Морфофизиологические адаптации животных

Морфофизиологические адаптации животных

Биология. Углублённая и олимпиадная подготовка учащихся. Все классы.

Экологическая ниша - образ жизни и условия обитания организма (популяции, вида).

Но: насекомые с полным метаморфозом!

Принцип вытеснения (принцип Гаузе): каждый вид имеет свою собственную экологическую нишу.

Но: парадокс планктона!

Принцип заполнения: экологическая ниша не может быть пустой.

Уровни адаптации:

1) Генотипическая адаптация - генетически закрепленные формы приспособлений, обусловленные естественным отбором;

2) Фенотипическая адаптация - свойство организма изменять свои биологические параметры при изменяющихся условиях внешней среды.

Экологический принцип адаптации:

выживание вида обеспечивается его генетическим полиморфизмом и слабыми колебаниями экологических факторов.

Закон относительной независимости адаптации:

высокая адаптированность к одному из экологических факторов не распространяется на другие факторы.

Правило экологической индивидуальности:

каждый вид специфичен по экологическим возможностям адаптации, двух идентичных видов не существует.

Правило соответствия:

вид может существовать до тех пор и постольку, поскольку окружающая его среда соответствует генетическим возможностям приспособления к её колебаниям и изменениям.

Адаптации:

1. Морфологические адаптации - приспособительные изменения строения тела:

- перепонки между пальцами ног у водоплавающих животных (амфибий, птиц и др.);

- густой шерстной покров у северных млекопитающих;

- удлинение ног и шеи у болотных птиц;

- тонкое и гибкое тело у норных хищников (например, у ласки, горностая);

- плоское тело придонных рыб (скаты, камбала и др.);

- мимикрия и покровительственная окраска.

2. Физиологические адаптации - приобретение специфических особенностей обмена веществ в разных условиях среды:

- жировые запасы;

- регуляция испарения воды с поверхности дыхательных путей и кожи;

- изменение количества эритроцитов и дыхательных пигментов;

- ИК и УФ зрение;

- эхолокация.

3. Биохимические адаптации - образование определенных веществ, облегчающих защиту от врагов или нападение на другие организмы:

- яды;

- антибиотики;

- токсины растений;

- пахучие вещества;

- ферменты, разрушающих ядохимикаты и лекарственные препараты;

- особая структура белков и липидов у термофильных (устойчивых к высоким температурам) и психрофильных (холодолюбивых) организмов, позволяющая организмам существовать в горячих источниках, вулканических почвах или в условиях вечной мерзлоты.

4. Поведенческие адаптации - изменение поведения, выгодное в данных условиях:

- миграции и кочевки;

- брачное поведение;

- гнездование и выкармливание птенцов;

- охотничье поведение (стайная и одиночная охота, тактика).

“Теплокровность” и “холоднокровность”

Пойкилотермные животные (греч. poikilos - разный) - животные, не способные поддерживать температуру тела в узких границах:

все беспозвоночные, рыбы, амфибии и рептилии.

Эктотермные животные больше зависят от внешнего источника энергии, чем от собственного метаболизма.

Гомойотермные животные (греч. homoios - подобный) - животные, поддерживающие постоянную температуру тела независимо от окружающей температуры: птицы и млекопитающие.

Эндотермные животные существуют за счет высокого уровня метаболизма и мало зависят от внешних источников тепла.

Рис. Зависимость между окружающей температурой и температурой тела у позвоночных после двух часов пребывания при указанных температурах.

Терморегуляция у эктотермных животных

Главные источники тепла:

1. солнечное излучение;

2. окружающий тело воздух;

3. соприкасающаяся с телом земля.

Факторы, влияющие на теплообмен:

- цвет покровов организма (изменение цвета прямокрылыми);

- величина поверхности организма (открывание пасти крокодилами);

- угол падения солнечных лучей (перемещение саранчи, рептилий);

- характеристика среды (ночевка в водоеме);

- изменение двигательной активности (вараны и некоторые др. ящерицы);

- тепловая одышка (теплоотдача увеличивается за счет испарения воды из ротовой полости, глотки и легких);

- замедление сердечного ритма - брадикардия (у морских игуан)

- выпячивание глаз;

- выведение мочи из клоаки.

