Чудеса адаптации: самые древние и приспособленные организмы
Яна Шурупова, к.б.н., сотрудник кафедры биологической эволюции биологического факультета МГУ, спикер курса Skillbox «Эволюция жизни на Земле», рассказывает о том, как приспосабливаются и выживают разные организмы. От эврибионтов-крыс, расселившихся по всей планете, и тихоходок, выживающих в открытом космосе, до «живых ископаемых», которые освоили узкую экологическую нишу и практически не отличаются от предков, существовавших миллионы лет назад.
Классификация организмов: сходства и различия как основа жизни
Человечество всегда пыталось классифицировать живую природу, систематизировать то разнообразие организмов, с которым вступало во взаимодействие. Это помогало выстраивать отношения с окружающим миром — и определять, какое место в нем занимает человек.
Первые классификации строились на внешнем сходстве. В одну группу попадали организмы, похожие друг на друга внешне или обладающие общими свойствами. Например, до развития зоологии и систематики, из-за поверхностного внешнего сходства и водного образа жизни, китов относили к рыбам. От правильного определения вида растений или животных зависело выживание человека. Очень важно понимать, что перед тобой: съедобное или несъедобное растение, хищник или добыча.
Современная систематика шагнула далеко вперед со времен первых попыток классификации живого мира. Внешнее сходство все ещё сохранило значение, но ученые открывают новые виды и все более детально изучают уже описанные. Благодаря развитию научных методик и открытиям в области эмбриологии, палеонтологии, эволюционной биологии развития, молекулярной биологии мы более детально понимаем родство живых организмов, их происхождение, особенности жизнедеятельности. Вспомним уроки биологии и древо жизни: от крупных ветвей — царств — отходят ветви поменьше: типы, классы, отряды, семейства. Самые «мелкие» таксономические единицы — род и вид. И каждый год классификация живых организмов совершенствуется. Из-за горизонтального переноса генов ветви некоторых деревьев пересекаются. А мега-систематика изменилась кардинально: вместо знакомых и простых ветвей «растения-грибы-животные-бактерии», теперь мы видим пышный «куст» (см. иллюстрацию). Жизнь оказалась интереснее и разнообразнее, чем мы полагали раньше. И мы все больше узнаем об особенностях разных организмов, причем на разных уровнях: вид, популяция, особь, клетки, вплоть до молекулярного.
Чтобы объяснить, как возникло известное нам биоразнообразие, важно понимать механизмы и законы, по которым оно менялось и развивалось во времени. В XIX веке Чарльз Дарвин сформулировал теорию эволюции, в которой описал механизмы. Так как ресурсы ограничены, возникает борьба за существование, и, как правило, выживает не все потомство, а наиболее приспособленные особи. И именно их признаки передаются по наследству потомкам. Так работает естественный отбор — выживает наиболее приспособленный.
Современная эволюционная биология, помимо «классической» теории эволюции Дарвина, опирается на данные генетики, эпигенетики, молекулярной биологии, палеонтологии, EvoDevo и ряда других научных дисциплин. Но приспособленность, представление о которой дополняется актуальными научными данными, остается одним из ключевых понятий.
Об узких специалистах и космических тихоходках
Для разных групп организмов отличается спектр условий, в которых они обитают. И различают:
- Эврибионтов, которые могут обитать в широком спектре условий и переносить их колебания.
- Стенобионтов (или «Узких специалистов»), которые могут существовать только при определенных и постоянных условиях.
- Экстремофилов, которые способны выживать практически при любых условиях, даже при самых экстремальных.
Хороший пример эврибионта — серая крыса. Этот вид распространен практически по всему Земному шару. Крысы могут приспособиться к разным условиям, местообитаниям, могут питаться самой разной пищей, они быстро размножаются. А вот «узкий специалист», например, коала: этот вид занимает более ограниченную экологическую нишу — условия существования, соответственно, и ареал у этих животных не такой большой, как у крыс. Коалы питаются листьями эвкалипта. С одной стороны, у них нет конкуренции, потому что другие животные не питаются эвкалиптом. С другой, они зависят от этого растения. Если условия резко изменятся и деревья погибнут, то коалы тоже будут под угрозой исчезновения, так как они не смогут быстро переключиться на другую пищу.
Мы заблуждаемся, когда считаем, что выживает сильнейший. Правильнее сказать, что выживает наиболее приспособленный. Приспособленность измеряется в том, насколько эффективно организм выживает и оставляет жизнеспособное потомство.
В процессе эволюции появляются и передаются по наследству признаки, которые повышают шансы на выживание. Например, такой признак как покровительственная окраска, которая делает организм незаметным. Она защищает, например, кузнечиков и гусениц бабочек, которых сложно заметить на фоне зеленой растительности. Или, наоборот, делает незаметным хищника, помогая ему добывать пропитание. Белый медведь «сливается» со снегом, гепард — с травами саванны. Причем, при разных условиях полезными будут разные признаки: на крайнем севере это может быть более густая шерсть, короткие уши и короткие лапы, а вот в пустынях — длинные уши и способность экономно расходовать влагу.
