Учебник для общеобразовательных учревдений Под редакцией профессора Н. М. Черновой
 Скачать 8.41 Mb.
|
|
Рис. 28. Конвергентное сходство прыгающих животных разных континентов Рис. 29. Медведка и крот менитые австралийские кенгуру, и пустынные азиатские тушканчики, и африканские прыгунчики, и многие другие прыгающие млекопитающие — представители различных отрядов, живущие на разных континентах (рис. 28). Они обитают в степях, прериях, саваннах — там, где быстрое передвижение по земле — главное средство спасения от хищников. Длинный хвост служит балансиром при быстрых поворотах, иначе 51 животные теряли бы равновесие. Бедра сильно развиты на задних конечностях и у прыгающих насе- комых — саранчи, кузнечиков, блох, жуков-листоблошек. Компактное тело с коротким хвостом и короткими конечностями, из которых передние очень мощные и выглядят похожими на лопату или грабли, подслеповатые глаза, короткая шея и короткий, как бы подстри- женный, мех говорят нам о том, что перед нами подземный зверек, роющий норы и галереи (рис. 29). Это может быть и лесной крот, и степной слепыш, и австралийский сумчатый крот, и многие другие млекопитающие, ведущие сходный образ жизни. Роющие насекомые — медведки также отличаются компактным, ко- ренастым телом и мощными передними конечностями, похожими на уменьшенный ковш бульдозера. По внешнему виду они напоминают ма- ленького крота. Все летающие виды имеют развитые широкие плоскости — крылья у птиц, летучих мышей, насекомых или расправляющиеся складки кожи по бокам тела, как у планирующих летяг или ящериц. Организмы, расселяющиеся путем пассивного полета, с потоками воздуха, характеризуются мелкими размерами и очень разнообразной формой. Однако у всех есть одна общая черта — сильное развитие по- верхности по сравнению с весом тела. Это достигается разными путями: за счет длинных волосков, щетинок, разнообразных выростов тела, его удлинения или уплощения, облегчения удельного веса. Так выглядят и мелкие насекомые, и плоды-летучки растений (рис. 31). Внешнее сходство, возникающее у представителей разных неродственных групп и видов в результате сходного образа жизни, называют конвергенцией. Она затрагивает преимущественно те органы, которые непосредственно взаимодействуют с внешней средой, и гораздо слабее проявляется в строении внутренних систем — пищеварительной, выделительной, нервной (рис. 30). Сумчатый Волк Сумчатый 52 Форма растения определяет особенности его отношений с внешней средой, например способ перенесения холодного времени года. У деревь- Муравьед Сумчатый муравьед Крот европейский Жизненные формы плацентарных и сумчатых млекопитающих 53 Ясень Тюльпанное Липа дерево Айлант Чертополох Козлобородник Пушица Рис. 31. Семена и плоды растений, распространяемые ветром ев и высоких кустарников самые уязвимые их части — почки возобнов- ления подвержены зимним ветрам и морозам. У многолетних трав с от- мирающими на зиму побегами они скрыты под снегом и слоем опада. У луковичных и корневищных растений — защищены еще и слоем земли. Однолетники переносят неблагоприятное время года в состоянии по- коящегося семени. Форма лианы — со слабым стволом, обвивающим другие растения, может быть как у древесных, так и у травянистых видов. К ним относятся виноград, хмель, луговая повилика, тропические лианы. Обвивая стволы и стебли прямостоячих видов, лиановидные растения выносят свои листья и цветки к свету (рис. 32). В сходных климатических условиях на разных материках возникает сходный внешний облик растительности, которая состоит из различных, часто совершенно не родственных видов. 54 Внешнюю форму, отражающую способ взаимодействия со средой обитания, называют жизненной формой вида. Разные виды могут иметь сходную жизненную форму, если ведут близкий образ жизни. Рис. 32. Растения - лианы: / — повилика; 55 2 — хмель Жизненная форма вырабатывается в ходе вековой эволюции видов. Те виды, которые развиваются с метаморфозом, в течение жизненного цикла закономерно сменяют свою жизненную форму. Сравните, например, гусеницу и взрослую бабочку или лягушку и ее головастика. Некоторые растения могут принимать разную жизненную форму в зависимости от условий произрастания. Например, липа или черемуха могут быть и прямостоящим деревом, и кустом. Сообщества растений и животных устойчивее и полноценнее, если они включают представителей разных жизненных форм. Это значит, что такое сообщество полнее использует ресурсы среды и имеет более разнообразные внутренние связи. Состав жизненных форм организмов в сообществах служит как бы индикатором особенностей окружающей их среды и происходящих в ней изменений. Инженеры, конструирующие летательные аппараты, внимательно изучают разные жизненные формы летающих насекомых. Созданы модели машин с машущим полетом, по принципу движения в воздухе двукрылых и перепончатокрылых. В современной технике