Рис. Жабовидная ящерица (Phrynosoma sp.) может зарываться в землю, способна менять положение тела и его окраску, уменьшает поверхность тела, втягивая ребра.

Терморегуляция у эндотермных животных

1) потоотделение;

Рис. Графики, показывающие зависимость между температурой кожи, температурой гипоталамуса и скоростью испарения воды у человека в теплой камере (45°С). В точках а, б и в испытуемый выпивал глоток ледяной воды

2) теплоизоляция:

- волосяной и перьевой покров + кожная мускулатура

- подкожно-жировая клетчатка (бурый жир)

3) противоточный теплообменник (в ластах тюленей, в хвостовых плавниках китов, в конечностях птиц и млекопитающих, в системе кровоснабжения семенников у млекопитающих:

Рис. Схема кровотока между туловищем эндотермного животного, имеющим постоянную температуру 35°С, и придатками при внешней температуре 4°С.

4) кожные капилляры:

Рис. Механизм регуляции кровотока через кожу:

А. Распределение кровотока, уменьшающее теплоотдачу;

Б. Распределение кровотока, повышающее отдачу тепла.

Теплообмен с окружающей средой

Рис. Схема теплообмена между телом лошади (температура 38°С) и окружающей средой в жаркий солнечный день при температуре воздуха 30°С. Прерывистыми линиями показана передача тепла путем излучения.

Два центра терморегуляции в гипоталамусе:

МЕХАНИЗМ РЕФЛЕКТОРНОЙ ТЕРМОРЕГУЛЯЦИИ

Рис. Общая схема рефлекторной терморегуляции у млекопитающих.

Пирогены - вещества, вызывающие перенастройку “термостата гипоталамуса” на более высокую температуру.

Пирогены:

- токсины патогенных микроорганизмов;

- вещества, выделяемые нейтрофилами крови.

Правило Бергмана

У теплокровных животных при продвижении на север отмечается увеличение средних размеров тела, что уменьшает относительную поверхность и теплоотдачу.

а
S=6а2
V=а3
S/V				1,5	1,2

Правило Аллена

Размеры выступающих частей тела варьируют в соответствии с температурой среды: у видов, живущих в более холодном климате, различные придатки меньше, чем у родственных видов из более теплых мест.

Рис. Различия в длине ушей у трех видов лисиц, обитающих в разных географических областях.

Антилоповый заяц Lеpus alleni: 25% всей поверхности тела приходится на голые ушные раковины: термочувствительные нервные окончания + быстрые сосудодвигательные реакции.

Рис. Антилоповый заяц (Lеpus alleni)

АДАПТАЦИИ К НИЗКИМ ТЕМПЕРАТУРАМ

1. Свойства жира подкожных отложений и костного мозга:

- бурый жир: теплоизоляция + источник энергии;

- разные точки плавления у костного жира в фалангах пальцев др. костях;

- равномерное распределение жировой клетчатки по телу (теплоизолирующая капсула)

- крупные жировые капсулы внутренних органов: например, околопочечная капсула.

2. Структура волосяного покрова.

3. Снижение физиологической активности.

4. Использование снежного покрова, водоемов и укрытий.

АДАПТАЦИИ К ВЫСОКИМ ТЕМПЕРАТУРАМ

1. Жировая клетчатка распределена неравномерно: локализуется в верхней и задней частях тела:

- у копытных африканских саванн: вдоль позвоночника, теплообмен через брюшную стенку.

2. Строение шерстного покрова и кожи.

3. Внутренний жир - источник воды (?): окисление 1000 г жира сопровождается образованием 1100 г воды.

