, почвенных щелей им вполне достаточно для перемещения. Удлинённое гибкое тело дождевого червя и личинки майско­го жука (рис. 161, а) позволяет им пере­мещаться между частичками почвы. Другим обитателям почвы помогают двигаться щетинки, коготки, волоски на их теле. Для перемещения в почве кроты и слепыши (рис. 161, б, в) роют подзем­ные ходы. Для этого у крота передние конечности плоские с крепкими когтя­ми, вывернуты наружу подобно двум ло­патам. Ими животное активно отбрасы­вает почву в стороны, а за сутки может прорыть ход длиной 30 м и более. Тело крота овальное, шерсть и шея короткие, голова конусообразная, уши почти не за­метны, глаза крохотные. Слепыш роет почву с помощью передних широких зубов. Это напоминает работу ковша экскаватора.

Рис. 161. Обитатели почвы: а — личинка майского жука; б — крот; в — слепыш

Как видите на примере крота, зрение у обитателей почвенной среды плохое, а у многих совсем отсутствует, например у слепыша и дождевого червя. Ориенти­роваться им помогают органы обоняния и осязания.

Для обитателей почвы важны и влаж­ность, и температура почвы. Организмы почвенной среды приспособились к их из­менениям. Например, в зной дождевые черви углубляются в почву на 1-1,5 м, где больше влаги и ниже температура.

Переувлажнение и пересыхание почвы одинаково губительны и для растений и для животных. Однако человек может положительно повлиять на почвенную среду, если будет удобрять почву и оро­шать посевы либо насаждения, унич­тожать сорняки и вредителей, осушать переувлажнённые почвы (рис. 162). Материал с сайта //iEssay.ru

Рис. 162 . Влияние человека на почвенную среду: а — орошение; б — осушение

Изучая состав и свойства почвы, мы от­мечали такое важное для растений свой­ство почвы, как плодородие. Это свойство поддерживается благодаря дождевым червям и бактериям, которые разлагают отмершие остатки организмов.

Презентация 5 класс «Среды обитания организмов»

библиотека
материалов

Содержание слайдов

Номер слайда 1

Среды обитания организмов. Учитель: Григорьева Анастасия Игоревна,ГБОУ школа № 469, Санкт-Петербург

Номер слайда 2

Цель – изучить среды обитания живых организмов. Задачи:изучить особенности сред обитанияизучить многообразие живых организмов и их приспособления к среде обитания

Номер слайда 3

Среда обитания – это часть живой природы, окружающая живой организм и оказывающая на него влияние.

Номер слайда 4

Основные среды обитания. Водная. Наземно-воздушная. Почвенная. Организменная

Номер слайда 5

Водная

Номер слайда 6

Особенности водной среды- Температура ниже, чем температура воздуха;- Нехватка кислорода;- Недостаток света.

Номер слайда 7

Какие приспособления имеют живые организмы, обитающие в водной среде?Обтекаемую форму тела. Плавники. Перепонки. Ласты

Номер слайда 8

Представители водной среды обитания

Номер слайда 9

Наземно – воздушная среда

Номер слайда 10

Особенности наземно-воздушной среды. Достаточное количество кислорода. Постоянное изменение температуры воздуха

Номер слайда 11

Какие приспособления имеют живые организмы, обитающие в наземно-воздушной среде?У животных крепкий скелет (наружный или внутренний)У растений крепкие корни. В засушливых местах — накопление воды и жира (кактус, верблюд)В местах с перепадами температур – осенний листопад, отлет перелетных птиц, смена шерсти у зверей

Номер слайда 12

Представители наземно-воздушной среды обитания

Номер слайда 13

Почвенная среда обитания

Номер слайда 14

Особенности почвенной среды обитания. Плавное изменение температуры. Отсутствие света. Недостаток кислорода, больше углекислого газа

Номер слайда 15

Какие приспособления имеют живые организмы, обитающие в почвенной среде?Удлиненное, овальное компактное тело. Органы зрения редуцированы. Конечности приспособленные для рытья

Номер слайда 16

Представители почвенной среды обитания

Номер слайда 17

Организменная среда обитания

Номер слайда 18

Особенности организменной среды обитания. Постоянство внутренней среды. Обилие пищи

Номер слайда 19

Какие приспособления имеют живые организмы, обитающие в организменной среде?Животные организменной среды часто полностью утрачивают органы и системы органов, необходимые свободноживущим видам. Имеются присоски и крючки для приспособления

Номер слайда 20

Представители организменной среды обитания

Номер слайда 21

Выводы. Живые организмы обитают в различных средах: наземно-воздушной, почвенной, водной, организменной;Все среды отличаются по плотности, освещенности, количеству кислорода;Все организмы приспособлены к той среде обитания, в которой они живут.

Номер слайда 22

задания на уроке трудные, многое не понялнекоторые задания на уроке вызвали затрудненияурок понятен. Рефлексия

Адаптация человека к среде обитания

Адаптация человека к новой для него среде – сложный социально-биологический процесс, в основе которого лежит изменение систем и функций организма, а также привычного поведения. Под адаптацией человека понимаются приспособительные реакции его организма на изменяющиеся факторы среды. Адаптация проявляется на разных уровнях организации живой материи: от молекулярного до биоценотического. Адаптация развивается под воздействием трёх факторов: наследственность, изменчивость, естественный/искусственный отбор. Существует три основных пути приспособления организмов к среде обитания: активный путь, пассивный путь и избегание неблагоприятных воздействий.

Активный путь – усиление сопротивляемости, развитие регуляторных процессов, позволяющих осуществлять все жизненные функции организма, несмотря на отклонение фактора среды от оптимума. Например, поддержание постоянной температуры тела у теплокровных (птиц, млекопитающих, человека), оптимальной для протекания биохимических процессов в клетках.

Пассивный путь – подчинение жизненных функций организма изменению факторов среды. Например, перехлд при неблагоприятных условиях среды в состояние анабиоза (скрытой жизни), когда обмен веществ в организме практически полностью останавливается (зимний покой растений, сохранение семян и спор в почве, оцепенение насекомых, спячка позвоночных животных и т. д.).

Избегание неблагоприятных условий – выработка организмом таких жизненных циклов и поведения, которые позволяют избежать неблагоприятных воздействий. Например, сезонные миграции животных.

Обычно приспособление вида к среде проходит тем или иным сочетанием всех трёх возможных путей адаптации.
Адаптации можно разделить на три основных ипа: морфологические, физиологические, этологические.

Морфологические адаптации – изменения в строении организма(например, видоизменение листа в колючку у кактусов для снижения потерь воды, яркая окраска цветов для привлечения опылителей и др.). Морфологические адаптации у животных приводят к образованию определённых жизненных форм.

Физиологические адаптации – изменения в физиологии организма (например, способность верблюда обеспечивать организм влагой путём окисления запасов жира, наличие целлюлозоразрушающих ферментов у целлюлозоразрушающих бактерий и др.).

Этологические (поведенческие) адаптации – изменения в поведении (например, сезонные миграции млекопитающих и птиц, впадение в спячку в зимний период, брачные игры у птиц и млекопитающих в период размножения и др. ). Этологические адаптации характерны для животных.

Живые организмы хорошо адаптированы к периодическим факторам. Непериодические факторы могут вызвать болезни и даже смерть живого организма. Человек использует это, применяя пестициды, антибиотики и другие непериодические факторы. Однако длительность их воздействия также может вызвать к ним адаптацию.
Среда обитания оказывает огромное воздействие на человека. В связи с этим все большую актуальность приобретает проблема адаптации человека к своей среде. В социальной экологии этой проблеме придается первостепенное значение. В то же время адаптация – это лишь начальный этап, на котором преобладают реактивные формы поведения человека. Человек не останавливается на этом этапе. Он проявляет физическую, интеллектуальную, нравственную, духовную активность, преобразует (в худшую или худшую сторону) свою среду.

Адаптация человека подразделяется на генотипическую и фенотипическую. Генотипическая адаптация: человек вне своего сознания может приспособиться к изменившимся условиям среды (перепадам температуры, вкусу пищи и т. д.), то есть, если механизмы адаптации заложены уже в генах. Под фенотипической адаптацией понимается включение сознания, своих личностных качеств человека, чтобы приспособится организму к новой среде, сохранить в новых условиях равновесие.

К основным видам адаптации относят физиологическую, адаптацию к деятельности, адаптацию к социуму. Остановимся на физиологической адаптации. Под физиологической адаптацией человека понимается процесс поддержания функционального состояния организма в целом, обеспечивая его сохранение, развитие, работоспособность, максимальную продолжительность жизни. Большое значение в физиологической адаптации придается акклимации и акклиматизации. Понятно, что жизнь человека на Крайнем Севере отличается от его жизни на экваторе, так как это разные климатические зоны. Причем южанин, прожив определенное время на севере, адаптируется к нему и может жить там постоянно и, наоборот. Акклимация – это начальный, срочный этап акклиматизации при изменении климато-географических условий. В некоторых случаях синонимом физиологической адаптации является акклиматизация, то есть приспособление растений, животных и человека к новым для них климатическим условиям. Физиологическая акклиматизация наступает когда у человека с помощью приспособительных реакций повышается работоспособность, улучшается самочувствие, которое может резко ухудшиться в период акклимации. При смене новых условий старыми организм может возвратиться к прежнему состоянию. Подобные изменения и называются акклиматизацией. Те же изменения, которые в процессе приспособления к новой среде перешли в генотип и передаются по наследству, называются адаптивными.

Адаптация организма к условиям проживания (городу, селу, другой местности). Среда обитания человека не ограничивается лишь климатическими условиями. Человек может жить в городе и в селе. Очень многие предпочитают мегаполис с его шумом, загрязненностью, бешенным ритмом жизни. Объективно жить в селе, где чистый воздух, спокойный размеренный ритм, более благоприятно для людей.

К этой же сфере адаптации относиться переезд, например, в другую страну. Одни быстро адаптируются, преодолевают языковый барьер, находят себе работу, другие – с большим трудом, третьи, внешне адаптировавшись, испытывают чувство, которое называется ностальгией.

Можно особо выделить адаптацию к деятельности. Различные виды деятельности человека предъявляют различные требования к личности (одни требуют усидчивости, исполнительности, пунктуальности, другие – быстроты реакции, умения самостоятельно принимать решения и т. п.). Однако с теми и другими видами деятельности человек может справиться достаточно успешно. Есть деятельность, которая противопоказана человеку, но он ее может выполнять, так как срабатывают механизмы адаптации, который называется выработкой индивидуального стиля деятельности.
Особо следует остановиться на адаптации к социуму, другим людям, коллективу. Человек может приспособиться к группе, усвоив ее нормы, правила поведения, ценности и т. д. В качестве механизмов адаптации здесь выступают внушаемость, толерантность, конформность как формы подчинительного поведения, а с другой – умение найти свое место, обрести лицо, проявить решительность.

Можно говорить об адаптации к духовным ценностям, к вещам, к состояниям, например, к стрессовым, и ко многому другому. В 1936 году канадский физиолог Ганс Селье опубликовал сообщение «Синдром, вызванный разными повреждающими элементами», в котором описал явление стресса – общей неспецифической реакции организма, направленной на мобилизацию его защитных сил при действии раздражающих факторов. В развитии стресса были выделены 3 стадии: 1. стадия тревоги, 2. стадия сопротивления, 3. стадия истощения. Г. Селье была сформулирована теория «Общего адаптационного синдрома» (ОАС) и адаптивных болезней, как следствия адаптационной реакции, согласно которой ОАС проявляется всякий раз, когда человек чувствует опасность для себя. Видимыми причинами стресса могут быть травмы, послеоперационные состояния и т. д., изменения абиотических и биотических факторов среды. В последние десятилетия значительно возросло число антропогенных факторов среды, обладающих высоким стрессогенным эффектом (химическое загрязнение, радиация, воздействие компьютеров при систематической работе с ними и т. д.). К стрессорным факторам среды следует отнести и негативные изменения в современном обществе: повышение плотности населения, изменение соотношения городского и сельского населения, рост безработицы, преступность.

Адаптация




Адаптация
Эрик Р. Пианка

Чтобы выжить и размножаться, все живые организмы должны приспосабливаться к условиям окружающей среды. Окружающая среда организма включает в себя все, что на него воздействует, а также все, на что влияет этот организм. Соответствие между организмом и окружающей средой составляет то, что биологи называют адаптацией.

Биотическая и абиотическая среда

Растения и животные приспособились к окружающей среде генетически и с помощью физиологических, поведенческая или гибкость развития, включая как инстинктивное поведение, так и обучение.Адаптация имеет много аспектов, поскольку большинство организмов должны одновременно приспосабливаться к многочисленным различные аспекты окружающей их среды. Адаптация включает в себя совладание не только с физическим абиотической среды (свет, темнота, температура, вода, ветер), но и со сложной биотической окружающая среда (другие организмы, такие как партнеры, конкуренты, паразиты, хищники и спасающиеся тактика добычи). Противоречивые требования этих различных компонентов окружающей среды часто требуют что организм идет на компромисс в своих приспособлениях к каждому из них.

Соответствие любому заданному размеру требует определенного количества энергии, которая затем больше не доступны для других адаптаций. Присутствие хищников, например, может потребовать, чтобы животному быть осторожным, что, в свою очередь, может снизить эффективность его кормления и, следовательно, его конкурентоспособность. способность.

Для маленькой птицы деревья являются важной частью окружающей среды: они обеспечивают необходимую тень в разгар жаркого летнего дня, места для кормления насекомых, безопасность от наземных обитателей хищников и безопасные места для постройки гнезд и выращивания птенцов. Травинки или волоски, используемые для линии птичьего гнезда также являются важными компонентами среды обитания птиц. Во время опасного ночью птица справляется с ночными хищниками, такими как еноты, спит на небольшом ветка высоко над землей. Собирая днем ​​крошечных насекомых с листьев деревьев, птица сохраняет бдительность в отношении дневных хищников, таких как ястребы.

Многие птицы справляются с изменением сезонных условий, мигрируя в более теплые места на более низких широты, где еды больше.На протяжении тысячелетий естественный отбор формировал птиц чтобы сделать их эффективными в спасении от предсказуемых ужасных последствий зимы (время высокая смертность). Птицы, которым не удалось избежать ледяных тисков зимы, погибли без оставив любое выжившее потомство, тогда как те, кто мигрировал, выжили, чтобы передать свои гены. Естественный отбор наделил птиц встроенными биологическими часами, которые они сравнивают против продолжительности дня, эффективно давая им встроенный календарь. Изменение длины дня влияет птичий гипофиз, заставляющий его выделять гормоны, контролирующие поведение птиц. Короткий осенние дни вызывают «страсть к путешествиям», что в конечном итоге приводит к миграционному поведению. Эксперименты с перелетных птиц в планетариях показали, что мозг крошечных птиц устроен таким образом, что они содержат карту звезд. Действительно, естественный отбор «изобрел» астронавигацию.

Факторы, влияющие на адаптацию

Организмы могут относительно легко приспосабливаться к весьма предсказуемой среде и справляться с ней, даже если он меняется обычным образом, если изменения не слишком резкие.Приспособление к непредсказуемой среде обычно сложнее; приспосабливаться к крайне неустойчивому среды может даже оказаться невозможным. Многие организмы эволюционировали в стадии покоя, что позволяет им пережить неблагоприятные периоды, как предсказуемые, так и непредсказуемые. Артемии в пустыни и однолетние растения повсюду являются хорошими примерами. Икра артемии сохраняется годами в солёной корке высохших пустынных озёр; когда редкий дождь пустыни наполняет одно из этих озер, яйца вылупляются, креветки быстро вырастают до взрослых особей и откладывают много яиц.Какое-то растение семена, которым, как известно, много веков, все еще жизнеспособны и проросли.

Очень небольшие ненаправленные изменения в физической среде иногда могут улучшить уровень адаптация между организмом и окружающей средой, но большие изменения почти всегда вредный. Изменения в окружающей среде, которые снижают общую адаптацию, в совокупности называются «ухудшение состояния окружающей среды» (модель Фишера). Такие изменения вызывают направленный отбор, приводящий к приспособлению к новой среде или адаптации.Изменения в биотической среде (например, эффективность охоты хищника организма) обычно направлены и обычно снижают уровень адаптации.

Каждый человек одновременно является членом популяции, вида и сообщества; следовательно, он должен быть адаптирован для работы с каждым из них и должен рассматриваться в этом контексте. Ан приспособленность индивидуума — его способность к самовоспроизведению, измеряемая его репродуктивным успехом — сильно зависит от его статуса в собственном населении.Физическое лицо может быть резидентом или бродяга, спаривающийся или не спаривающийся, или высокий или низкий в иерархии, все факторы, которые сильно влияют на его пригодность. На приспособленность любого конкретного человека также влияют различные межвидовые факторы. ассоциациями своего вида и особенно конкретным сообществом, в котором он находится встроенный.

«Гонка вооружений» Индивидуумы и виды должны «отслеживать» свое окружение в экологическом и эволюционном времени. адаптироваться и развиваться по мере изменения окружающей среды.Естественный отбор, действующий на естественных врагов (жертвы, паразиты и хищники) всегда будет приводить к ухудшению биотических окружающей среды, снижение физической подготовки. Каждое взаимодействие «жертва-хищник» или «хозяин-паразит» представляет собой эскалация «гонки вооружений», в которой действия чередуются с ответными действиями.

Добыча, которая лучше убегает от своих хищников, или хозяева, которые могут лучше сопротивляться заражение паразитами, будет иметь преимущество в фитнесе. Но лучшие хищники и лучшие паразиты благоволит и сам естественный отбор, гарантируя, что гонка вооружений продолжится. возрастать до бесконечности.В самом деле, большинство видов, вероятно, быстро эволюционируют только для того, чтобы поддерживать учитывая текущий уровень адаптации перед лицом постоянно ухудшающейся окружающей среды. Все еще другие взаимодействия между видами являются взаимовыгодными, что приводит к повышению приспособленности к обе стороны, например, между растениями и их опылителями.