сконструированы шагающие машины, а также роботы с рычажным и гидравлическим способом движения, как у животных разных жизненных форм. Такие машины способны передвигаться по крутым склонам и бездорожью. □ Конвергенция. □ Форма тела животных и растений отра- Жизненная форма. жает их приспособленность к определен ному образу жизни. Даже неродственные виды могут быть внешне похожими, если ведут сходный образ жизни в сходной среде. ■ Примеры и дополнительная информация 1. Высоко в горах можно встретить удивительной формы растения- подушки. Их сильно ветвящиеся побеги так коротки и тесно скучены, что растения напоминают плотные полушария. В условиях низких температур и сильных ветров такая форма роста защищает нежные почки от неблагоприятных воздействий. В суровых полярных пустынях, где почти не растут цветковые, по- душковидную форму имеют куртинки мхов и лишайников, ютящиеся по трещинам мерзлого грунта. 2. По законам физики тело, быстро двигающееся в воде или воздухе, должно преодолевать лобовое сопротивление, сила которого зависит от плотности среды, скорости движения и формы тела. По расчетам, в воде такое сопротивление меньше всего в том случае, если длина быстродвижущегося тела относится к его диаметру примерно как 5:1. Действительно, именно такие пропорции свойственны наиболее быстро плавающим животным — дельфинам, меч-рыбе, тунцам, китам, вымершим водным ящерам — ихтиозаврам. Головоногие моллюски — 56 кальмары, когда плывут, складывают свои щупальца и тоже принимают торпедовидную форму. По форме тела плывущего животного можно безошибочно определить ту максимальную скорость, на которую оно способно. 3. Впервые на сходство форм разных видов животных в связи со сходным образом жизни указал в XIX в. К. Ф. Рулье, профессор Московского университета. В лекциях по зообиологии он описал общие черты «водяных», «воздушных» и «земляных» животных, указав на приспособления к плаванию, полету, прыганью, лазанью и рытью. Основоположником учения о сходстве форм у растений был известный немецкий ботаник-путешественник А. Гумбольдт. В начале XIX в. он описал внешнее сходство растений на разных континентах в похожих климатических условиях. 4. По правилу Аллена, установленному еще в XIX в., существует связь между строением тела теплокровных животных (птиц и мле- 57 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 Температура. С Рис. 33. 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 Температура, “С Внешний облик (длина конечностей и ушей) песца и африканской лисицы фенек и температура окружающей их среды копитающих) и климатом, в котором они живут. У животных холодного климата все выступающие части тела (уши, хвост, конечности) намного короче, чем у родственных им видов в теплых краях. Эти особенности строения уменьшают общую поверхность тела, через которую происходят потери тепла из организма (рис. 33). 5. Любая группа организмов имеет свои приспособительные формы. По внешнему облику можно легко определить, в каких условиях живет данный вид. Например, среди саранчовых насекомых обитатели густой злаковой растительности отличаются зеленым цветом, стройным, сжатым с боков телом с гладкими покровами, заостренной формой головы. У обитателей открытых пустынных участков тело коренастое, широкое, покрыто бугорками и морщинками, окрашено под цвет грунта, угол головы тупой, задние бедра очень мощные (рис. 34). □ Вопросы. 1 . Конвергентное сходство видов облегчает или затрудняет работу систематиков? Почему? 2. Основоположник современной систематики Карл Линней, живший в XVIII в., сначала относил китов к рыбам и лишь через несколько лет исправил свою ошибку. Обьясните, на основании чего он мог прийти к ложному Рис. 34. Два вида саранчи: обитатель травостоя и каменистого грунта заключению и что могло послужить доказательством истинного систематического положения китообразных. 3. Среди мелких почвенных животных различают жизненные формы поверхностных и глубинных обитателей. Как изменится состав жизненных форм таких животных в местах массового отдыха, где ходит очень много людей? 4. Какие общие приспособительные черты можно отметить во внешней форме верблюда и страуса? 5. В каких условиях адаптивна 58 форма растения перекати - поле? 6 Во влажном тропическом климате среди растительности преобладают древесные формы, в умеренном и холодном увеличивается доля травянистых многолетников с подземными почками возобновления. Объясните, с чем это связано. ВСПОМНИТЕ □ Темы ДЛЯ ДИСКУССИЙ. 1 . Применимо ли правило Аллена к человеку? 2. Какие изменения — в составе видов или в составе жизненных форм — отражают более серьезные перестройки в природных сообществах? Как вы предложите в связи с этим организовать службу мониторинга в заповедниках? 3. Предложите конструкцию парящего в воде аппарата на основе анализа жизненных форм у представителей планктона (см. рис. 16). 