- жир в горбах верблюда и курдюке овцы: 20% от их живой массы

4. Особенности системы мочеобразования и выделения:

- более развит мозговой слой за счет увеличения петли Генле (у африканского льва толщина мозгового слоя почек составляет 34 мм, у домашней свиньи - всего 6,5 мм);

- способность мочевого пузыря реабсорбировать воду из состава вторичной мочи (у кенгуровой крысы);

- повышение концентрации вазопрессина (у кенгуровой крысы).

5. При высокой влажности испарение затруднено: преимущество использования укрытий (микроклимат нор).

АДАПТАЦИИ К ТИПУ ПИТАНИЯ И ДОБЫВАНИЮ ПИЩИ

- ночные хищники, например совы, превосходно видят в условиях слабого освещения;

- у некоторых змей хорошо развита способность к термолокации. Они различают на расстоянии объекты, если разница их температур составляет всего 0, 2 °С;

- эхолокация (летучие мыши, совы, дельфины);

- строение ротовых придатков, зубов, клюва т. п.;

- строение пищеварительной системы;

- использование симбионтов.

АДАПТАЦИИ, СВЯЗАННЫЕ С РАЗМНОЖЕНИЕМ

- повышенная чувствительность органов химического чувства (например, у самцов непарного шелкопряда);

- паразитизм самцов (глубоководные удильщики);

- гермафродитизм и самооплодотворение (цепни);

- “плавающий” сезон гнездования и долгое выкармливание птенцов (клесты)

Физиологические адаптации онтогенеза

Новые направления эволюционных преобразований обычно возникают на эмбриональных стадиях развития организмов, а их адаптивное значение проявляется только в процессе естественного отбора в постэмбриональный период.

ОСОБЕННОСТИ ЭМБРИОНАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ

Периоды развития:

эмбриональный

личиночный

метаморфоз

ювенильный

взрослый

Эмбрионизация - удлинение эмбрионального периода (у наземных позвоночных).

- у рогатой лягушки Соломоновых островов: метаморфоз в яйце;

- у пресмыкающихся и птиц полная эмбрионизация;

- у плацентарных: плацентарная эмбрионизация + деэмбрионизация (ранняя редукция желточного мешка).

Неотения - способность к половому размножению до метаморфоза (у хвостатых земноводных):

- полная неотения: отсутствие в популяции ювенильной и взрослой стадии;

- частичная неотения: половое размножение личинок и взрослых форм.

Диапауза - состояние физиологического торможения обмена веществ и остановки формообразовательных процессов.

Значение:

- переживание периодов неблагоприятных температур, дефицита воды и питания;

- повышение устойчивости к различным факторам (к инсектицидам у насекомых; к высыханию у икринок);

- оплодотворение и рождение потомства в благоприятные периоды (например, у соболей).

Эмбриональная диапауза (задержанная имплантация) - остановка развития эмбрионов (у млекопитающих чаще на стадии бластоцисты).

- диапауза у карпозубых рыб при пересыхании водоема;

- диапауза у морских черепах при миграциях;

- лактационная диапауза у сумчатых и грызунов;

- диапауза у хищных млекопитающих (соболей, норок);

Родственные виды, имеющие сходную среду обитания, но различающиеся наличием задержанной имплантации:

- канадская и обыкновенная выдра;

- горностай и ласка;

- западный и восточный пятнистые скунсы.

Личиночная диапауза (у боярышницы);

Куколочная диапауза (у капустной белянки и капустной совки);

Имагинальная диапауза (у комаров, жуков-листоедов и др. насекомых).

Спячка - период замедления жизненных процессов и метаболизма у мелких теплокровных животных.

Физиологические особенности спячки:

- провоцируется укорачиванием светового дня;

- подготовительный этап;

- снижение температуры тела (есть порог);

- снижение интенсивности метаболизма;

- сокращение частоты сердечных сокращений (до 5 уд./мин.);

- уменьшение минутного сердечного выброса на 98%;

- падение АД на 20 - 40%;

- улучшение кровоснабжения сердца и «бурого жира»;

- нерегулярное дыхание;

- повышение двигательной активности при критическом понижении температуры (до +2℃).