Любая генетически обусловленная физиологическая, поведенческая или экологическая черта, которая позволяет организму справляться с окружающей средой, выживать и размножаться в ней представляет собой адаптацию.Немного черты могут быть не адаптивными, а просто остатками черт, которые когда-то были адаптивными. А данная черта также может быть «преадаптирована», если она ранее была адаптивной при каком-то предшествующем наборе факторов. ныне исчезнувшие условия, но позже они используются в качестве основы для новой адаптации при некоторых новых условия окружающей среды. Например, птичьи перья, вероятно, изначально были важны для регулирование температуры, а не для полета.



Фишер, Рональд А. 1930. Генетическая теория естественного отбора.Кларендон Пресс, Оксфорд.

Модель Фишера

Пианка, Эрик Р. 2000. Эволюционная экология, 6-е изд. Аддисон-Уэсли-Лонгман, Сан-Франциско.




Последнее обновление: Эрик Р. Пианка, 13 декабря 2012 г.

Окружающая среда: живые и неживые объекты

Эта основная идея исследуется через:

Противопоставление студенческих и научных взглядов

Студенческий повседневный опыт

Студенты склонны думать об организмах только как о животных, которые взаимодействуют с физической средой и растениями, не осознавая сложной взаимозависимости между представителями одного вида и между ними.

Исследование: Hubber & Tytler (2004)

Их представления об экосистемах обычно связаны только с природными и нетронутыми территориями, а не с их собственной средой. Эта концепция экосистемы также влияет на их представления о том, как люди взаимодействуют с экосистемами, что часто связано с разрушением или коллапсом естественных и диких экосистем, а не тех систем, которые являются частью их более непосредственной среды.

Исследование: Novak & Gowin (1984)

Научный взгляд

Мир содержит большое разнообразие физических условий, что создает множество сред, в которых можно найти живые существа.Во всех этих средах организмы взаимодействуют и используют доступные ресурсы, такие как пища, пространство, свет, тепло, вода, воздух и убежище. Каждая популяция организмов и особи внутри нее взаимодействуют особым образом, который ограничен другими организмами и может извлекать из них пользу.

Взаимодействия между различными организмами многочисленны и обычно описываются в зависимости от их положительного (благотворного), отрицательного или нейтрального воздействия на других.

Взаимодействие между живыми существами и их неживой средой составляет общую экосистему; понимание любой его части требует знания того, как эта часть взаимодействует с другими.

Экосистемы не «рушатся», но со временем меняют свою функцию, структуру и состав из-за естественных или антропогенных нарушений (примеры включают воздействие засухи, наводнения, покоса и гербицидов).

Исследование: Новак и Говин (1984)

Критические идеи обучения

  • Все организмы существуют в экосистемах.
  • Живые существа имеют различные структуры, которые позволяют им выживать: например, транспортные структуры в растениях позволяют воде и микроэлементам перемещаться.Точно так же существуют пищеварительные и дыхательные структуры у животных и репродуктивные структуры у растений и животных, которые помогают организмам функционировать в экосистемах.
  • Каждый организм имеет определенные формы этих структур, которые помогают ему выживать.
  • Во всех средах организмы со схожими потребностями могут конкурировать друг с другом за ограниченные ресурсы, включая пищу, пространство, воду, воздух и убежище.

Исследуйте взаимосвязь между представлениями об организмах и их взаимодействиями с окружающей средой в Карты развития концепции – (поток энергии в экосистемах, естественный отбор)

Учащиеся должны получить доказательства функционирующей экосистемы с обильным взаимодействием между растениями и животными, чтобы лучше понять сложность взаимодействий и понять, что они сами живут в экосистемах. .

Время — это фактор, влияющий на тип взаимодействий и изменений, происходящих в экосистеме. Это проблематично для научного планирования, которое не позволяет учащимся наблюдать за изменениями в течение длительного периода времени. Важным соображением является проведение текущих расследований в течение года (или, в качестве альтернативы, использование видеоклипов, фиксирующих изменения с течением времени).

Исследование: Skamp (2004)

Преподавательская деятельность

Сбор фактов/данных для анализа

Определите проект в вашем местном сообществе, где исследования и участие студентов могут оказать влияние.

Некоторые примеры:

Исследования: Baker (2005)

Оспаривание некоторых существующих идей


Чтобы опровергнуть представления о том, что экосистемы существуют только в дикой природе и что воздействие человека всегда негативно, поощряйте учащихся к проведению мероприятий, которые позволяют им исследовать живые существа в естественной локальной среде, такой как школьный двор, местный пруд, заболоченное место или искусственная среда, такая как пруд в классе.

Исследование: Skamp (2004)

Сбор доказательств/данных для анализа

Изучение прудовых животных в течение нескольких недель дает представление об изменениях, происходящих в популяциях по мере их взаимодействия, или об изменениях формы по мере того, как животные проходят свой жизненный цикл. .Студенты могут связать это с более длительным исследованием, чтобы получить представление о сезонных изменениях и адаптации животных, связанных с сезонными циклами. Десятисерийный телесериал Книга «Жизнь птиц », завершенная сэром Дэвидом Аттенборо в 1998 году, дает несколько замечательных примеров того, как птицы адаптировались к городской среде.

Исследование: Skamp (2​004)

Сосредоточьте внимание учащихся на упущенных деталях

Поощряйте учащихся записывать наблюдения и описания явлений, используя научные журналы, маркированные диаграммы, временные шкалы и презентации PowerPoint.Используйте микроскопы и ручные линзы, чтобы облегчить наблюдения за структурой и функцией. Например, вы можете составить карту школьного пруда или близлежащего водно-болотного угодья, отследить, где кормятся головастики и где другие организмы расположены или перемещаются относительно друг друга.

Уточнение и консолидация идей для/посредством общения с другими

Учащиеся могут создать новостной репортаж о своем проекте или разработать проект, например, создать новую игровую площадку. Они могут исследовать проблему для средств массовой информации или своего школьного информационного бюллетеня с разных точек зрения, таких как политик, зеленый, фермер, родитель, местный старейшина или другие учителя.Это включает в себя принятие этических решений от имени студентов относительно того, что включать и что не включать в отчет.

Дополнительные ресурсы

Интерактивные учебные объекты, связанные с наукой, можно найти на Страница ресурсов для учителей FUSE.

Чтобы получить доступ к интерактивному учебному объекту, указанному ниже, учителя должны войти в систему FUSE и выполнить поиск по идентификатору учебного ресурса:

  • . Проект экологической оценки: среда обитания лягушек в пруду – учащиеся отвечают на короткий вопрос о том, как организмы адаптируются к окружающей среде, а затем исследуют среду пруда.Они выбирают инструменты для отбора проб, подходящие для того, чтобы не причинить вред животным или не повредить изучаемую территорию, а затем собирают животных из пруда, травянистого берега, каменистого берега, деревьев и кустарников. Они просматривают описание вида и видео для каждого животного и описывают, как животное удовлетворяет свои основные потребности в еде, воде, укрытии и защите.
    Идентификатор учебного ресурса: R9QN9M
  • Проект экологической оценки: среда обитания лягушек в пруду (2) – учащиеся выясняют, почему популяция лягушек сокращается, наблюдая за изменениями в пруду с течением времени (в частности, качество воды, потеря среды обитания и хищничество со стороны интродуцированных видов). Учащиеся строят пищевую сеть для пруда и моделируют взаимодействие населения. Они определяют, какие виды оказывают наибольшее влияние на лягушку, и, наконец, составляют отчет, используя собранные данные в поддержку своих выводов.
    Идентификатор учебного ресурса: FTE6CS

Живые организмы и их окружение

1. ВВЕДЕНИЕ
Живые существа существуют в большинстве мест на Земле. Жизнь существует как в экстремально жарких, так и в экстремально холодных регионах.Среда обитания организма – его ближайшее окружение. Среда обитания – это дом организма, где он может найти пищу, убежище и благоприятные условия для размножения. Среда обитания включает в себя как живые, так и неживые компоненты. Растения и животные обладают особыми свойствами, которые помогают им выживать в их собственной среде обитания.
2. СРЕДА И АДАПТАЦИЯ
Среда обитания – ближайшее окружение организма. Это место, естественное для жизни и роста организма. Животные и растения приспосабливаются к различным средам обитания.
Среда обитания может быть наземной или водной.
Наземная среда обитания подразделяется на леса, луга, пустыни, горы и полярные районы.
Водную среду обитания можно разделить на пресноводную, морскую и прибрежную.
I. Наземная среда обитания
Земля, на которой выживают все растения и животные. Животные и растения, обитающие на суше, называются наземными животными и наземными растениями. Животные и растения, обитающие на суше, дышат кислородом из воздуха.В ходе этого процесса они выделяют углекислый газ. Наземная среда обитания включает леса, луга, пустыни, горы и полярные районы.
а) Леса

Это большие площади, покрытые деревьями и растениями. Организмы, живущие в лесу, зависят от абиотических факторов, таких как воздух, наличие воды, температура, солнечный свет и т. д. Дикая природа в лесу включает как растения, так и животных. Все эти организмы взаимозависимы друг от друга. Растения могут синтезировать свою собственную пищу и запасать ее в своем теле.Животные используют эту пищу для выживания. Три типа лесов — это тропические леса, леса умеренного пояса и бореальные леса.

Тропические леса известны как Тропические леса — это леса, расположенные между экватором и двумя тропиками. Температуру поддерживают в пределах от 20°C до 34°C. Они получают осадки в течение всего года. Годовое количество осадков около 200 см. В этих лесах встречаются различные виды флоры и фауны.
Леса умеренного пояса встречаются в Северо-Восточной Азии, Северной Америке и Центральной Европе.Температура колеблется от -30 o C до 30 o C. Годовое количество осадков составляет около 150 см и выпадает в течение всего года. Летний сезон отделен от зимнего. Деревья — лиственные деревья.
Бореальные леса также называют таежными лесами. Эти леса разбросаны по многим местам, включая Китай, Канаду, Россию, Северную Японию и т. д. Температура колеблется от -50 o C до 30 o C. Годовое количество снегопадов колеблется от 40 до 100 см.
б) Луга

Они в основном покрыты длинной и густой травой. Температура колеблется от -20 o C до 30 o C. Годовое количество осадков, которое они получают, колеблется от 50 см до 90 см. Преобладают такие животные, как зебра, жираф, лев и слон

в) Пустыни

Это районы со скудными осадками. Они сухие с песком, покрывающим весь регион. Пустыни — это в основном жаркие регионы, но некоторые из них — даже слишком холодные регионы.Днем температура слишком высока, а ночью слишком низкая. Годовое количество осадков менее 25 см. В пустынях обитают такие животные, как верблюд, гремучая змея, кенгуровая крыса. Преобладают такие растения, как кактусы и колючие растения.

г) Горы

Эти регионы каменистые и сухие. Иногда вода протекает в виде струй. Растения, присутствующие на холмах, являются ксерофитами. Они конические и вечнозеленые. Многие альпинисты покрывают огромные деревья. По мере увеличения высоты горы температура падает, и животные приспосабливаются к жизни в этих холодных условиях.Ветры сухие и холодные. Примерами являются такие животные, как як, медведь, горный козел, летучая лисица.

д) Заполярье

Эти регионы покрыты высокими снежными вершинами. Найденные здесь животные приспособлены тем, что на коже у них густая пушистая шерсть. У них также есть слой жира под кожей. Этот жир используется в качестве резервной пищи во время ледяной зимы. Встречаются такие животные, как белые медведи, тюлени, лисы. Пингвины стоят во льду. Рыбы приспособлены к жизни в ледяной воде.

II. Водная среда обитания
Район, покрытый водой, где выживают растения и животные. Водная среда обитания далее делится на пресноводную среду обитания, морскую среду обитания и прибрежную среду обитания. Вода является средой обитания организмов, обитающих в водной среде.
а) Пресноводная среда обитания:

Это водоемы, наполненные пресной водой. К ним относятся реки, озера, пруды, ручьи и т. д. Присутствующая вода имеет очень низкую концентрацию солей.Растения, растущие в воде, называются гидрофитами.

б) Морская среда обитания:

Океан и моря относятся к морской среде обитания. Они полны жизни. Различные разновидности организмов существуют в морской среде обитания. В этой среде обитают такие организмы, как кораллы, панцирные животные, губки, медузы, акулы и многие другие.

c) Прибрежная среда обитания:

Это регион, представленный местом, где земля встречается с морем.Эстуарии образуются, когда соленая вода смешивается с пресной водой. Эти места обитания уникальны. В этом регионе растут деревья особого типа, называемые мангровыми зарослями. Животные также хорошо приспособлены к жизни в этих регионах.

Адаптации
Способность живых организмов приспосабливаться к окружающей среде называется адаптацией. Адаптации — это изменения в структуре или поведении организма, которые позволяют ему выжить в этой среде обитания. Растения и животные вносят некоторые естественные приспособления в некоторые черты, чтобы приспособиться к окружающей среде.Разные живые организмы по-разному приспосабливаются к среде обитания. Адаптации могут быть вызваны изменениями в организме, изменениями в поведении и изменениями в местоположении.
Акклиматизация:
Способность организма вносить небольшие приспособления или изменения в организме за короткий промежуток времени, чтобы приспособиться к окружающей атмосфере, называется акклиматизацией. Люди, посещающие горные хребты, страдают высотной болезнью из-за низкого содержания кислорода в атмосфере на таких высотах.Их тело приспосабливается или акклиматизируется к изменениям в окружающей среде.
Компоненты среды обитания
Компоненты среды обитания в целом подразделяются на два типа, а именно биотические и абиотические компоненты. Биотические компоненты взаимодействуют с абиотическими компонентами для получения всех необходимых условий.
Биотические компоненты включают все живые организмы в среде обитания, т. е. растения, животных и микроорганизмы.
Абиотические компоненты включают все неживые объекты среды обитания, т.е.е. воздух, почва, вода, солнечный свет и температура. Благоприятные условия для выживания живых организмов обеспечивают абиотические компоненты.
а) Воздух: Воздух необходим для всех живых организмов на Земле. Растения и животные поглощают кислород из воздуха при дыхании. Растения поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза. Воздух также обеспечивает азот, который фиксируется растениями для использования. Воздух необходим организмам для охлаждения тела. Ветры помогают в выработке энергии.Ветры также помогают переносить семена в отдаленные места.
b) Почва: Почва – самый верхний слой земли. Почва богата минералами и микроорганизмами, которые по-разному способствуют росту растений. В почве также есть определенные пространства, в которых задерживаются частицы воды. Эта вода, находящаяся в пространствах, используется растениями в процессе поглощения.
c) Вода: Три четверти нашей земли покрыты водой. Вода необходима для жизни. Вода является средой для многих метаболических реакций, происходящих внутри организма.Вода может быть пресной или морской. Животных, живущих в воде, называют водными организмами. Растения, специально обитающие в воде, называются гидрофитами. Влажность и дождь также являются формами воды, которые помогают живым организмам.
d) Солнечный свет: Солнце является основным источником энергии для всех живых организмов на Земле. Растения зависят от солнечного света для синтеза пищи в процессе фотосинтеза. Животные зависят от растений в качестве пищи, т.е. косвенно они зависят от солнечного света.
e) Температура: Температура в определенном месте зависит от солнечного света, доступного в конкретном месте. Температура также влияет на влажность этого конкретного места. Области могут быть слишком жаркими, умеренными или слишком прохладными. Некоторые животные впадают в спячку в прохладную зиму, а некоторые впадают в спячку жарким летом.

3. ТИПЫ МЕСТООБИТАНИЯ

I. Наземная среда обитания
Все пустыни, горы, леса и луга включены в наземную среду обитания.
(a) Пустыня:   Верблюды по-разному приспособлены к жизни в пустынях. Они обладают длинными ногами, длинными ресницами, закрытыми ноздрями, особыми жировыми клетками, модифицированными клетками желудка в качестве приспособлений.
Змеи и крысы живут в норах и выходят наружу только ночью, когда прохладно.
Растения, присутствующие в лесу, являются ксерофитами или пустынными растениями, проявляющими некоторые приспособления к жизни в условиях пустыни. Листья редуцированы до колючек. Стебли зеленые и мясистые, чтобы осуществлять фотосинтез и запасать воду. Корни растут глубоко в почве, чтобы поглощать воду. Уменьшенный лист и толстый восковой слой стебля минимизируют транспирацию.
(b) Горный район:  Большинство деревьев в холодных горах имеют конусообразную форму. Листья очень тонкие и имеют игольчатую форму, чтобы сразу соскальзывать со снега и дождевой воды.
Животные в горных районах имеют длинную толстую кожу, чтобы защитить себя от холодного климата. Они обладают сильными копытами, чтобы легко бегать.
(c) Луга:  Львы, живущие в лесах, имеют цвет кожи, соответствующий окружающей среде.Они прячутся в лугах, чтобы поймать свою добычу. Они обладают сильными когтями и зубами, чтобы рвать пищу. У них острое зрение.
Олени обладают длинными ушами, чтобы иметь острый слух. У оленя есть глаза по бокам головы, что позволяет ему смотреть во все стороны. У них длинные ноги, чтобы быстро бегать.