Способность к выживанию некоторых организмов поражает. Они остаются невредимыми в некоторых кислотах, выдерживают сильный нагрев и охлаждение. Так, ракета SpaceX недавно доставила на МКС 5 тысяч тихоходок, которые примут участие в исследованиях адаптации микроорганизмов к условиям космоса. Тихоходки — микроскопические беспозвоночные (средний размер — 0,5 мм, максимальный до 1,5 мм), их название в переводе с немецкого означает «водяной медведь». Их коренастое тело разделено на четыре сегмента, несет четыре пары толстых конечностей с коготками на конце. На округлой голове находятся простые органы зрения и ротовой аппарат в виде трубки со стилетами внутри. И это одно из самых выносливых животных на планете. В неблагоприятных условиях тихоходки способны впадать в анабиоз, переносить экстремальные температуры. Они устойчивы к химическому загрязнению, повышенному уровню ультрафиолета и радиации, могут переносить высокое давление и даже условия открытого космоса. Такие организмы называют экстремофилами.
Живые ископаемые
Условия на планете постоянно меняются — климат, состав атмосферы и морских вод и т.д. Также изменяются живые организмы. Полезные признаки, способствующие выживанию, сохраняются и передаются по наследству в популяции, потому что их носители оставляют самое жизнеспособное потомство.
Но существует и такое понятие как «живые ископаемые». Это представители групп, которые были разнообразны в прошлом, но в настоящее время представлены небольшим количеством видов — эдакие реликты. Эти группы организмов находятся в эволюционном стазисе и могут миллионы лет сохранять «консервативные» (или плезиоморфные) черты строения. Например, живыми ископаемыми часто называют мечехвостов. Их скелеты встречаются в породах палеозойской эры, а самые древние находки известны из пород возрастом примерно 445 млн лет. Конечно, современный мечехвост и его древний родственник — это не одно и тоже. Но в целом их строение довольно «консервативно» и не так сильно изменилось за сотни миллионов лет. Если мы посмотрим на темпы эволюции других организмов, например, китообразных — то увидим, как сильно отличаются предки — небольшие, размером с волка, хищные животные, и их потомки — современные киты. Причем и по морфологии, и по образу жизни. И такие колоссальные изменения произошли примерно за 50 млн лет.
Среди других «долгожителей»:
Секвойи. Гигантские хвойные растения были широко распространены еще во времена динозавров. Но в мезозое разнообразие и распространение этих растений было намного шире. Современные же секвойи встречаются на небольшой территории в Северной Америке. Также секвойи выращивают как домашнее растение (в таком случае, они хоть и могут достигать крупных размеров, но никогда не вырастают настолько гигантскими, как в диких условиях).
Древовидные папоротники. Появились еще в девонском периоде. В палеозое образовывали целые леса. Сейчас встречаются только в тропиках.
Гинкго. Представители этой группы растений также были разнообразны и многочисленны в мезозое. В настоящее время представлены только одним видом, а в дикой природе растут только в Азии.
Гаттерии. Пресмыкающиеся, хотя внешне очень похожи на ящериц, но относятся к отдельной группе — клювоголовых, из этого отряда в настоящее время известно не более двух современных видов, обитающих в Новой Зеландии. Но в мезозое клювоголовые были многочисленнее, причем, они обитали не только на суше, но и смогли покорить моря.
Наутилусы. Головоногие моллюски, тела которых заключены в полосатые спирально закрученные раковины с камерами. Наутилусы были многочисленны и разнообразны в морях юрского периода. В настоящее время известно два современных рода, представители которого обитают на глубине 100 м и более.
Латимерии. Лопастеперая рыба с интересной судьбой. Латимерии сначала были описаны палеонтологами: долгое время считалось, что это вымершая группа, но в начале прошлого века был описан современный вид. Эта группа рыб с мясистыми передними плавниками появилась много миллионов лет назад и была родственником первых позвоночных (тетрапод), покоривших сушу.
А что с человеком?
Человек как вид возник сравнительно недавно. Поэтому пока рано судить о том, насколько длительной будет наша эволюционная история. Люди сами стали «геологической силой», то есть имеют возможность влиять на климат, почвы, морские воды и на экосистему в целом. Человек может даже самые неблагоприятные условия, будь то крайний север или пустыни, сделать доступными для жизни за счет развития технологий и культуры.
Назвать человека приспособленным к каким-то суровым условиям с точки зрения анатомии нельзя — у нас нет ни когтей, ни зубов, не специальной защиты. Если голого неподготовленного человека оставить в саванне, он с большой вероятностью погибнет. Но наше преимущество в социальности. Мы строим поселения и добываем пищу, развиваем культуру и технологии, которые позволяют нам успешно выживать. В качестве доказательства можно изучить кривую роста численности населения Земли за последние десятилетия.
Материал подготовлен совместно с образовательной платформой Skillbox