Правило Вант-Гоффа: “При понижении температуры на каждые 10 градусов скорость химической реакции уменьшается в 2 - 4 раза".

Спячка:

- суточная спячка (колибри, летучие мыши, многие мелкие млекопитающие);

- сезонная спячка:

- зимняя спячка (американский белогорлый козодой)

- летняя спячка (суслики, лемуры, двоякодышащие рыбы и амфибии)

- нерегулярная спячка (енотовидные собаки, белки).

Зимний сон (медведи, барсуки)

Оцепенение птенцов (колибри, стрижи, клесты).

Анабиоз - зимнее оцепенение холоднокровных животных.

Физиологические особенности зимнего оцепенения:

- регулируется температурой окружающей среды;

- анаэробное дыхание (рыбы, рептилии);

- замерзание (лягушки, черепахи) и защита от него (глюкоза, глицерол и т.п.).

Адаптации к водной среде обитания

Планктонные организмы обладают многими сходными адаптациями, повышающими их плавучесть и препятствующими оседанию на дно. К таким приспособлениям относятся:

1) общее увеличение относительной поверхности тела для усиления трения о воду:

- уменьшение размеров;

- плоская форма тела, развитие многочисленных выростов и щетинок;

2) уменьшение плотности:

- редукция скелета;

- накопление в теле жиров (у диатомовых водорослей);

- образование газовых вакуолей (ночесветки, сифонофоры, медузы)

3) способность к вертикальным миграциям

Рис. Ночесветка

Адаптации рыб к водной среде обитания

обтекаемая форма тела + слизь + ламинирование чешуей

Выпуклая форма тела акул и осетровых - подъемная сила

Особенности строения плавников:

- дополнительные плавники (жировой и др.)

- кили (функция: стабилизация, прочность, гашение завихрений)

Рис. Кили на хвостовом стебле у рыб:

а - у сельдевой акулы; б - у скумбрии.

- лопасти плавников: чем выше тело, тем длиннее лопасти хвостового плавника.

Рис. Схема расположения лопастей хвостового плавника относительно зоны вихрей и слоя трения при разной форме тела (зона вихрей и слой трения заштрихованы):

а - при симметричном профиле;б -при более выпуклом контуре профиля; в - при более выпуклом нижнем контуре профиля.

Видоизменения плавников и дополнительные функции:

- присоски;

- усы;

- передвижение по грунту и растениям;

- удочка;

- движение жаберных крышек;

- полет;

- колючки;

- птеригоподии – совокупительные органы хрящевых рыб.

Рис. Птеригоподии

ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ НАРУЖНЫХ ОРГАНОВ РЫБ

Расположение глаз зависит от местообитания рыбы, а размер глаз - от прозрачности среды.

Рис. Расположение глаз у хамсы (а) и звездочета (б).

Размеры рта зависят:

- от концентрации пищевых объектов: чем она ниже, тем больших размеров рот;

- от величины пищевых объектов;

- от твердости пищевых объектов: чем тверже пища, тем меньше рот;

- от способа добычи пищи (большой у засадных хищников);

Рис. Щука Рис. Рыба-хирург

ЛОКОМОЦИЯ АКУЛ И ОСЕТРОВЫХ

Подъемная сила:

- горизонтальные парные плавники;

- гетероцеркальный хвостовой плавник.

Рис. Силы, создаваемые хвостовым плавником акулы при движении его из стороны в сторону.

Грудные плавники и рострум у акул и у осетровых рыб функционально связаны: сильное развитие рострума, как правило, сопровождается уменьшением размеров грудных плавников и удалением их от передней части тела.

Рис. Акула-молот Рис. Морская лисица

ЛОКОМОЦИЯ КОСТИСТЫХ РЫБ

Плавательный пузырь взял на себя гидростатическую функцию.

- вертикальные парные плавники;

- уменьшение парных плавников (функция: устойчивость, повороты, торможение);

- симметричный гомоцеркальный хвостовой плавник (функция: движение вперед).

Рис. Плавательный пузырь

Дата добавления: 2015-10-21