II. Водная среда обитания
Все пресноводные и морские водоемы включены в водную среду обитания
Рыбы обладают обтекаемыми телами, которые уменьшают трение и позволяют им свободно перемещаться в воде.
Морские животные, такие как осьминоги и кальмары, не обладают обтекаемым телом, так как остаются глубоко внутри океана. У них есть способность делать свое тело обтекаемым, когда они двигаются в воде.
Водные животные обладают жабрами, которые помогают им поглощать растворенный в воде кислород. Дельфины и киты имеют дыхательные отверстия, чтобы дышать воздухом из атмосферы напрямую. Водные растения имеют гораздо меньшие корни, которые в основном свободно плавают. Стебли длинные и легкие. Листья подводных растений имеют лентовидные листья, которые позволяют растениям наклоняться в направлении текущей воды.
Лягушки по своей природе амфибии. то есть лягушка может жить как в воде, так и на суше. У лягушек сильные задние лапы, чтобы прыгать по земле, и перепончатые лапы, чтобы плавать в воде. У лягушек также есть защитная мембрана, называемая мигательной перепонкой на глазах.

4. ЖИВЫЕ И НЕЖИВЫЕ ВЕЩИ

I. Жизнь
В мире вокруг нас миллионы разных вещей. Некоторые из них живы, а некоторые нет. Люди, кошки, мыши и цветы живы, а камни, вода, стулья и столы — нет.
Как отличить живое от неживого?
В этой главе мы изучим характеристики живых существ, чтобы ответить на этот вопрос. Кроме того, есть ли какие-то общие черты между живыми и неживыми существами?
Давайте посмотрим на следующий рисунок.

Сравнение активности растения и камня

Что он показывает?
Показывает сравнение между растением и камнем.Это сравнение также показывает, что эти два объекта в некоторых отношениях различаются; Камень не может двигаться сам по себе, не ест пищу, не может расти или производить больше своего типа. С другой стороны, растение проявляет все эти черты — оно может двигаться само по себе, оно может само питаться; он растет и производит больше своего типа (воспроизводит).
Что вы обнаружите, если сравните такое животное, как собака, с камнем?

II. Общие черты живых и неживых существ
Все эти предметы обладают массой, формой и занимают пространство.
а. Как живые, так и неживые существа имеют структурную единицу – клетки в живых и молекулы в неживых.
б. Клетки не существуют в неживых вещах.

III. Различия между живыми и неживыми существами
Жизнь — это нечто особенное и уникальное. Все, что мы можем сделать для определения «жизни», — это описать наблюдаемые процессы, явления или особенности, отличающие живую материю от неживой. Неживые объекты могут выполнять один или несколько из этих процессов.Например, кристалл может «расти», а машина может «двигаться», но только живой организм может выполнять и проявлять все приведенные ниже характеристики.

5. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЖИВЫХ

I. Сотовая связь

  • Все живые существа состоят из клеток (рис.).
  • Клетка — основная единица жизни.
  • Некоторые живые существа состоят только из одной клетки. Например, амебы, дрожжи и бактерии.Такие живые существа называются одноклеточными организмами .
  • Однако большинство живых существ состоят из миллионов клеток. Их называют многоклеточными организмами . Например, манго, роза, горох, человек, комнатная муха, собака и кошка.
  • Клетки помогают в выполнении различных функций, таких как питание, дыхание, выделение и т. д. Их называют структурными и функциональными единицами организмов.

Клетки живых существ.

II. Питание

  • Пища необходима всем живым существам.
  • Еда дает нам энергию, чтобы мы могли заниматься различными делами в течение дня.
  • Еда также помогает в росте тела, а также в его поддержании и восстановлении.
  • Животные получают готовую пищу в виде молока, хлеба, пшеницы, яиц, мяса, бобовых, фруктов и овощей.
  • Зеленые растения могут готовить себе пищу.
  • Они добывают воду и минералы из почвы.
  • Корни помогают растениям в этой работе.
  • Корни, кроме того, выполняют еще одну роль фиксации растения к почве.
  • Для приготовления пищи растениям также требуется углекислый газ.
  • Он поглощается из атмосферы (воздуха) листьями через мельчайшие поры (называемые устьицами ), присутствующие на их поверхности (рис.).
  • Зеленые растения используют (i) углекислый газ из воздуха, (ii) воду и минералы из почвы и (iii) солнечный свет для приготовления пищи.Этот процесс приготовления или производства пищи называется фотосинтезом.
  • Поскольку зеленые растения могут готовить себе пищу, их называют автотрофами (само-само; троф = пища), а способ питания называется автотрофным питанием.
  • Животные, с другой стороны, получают готовую пищу либо из растений (пшеница, бобовые, фрукты, овощи и трава), либо из других животных (молоко, яйца, мясо).
  • Животных поэтому называют гетеротрофами (гетеро = другой; троф = пища), так как они не могут приготовить себе пищу, а способ питания называют гетеротрофным способом питания (рис. )

Наличие мелких пор на поверхности листа.

Животные, поедающие траву.

III. Дыхание

  • Все живые существа дышат. То есть они поглощают или вдыхают кислород из воздуха и выделяют углекислый газ.
  • Кислород используется для производства энергии из пищи, потребляемой организмами.
  • Энергия, полученная таким образом, используется живыми существами для выполнения различных действий.

IV . Рост

  • Рост — постоянный и необратимый процесс.
  • Все живые существа вырастают из одной клетки во взрослый организм, состоящий из миллиардов клеток.
  • Однако характер роста растений и животных различен.
  • Все живое растет, а неживое не растет.
  • Рост, если он присутствует, в неживых вещах является внешним, поскольку он происходит путем добавления материи извне и является обратимым.
  • Рост живых существ происходит за счет добавления нового материала тела, называемого протоплазмой, и поэтому является внутренним.

Превращение ребенка во взрослого человека

Рост – это постоянное и необратимое увеличение массы и объема организма. Короче говоря, рост означает стать больше и сложнее.

В. Выделения

  • Экскреция – это выведение шлаков из организма.
  • Накопление отходов вредно для организма.
  • Отходы выводятся живыми животными в основном в виде мочи, пота и углекислого газа.
  • У растений углекислый газ и водяной пар выделяются через мелкие поры в их листьях.
Экскреция – это удаление отходов, образующихся в результате различных действий, происходящих внутри организма.

VI. Репродукция

  • Все живые организмы обладают способностью производить детенышей себе подобных (рис.). Например, кошка производит котят, которые вырастают во взрослых кошек.
  • Курица откладывает яйца, из которых вылупляются цыплята, в результате чего появляются куры или петухи. Манговое дерево приносит плоды, содержащие семена.
  • Семя превращается в молодой саженец и со временем в дерево. Это означает, что живые существа могут производить больше себе подобных.
  • Следует отметить, что неживые объекты, такие как стол, камень и т. д., никогда не размножаются, как живые существа.

Размножение в (а) растении (б) птице

VII. Движение

  • Живые существа демонстрируют движение.
  • Каждый день вы видите, как животные, птицы и насекомые перемещаются с одного места на другое. Такое движение называется локомоцией .
  • Большинство растений прикрепляются к почве. Они не могут осуществлять передвижение, но демонстрируют движение.
  • У растений стебель движется к свету (рис.), корни растут вниз в почве в поисках воды, а у подсолнечника цветки меняют свое положение, поворачиваясь лицом к солнцу.
  • У мелких микроскопических растений, таких как водоросль Chlamydomonas, , все растение движется в воде.

Размножение — это способность производить детенышей себе подобных. Организмы должны выживать из поколения в поколение.

Движение частей растения (побегов) к солнечному свету (фототропное)

  • Некоторые животные, такие как губки, кораллы и морские анемоны, не передвигаются с места на место (рис.).
  • Для добычи пищи у гидры и актинии вокруг рта есть длинные щупальца.

гидра                     актинии

Перемещение животных из одной точки в другую называется локомоцией. Растения не проявляют движения.

VIII. Реакция на раздражители (чувствительность)

  • Живые существа реагируют на раздражители или изменения в их окружении.
  • В холодную погоду мы носим шерстяную одежду. Если наша рука касается горячего предмета, мы быстро отдергиваем ее.
  • Растение склоняется к солнечному свету ( фототропное ).
  • Корни растут вниз в почве ( геотропический ).
  • У чувствительного растения листья скручиваются при прикосновении рукой (рис.). Такие животные, как таракан и дождевой червь, уходят от света. Во всех этих примерах имеют место ответы.
  • Реакция — это действие, возникающее в ответ на определенный стимул.
  • Например, холодная погода, горячий предмет, солнечный свет и сила тяжести являются раздражителями, в результате которых возникают соответствующие реакции, такие как ношение шерстяной одежды, отдергивание руки, сгибание растений, рост корней вниз и удаление животных

Когда вы прикасаетесь к листьям этого растения, они внезапно скручиваются.
Известно как чувствительное растение.

Живые организмы способны реагировать на изменения в окружающей их среде.Организм обнаруживает раздражитель из окружающей среды и производит ответ на этот раздражитель.
Все, что вызывает реакцию в организме, называется стимулом. ·  Реакция – это активность живого организма, возникающая в результате раздражителя.

IX. Жизненный цикл

  • Живые существа проходят жизненный цикл. Они начинают свою жизнь с одной клетки.
  • Жизненный цикл животных состоит из рождения, роста, размножения и смерти.
  • У растений жизненный цикл начинается через семена или споры.
  • Жизненный цикл организма может занять несколько часов, несколько дней или сотни лет.
  • Период, в течение которого организм завершает свой жизненный цикл, называется его продолжительностью жизни . Например, у бактерий продолжительность жизни очень короткая.
ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЖИЗНИ НЕКОТОРЫХ ОРГАНИЗМОВ
Организм Срок службы
1.Бактерии
2. Горох
3. Сосна
4. Комнатная муха
5. Мышь
6. Собака
7. Лев
8. Слон
9. Человек
10. Черепаха
20 минут
4 месяца
Несколько лет
1-4 месяца
2-3 года
16-18 лет
20-25 лет
70-90 лет
60-80 лет
120-150 лет
ПОДУМАЙТЕ | Есть ли что-то среднее между живым и неживым
Да, вирусы — это такие сущности, существующие во Вселенной.Вирусы растут и размножаются только тогда, когда они находятся внутри живых существ, таких как человек. Вне живых тел они безжизненны и подобны хрусталю.
РАЗЛИЧИЯ МЕЖДУ ЖИВЫМИ И НЕЖИВЫМИ ВЕЩАМИ
Живые существа Неживые предметы
1. Сотовая организация Состоят из ячеек. Отсутствие сотовой организации.
2. Питание Требуется пища для роста и развития. Не требуется.
3. Дыхание Показать дыхание. Нет дыхания.
4. Рост Является постоянным и необратимым. Отсутствие роста; даже если он присутствует, он обратим.
5. Выделения Происходит удаление отходов. Нет экскреции.
6.Репродукция Имеет место. Нет воспроизведения.
7. Реакция на раздражители (реактивность) Подарок. Отсутствует.
8. Жизненный цикл Состоит из рождения, роста, размножения и смерти. Отсутствие жизненного цикла.

6. ИЗУЧЕНИЕ ЖИВОГО – БИОЛОГИЯ
I. Биология

  • Изучение живых существ или жизни называется биология .
  • Слово происходит от двух греческих слов: bios, означает «жизнь» и logos, означает «учение».
  • Сегодня биологи, люди, изучающие биологию, заинтересованы в понимании взаимоотношений, существующих между человеком и миллионами живых существ, которые его окружают.
  • Они хотят знать, какое влияние оказывают эти живые существа на собственное развитие человека и окружающую среду вокруг.
  • Они проникают в ледяные глубины океанов и взбираются на вершины самых высоких гор.Они пробираются через густые джунгли и часами вглядываются в сложные инструменты, чтобы добраться до тайны жизни.
  • Биология состоит из двух основных разделов: (i) ботаника , которая занимается растениями; и (ii) зоология , связанная с животными.

II. Микроорганизмы

Некоторые живые организмы очень малы по размеру, и большинство из них слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. Их можно увидеть с помощью прибора, называемого микроскопом.Такие крошечные организмы называются микроорганизмами или микробами. Микроорганизмы встречаются как в растениях, так и в животных.
Примеры: бактерии, некоторые грибы (например, дрожжи, Aspergillus, Penicillium), некоторые водоросли (например, Chlamydomonas, Oscillatoria, диатомовые водоросли) и некоторые простейшие (например, Amoeba, Plasmodium).
В то время как бактерии, водоросли и грибы относятся к растениям, простейшие относятся к животным.

III. Различия между растениями и животными
1. Питание

  • Большинство растений зеленого цвета, поскольку они содержат пигмент, называемый хлорофиллом .
  • Они могут производить себе еду, используя углекислый газ, воду и солнечный свет.
  • Этот процесс производства пищи известен как фотосинтез, а способ питания называется автотрофным. Растения, будучи автотрофами, также называют продуцентами.
  • У животных нет хлорофилла, поэтому они не могут готовить себе пищу.
  • Они питаются растениями или другими животными.
  • По этой причине животных называют консументами, а способ питания — гетеротрофным.

2. Передвижение

  • Растения, закрепленные на почве, не перемещаются с места на место.
  • У них нет органов для передвижения.
  • Животные, наоборот, перемещаются с места на место в поисках пищи и крова.
  • У них также есть органы для передвижения, такие как ноги, крылья и т. д.
  • Некоторые растения тоже могут двигаться, но очень медленно.
  • Маргаритки и другие цветы двигают лепестками, закрывая их ночью и открывая утром.
  • Листья некоторых растений, таких как недотрога , внезапно скручиваются при прикосновении.
  • Некоторые растения, такие как utrlicularia , nepenthes , ловят насекомых.

3. Рост

  • Растения имеют неограниченный рост. Проще говоря, это означает, что они могут расти на протяжении всей жизни.
  • Кроме того, рост ограничен или локализован в определенных фиксированных областях тела растения, таких как кончик корня и кончик побега.
  • Однако животные растут только до определенного возраста и после этого перестают расти.
  • При этом у них нет фиксированных точек роста, и рост распространяется по всему телу.

4. Структура ячейки

  • Растительные клетки окружены жесткой клеточной стенкой.
  • В клетках животных отсутствует клеточная стенка.
  • Кроме того, внутри растительной клетки есть структуры, называемые хлоропластами. содержат зеленый пигмент хлорофилл, обеспечивающий зеленую окраску. Но в животной клетке отсутствуют хлоропласты (рис.).

Ячеистая структура

РАЗЛИЧИЯ МЕЖДУ РАСТЕНИЯМИ И ЖИВОТНЫМИ
Растения Животные
Питание : Большинство растений могут производить себе пищу (они содержат зеленый пигмент, называемый хлорофиллом) — автотрофные в питании. Животные не могут производить себе пищу (недостаток хлорофилла) — гетеротрофные по питанию.
Передвижение: Обычно крепятся к почве; не хватает
органов для передвижения.
Показать передвижение; обладают органами передвижения.
Рост: Рост не ограничен и локализован. Рост ограниченный и рассеянный.
Структура клетки: Имеют клеточную стенку; присутствуют хлоропласты. Отсутствие клеточной стенки; хлоропласты отсутствуют.

Адаптация животных | Морской грант штата Орегон

Программа адаптации животных в Морском научном центре Хэтфилда представляет собой 50-минутную лабораторную программу для учащихся 3–12 классов. Учащиеся изучают морские организмы из трех разных мест обитания (песчаный пляж, каменистый берег и эстуарий) и изучают множество способов, которыми они приспосабливаются к своей конкретной среде. Эта лаборатория занимается адаптацией нескольких групп морских животных, включая моллюсков, ракообразных и иглокожих.Он исследует, как они различаются в зависимости от того, находятся ли они на песчаном пляже, скалистом берегу или в устье реки. Студенты будут работать в небольших группах с различными живыми животными, изучая индивидуальные особенности и то, как эти организмы взаимодействуют с окружающей средой и друг с другом.

Справочная информация

Побережье Орегона состоит из ряда скалистых берегов, песчаных пляжей и устьев рек, на которые сильно влияют колебания приливов и отливов. Многие из этих приливно-отливных районов попеременно затапливаются морской водой и подвержены влиянию воздуха, ветра и резким перепадам температуры и солености .Приливы затапливают эти районы холодной, насыщенной питательными веществами морской водой, принося пищу живущим там организмам в виде планктона и детрита . Отливы часто подвергают эти организмы опасности хищничества и высыхания .

В дополнение к воздействию приливов, организмы, населяющие песчаные и скалистые пляжи, также вынуждены сталкиваться с физическими нагрузками от ударов волн. Из-за этих суровых условий организмы выработали уникальные приспособления, которые не только помогают им выживать, но и процветать в этих условиях.

Адаптация — это физическая или поведенческая черта, которая помогает растению или животному выжить в определенной среде или среде обитания . Хотя многие морские организмы могут быть тесно связаны между собой и иметь много общих характеристик или поведения, каждый из них имеет свой собственный уникальный набор приспособлений, которые делают его пригодным для конкретной среды. Одним из примеров адаптации к окружающей среде, которой обладают многие морские организмы, является камуфляж , который делает их практически незаметными как для хищников, так и для добычи.

В этой лаборатории мы будем изучать различные организмы, обитающие на скалистых берегах, песчаных пляжах и в устье реки, и выяснять, как они приспосабливаются к своей конкретной среде.

Большинство скалистых берегов состоят из непроницаемой скалы, в которую большинство организмов не могут проникнуть в поисках защиты. В результате многие обитающие здесь организмы ищут убежища от непогоды и хищников, прячась в расщелинах скал или прячась в твердые раковины. Обитатели скалистых берегов часто сидят или прикрепляются к скалам, чтобы сопротивляться действию волн и занимать выгодные позиции для кормления и размножения.Некоторыми примерами скалистых прибрежных существ являются морские звезды, ракушки, блюдечки, морские ежи и анемоны.