4. Экологическая инженерия разрабатывает принципы создания искусственных сообществ и восстановления нарушенных. Вам надо создать парк для отдыха. С чего следует начинать планирование мероприятий — с подбора жизненных форм или видов растений? Почему? 5. Перед вами задача — восстановить лес на безжизненных глинистых отвалах в местах добычи полезных ископаемых. Какие формы растений и животных вы подберете для этих целей? Суточные и сезонные изменения в природе § 7. Приспособительные ритмы жизни Жизнь на Земле развивалась в условиях регулярной смены дня и ночи и чередования времен года из-за вращения планеты вокруг своей оси и вокруг Солнца. Ритмика внешней среды создает периодичность, т. е. повторяемость условий в жизни большинства видов. Регулярно повторяются как критические, трудные для выживания периоды, так и благоприятные. Приспособленность к периодическим изменениям внешней среды выражается у живых существ не только непосредственной реакцией на изменяющиеся факторы, но и в наследственно закрепленных внутренних ритмах. Суточные ритмы. Суточные ритмы приспосабливают организмы к смене дня и ночи. У растений интенсивный рост, распускание цветков приурочены к определенному времени суток. Животные в течение суток сильно меняют активность. По этому признаку различают дневные и ночные виды. Суточный ритм организмов — это не только отражение смены внешних условий. Если поместить человека, или животных, или растения в постоянную, стабильную обстановку без смены дня и ночи, то сохраняется ритмика процессов жизнедеятельности, близкая к суточной (рис. 35). Организм как бы живет по своим внутренним часам, отсчитывая время. Суточный ритм может захватывать многие процессы в организме. У человека около L00 физиологических характеристик подчиняются су- точному циклу: частота сокращения сердца, ритм дыхания, выделение гормонов, секрета пищеварительных желез, кровяное давление, темпе- ратура тела и многие другие. Поэтому, когда человек бодрствует вместо сна, организм все равно настроен на ночное состояние и бессонные ночи плохо отражаются на здоровье. Однако суточные ритмы проявляются не у всех видов, а только у тех, в 59 жизни которых смена дня и ночи играет важную экологическую роль. Обитатели пещер или глубоких вод, где такой смены нет, живут по другим ритмам. Да и среди наземных жителей суточная периодичность Суточные ритмы: 24 часа ________ Дни 1 __________________ 2 ______________ 3 Г ' Ш / \ (fei И м ___' Рис. 35. Суточные ритмы движения листьев фасоли и активности крыс в условиях постоянного освещения в лаборатории выявляется не у всех. Например, крохотные землеройки сменяют активность и отдых каждые 15—20 минут, невзирая на день или ночь. Из- за высокой скорости обмена веществ они вынуждены питаться круг- лосуточно. В опытах при строго постоянных условиях плодовые мушки-дрозо- филы сохраняют суточный ритм в течение десятков поколений. Эта периодичность передается у них по наследству, как и у многих других видов. Так глубоки приспособительные реакции, связанные с суточной цикликой внешней среды. Нарушения суточной ритмики организма в условиях ночной работы, космических полетов, подводного плавания и т. п. представляют серьезную медицинскую проблему. Годовые ритмы. Годовые ритмы приспосабливают организмы к се- зонной смене условий (рис. 36). В жизни видов периоды роста, размно- жения, линек, миграций, глубокого покоя закономерно чередуются и повторяются таким образом, что критическое время года организмы встречают в наиболее устойчивом состоянии. Самый же уязвимый процесс — размножение и выращивание молодняка — приходится на наиболее благоприятный сезон. Эта периодичность смены физиологического состояния в течение года во многом врожденная, т. е. проявляется как внутренний годовой ритм. Если, например, австралийских страусов или дикую собаку динго поместить в зоопарк Северного полушария, период размножения у них наступит осенью, когда в Австралии весна. Перестройка внутренних годовых ритмов происходит с большим трудом, через ряд поколений. Подготовка к размножению или к перезимовке — длительный процесс, который начинается в организмах задолго до наступления критических 60 периодов. Резкие кратковременные изменения погоды (летние заморозки, зимние оттепели) обычно не нарушают годовых ритмов растений и животных. Главный экологический фактор, на который реагируют организмы в своих годовых циклах, — не случайные изменения погоды, а фотопериод — изменения в соотношении дня и ночи. Длина светового дня закономерно изменяется в течение года, и именно эти изменения служат точным сигналом приближения весны, лета, осени или зимы. Способность организмов реагировать на изменение длины дня получила название, фотопериодизм. Если день сокращается, виды начинают готовиться к зиме, если удлиняется — к активному росту и размножению. В этом случае для жизни