Различия между адаптацией, наследованием и эволюцией

Откуда у жирафов длинные шеи? Почему у белых медведей густой белый мех? Что заставляет рыбу-клоуна жить на коралловом рифе? Это отличные вопросы, которые вам могут задать в классе любопытные мини-учёные. Но являются ли эти примеры того, как живые существа приспосабливаются к окружающей среде, передают ли свою генетическую информацию следующему поколению, или это результат изменения более сильных видов с течением времени?

Вот 3 забавных факта и задания, которые вы можете предложить своим юным дарвинистам, чтобы они поняли разницу между адаптацией, наследованием и эволюцией в животном мире…

1.Адаптация

Что это?

«Эволюционная адаптация или просто адаптация — это приспособление организмов к окружающей среде с целью повышения их шансов на выживание в этой среде».

Например, у верблюда есть горб, в котором хранится вода, и ноздри, которые они могут закрывать, — идеальные приспособления для выживания в сухой пустыне и предотвращения вдыхания песка. Также следует учитывать африканского слона и его огромные уши — они действуют как вентилятор, охлаждая их, когда кровь перекачивается в многочисленные крупные вены в их ушах. Шмели тоже адаптировались — у них длинные языки, чтобы доставать пыльцу в узких трубчатых цветках, плюс у них есть ноги, покрытые липкими волосками, поэтому пыльцу легко собирать.

Эти специализированные признаки также называются «структурными адаптациями», которые включают в себя цвет тела, форму клюва, длину когтей и т. д. В то время как «поведенческие адаптации» могут передаваться по наследству, например, у хищников (таких как гиены), которые охотятся на свою добычу в пакеты. Поскольку животные приспособились к выживанию в своей конкретной среде обитания, это означает, что они не смогут выжить в другой среде.

Занятие №1!

Выберите место обитания → Это могут быть глубины джунглей, бескрайняя пустыня, густой лес, коварные горы, морские глубины или ваше любимое место в мире!

Создайте свое воображаемое животное → Подумайте о том, как ваше животное идеально создано для жизни в этой среде обитания, нарисовав или нарисовав и пометив важные части его тела, например, когти, чтобы цепляться за ветки, мех, чтобы согреться, хвост, чтобы плавать.

Напишите рассказ → Дайте своему животному имя и предысторию, чтобы вы могли больше рассказать о нем остальным учащимся!

Учителя — почему бы не помочь превратить это в презентацию Microsoft PowerPoint или Google Slide?

2. Наследство

Что это?

«Генетическое наследование происходит из-за того, что генетический материал в виде ДНК передается от родителей их потомству».

Ученый, монах и «отец современной генетики» Грегор Мендель сформулировал «Законы наследственности» для всех живых существ в своих опубликованных работах в 1865 году.Здесь он заметил, что все живые существа производят потомство, похожее на своих родителей, но не идентичное. Вариации обусловлены комбинацией унаследованных характеристик — одни от матери, другие от отца. Это также относится к двум разным породам одного и того же животного — при спаривании они передают разные черты от каждой породы.

Но не все характеристики передаются по наследству. Когда животные размножаются, вся генетическая информация (такая как рост, инстинкты выживания) передается в их ДНК, которая состоит из тысяч генов или последовательностей ДНК.Эти последовательности ДНК определяют, какие признаки наследуются.

Клетки, содержащие нашу ДНК, состоят из пар хромосом (точно так же, как у людей) с двумя отдельными копиями каждого гена или «аллеля». Если этот аллель является доминантным, требуется только одна копия, чтобы передать эту черту характера потомству. Однако, если аллель является рецессивной, оба аллеля должны быть идентичны, чтобы признак наследовался.

Занятие №2!

Посмотрите на виды животных → Рассмотрите изображения разных видов животных, например пород собак и кошек, и обсудите с партнером или в группе, какие сходства и различия вы заметили.

Найдите свои собственные унаследованные характеристики → Затем просмотрите свои семейные фотографии или альбомы и запишите, какие характеристики вы считаете унаследованными от своих родителей.

Создать доску для наследования → Покажите, что вы узнали, наклеив изображения разных животных или семейные фотографии (конечно, с разрешения родителей!) на доску для плакатов. Не забудьте добавить несколько ярлыков, чтобы указать на унаследованные характеристики, которые вы идентифицировали, такие как цвет глаз, цвет волос, форма лица и т. д.

3. Эволюция (и естественный отбор)

Что это?

«Если окружающая среда изменится, черты, способствующие выживанию в этой среде, также будут постепенно изменяться или развиваться».

Эволюция — это то, как живые существа меняются с течением времени — идея, впервые предложенная Чарльзом Дарвином в его научной теории эволюции и естественного отбора. Это было изложено в его книге «Происхождение видов», опубликованной в 1859 году. Его теория заключалась в том, что каждый живой организм связан с «генеалогическим древом» и может быть прослежен до начала жизни на Земле — миллиарды лет назад.

Вместе с Альфредом Расселом Уоллесом Дарвин исследовал эволюцию, чтобы объяснить, почему животные могут приспосабливаться или изменяться в новых и текущих условиях. Он также обратил внимание на то, как можно отличить отдельных животных одного и того же вида, поскольку они не были созданы как точные копии друг друга — все это благодаря открытию разных видов воробьев во время его путешествия на Галапагосские острова в 1835 году.

Что касается естественного отбора, Дарвин признал, что все живые существа конкурируют друг с другом.Например: «организмы производят больше потомства, способного выжить в окружающей среде. Те, которые физически лучше приспособлены к выживанию, взрослению и размножению». Так называемые победители, которые выживают, — это животные, которые лучше адаптировались благодаря своим унаследованным характеристикам. Следовательно, более сильные характеристики передаются их потомству, а не более слабые, что делает эти характеристики более распространенными по мере того, как вид животных меняется и развивается с течением времени.

Занятие №3!

Создайте одно из следующего:

Пьеса → Покажите, как Чарльз Дарвин пришел к своим теориям эволюции на основе того, что вы узнали — возможно, сосредоточившись на воробье?

Стихотворение → Напишите рифмованное стихотворение о естественном отборе – что он означает и как благодаря ему виды эволюционируют, чтобы стать сильнее.

Песня → В группе придумайте песню о различиях между адаптацией, наследованием и эволюцией – с куплетом для каждой и припевом! Спросите своего учителя о добавлении музыки или использовании инструментов, если можете…

Адаптация — New World Encyclopedia

Биологическая адаптация — это любые структурные (морфологические или анатомические), физиологические или поведенческие характеристики организма или группы организмов (таких как виды), которые делают его более приспособленным к окружающей среде и, следовательно, улучшают его шансы на выживание и репродуктивный успех. Благодаря индивидуальной фенотипической пластичности (изменчивости) особи будут более или менее успешными. Некоторые приспособления могут улучшить репродуктивный успех популяции, но не отдельного индивидуума, как это наблюдается в альтруистическом поведении социальных насекомых.

Организмы, адаптированные к окружающей среде, способны :

  • безопасные продукты питания, вода и питательные вещества
  • получить воздух, тепло и пространство
  • справиться с физическими условиями, такими как температура, свет и тепло
  • защищаться от своих естественных врагов
  • воспроизводить и выращивать потомство
  • реагируют на изменения вокруг себя

Адаптация происходит в ответ на изменения окружающей среды, образа жизни или отношения к другим организмам.Динамичность окружающей среды, добровольное или вынужденное изменение среды обитания и деятельность человека могут поставить организмы в новую нишу или подвергнуть стрессу или давлению окружающей среды. В таких условиях организмам требуются характеристики, соответствующие новой ситуации. Организмы, которые не приспособлены должным образом к окружающей среде, должны будут либо покинуть среду обитания, либо вымереть. Термин «вымирание» в контексте адаптации означает, что уровень смертности всей популяции вида превышает уровень рождаемости в течение достаточно длительного периода, чтобы вид исчез.

В то время как приспособления обеспечивают индивидуальную цель организма — выживание, размножение, развитие, поддержание — эти же характеристики обеспечивают разнообразие и усиливают интерес человека к природе и удовольствие от нее. Кроме того, в то время как адаптации часто рассматриваются как статический набор подходящих характеристик, в действительности процесс развития адаптации представляет собой динамический процесс. Независимо от того, рассматривается ли он как продукт замысла или естественного отбора, или естественный отбор на микроэволюционном уровне и замысел макроэволюционных изменений, реальность такова, что новые приспособления необходимы, когда организмы сталкиваются с новой средой, а такие возникают миллионы лет.

В некоторых экстремальных условиях предыдущая адаптация может быть плохо отобрана, преимущество, которое она дает перед поколениями, уменьшается, вплоть до того, что адаптация становится препятствием для долгосрочного выживания вида. Это известно как дезадаптация.

Существует большая разница между адаптацией и акклиматизацией или акклиматизацией. Процесс развития адаптаций происходит на протяжении многих поколений; это популяционный феномен, связанный с генетикой, и обычно это медленный процесс.С другой стороны, акклиматизация или акклиматизация обычно происходит в течение одной жизни или мгновенно и связана с менее опасными проблемами. Например, если человек переместится на большую высоту, у него возникнут проблемы с дыханием и физической нагрузкой. Однако, проведя некоторое время в высокогорных условиях, можно акклиматизироваться к пониженному давлению, физиология человека может функционировать нормально, и изменения больше не будут заметны.

Типы адаптации

Адаптации могут быть структурными, физиологическими или поведенческими. Структурные адаптации — это особые части тела организма, которые помогают ему выжить в естественной среде обитания (например, цвет кожи, форма, покрытие тела). Физиологические приспособления — это системы, присутствующие в организме, которые позволяют ему выполнять определенные биохимические реакции (например, вырабатывать яд, выделять слизь, поддерживать постоянную температуру тела). Поведенческие адаптации — это особые способы поведения конкретного организма для выживания в его естественной среде обитания (т.г., становясь активным ночью, принимая определенную позу).

В зависимости от среды обитания, к которой организмы развивают приспособления, приспособления можно разделить на 3 основных типа, а именно: водные , наземные и летающие (летающие), каждый из которых можно разделить на множество подтипов.

Водная адаптация

Водные приспособления обнаруживаются у тех растений и животных, которые обитают в водной среде обитания: пресной, солоноватой и морской воде. Например, пресноводные организмы развивают функции, предотвращающие попадание избыточной воды, или процессы, позволяющие регулярно сливать лишнюю воду. Наоборот, морские организмы сталкиваются с дефицитом воды из-за гипертонической (концентрация солей выше, чем в жидкости организма) морской воды. Так, у них есть механизмы удержания воды и выведения из организма избытка солей, поступающих с водозабором. Водные растения могут быть растениями с надводными корнями (например, тростник), растениями с подводными корнями (например, Hydrilla ), планктонами (например, диатомовыми водорослями) или плавающими растениями (например,г., водяной гиацинт). Точно так же водные животные могут быть бентосными , обитающими на дне водоема, или пелагическими , обитающими в самом водоеме. Животные могут жить частично или постоянно в воде. Таким образом, они могут варьироваться от неспециализированных до очень узкоспециализированных обитателей воды.

Первично водные животные (например, рыбы) не проявляют ни одного наземного признака, в то время как вторичноводные животные (киты, дельфины) обладают наземным дыханием через легкие, а некоторые должны выходить на сушу для откладывания яиц (напр. г., черепаха). Частично обитающие в воде животные демонстрируют земноводные приспособления с двойными признаками как для земли, так и для воды (например, лягушки, саламандры) или в основном наземные признаки и лишь некоторые основные водные приспособления (например, утка).

Некоторые характерные водные приспособления:

  • Контур корпуса веретенообразный и обтекаемый . Для этого голова вытянута в рострум или аналогичную структуру, шея короткая, наружные уши (ушные раковины) редуцированы, а хвост сжат с боков или дорсо-вентрально.
  • Обычно морские животные чрезмерно велики (например, киты) из-за плавучести соленой воды.
  • Органы передвижения и равновесия сильно различаются у водных животных; рыбы используют парные и непарные плавники , киты и черепахи имеют конечности, модифицированные в весла , у некоторых других руки и/или ноги имеют перепонки .
  • Кожа большинства водных форм богата слизистыми железами, что делает ее скользкой. Рыбы также снабжены кожными чешуйками .У водных млекопитающих редуцированы или отсутствуют волосяные и кожные железы (сальные и потовые железы). В качестве компенсации у них есть жировой слой под кожей, известный как барботер . Помимо изоляции тела, он также помогает плавать.
  • В основном водные животные способны использовать растворенный в воде кислород для дыхания через общую поверхность тела, внутренние или внешние жабры и так далее. Однако вторично водные формы дышат атмосферным воздухом через легкие; ноздри расположены на вершине головы.
  • У рыб полый отросток пищеварительного канала, называемый воздушным пузырем , функционирует как орган плавания и дополнительный орган дыхания, поскольку он наполнен воздухом. У китов и других млекопитающих этой цели служат необычайно массивные легкие и закрывающиеся ноздри.
  • Рыбы имеют систем боковой линии , проходящих по всей длине тела. Он содержит органы невромастов, которые действуют как реорецепторы (рецепторы давления).

Наземная адаптация

Наземные приспособления демонстрируют растения и животные, обитающие в наземных средах обитания.Поскольку существуют различные типы наземных местообитаний, приспособления, демонстрируемые организмами, также разнообразны.

Фоссориальная адаптация

Это приспособление встречается у животных, ведущих подземный образ жизни. У них есть органы копания, и они копают в поисках пищи, защиты или убежища. Зоологически они, как правило, примитивны и беззащитны. К адаптивным особенностям относятся:

  • Контур тела цилиндрический, веретенообразный или веретеновидный (например, дождевые черви, кроты, барсуки) для уменьшения сопротивления при подземном проходе.
  • Голова маленькая и сужается кпереди, образуя зарытое рыло.
  • Шея и ушные раковины уменьшены, чтобы не мешать быстрому движению через отверстия. У некоторых укорочен и хвост.
  • Глаза остаются маленькими и нефункционирующими.
  • Конечности короткие и крепкие. Лапы широкие и крепкие с длинными когтями и некоторыми дополнительными структурами для копания. У Gryllotalpa (крот-сверчок) передние конечности преобразованы в органы рытья.
Краткая адаптация

Это приспособление, включающее «бег», требуется тем организмам, которые обитают в пастбищах, поскольку отсутствие укрытий означает, что быстрый бег является важным средством защиты от врагов.Лошади, зебры, олени и т. д. демонстрируют эту адаптацию со следующими изменениями:

  • Шея уменьшена, а тело обтекаемо, это уменьшит сопротивление воздуха во время бега.
  • Кости ладоней (запястья, пясти) и подошвы (предплюсны, плюсны) становятся компактными и часто сливаются, образуя каноническую кость.
  • Уменьшены локтевая кость предплечья и малоберцовая кость голени.
  • Дистальные сегменты обеих конечностей, такие как лучевая кость, большеберцовая кость и берцовые кости, удлиняются для увеличения длины шага.
  • Движение конечностей ограничено в продольной плоскости.
Древесная адаптация

Это также известно как скансориальная адаптация и встречается у животных, которые живут на деревьях или лазают по скалам и стенам. Особенности, позволяющие им лучше всего приспосабливаться к среде обитания:

  • Грудь, пояса, ребра и конечности крепкие и крепкие.
  • Ноги и руки становятся хватательными (захватывающими) с противопоставленными пальцами (напр.г., приматы, сумчатые). Иногда цифры группируются как 3 цифры и 2 цифры в синдактилии (например, Хамелеон ). Для облегчения цепляния у некоторых есть удлиненные когти (например, белки), в то время как у других есть закругленные клейкие подушечки на кончиках пальцев (например, древесная лягушка Hyla ). У настенной ящерицы (Hemidactylus) имеются двойные ряды пластинок на вентральной стороне пальцев для создания вакуума для цепляния. Это позволяет животным передвигаться даже по гладким вертикальным поверхностям.
  • Часто цепким становится и хвост (например, хамелеон, обезьяна).
Адаптация к пустыне

Адаптация пустыни предназначена для образа жизни в экстремальных наземных местообитаниях. Пустынные растения (ксерофиты) и животные (ксерофиты) демонстрируют приспособления к трем задачам: получение влаги, сохранение влаги и защита от биотических и абиотических факторов. Многие из этих адаптаций являются просто физиологическими и поведенческими:

  • Разные растения и животные используют разные механизмы для получения достаточного количества воды.У прыткой ящерицы (Molcoh) и рогатой жабы (Phrynosoma) кожа гигроскопична и впитывает влагу, как промокательная бумага, даже из ненасыщенного воздуха. Крыса-кенгуру (Dipodomys) удовлетворяет свои потребности в воде за счет метаболического синтеза. Другие удовлетворяют свои потребности в воде за счет потребляемой пищи.
  • Пустынные животные предотвращают потерю воды своим телом за счет уменьшения площади поверхности, делая кожу непроницаемой за счет ее утолщения и затвердения, а также за счет наличия чешуи и шипов ( Phrynosoma , Moloch ), уменьшая количество потовых желез у млекопитающие, избегающие дневной жары, ищущие тени скал и становящиеся активными ночью (ночные) , и выделяющие отходы в виде твердых сухих гранул.
  • Некоторые пустынные животные запасают воду в своем теле и экономно расходуют ее; верблюд хранит воду в тканях по всему телу, тогда как пустынная ящерица ( Uromastix ) хранит ее в толстой кишке.
  • Из-за песка и пыли в воздухе уши, глаза и ноздри защищены клапанами, чешуей, бахромой, веками или уменьшены в размерах.
  • Зайцы (Lepus) , [лисицы] ( Vulpes velox ) , другие имеют большие ушные раковины, чтобы функционировать как эффективные радиаторы тепла без потери влаги.
  • Окраска и поведение позволяют животным гармонировать с окружающей средой пустыни. Например, песочного цвета и с грубой кожей Phrynosoma при обнаружении угроз копается в песке, чтобы стереть контур тела и гармонировать с фоном.
  • Владение ядом (яд) предназначено для самообороны, и почти все пустынные змеи и пауки ядовиты.
Защитное приспособление

Защита от врагов, хищников и даже ошибок достигается применением защитных устройств и механизмов, таких как скользкие поверхности, рожки, шипы, неприятные запахи (напр. например, землеройка), яд, твердые панцири, аутотомия (самоотрезание) хвоста (например, настенная ящерица) или с помощью окраски вместе с поведенческими позами. Краски используются для разных целей:

  • Загадочная окраска или камуфляж предназначен для того, чтобы сделать животных невидимыми или неотличимыми от окружающей среды путем слияния с фоном или за счет нарушения контура тела. Животные, живущие в снежных условиях, могут быть белыми, лесные – полосатыми или пятнистыми, а пустынные – песочного цвета.Хамелеон имеет несколько слоев и разновидностей хроматофоров, которые позволяют ему менять свой цвет в зависимости от цвета окружающей среды.
  • Похожая окраска , вместе с морфологическими особенностями и поведенческими позами делают животных похожими именно на конкретные неинтересные объекты окружающей среды, таким образом получая защиту. Некоторыми примерами являются палочники, листовые насекомые (Phyllium) и другие.
  • Предупреждающая окраска предназначена для предотвращения ошибочной встречи с опасными животными в целом или встречи хищников с неприятными организмами.Животные носят эту окраску, чтобы показать, что они опасны или неприятны. Gila monster (Heloderma) , единственная известная ядовитая ящерица, имеет ярко-черные, коричнево-желтые и оранжевые полосы. Большинство ядовитых змей имеют предупреждающую окраску. Пчелы и осы предупреждают других о своих укусах.
  • Мимикрия определяется как имитация одного организма другим с целью сокрытия, защиты или других преимуществ. Вид, который имитирует, называется подражателем , а тот, который копируется, моделью .В зависимости от целей мимикрия может быть защитной или агрессивной.
    • Защитная мимикрия представляет собой защитную симуляцию безвредным видом по форме, внешнему виду, цвету и поведению другого вида, который является неприятным или опасным. Например, некоторые безобидные мухи с парой крыльев могут имитировать четырехкрылых пчел или ос, которые являются хорошо известными опасными насекомыми, таким образом получая защиту. Это мимикрия Бейтса . Если два вида имеют одинаковую предупреждающую окраску и взаимно рекламируют свою опасность или невкусность, чтобы хищники научились избегать их обоих, то это называется мюллеровской мимикрией .
    • Агрессивная мимикрия используется хищниками. Здесь хищник имитирует организм, который предпочитает его жертва, чтобы поймать последнюю. Например, африканская ящерица напоминает цветок, паук может быть похож на цветок орхидеи и так далее.

Адаптация Volant

Адаптация Воланта относится к адаптации тех, кто ведет летающий образ жизни. Включены модификации, которые помогают организмам поддерживать и продвигать свое тело в воздухе.Это может быть пассивное планирование или активный истинный полет.

Пассивное скольжение

Эти типы движений не включают в себя никакой движущей силы, кроме начальной силы прыжка и гравитационной силы. Он характеризуется прыжками или прыжками с высокой точки и удерживанием некоторых поддерживающих органов для скольжения на более низкие уровни.

  • Кожа на обеих сторонах тела расширяется и натягивается между передними и задними конечностями, образуя то, что называется patagium .Патагии являются поддерживающими органами у многих животных, включая белку-летягу (Sciuropterus) и летающего лемура (Galeopithecus volans) . У летающей ящерицы (Драко) патагии поддерживаются 5/6 удлиненными ребрами.
  • Летающая лягушка (Rhacophorus) обладает очень большими перепончатыми лапами для поддержки. Его пальцы заканчиваются клейкой подушечкой, чтобы обеспечить сцепление с посадочной поверхностью.
  • У летучей рыбы (Exocoetus) грудные плавники увеличены, чтобы сформировать поверхности для скольжения, а брюшная доля хвостового плавника удлинилась, чтобы делать рывки на поверхности воды, подталкивая животное к планирующему полету.Рыба совершает этот полет на 200-300 метров, спасаясь от крупной рыбы. Другими родами летучих рыб являются Dactylpterus , Pantodon и Pegasus .
Активный истинный полет

Активный истинный полет — это воздушный полет как с поддержанием, так и с движением; он встречается среди живых форм у насекомых, птиц и летучих мышей. Считается, что, будучи очень разными группами, их стаи развивались независимо. Тем не менее, они имеют много общих черт:

  • Хотя органами полета во всех группах являются крылья, их строение сильно различается.
    • Крылья насекомых состоят из кутикулы, укрепленной утолщениями, называемыми жилками. Обычно на дорзо-латеральных сторонах средне- и заднегрудных сегментов развиты две пары крыльев. У двукрылых развиты только среднегрудные крылья.
    • Крылья летучей мыши — модифицированные передние конечности. Плечевая кость хорошо развита, лучевая кость длинная и изогнутая, а локтевая кость рудиментарная. Pollex (большой палец) свободен и снабжен когтями для ползания и лазания. Патагии поддерживаются удлиненными второй, третьей, четвертой и пятой цифрами.
    • Крылья птицы также являются модификацией передних конечностей, но с уменьшенными пальцами. Они представляют собой наиболее специализированные крылья среди современных крыльев. Маховые перья несутся на руке и кисти, образуя хорошо расправленные крылья.
  • Грудина (грудная кость) хорошо развита для прикрепления летательных мышц. У птиц он килевидный.
  • Присутствуют особенно сильные летательные мышцы.
  • Тело облегчено, особенно у птиц, за счет:
    • наличие воздухоносных костей
    • редукция внутренних органов, e.г., яичник и яйцевод правой стороны, мочевой пузырь
    • наличие воздушных мешков в теле
    • наличие светлых перьев, покрывающих тело
  • В особенности у птиц хорошо развита зрительная доля мозга, коррелирующая с которой глаза также большие, чтобы обеспечить хорошее зрение. Чтобы преодолеть резкое изменение давления воздуха, глаза несут характерные склеротические пластинки, а также гребенчатые, сосудистые и пигментированные структуры, называемые пектином. Они регулируют давление жидкости в глазах.
  • Превращение передних конечностей в крылья у птиц компенсируется наличием беззубых роговых клювов и длинных гибких шей.

Теории адаптации

Жан-Батист Ламарк был одним из первых, кто выдвинул теорию адаптации, предложив процесс, посредством которого такие адаптации могли возникнуть. Его теория называлась наследованием приобретенных признаков. Но она не смогла объяснить происхождение и наследование признаков как популяционных явлений.Эпигенетика (Pray 2004) и эволюция Болдуина (Nortman 2003) предлагают аналогичные процессы в современной эволюционной теории.

Затем Чарльз Дарвин предложил более конкретное объяснение адаптации, которое соответствовало наблюдениям. Его теория естественного отбора предложила механизм, с помощью которого в полиморфной популяции могли постепенно преобладать подходящие для определенных условий признаки. Теория Дарвина настолько популярна, что термин «адаптация» иногда используется как синоним естественного отбора или как часть определения («Адаптация — это процесс, посредством которого животные или растения в результате естественного отбора лучше приспосабливаются к окружающей среде. «) Однако большинство биологов не одобряют такое использование, которое также приводит к круговым рассуждениям. Тем не менее, теория Дарвина не дает оснований для лежащего в основе полиморфизма, на котором работает естественный отбор, и доказательств того, что естественный отбор является направляющей силой изменений на макроэволюционном уровне, таких как новые конструкции, ограничивается экстраполяцией изменений на микроэволюционном уровне (внутри видового уровня).

Промышленный меланизм часто представляют как наилучший иллюстративный пример эволюции адаптивной модификации.При этом существуют две формы плодожорки (Biston betularia) : меланическая и немелановая формы. Полевые исследования в Англии за 50-летний период показывают, что меланические формы увеличились пропорционально в загрязненных районах из-за явления промышленного меланизма. Этот сдвиг в сторону более темных меланических форм объясняется повышенным хищничеством птицами светлых мотыльков, потому что более светлые формы легче было увидеть на стволах деревьев, которые все больше темнели от загрязнения. Однако Уэллс (Wells 2000) указал, что в исследованиях есть недостатки, в том числе тот факт, что бабочки обычно не садятся на стволы деревьев, и во многих ситуациях даже существует обратная корреляция с загрязнением.

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

  • Alscher, R.G. and J.R. Cumming 1991. «Стрессовые реакции растений: механизмы адаптации и адаптации», The Quarterly Review of Biology 66(3): 343-344.
  • Ford, MJ 1983. «Изменение климата: реакция естественной фауны и флоры», The Journal of Ecology 71(3): 1027-1028.
  • Нортман, Д. Эволюция фенотипической пластичности через эффект Болдуина. Noesis VI: Статья 4, 2003. Проверено 20 мая 2007 г.
  • Молитесь, Лос-Анджелес, 2004 г. Эпигенетика: геном, знакомьтесь с окружающей средой. The Scientist 18(13): 14. Проверено 20 мая 2007 г.
  • Science Aid 2006. Адаптация.Проверено 7 мая 2007 г.
  • .
  • Settel, J. 1999. Взрывающиеся муравьи: удивительные факты о том, как адаптируются животные, Нью-Йорк: Книги Atheneum для юных читателей, ISBN 0689817398
  • Уэллс, Дж. 2000. Иконы эволюции: почему многое из того, что мы учим об эволюции, неверно, Вашингтон, округ Колумбия: Regnery Publishing, ISBN 0895262762

Кредиты

New World Encyclopedia авторы и редакторы переписали и дополнили статью Wikipedia в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с надлежащим указанием авторства. Упоминание должно осуществляться в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на авторов New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

Примечание. На использование отдельных изображений, которые лицензируются отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.

Эволюция и разнообразие — Возможности биологии

Эволюция и разнообразие являются результатом взаимодействия между организмами и окружающей их средой и последствий этих взаимодействий в течение длительных периодов времени. Организмы постоянно приспосабливаются к окружающей среде, и разнообразие существующих сред способствует разнообразию приспособленных к ним организмов. В последние годы новые методы и подходы открыли захватывающие новые пути исследования процессов, которые порождают эволюцию и разнообразие.В результате сейчас существует больше возможностей для продвижения знаний, чем в любой период с 1930-х и 1940-х годов, когда эволюционная биология и генетика объединились в том, что стало называться современным синтезом эволюционной биологии.

Процессы и результаты эволюции на примере эволюции устойчивости насекомых к инсектицидам и устойчивости бактерий к антибиотикам

Первым синтетическим органическим инсектицидом, принятым для практического применения, был ДДТ, который был введен в 1941 году.У ДДТ оказалось много преимуществ, потому что в надлежащей дозе он был токсичен для насекомых, но не для человека. Как следствие, ДДТ быстро стал использоваться во всем мире для борьбы с комнатными мухами, комарами и множеством других насекомых-вредителей. После первоначального успеха ДДТ многие другие экзотические химические соединения стали применяться в качестве инсектицидов. За введением и широким использованием каждого из них быстро последовала эволюция устойчивости у большого числа видов насекомых. Фактически, к 1976 году более 200 видов насекомых стали устойчивыми к ДДТ; некоторые виды выработали множественную устойчивость к четырем или более группам химических инсектицидов.

Во многих случаях устойчивость к инсектицидам возникает в результате действия одного гена, хотя также происходят множественные другие генетические изменения, которые могут модифицировать реакцию на инсектициды. У обыкновенной комнатной мухи резистентность возникает из-за присутствия фермента под названием ДДТаза, естественная функция которого неизвестна. Мутантные формы фермента превращают ДДТ в относительно безвредное соединение ДДЭ. Устойчивость комара Aedes aegypyti также связана с ферментом ДДТазой, но не с ферментом комнатной мухи.

Эволюция устойчивости к инсектицидам настолько распространена, потому что популяции насекомых часто содержат редкие мутантные варианты, которые уже обладают устойчивостью. Воздействие инсектицида дает преимущество этим мутантам, и в течение нескольких поколений их частота постепенно увеличивается за счет нормальных типов, пока не останется очень мало нормальных чувствительных типов.

Замечательный принцип популяционной генетики гласит, что резистентность к инсектицидам может развиваться примерно через 5–50 поколений вредителей, независимо от вида насекомых, географического региона, природы пестицида, частоты и метода применения и других, казалось бы, важных переменных. .Это явление возникает из-за того, что время, необходимое для развития значительной устойчивости, зависит от логарифма общего увеличения частоты гена устойчивости в результате применения пестицидов, которое в широком диапазоне реалистичных значений эффективно ограничивается от 5 до 50 поколений. Быстрая, повторяющаяся эволюция устойчивости к инсектицидам во многих частях мира отражает действие этого простого математического принципа.

Аналогичная ситуация объясняет повторяющуюся эволюцию устойчивости к антибиотикам у бактерий: редкие типы бактерий, содержащие гены устойчивости, получают преимущество в присутствии антибиотика и в конечном итоге вытесняют нормальные чувствительные типы.В данном случае чрезмерное использование недорогих антибиотиков не только в медицине, но и в кормах для животных, рыбоводстве и сельском хозяйстве способствовало развитию устойчивости к антибиотикам у широкого спектра микроорганизмов. Во многих случаях гены устойчивости содержатся в мобильных генетических элементах, которые могут передаваться от одного организма к другому, и их распространение привело к широкому распространению генов устойчивости среди патогенных и непатогенных форм.

Молекулярная эволюция устойчивости к антибиотикам аналогична процессу, который бактерии использовали на протяжении тысячелетий для выработки устойчивости к встречающимся в природе антибиотикам и к почве, загрязненной смертельными концентрациями тяжелых металлов.Ген резистентности, развившийся у одного вида бактерий, потенциально может быть распространен среди многих других с помощью молекул, известных как плазмиды, которые передаются между подходящими хозяевами при клеточном контакте. Эти плазмиды иногда захватывают мобильные последовательности ДНК, содержащие гены, устойчивые к антибиотикам, и придают устойчивость клеткам-хозяевам. Когда антибиотики широко используются и присутствуют в окружающей среде, предпочтение отдается клеткам, содержащим плазмиды устойчивости, и плазмида распространяется.Во многих случаях плазмиды устойчивости приобрели гены одновременной устойчивости к пяти или более химически неродственным антибиотикам. Для некоторых патогенных бактерий, таких как гонорея, устойчивость к антибиотикам стала настолько распространенной, что клиническое лечение серьезно затруднено.

Неоднократно демонстрировалась эволюция устойчивости к инсектицидам в популяциях насекомых, устойчивости к антибиотикам в популяциях микробов, устойчивости к гербицидам в популяциях растений и толерантности к тяжелым металлам в популяциях растений и бактерий.В любом случае генетическая изменчивость и естественный отбор обеспечивают удивительно эффективный процесс адаптации организмов к окружающей среде. Изучение эволюции и разнообразия жизни на Земле связано с темпом, способом и моделями таких адаптаций.

ЭВОЛЮЦИЯ УСТОЙЧИВОСТИ К ИНСЕКТИЦИДАМ

Некоторые из наиболее ярких примеров эволюции в действии являются результатом естественного отбора на устойчивость к химическим пестицидам в естественных популяциях насекомых и других сельскохозяйственных вредителей.В 1940-х годах, когда химические пестициды были впервые применены в больших масштабах, примерно 7 процентов сельскохозяйственных культур в Соединенных Штатах были уничтожены насекомыми. За первоначальными успехами в химической борьбе с вредителями последовала постепенная потеря эффективности. Сегодня более 400 видов вредителей выработали значительную устойчивость к одному или нескольким пестицидам, и 13 процентов урожая в Соединенных Штатах теряется из-за насекомых.

Во многих случаях значительная устойчивость к пестицидам развивается в течение 5-50 поколений, несмотря на большие различия в видах насекомых, инсектицидах и способах применения.Теоретическая популяционная генетика помогает нам понять этот очевидный парадокс. Многие виды резистентности к инсектицидам являются результатом единичных мутантных генов. Гены устойчивости часто являются частично доминантными, поэтому изменение частоты гена устойчивости примерно регулируется уравнением

, в котором p и q — соответственно частоты генов устойчивости и чувствительности, исходно (время 0) и в момент времени t поколение после применения инсектицида, а s измеряет степень, в которой устойчивые насекомые предпочтительнее чувствительных.

До применения пестицида частота гена p 0 резистентной мутации обычно близка к 0. Применение пестицида увеличивает частоту гена, иногда на много порядков, но значительная резистентность отмечается у популяция вредителя еще до того, как частота гена p 1 возрастает более чем на несколько процентов. Таким образом, в качестве грубых приближений мы можем предположить, что q 0 и q 1 настолько близки к 1, что In( p 0 / q 0 p 0 ) и In( p 1 / q 1 ) = In( p 1 ).Используя эти приближения, уравнение подразумевает, что t = (2/ s ) In( p 1 / p 0 ). Во многих случаях отношение p 1 / p 0 может варьироваться от 1 × 10 2 до, возможно, 1 × 10 7 , а s 910,5 или больше обычно может быть или больше. В этом широком диапазоне значений параметров время t эффективно ограничивается от 5 до 50 поколений для появления значительной степени устойчивости к пестицидам. Детали в реальных случаях будут зависеть от таких факторов, как размер популяции насекомых и степень генетической изоляции между местными популяциями, и можно ожидать, что эволюция полигенной устойчивости займет несколько больше времени, чем устойчивость к одному гену. Тем не менее пример демонстрирует предсказательную силу математических подходов в эволюционной биологии.