организмов важен не сам фактор изменения длины дня и ночи, 61 Олени теряют рога Бои самцов 62 из - за самок Шй Перемещение •.. в поисках a .Vw. корма С рогов II спадает кожа и шерсть Телята теряют пятнистость Появляются новые рога — панты, покрытые кожей и шерстью Телята подрастают Появление телят. Пятнистая окраска — покровительственная Рис. 36. Годовой цикл в жизни оленей а его сигнальное значение, свидетельствующее о предстоящих глубоких изменениях в природе. Как известно, длина дня сильно зависит от географической широты. В северном полушарии на юге летний день значительно короче, чем на севере. Поэтому южные и северные виды по-разному реагируют на одну и ту же величину изменения дня: южные приступают к размножению при более коротком дне, чем северные. Суточные ритмы. Годовые ритмы. Фотопериод. Фотопериодизм. Суточные, годовые и приливно-отливные ритмы жизнедеятельности организмов приспосабливают их к циклическим изменениям во внешней среде. На приближающийся сезон года животные и растения настраиваются заранее, реагируя на изменения фотопериода. ■ Примеры и дополнительная информация 1. Исследователи пещер — спелеологи подробно изучали свою суточную ритмику. Они спускались в пещеру на длительный срок (1—3 месяца) без часов и строили свой режим работы, сна, еды и отдыха на основании собственных ощущений времени. Связь с поверхностью была односторонняя, они не получали никакой информации извне. Снаружи их сигналы тщательно записывались и анализировались. Оказалось, что в постоянных условиях человек сохраняет регулярную цикличность сна и бодрствования, но период этого цикла не совсем точно равен 24 часам, а может отличаться на несколько минут. За много суток эта разница суммируется, и через некоторое время спелеологи ложатся спать тогда, когда на поверхности день, а бодрствуют ночью. По окончании эксперимента оказывается, что их отсчет времени на несколько дней не совпадает с реальными датами. Такие же результаты получены в многочисленных опытах с животными. Их внутренний ритм в постоянных условиях оказывается не строго суточным, а околосуточным, при смене же дня и ночи внешняя ритмика как бы поправляет внутреннюю и настраивает ее на 24 часа. 63 2. Самая сложная ритмика у обитателей морской приливно-отливной зоны. Так, у берегов Атлантического океана вода поднимается и спадает дважды в сутки с периодом 12,4 часа. Следовательно, точное время приливов постепенно сдвигается. На время отлива моллюски плотно сжимают раковины, а рачки прячутся в песок или под мокрые водоросли. На этот ритм их жизни, кроме того, накладывается еще и суточная периодичность. Рачки и крабы во время дневных приливов ведут себя активнее, чем ночью. 3. В одном из экспериментов белок-летяг держали в клетках при по- стоянной темноте. Зверьки эти в природе активны ночью, а днем спят. При регулярной смене дня и ночи они дружно просыпаются и засыпают примерно в одно и то же время. В опыте же каждая летяга жила по собственному околосуточному ритму, а он оказался слегка различным у разных особей: у одних отставал от суток на 5— 10 минут, у других — на несколько минут опережал сутки. В результате через некоторый период наступило полное рассогласование общей активности: каждый зверек просыпался и засыпал в свое время. Когда восстановили смену дня и ночи, активность летяг снова упорядочилась. 4. Виды с широким распространением по-разному реагируют на одну и ту же продолжительность дня в разных частях своего ареала. Критическая длина дня, при которой прекращается рост и развитие личинок у бабочки стрельчатки щавелевой, на широте Сухуми — 14,5 часа, в окрестностях Витебска — 18,06, а под Санкт- Петербургом — 19,5 часа. □ Задания. 1. Нарисуйте на листе бумаги цветочные часы, определив такую последовательность посадки разных растений на клумбе, чтобы по ней можно было определять время. В таблице приведен сокращенный список тех видов, из которых известный шведский ботаник Карл Линней впервые создал такие часы в окрестностях города Упсала, где он жил и работал. 2. В некоторых особо засушливых районах Австралии и Африки годовые ритмы размножения у местных видов птиц не проявляются. Они откладывают яйца через разные периоды времени сразу же после редких дождей. Объясните, в чем причины такого исключения. Следует ли ожидать у этих видов проявления фотопериодизма? 3. Измерьте у себя по пульсу ритм сердечных сокращений в спокойном состоянии в разное время суток (например, в 8, 15 и 21 час). Повторите измерения в течение 3 —4 дней. Сопоставьте результаты. Проявляется ли суточный ритм в частоте ваших сердечных сокращений? 4. Приведите примеры видов, у которых, по вашему мнению, не должно быть суточных ритмов, и объясните, почему вы так думаете. 5. На бульварах города в суровую зиму вымерзла часть тополей. Больше всего пострадали деревья, растущие возле уличных фонарей. Почему? □ Темы |