Некоторые из самых захватывающих текущих исследовательских возможностей в области эволюции и разнообразия являются результатом технических инноваций в молекулярной биологии

Методы молекулярной биологии выявили высокий уровень детализации в исследованиях вариаций ДНК и их анализе.Они открыли неожиданный путь геномной эволюции благодаря активности мобильных элементов. Они открыли перенос отдельных генов между видами в качестве основного нового инструмента для изучения механизмов и последующих событий видообразования. И они сделали возможной интеграцию методов молекулярной биологии с вопросами полевой естественной истории, такими как использование полиморфизмов митохондриальной ДНК для изучения структуры популяций и миграции рыб и других организмов.

Применение методов молекулярной биологии впервые сделало возможным начало синтеза микробиологии и эволюционной биологии. Эти два месторождения развивались почти в полной изоляции друг от друга. Микробиология относится к числу наименее эволюционно ориентированных биологических дисциплин, а эволюционная биология — это эволюционная биология многоклеточных животных. Исследования на стыке этих дисциплин приведут к определению новых эволюционных принципов и более глубокому пониманию уже установленных принципов.Возможно, самым удивительным первоначальным результатом исследований микробной эволюции стало открытие того, что некоторые ученые считают особым царством организмов, — архебактерий, которые сочетают в себе некоторые черты более знакомых видов бактерий (эубактерий) с другими, характерными для эукариотических организмов.

Действительно, сегодня палеобиологи считают, что биота Земли состояла исключительно из бактерий на протяжении как минимум двух третей ее общей истории. Многие эволюционные инновации были вызваны изменениями во внутриклеточной биохимии, а не изменениями в форме, размере или физической организации организмов. Более того, глобальная биота, особенно бактерии, с их разнообразными физиологическими возможностями, взаимодействовала с глобальной окружающей средой и изменяла ее многочисленными важными способами, такими как создание нашей богатой кислородом атмосферы.

Применение молекулярных методов также способствовало современной революции в систематике. Молекулярные исследования ДНК и белков в настоящее время обычно используются для различения видов и оценки филогенетических отношений между близкородственными видами.Прямое секвенирование ДНК дает филогенетически полезные данные почти быстрее, чем их можно проанализировать. Предполагаемые генеалогические отношения, основанные на макромолекулах, обычно согласуются с отношениями, основанными на морфологии, но молекулярные исследования часто помогают разрешить морфологически неоднозначные отношения.

Общее сходство макромолекул обеспечивает надежную меру времени эволюции только тогда, когда изучаемые молекулы эволюционируют с примерно одинаковой скоростью в разных линиях и в разное время. Вопрос о том, действительно ли последовательности ДНК развиваются с регулярной скоростью, как молекулярные часы, до сих пор вызывает много споров, но имеющиеся данные предполагают, по крайней мере, умеренную регулярность. Концепция молекулярных часов обеспечила уникальное и мощное временное измерение в эволюционных исследованиях и расширила, а также дополнила выводы из летописи окаменелостей. Однако не все данные согласуются с гипотезой о том, что молекулярная эволюция происходит с почти постоянной скоростью, и необходимы дополнительные доказательства, чтобы подтвердить обоснованность гипотезы и определить область ее применения.

Взрывной рост знаний о последовательностях ДНК создал острую потребность в новых видах вычислительных технологий и алгоритмов, а также в новых статистических подходах, позволяющих интерпретировать данные с максимальной выгодой. При надлежащем анализе новые виды данных с невиданным ранее уровнем детализации выявят закономерности в истории эволюции; таким образом, новые данные прольют свет не только на эволюцию макромолекул, но и на процессы эволюции морфологии, истории жизни и физиологии. К сожалению, анализ данных о последовательностях, который должен объединить специалистов в области статистики, компьютерных наук, математики, молекулярной биологии, популяционной генетики, биологии развития и систематики, отстает по мере накопления все большего количества данных. В то же время крайне необходимы более обширные данные о степени изменчивости последовательностей ДНК внутри видов.

Технические инновации, изменившие исследования эволюции и разнообразия, не ограничиваются молекулярной биологией

Исследования в области биомеханики, экологии и поведения получили огромную пользу от усовершенствованных методов фотографии и телеметрии, и почти во всех областях исследования современные компьютеры облегчают сложное имитационное моделирование и анализ данных.Палеобиология извлекла пользу из методов органической геохимии, которые позволяют определять природу и изотопные характеристики органических соединений биологического происхождения, сохранившихся в древних отложениях, а также из новых методов радиометрического определения возраста и новых данных о геологической и тектонической истории Земли. . Эти подходы в сочетании с информацией, полученной из молекулярной биологии, обещают способствовать новым знаниям о таких фундаментальных эволюционных событиях, как происхождение беспозвоночных, позвоночных, растений и человека.Даже более ранние докембрийские события, такие как появление фотосинтеза, кислородозависимого дыхания, ядерных клеток, эукариотического полового размножения и современного типа анаэробно-аэробной глобальной среды, могут быть в пределах досягаемости новых подходов.

Прогресс в изучении эволюции и разнообразия не требует технических инноваций, хотя часто приносит пользу от них. Успехи также приходят от синтеза ранее разрозненных областей, от новых взглядов на проблемы или от новых концепций.Таким образом, в эволюции и разнообразии слишком большой акцент на технической виртуозности и модности может привести к развитию своего рода модели научного прогресса, с большой активностью и волнением на переднем крае, но с небольшим отставанием в области, где практические приложения фундаментальные открытия часто развиваются.

Хотя достижения молекулярной биологии открыли множество интересных направлений в эволюции и разнообразии, многочисленные фундаментальные проблемы возникают на уровнях биологической организации выше уровня молекул.На эволюцию популяций организмов влияют взаимодействия с окружающей средой физиологии, развития и поведения на уровнях, не поддающихся молекулярному анализу. Молекулярная биология — это помощь, но не панацея в открытии и классификации организмов. А процессы видообразования и вымирания, хотя и являются основополагающими для эволюции и разнообразия, являются популяционными, а не молекулярными процессами.

Эволюционный процесс

Популяционная генетика продолжает уделять особое внимание генетической изменчивости — ее природе, причинам и сохранению в популяциях

Исследования популяционной генетики или генетической изменчивости стали значительно более сложными с использованием молекулярных методов и новых типов материалов, включая микробные организмы и хлоропластную и митохондриальную ДНК.Прогресс в молекулярной биологии оказался особенно полезным для популяционной генетики и обещает помочь в решении ряда нерешенных проблем в этой области. Генетическая изменчивость может быть решена на конечном уровне последовательности ДНК. При таком уровне разрешения становится возможным определить, быстро ли эволюционируют гены, которые сильно различаются внутри популяций. Распределение полиморфизмов ДНК внутри и между видами является результатом действия эволюционных сил, которые во многих случаях слишком слабы или слишком сложны для измерения в лаборатории или в полевых условиях; можно сделать вывод об их величине из анализа самих последовательностей.Богатые возможности выводов, которые можно сделать из данных о последовательности ДНК, требуют значительных усилий в этом направлении.

Техника сайт-направленного мутагенеза также открывает новые возможности для популяционной генетики

Традиционно выводы об эволюционных ограничениях молекулярной структуры делались на основе сравнения гомологичных молекул у разных видов. С помощью сайт-направленного мутагенеза выводы можно проверить напрямую, преднамеренно изменяя части интересующей молекулы, повторно вводя ген измененной молекулы в живые организмы и изучая эффекты изменений.Такие эксперименты выявляют не только то, какие изменения влияют на молекулу, но и величину этих эффектов. Впервые популяционные генетики могут изучать набор мутантных молекул, хорошо охарактеризованных на молекулярном уровне.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ДНК В ЭВОЛЮЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Сравнение последовательностей ДНК и белков произвело революцию в реконструкции эволюционных отношений между организмами, потому что сами последовательности содержат информацию об истории их предков, которую можно извлечь с помощью соответствующих статистических методов.Не менее убедительные выводы можно сделать из сравнения последовательностей между особями внутри вида. Это возможно, потому что последовательности также содержат информацию об эволюционных силах, сформировавших их, которую можно изучать, чтобы делать выводы о масштабах естественного отбора, важности случайных процессов, роли рекомбинации и так далее.

Два исследования последовательностей ДНК среди природных изолятов бактерии Escherichia coli подчеркивают силу молекулярного подхода.Одно исследование было сосредоточено на последовательностях ДНК в гене и , который кодирует фермент 6-фосфоглюконатдегидрогеназу. Цель состояла в том, чтобы оценить долю наблюдаемых аминокислотных полиморфизмов, которые являются селективно нейтральными. Это было центральным вопросом в популяционной генетике на протяжении более десяти лет, но он не поддавался разрешению, потому что большинству статистических тестов наблюдаемых частот генов и большинству лабораторных экспериментов не хватает мощности для определения коэффициентов отбора соответствующей величины.Хотя можно ожидать, что большинство случайных аминокислотных замен будут вредными, лишь небольшая часть вредных мутаций когда-либо закрепляется в виде полиморфизмов в естественных популяциях. Следовательно, можно ожидать, что значительная часть аллелей, которые становятся полиморфными, будут избирательно или почти нейтральными.

Идея изучения последовательностей ДНК заключается в том, что полиморфизмы нуклеотидов в молчащих сайтах, которые не изменяют последовательности аминокислот, могут использоваться в качестве внутренних стандартов для сравнения с полиморфизмами аминокислот в том же гене.При сравнении 768 нуклеотидов в гене gnd в семи штаммах E. coli было обнаружено 12 аминокислотных полиморфизмов и 78 молчащих полиморфизмов. Все 12 полиморфизмов аминокислот встречаются в одиночных конфигурациях (это означает, что шесть штаммов имеют общую аминокислоту в сайте и только один штамм отличается), тогда как только около половины молчащих полиморфизмов проявляют эту конфигурацию. Основываясь только на этом различии, можно сделать вывод, что не более шести аминокислотных замен могут быть селективно нейтральными.В качестве альтернативы, если предположить, что все аминокислотные полиморфизмы являются умеренно вредными, степень отбора, необходимая для объяснения преобладания одноэлементных конфигураций, составляет всего около 1,6 × 10 90 187 -7 90 188 , степень отбора слишком мала, чтобы ее можно было обнаружить, кроме как с помощью сравнения последовательностей ДНК.

Второе исследование касалось возникновения генетической рекомбинации среди природных изолятов E. coli . Доказательства рекомбинации были обнаружены в области 1871 пары нуклеотидов вокруг гена phoA , который кодирует щелочную фосфатазу, в 10 природных изолятах.Область содержала 87 полиморфных нуклеотидных сайтов, из которых 42 были общими для двух или более штаммов. Сравнение общих полиморфизмов дало четкие доказательства внутригенной рекомбинации в том, что полиморфные нуклеотиды, общие для двух или более штаммов, имели тенденцию к пространственной кластеризации внутри гена. Предполагаемые события обмена включали короткие участки ДНК порядка нескольких сотен пар нуклеотидов. Хотя репродукция E. coli считается в значительной степени клональной, клональная репродукция, тем не менее, согласуется с рекомбинацией с участием коротких участков ДНК, поскольку большинство генов по-прежнему передаются от одного родителя.Это еще один пример того, как последовательность ДНК может содержать информацию о своей истории, которую нелегко вывести из прямых экспериментов.

Процесс мутации, который до недавнего времени казался результатом по существу простого процесса замены или перегруппировки нуклеотидов, теперь оценивается как включающий механизмы для создания эволюционной новизны за счет движения и других действий мобильных элементов. В самом деле, практически все белки могли быть созданы в ходе эволюции путем перестройки экзонных единиц, которые кодируют меньшие структурные домены, способные укладываться автономно и выполнять элементарные функции, такие как связывание лигандов.Если это так, то это означало бы, что эволюцию новых функций нельзя уподоблять пресловутой обезьяне, клевающей пишущую машинку в надежде создать что-то значимое; аналогия скорее должна быть с обезьяной, которая может тасовать целые слова, целые предложения и абзацы.

Рекомбинация, традиционно считавшаяся важной с точки зрения создания генетической изменчивости посредством новых комбинаций генов, приобрела новое измерение в популяционной генетике из-за своей консервативной роли в поддержании сходства между членами мультигенных семейств.Однако мало что известно о скорости конверсии генов в мультигенных семьях или о роли внутригенной рекомбинации в создании новых генетических вариаций.

Изучение естественного отбора остается одной из основных задач биологов-эволюционистов

Понимание механизмов отбора в естественных популяциях все еще недостаточно. На молекулярном уровне необходимо понять, как изменения в белковых молекулах влияют на приспособленность, и критически оценить вклад выборочно нейтральных мутаций в молекулярную эволюцию.Эти проблемы идеально подходят для применения сайт-направленного мутагенеза в экспериментальных организмах, таких как бактерии, дрожжи и дрозофилы . На фенотипическом уровне необходимо понять, как гены, влияющие на количественные признаки, реагируют на естественный отбор. Это область, в которой в последнее время были достигнуты существенные успехи в теории и в которой можно ожидать дальнейшего прогресса. Анализ многофакторных признаков необходим для понимания генетической основы и наследования многих генетически сложных признаков заболеваний у людей, включая наиболее распространенные врожденные дефекты и расстройства у взрослых.Это также важно в эволюции и разнообразии в интерпретации эволюции таких многофакторных признаков, как морфология.

Значительные методологические проблемы естественного отбора включают трудности в измерении репродуктивных компонентов, включая отбор по фертильности и половую асимметрию в отборе, взаимодействие ядерно-цитоплазматических генов в приспособленности, а также разработку статистических моделей и планов экспериментов для оценки компонентов приспособленности при инбридинге ( как у некоторых растений).Исследования отбора в естественных местообитаниях часто затруднены из-за отсутствия строгого количественного подхода к изучению окружающей среды и ее изменчивости.

Оценка роли популяционной структуры в эволюции также омрачена важными нерешенными проблемами, такими как необходимость совершенствования методов оценки скорости миграции, определение роли взаимодействий между генотипами в отборе, оценка значения отбора среди демес (локальная популяция близкородственных организмов) в генетической дивергенции и трансформации популяций.Генетическая дифференциация приводит к изменчивости среди популяций, и в настоящее время разрабатываются методы статистического анализа такого пространственного паттернирования.

В нашем понимании видообразования, эволюции и поддержания разнообразия наблюдается прогресс

Разнообразие организмов является прямым и неизбежным результатом видообразования, процесса, посредством которого один вид эволюционирует в два или более различных вида. Условия, необходимые для инициации, стимулирования и завершения процесса видообразования, до сих пор плохо изучены и, следовательно, противоречивы.Для решения этой проблемы в последние годы были предприняты большие усилия по изучению биологических и генетических признаков близкородственных таксонов, активно претерпевающих разную степень дифференциации. В этих исследованиях используются три подхода: полевой, экспериментальный и теоретический.

Значительные успехи были достигнуты благодаря анализу генетической изменчивости и структуры природных популяций. Многие из этих исследований посвящены насекомым. Например, гавайская дрозофила , быстро размножившаяся на новых островах архипелага, служит выдающейся модельной системой для изучения отношений между географической изоляцией, размером популяции, половым отбором и генетической дивергенцией.Тот факт, что острова можно точно датировать по геологическому времени, дает уникальную возможность выяснить, как эволюционировали эти виды. События-основатели, за которыми последовали повторные расширения и сокращения популяции, сопровождаемые сильным половым отбором, по-видимому, способствовали быстрому расхождению изолированных популяций этих мух.

Причины видообразования различны у Rhagoletis , группы экономически важных мух, личинки которых паразитируют на плодах самых разных растений.За последние 150 лет виды этих мух сформировали генетически отличные расы хозяев на интродуцированных растениях при отсутствии каких-либо географических барьеров для потока генов. Эти расы, по-видимому, находятся на ранних стадиях видообразования. Подробные поведенческие, экологические, биохимические и молекулярные исследования показали, что, поскольку спаривание у этих мух происходит на плоде-хозяине, гены, управляющие выбором хозяина, напрямую влияют на выбор партнера.

Другой подход к изучению видообразования в природных популяциях фокусируется на генетическом и биологическом результате гибридизации в зонах перекрытия либо между ранее изолированными, но близкородственными популяциями, восстановившими контакт, либо в зонах перехода через резкое экологическое граница между популяциями, приспосабливающимися к разным местообитаниям.Эти исследования проводятся на широком круге животных и растений. Цель таких исследований — установить, могут ли различные системы распознавания партнеров и репродуктивной изоляции развиваться в зонах контакта в результате избирательного процесса, называемого подкреплением, или развиваться как побочный продукт геномной дивергенции в изоляции. Повышенное генетическое разрешение, недавно обеспечиваемое молекулярными методами, вносит значительный вклад в наше понимание того, как гибридизация влияет на процесс видообразования.

Третий подход к изучению видообразования включает прямые лабораторные эксперименты по отбору. Такие эксперименты предполагают, что значительный прогресс в направлении видообразования может происходить быстро, даже перед лицом значительного потока генов. Этот экспериментальный подход обещает проверить некоторые гипотезы о механизмах видообразования, которые в настоящее время возникают в результате исследований природных популяций.

В последние годы были разработаны теоретические популяционные генетические модели с использованием аналитических подходов и подходов компьютерной стимуляции в попытке понять, при каких условиях виды эволюционируют в природе.Эти модели становятся все более изощренными и биологически значимыми и позволяют лучше понять процесс видообразования, а также модели для изучения в природе или в лаборатории условий, при которых может происходить видообразование.

Изучение видообразования, одна из наиболее важных областей исследований в эволюционной биологии, имеет прямое отношение к нашему пониманию происхождения разнообразия организмов в прошлом, настоящем и будущем. Он оставил преобладавшую в прошлом описательную, сравнительную фазу в пользу более эмпирического подхода к изучению механизмов видообразования.В результате недавних исследований было получено достаточно доказательств того, что мы находимся на пороге решения некоторых из самых трудных проблем, касающихся способов видообразования. Растущий интерес к микробной эволюции также побуждает к новому анализу видовой концепции и видообразования у прокариот.

Изучение эволюции организации и состава генома все еще находится в зачаточном состоянии

Хотя мы знаем, что общая генетическая организация хромосом в некоторых группах бактерий сильно консервативна, причины этого неясны.Точно так же у эукариот не известны принципы, управляющие сохранением или изменениями в структуре или организации хромосом. Геномная эволюция также включает в себя неизвестный вклад различных локализованных и рассредоточенных семейств ДНК с высокой повторяемостью и многочисленных типов мобильных элементов с различными характеристиками и эволюционными последствиями. В более широком смысле геномная эволюция также включает эволюцию вирусных геномов и взаимодействие с геномами хозяина. Недавно стало ясно, что некоторые геномы растений подвергаются новому и потенциально важному механизму эволюции в ответ на стресс окружающей среды.Например, растения в условиях стресса проявляют выраженные фенотипические изменения, связанные с наследственными изменениями числа копий нескольких мультигенных семейств, включая последовательности рибосомной ДНК. Новые методы манипулирования и клонирования больших молекул ДНК будут иметь решающее значение для изучения эволюции на уровне хромосом.

Несмотря на амбициозность, синтез дисциплин, характеризующих современную эволюционную биологию, должен быть расширен, чтобы охватить такие области, как биология развития, нейробиология и поведение.Мало что известно о возможных последовательностях развития, доступных для организмов с определенными генотипами, или о новых видах путей развития, доступных путем мутации из уже существующих генотипов. Кроме того, практически ничего не известно о генетической детерминации сложного поведения животных и о том, как это поведение влияет на эволюцию молекулярных и морфологических признаков.

Результат эволюции

Изучение адаптации по-прежнему широко распространено в биологии

Наиболее драматический результат эволюционного процесса проявляется в адаптации современных организмов.Одним из главных достижений Дарвина в «Происхождении видов » было показать, что изысканные приспособления организмов, которые «по праву вызывают наше восхищение», могут быть объяснены чисто механическим процессом естественного отбора. адаптация является результатом как технических, так и концептуальных нововведений, произошедших за последние несколько десятилетий. Некоторые из технических достижений уже упоминались. В качестве примера концептуальных нововведений в настоящее время общепризнано, что черты обычно не развиваются на благо группы или вида, поскольку в целом, а за те прямые или косвенные преимущества, которые они дают своему обладателю.Междемический отбор может представлять собой исключение из этого обобщения, но общая важность междемического отбора для изменения генотипического состава вида неизвестна. Поиск теорий, отличных от группового отбора, для объяснения загадочных признаков привел к обильному распространению концепций, касающихся, например, отбора, действующего не на самих индивидуумов, а посредством повышения приспособленности их родственников, и компромиссов между плодовитостью и смертностью в жизни. -исторические стратегии. Однако некоторые явления остаются загадочными, например, партеногенез не заменяет быстро половое размножение, хотя скорость его размножения теоретически выше.

Другие концептуальные достижения также обогатили изучение адаптации. Во-первых, осознание того, что организмы часто защищают себя от изменений давления отбора. Например, животные могут выбирать видовую микросреду обитания, а семена могут прорастать в ответ на сигналы, сигнализирующие о благоприятных условиях. Еще одно важное понятие — ограничение развития: способ, которым определенные приспособления закрывают другие возможные пути приспособления, тем самым ограничивая дальнейший эволюционный потенциал вида.Например, экзоскелет членистоногих обеспечивает места для прикрепления мышц, обеспечивающие быстрое движение, но также ограничивает максимальный размер животных.

Изучение адаптации также выиграло от интеграции ранее разделенных областей. Например, экология и поведение все больше интегрируются в эволюционную биологию. Изучая генетические и филогенетические аспекты физиологических, морфологических и биохимических признаков, биологи наводят мосты между эволюционной биологией и физиологией, развитием и молекулярной биологией.

Среди многочисленных многообещающих возможностей для исследований в области адаптации есть исследования эволюционной и функциональной морфологии, которая все чаще включает биомеханику. Применение количественных инженерных принципов в сочетании с компьютерным моделированием переместило эту область от описательных к аналитическим исследованиям. Этот подход позволяет анализировать конкретные механические свойства биологических материалов, взаимосвязь между дизайном организмов и окружающей их средой, а также понимать повторяющиеся исторические закономерности в эволюции дизайна и ограничения, наложенные на дизайн эволюционной историей.

Физиологическая адаптация растений и животных к факторам, включая температуру, засушливость и осмотический стресс, подробно анализировалась экологами-физиологами, чей подход становится все более эволюционным. Действительно, некоторые исследователи начали изучать индивидуальную изменчивость физиологических признаков, пытаясь определить физиологические механизмы, чтобы разделить изменчивость на генетические и негенетические причины.

Важные достижения были достигнуты в поведенческой экологии и эволюционной биологии

Понимание таких явлений, как использование среды обитания, выбор пищи, социальная агрегация, сотрудничество, каннибализм и ритуализированный конфликт, значительно расширилось за последнее десятилетие.Половой отбор стал главной темой как в генетике поведения, так и в популяционной генетике, и недавно была продемонстрирована реальность полового отбора по выбору самок у птиц. Следующим шагом является проверка предсказания о том, что мужские характеристики развиваются вместе с женским предпочтением еще более преувеличенных мужских характеристик, практически без ограничений. Совместная эволюция характеристик распознавания самцов и самок может играть ключевую роль в видообразовании животных.

Эволюция жизненных историй обеспечивает активную область контакта между областями экологии и эволюции, равно как и изучение того, как взаимодействующие виды приспосабливаются друг к другу и как такая коэволюция влияет на структуру экологических сообществ.За последнее десятилетие такие исследования вышли за рамки предыдущих акцентов на конкуренции и хищничестве и охватили, среди прочего, паразитизм и мутуализм.

Изучение адаптации активизировалось введением новых концепций и теорий, все более экспериментальным и аналитическим подходом, а также усилением связи между областями. Включение популяционно-генетической теории и филогенетического анализа в изучение адаптации только начинается и обещает быть поучительным.Чтобы добиться успеха, необходимо преодолеть несколько препятствий. Проверка теорий в естественных популяциях часто требует значительного времени — часто лет — прежде чем они обретут реальное содержание; в некоторых областях, таких как физиология, необходимо разработать методы для автоматизации измерения множества людей.

Хотя современные молекулярные методы обещают внести свой вклад в понимание многочисленных нерешенных вопросов, связанных с процессами и историей эволюции, не менее важным вкладом станут новые концептуальные, статистические и технические подходы в таких областях, как популяционная генетика, филогенетический анализ и биология развития.Важнейшими среди малоизученных областей эволюции являются отношения между эволюционными процессами на популяционном уровне и долгосрочными эволюционными изменениями, связанными с происхождением видов и высших таксонов. Крайне необходим мост между почти отдельными областями популяционной генетики, с одной стороны, и систематикой, с другой. Прогресс в построении таких связей, возможно, придется ждать достижений в области биологии развития и творческих новых подходов в генетике и развитии, но некоторые достижения в этих областях обещают, что популяционные и исторические исследования могут информировать друг друга.

Например, мы можем предвидеть, что благодаря использованию молекулярных последовательностей или большого количества морфологических признаков, или и того, и другого вскоре будет достаточно надежных филогений групп родственных видов. В группах, поддающихся генетическим исследованиям или исследованиям развития, сочетание генетического и филогенетического или палеонтологического анализа дает возможность изучить многочисленные открытые вопросы. К ним относятся такие вопросы, как (1) являются ли быстро развивающиеся признаки более изменчивыми генетически, чем медленно развивающиеся признаки; (2) существуют ли генетические корреляции между характеристиками, которые развиваются согласованно в разных филогенезах, или же наблюдаемые филогенетические корреляции являются результатом только совместной адаптации и естественного отбора; и (3) являются ли корреляции между видами результатом общего происхождения, а не адаптации или генетической корреляции.Это некоторые из богатых полей, доступных на уровне организмов для исследования эволюции и разнообразия.

Связь между популяционной генетикой и долгосрочной эволюцией также будет укрепляться по мере того, как биологи-эволюционисты обращаются к биологии развития и генетике развития. Наибольший прогресс наступит, когда механизмы развития будут более полно поняты. Даже сейчас мы можем надеяться на некоторое понимание, возможно, путем сравнения развития и экспериментов не только между отдаленно родственными видами организмов, такими как лягушки и саламандры, но также и между близкородственными видами, у которых гибридизация или экспериментальный перенос генетического материала могут оказаться возможными.Среди забытых вопросов, вновь выходящих на передний план, — какова механистическая основа бесплодия видовых гибридов? Несколько генов ответственны за стерильность гибридов или много? Почему мутации большого эффекта обычно вредны и каковы их плейотропные эффекты? И наоборот, какие процессы изменяются, когда постепенные полигенные изменения приводят к жизнеспособному фенотипу, который может напоминать нежизнеспособный фенотип единичной мутации с большим эффектом? Какова эволюционная природа инвариантных или эволюционно консервативных признаков и каково их отношение к представлениям о канализированных фенотипах, которые развиваются постоянным образом в широком диапазоне окружающей среды? Какие отношения существуют между функциональными, фенотипическими, генетическими и онтогенетическими корреляциями между признаками?

Исследования в области функциональной морфологии и биомеханики имеют основной целью анализ моделей разнообразия на уровне целых организмов

Функциональные морфологи изучают механизмы интеграции организмов, как правило, в рамках как филогенетических, так и эволюционных структур.Сложные организмы высоко интегрированы, и основная модель организации большинства основных таксонов консервативна. Этот консерватизм, вероятно, возникает из-за сопряжений или взаимосвязей между частями организмов, которые стабилизируют морфологию. Эти связи могут быть генетическими (плейотропия, генетические корреляции и т. д.), связанными с развитием (индуктивные взаимодействия), функциональными (физиологическими, поведенческими) или структурными (прямые связи между частями). Функциональные морфологи изучают организмы, чтобы описать такие связи.После понимания такие связи можно использовать для объяснения того, почему эволюция, скорее всего, пойдет в одних направлениях, а не в других, и почему определенные структуры и функции не развивались в прошлом и вряд ли появятся в будущем. Таким образом, многие функциональные морфологи озабочены ограничениями эволюции и возможностями, возникающими при устранении таких ограничений. Кроме того, определенные эволюционные явления могут привести к разобщению, за которым может последовать включение новшеств и адаптивное излучение.Например, некоторые саламандры потеряли легкие в результате приспособления к жизни в быстро текущих ручьях; Таким образом, гиобранхиальная система перестала выполнять свою роль дыхательного насоса и превратилась в высокоскоростной язык, летящий на большие расстояния. Современная функциональная морфология использует широкий спектр методов, в том числе высокоскоростное видео, кинематические и рентгеновские киносистемы для визуализации движения и поведения, электромиографические и другие физиологические подходы для характеристики паттернов движения, нейробиологические методы, такие как современные методы окрашивания для отслеживания. нейронные компоненты интегрированных систем и даже количественные генетические методы анализа паттернов взаимодействия для анализа вариаций внутри индивидуумов.

Применение принципов из областей материаловедения, инженерии, клеточной биологии и биологии развития, экологии и эволюционной биологии к изучению структуры и функций растений и животных быстро прогрессировало и обещает будущее. Область биомеханики относительно молода; она отличается от функциональной морфологии тем, что сосредоточена на деталях структурной организации и применима от уровня клеток до уровня целых организмов, обращенных к окружающей среде.Виды предпринятых исследований варьируются от изучения структуры цитоскелета до исследования коллагеновых волокон, покрывающих дерму китов и рыб, и значения этих структур для функций. Недавние открытия включают биомеханическое значение расположения спикул в телах губок, причины организации удержания у гигантских водорослей и способы, с помощью которых морские анемоны переживают удары, которые они получают в приливных зонах. Биомеханические подходы привели к новому пониманию организации и функции хорды, значения остеогенных паттернов и организации мышц.Некоторые исследователи охватывают небольшой пробел функциональной морфологией, в то время как другие расширяют свои интересы до хирургических и других медицинских применений биомеханических перспектив.

Систематика — ключевая дисциплина в эволюционной биологии

В китайской пословице называть вещи своими именами — систематика — это начало мудрости. Современная систематика, которая лежит в основе изучения адаптации, подчеркивает основную роль распознавания и присвоения имен, но одновременно распространяется на все другие дисциплины, связанные с биологическим разнообразием.Систематика включает в себя таксономию, то есть обзор, распознавание, наименование, описание и идентификацию видов организмов, а также разработку классификаций организмов, помещая их в таксоны от уровня популяции до уровня царства. На другом уровне анализа он охватывает изучение отношений, происхождения и истории этих таксонов, включая факторы, которые привели к их происхождению и сформировали их историю.

Систематика, постепенно трансформируемая принципами и методами из других дисциплин, несет основную ответственность за анализ разнообразия и придание таким знаниям более доступной формы.Каталогизация организмов еще настолько неполна, что мы даже не знаем с точностью до порядка числа видов на Земле. Хотя около 1,4 миллиона видов всех видов организмов были официально названы с тех пор, как Линней ввел биномиальную систему идентификации видов в 1753 году, эта цифра сильно недооценивает разнообразие жизни. Учитывая огромное разнообразие одних только насекомых и недостаточную представленность в каталоге многих видов организмов, например микробов, разумно предположить, что абсолютное число видов всех групп на Земле колеблется где-то между 5 и 30 миллионами.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОРФОЛОГИЯ И ЭВОЛЮЦИОННАЯ ЭКОЛОГИЯ

Три Великих озера Африки — Виктория, Танганьика и Малави — являются домом для трех замечательных сообществ видов. В каждом озере обитает от 150 до 200 эндемичных видов семейства цихлид, мелких и средних рыб, похожих на солнечную рыбу. В общей сложности почти 600 видов представляют поразительные 3 процента, а может быть, и больше, видов рыб в мире. Почему их так много? Имеет ли их морфология какое-либо отношение к удивительному разнообразию видов?

В общем, когда виды сосуществуют, они делят некоторые ресурсы, такие как пища или пространство, таким образом, чтобы уменьшить конкурентное перекрытие.Такая специализация часто сопровождается разнообразием некоторых физических или поведенческих особенностей вида. Исследования африканских цихлид выявили огромное разнообразие двух признаков: их поведения, в том числе кормления, и морфологии их челюстей. Их пищевые привычки варьируются от соскребания водорослей с нижней стороны камней до поедания чешуи других рыб. Одни виды часто выкусывают у других рыб глаза, другие соскребают водоросли с листьев высших растений, одни поедают рыбу целиком, другие поедают беспозвоночных и т. д.Их челюсти демонстрируют удивительное разнообразие формы, размера и зубного ряда. Кроме того, у цихлид, как и у большинства костистых рыб, есть глоточные челюсти — «горловые зубы». Но у цихлид глоточные челюсти более специализированы и изменчивы, чем у большинства других костистых рыб.

В течение многих лет цихлиды Великих озер считались ярким примером адаптивной морфологии, связанной с адаптивной радиацией. Считалось, что необычная морфологическая приспособляемость челюстей позволила наблюдать замечательную адаптивную радиацию.Определенные морфологические характеристики их глоточных челюстей позволили этим челюстям адаптироваться к некоторым функциям, обычно выполняемым ротовыми челюстями. Это освободило ротовые челюсти, чтобы они могли выполнять уникальные функции по сбору пищи, почти как рука; ротовые челюсти также имеют характеристики, которые, по-видимому, обеспечивают большее разнообразие функций, чем у большинства других костистых рыб.

Вышеупомянутая интерпретация является более правдоподобной, поскольку радиация произошла три раза в трех разных озерах.Существует даже естественный контроль: несколько других семейств рыб, у которых отсутствуют приспособления челюстей цихлид, обитают в тех же озерах, но не излучают подобным образом.

Но в последнее время возникли загадочные вопросы. Например, семейство цихлид представлено в африканских озерах двумя подсемействами, каждое из которых имеет описанные выше специализированные глоточные и ротовые челюсти, специализации, которые, как предполагается, позволили наблюдать большое видообразование. Но бурное видообразование произошло прежде всего в одном подсемействе — Haplochromines.Подсемейство тилапинов насчитывает относительно немного видов. Почему? Другой вопрос касается харакоидов Амазонии, группы рыб, в которую входят пираньи. У них, как и у африканских цихлид, огромное количество видов, но им не хватает специализации челюстей цихлид.

Наконец, недавно стало ясно, что на поведенческое и морфологическое разнообразие африканских цихлид большое влияние оказывают факторы окружающей среды. Это означает, что различия, наблюдаемые в природе, могут не быть полностью или даже в большей степени генетически обусловленными.

Африканские цихлиды по-прежнему представляют огромный интерес с точки зрения эволюции. Но вместо того, чтобы быть хрестоматийным примером какого-либо конкретного явления, они представляют собой естественную лабораторию для изучения эволюции, экологии и морфологии. И это исследование все еще находится на захватывающих ранних стадиях.

Правильная классификация видов важна, потому что вид не похож на молекулу в облаке молекул, а скорее представляет собой уникальную популяцию организмов; конец линии, отделившейся от наиболее близкородственных видов тысячи или даже миллионы лет назад.Виды сформировались в их нынешние формы путем мутаций и естественного отбора, в ходе которых выживали определенные генетические комбинации и воспроизводились дифференцированно из почти невообразимо большего количества. Никакие два вида, какими бы близкими они ни были, не взаимозаменяемы больше, чем две сонаты Моцарта. Каждый вид организма невероятно богат генетической информацией. Генетическая информация в составляющих основаниях, составляющих ДНК в одной мышиной клетке, если перевести ее в обычные буквы печатного текста, почти заполнила бы все 15 изданий Британской энциклопедии , издаваемых с 1768 года.

Поскольку другие эволюционные дисциплины, включая экологию, биогеографию и поведенческую биологию, зависят от систематики, необходимо рассмотреть всю иерархию важных проблем. Две из них выделяются в том смысле, что продвижение к их решениям необходимо, чтобы поставить другие дисциплины на прочную основу. Первая проблема состоит в том, чтобы определить величину и причины биологического разнообразия, а вторая — в том, чтобы определить наиболее надежные меры гомологии и их значение для филогенетических взаимоотношений.

При определении величины и причин биологического разнообразия систематикам, несомненно, не удастся получить полный каталог жизни на Земле, но целенаправленные усилия принесут много дивидендов. Более глубокое понимание биологического разнообразия обещает разрешить некоторые противоречия в современной теории и в то же время открыть новые продуктивные области исследований. Кроме того, ответы повлияют на множество смежных дисциплин, повлияют на наше представление о месте человека в порядке вещей и откроют возможности для развития новых знаний, имеющих социальную значимость.Например, борьба с переносимыми комарами болезнями, такими как малярия, выиграла от возможности выделять в отдельные виды комаров, которые морфологически почти идентичны, но отличаются поведением и способностью передавать болезни.

Систематика также является дисциплиной с ограничением по времени, потому что большая часть разнообразия теряется из-за вымирания, вызванного ускоряющимся разрушением естественной среды обитания. Это особенно верно для влажных тропических лесов, где, как считается, обитает более половины видов в мире.Хотя темпы вымирания трудно оценить, отчасти из-за неадекватной систематики, нынешние темпы вымирания, по-видимому, приближаются или превышают 1000-кратную среднюю скорость в прошлое геологическое время. Трагично и, возможно, угрожающе для человечества, большинству тропических лесов, а вместе с ними и многим тысячам видов растений и животных, похоже, суждено исчезнуть в течение следующих 30 лет. Не будет преувеличением сказать, что человечество вовлечено в гонку, в которой систематика должна играть решающую роль.

С практической точки зрения, растения являются источником многих жизненно важных лекарств и фармацевтических препаратов, многие виды содержат гены устойчивости к болезням и другие желательные признаки, которые потенциально могут улучшить сельскохозяйственные сорта, и многие из них сами потенциально могут быть превращены в важные сельскохозяйственные культуры. Например, таксономия растений стимулировалась и, в свою очередь, активизировалась открытием более 10 000 вторичных соединений, разбросанных среди огромного количества видов. Эти вещества (алкалоиды, терпены, фенолы, цианогены и глюкозинолаты) одинаково важны для понимания эволюции растений и улучшения благосостояния человека.Таким образом, изучение биологического разнообразия и стремление к его сохранению основываются не только на эстетических принципах.

Систематика также включает исследования взаимосвязей между организмами

Исследования филогенетических взаимоотношений между организмами помогают в развитии и оценке теорий об эволюционных процессах. Модели происхождения видов стимулировались, а также направлялись развитием концепции видов в систематике. Филогенетическая информация важна во многих областях эволюционной биологии.Например, в биогеографии встречаемость нелетающих бескилевых птиц (страус, нанду, эму и др.) в Африке, Южной Америке, Австралии и Новой Зеландии, по-видимому, не согласуется с морфологическими и молекулярными данными, указывающими на то, что птицы имеют общего предка. Парадокс разрешается знанием того, что все птицы отделились от общего стада, населявшего великий южный континент Гондвана, прежде чем он разделился и рассеялся в результате континентального дрейфа. Филогенетическая информация лежит в основе сравнительного метода изучения адаптации.Положительная адаптивная ценность для конкретной характеристики предполагается, когда два или более отдаленно родственных организма претерпели параллельную эволюцию этой характеристики, например формы или цвета цветка. Филогенетический анализ также необходим для понимания последовательности, в которой признаки претерпели эволюционное преобразование, и для оценки скорости эволюционных изменений, будь то морфологические или молекулярные.

Одной из главных задач систематики является выяснение филогенетических, или генеалогических, отношений между организмами.Вывод генеалогии является желательной целью как для окаменелых форм, так и для живых организмов, происхождение которых плохо задокументировано в летописи окаменелостей. Реконструкция филогенетической истории часто сама по себе представляет большой интерес, например, при установлении родственных отношений между людьми и другими высшими приматами. Но реконструкция филогенетических деревьев имеет и множество других применений. Действительно, филогенетические данные являются источником почти всего, что мы знаем о закономерностях эволюционных изменений в течение миллионов лет, включая конвергентную эволюцию, параллельную эволюцию, адаптивную радиацию и мозаичную эволюцию.Филогенетические исследования были необходимы для понимания того, как виды пришли к своему нынешнему географическому распределению, а также для интерпретации процессов и скорости изменений на уровне ДНК.

Только за последние 20 лет были сформулированы логические и доказательные критерии установления филогенетических отношений. Благодаря этим иногда противоречивым разработкам систематика превратилась в очень сложную, строгую науку, в которой ведущую роль играют математика, статистика и молекулярная биология.Современная систематика сильно отличается от того, что было даже 10 лет назад, и ставит чрезвычайно сложные вопросы.

Важным шагом в этой революции стала разработка методов классификации, которые позволили получить древовидные диаграммы, отражающие сходство между организмами, по объективным критериям за счет использования соответствующих математических выражений, оцениваемых с помощью компьютерных алгоритмов. Такого рода процедуры кластеризации, впервые разработанные для биологической классификации, с тех пор используются во многих других приложениях, например, в лингвистике.

Древовидные диаграммы, полученные с помощью процедур кластеризации, не обязательно отражают генеалогические отношения в филогенетических деревьях, если только сходство двух видов не прямо пропорционально тому, как недавно они отделились от своего общего предка. Пропорциональности не существует, когда многие характеристики претерпевают конвергентную эволюцию или когда разные эволюционные линии развиваются с разной скоростью. Однако были также разработаны методы, направленные на установление правильных филогенетических отношений между видами, хотя эти методы иногда трудно применять на практике из-за неопределенностей и неоднозначностей в данных.Важным направлением текущих исследований является разработка статистических методов для оценки степени неопределенности оценок филогенетического родства. Точно так же, как оценки числовых величин должны сопровождаться доверительными интервалами, дающими точность оценок, предполагаемые модели филогенетических отношений должны сопровождаться какой-то мерой их надежности.

Традиционно полагаясь на наиболее доступные данные, обычно на морфологические характеристики сохранившихся музейных образцов, современная систематика также включает другие источники данных, такие как экология, поведение, генетика и биохимия.Сила систематики недавно была дополнена данными молекулярной биологии. Электрофоретически различимые белки в настоящее время обычно используются для различения видов и оценки филогенетических взаимоотношений между близкородственными видами, а расщепления последовательностей ДНК, таких как митохондриальная ДНК, ферментами рестрикции обеспечивают многочисленные систематические признаки.

Эволюционная история

Летопись окаменелостей вносит особый вклад в эволюционную биологию и знания о современном разнообразии

Хотя вопросы процесса и результата являются центральными в эволюции и разнообразии, история эволюции имеет только один источник первичной прямой свидетельство, один суд последней инстанции, которая является палеонтологической летописью.Таким образом, исследования в области палеобиологии напрямую затрагивают все аспекты эволюции и разнообразия.

Летопись окаменелостей обеспечивает жизненно важное временное измерение для понимания биологического разнообразия и истории жизни. Текущая база данных палеобиологии состоит из записей о примерно 250 000 вымерших видов растений, животных и микроорганизмов, встречающихся в отложениях, охватывающих более 3,5 миллиардов лет истории Земли. Хотя летопись включает лишь небольшую часть всех когда-либо существовавших ископаемых таксонов, систематические коллекции музеев и университетов содержат десятки миллионов задокументированных образцов, во многих случаях с хорошим представлением отдельных видов в пространстве и времени.

Что касается истории разнообразия, летопись окаменелостей может быть проанализирована, чтобы определить, является ли разнообразие сейчас более высоким, чем в геологическом прошлом, можно ли ожидать, что эволюция разнообразия достигнет устойчивого уровня, и была ли структура сообщества изменились за геологическое время.

Палеобиология уникальна тем, что является единственным источником данных об определенных эволюционных процессах и событиях. Например, хотя наблюдательная и экспериментальная работа большинства биологов обязательно ограничивается процессами и явлениями, которые являются относительно быстрыми или обычными, палеобиологи, извлекающие выгоду из глубины геологической летописи, имеют доступ к гораздо более редким событиям.

Геологические записи также документируют уникальный и продолжительный естественный эксперимент по адаптации. Многие биологические инновации возникли, расцвели и угасли задолго до появления современной биоты. Исследования в области палеобиологии могут пролить свет на то, когда возникли эти утраченные приспособления и были ли они лучшим решением функциональных проблем, чем сегодняшние живые организмы.

Адаптивная радиация — вспышки видообразования, при которых число видов в биологической группе или адаптивной зоне увеличивается экспоненциально в течение относительно короткого времени с сопутствующим расширением разнообразия структуры и функций — хорошо задокументированы в летописи окаменелостей, но это неясно, аналогичны ли эти масштабные адаптивные излучения вспышкам видообразования меньшего масштаба, наблюдаемым, например, у гавайских дрозофилид и африканских цихлид.

ВОССТАНИЕ МУРАВЕЙ

В 1967 году Гарвардский университет получил первые известные образцы ископаемых муравьев мезозойского возраста, два прекрасно сохранившихся экземпляра в прозрачном оранжевом янтаре из красного дерева, которое росло 80 миллионов лет назад в Нью-Джерси. Эти образцы стали чем-то вроде прорыва в изучении эволюции насекомых. До этого самым старым известным окаменелостям было от 30 до 40 миллионов лет (от эпохи олигоцена) и они выглядели вполне современными. Основные черты эволюции муравьев уже были конкретизированы.Единственным филогенетическим деревом, которое можно было вывести из таких свидетельств, была крона с отрезанными стволом и корнями. Мезозойские муравьи предоставили то, что оказалось частью ствола.

Вскоре после этого советские палеонтологи начали описывать длинную серию других муравьевидных окаменелостей, также возрастом около 80 миллионов лет, давая отдельное научное название почти каждому экземпляру. Когда в 1986 году все эти фрагменты были собраны вместе и к ним были добавлены окаменелости из Нью-Джерси, возникла замечательная картина: образцы разделились на три класса, представляющие касту рабочих, касту маток и самцов самых примитивных муравьев.У рабочих не было крыльев и было пропорционально маленькое брюшко, что является признаком бесплодной касты. Эти окаменелости позволили заключить, что социальная жизнь у муравьев зародилась 80 миллионов лет назад, что является поразительным выводом, учитывая отсутствие таких древних окаменелостей.

Тщательное изучение американских и советских окаменелостей показало, что они похожи на то, что ожидалось от предков муравьев. Их анатомия представляла собой мозаику черт, некоторые из которых типичны для несоциальных ос, а некоторые — более современные, но все же типичны для обычных муравьев.Они предоставили первую подсказку относительно группы ос, от которой произошли муравьи.

Гарвардская коллекция недавно получила первые окаменелости муравья среднего эоценового возраста, на этот раз из Арканзаса. Китайские и советские палеонтологи не отставали, обнаружив образцы эоцена из Маньчжурии и Сахалина соответственно. Считается, что этим муравьям от 50 до 60 миллионов лет, и большинство из них сильно отличаются от мезозойских окаменелостей. Они разнообразны, представляют как современные таксономические группы, так и (в одном случае) род, не слишком далекий от мезозойских муравьев.Таким образом, похоже, что муравьи, как и млекопитающие, перешагнули порог в конце мезозойской эры. По какой-то еще не понятной причине они превратились в очень разнообразную, господствующую в мире группу.

Энтомологи и палеонтологи продолжают жадные поиски окаменелостей из мезозойских и раннекайнозойских отложений. Вопросы, на которые мы надеемся ответить, включают: когда, где и от каких осоподобных насекомых произошли муравьи; именно тогда, когда они излучались в свой современный вид; направления, по которым они распространялись по миру; и, что не менее важно, какие черты способствовали их впечатляющему успеху.

Вымирание стало судьбой почти всех когда-либо живших видов

Вымирание как биологический процесс трудно изучать в современных условиях. Хотя фоновая скорость вымирания низка — по оценкам, примерно одно глобальное вымирание на миллион видов в год — вымирание не только частое в геологическом масштабе времени, но и стало причиной многих полных изменений в биологическом составе Земли. Надлежащее понимание эволюционного процесса невозможно без знания темпов вымирания, совершенно независимо от важности такого знания для оценки масштабов увеличения темпов вымирания в результате деятельности человека в наше время.

Понимание экологических причин и эволюционных последствий случайных коротких периодов массового вымирания в истории Земли является ключевой проблемой палеобиологии. Самое серьезное массовое вымирание произошло 250 миллионов лет назад и уничтожило от 75 до 95 процентов живших тогда видов. Короче говоря, глобальная биота была на грани полного уничтожения. Несколько менее жестокие массовые вымирания разбросаны по летописи окаменелостей. Недавняя работа над вероятностью того, что некоторые массовые вымирания были вызваны падением метеоритов, показывает надежду на установление прочных связей между биологической эволюцией и космической средой.В сочетании с более спекулятивной возможностью того, что вымирания, вызванные ударами, являются регулярно периодическими, эта гипотеза открывает возможность серьезных сдвигов в способах интерпретации эволюции глобальной биоты.

В течение последних 2 миллионов лет летописи окаменелостей, составляющих эпоху плейстоцена, существуют особые возможности для изучения биологического разнообразия. В течение этого периода биота была в основном современной, но подвергалась воздействию хорошо задокументированных крупных изменений климата и географии, которые подготовили почву для нынешнего распространения видов растений и животных.Современные влажные тропические леса, если взять только один пример, можно понять, только зная исторические предпосылки, которые привели к их нынешнему распределению и составу. Это понимание имеет решающее значение для разработки стратегии борьбы с последствиями деятельности человека, особенно во влажных тропиках.

Палкобиологи добились значительного прогресса за последние два десятилетия

На другом конце временной шкалы были получены поразительные результаты исследований в расшифровке древнейших записей о жизни на Земле.Мало того, что жизнь зародилась намного раньше, чем предполагали биологи, но, что еще более удивительно, земная биота на протяжении столь длительного периода состояла исключительно из бактерий. Эти находки окаменелостей изменили представления об эволюции и разнообразии и вновь подчеркнули тот факт, что, если рассматривать длительный период геологического времени, значительная часть эволюционного прогресса является результатом изменений во внутриклеточной биохимии бактерий.

Палеобиология включает в себя несколько областей исследований, которые обещают внести значительный вклад в эволюционную биологию и другие области естественных наук.Среди них происхождение самой жизни, в том числе не только то, когда она зародилась, какими процессами и в каких типах окружающей среды, но также и то, может ли жизнь существовать где-то еще в нашей Солнечной системе или во Вселенной. Такие вопросы созрели для изучения в ближайшее десятилетие, потому что недавний прогресс в изучении древних докембрийских окаменелостей расширил известную летопись жизни на Земле до более чем 3,5 миллиардов лет. Изучение еще более древних отложений в сочетании с лабораторными исследованиями химических реакций, которые могут происходить в безжизненной среде, и биохимическими исследованиями существующих микробных организмов обещают предоставить новые доказательства зарождения жизни и среды, в которой зародилась жизнь.

Организмы, живущие сегодня, хорошо приспособлены к капризам современной окружающей среды

Условия окружающей среды, такие как состав атмосферы, дневной и ночной световой режим и температурные условия, заметно изменились в течение геологического времени. Примерно 1,7 миллиарда лет назад, намного позже возникновения живых систем, атмосфера содержала слишком мало кислорода для поддержания обязательно дышащих воздухом форм жизни. Продолжительность дня постепенно удлинялась по мере постепенного увеличения расстояния между Землей и Луной, и есть убедительные доказательства того, что средняя температура поверхности Земли заметно изменилась.Каждый эволюционирующий вид приспосабливался к окружающей среде, в которой он возник, и по мере того, как окружающая среда менялась, жизнь развивалась и строилась на основах, которые были установлены при более ранних режимах. Следовательно, записанная в генетике, биохимии, клеточной структуре и общей анатомии живых организмов может быть закодированной историей их эволюции. Например, анализ полос роста ископаемых кораллов и моллюсков позволил проследить изменения длины дня, вызванные приливным трением.Еще более впечатляющим было недавнее признание циклов климатических изменений Миланковича за последние 700 000 лет, которые почти наверняка были ответственны за импульсы континентального оледенения в эпоху плейстоцена.

Глубоководное бурение за последние два десятилетия предоставило непрерывные разрезы, в которых возможен важный анализ эволюционных изменений на уровне популяции. Это повышенное разрешение в летописи окаменелостей вводит временную шкалу, сравнимую с микроэволюционными изменениями в популяционной генетике, и открывает более полный синтез этих двух дисциплин.Океаническая летопись окаменелостей превосходна за последние 160 миллионов лет, а глубоководные керны представляют собой богатый источник информации об эволюции одновидовых линий. Статистические анализы уже задокументировали важные модели морфологических изменений и нередкое отсутствие таких изменений, известных как стаз.

Author: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.