Пути приспособления микроорганизмов

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО  ХОЗЯЙСТВА РФ 
 
ФГОБУ ВПО «ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 
Кафедра ____________________________________ 

 
РЕФЕРАТ

 

 
Тема: «__________________________________________________________» 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оренбург – 2013г.

Содержание

Введение...................................................................................................................3

1.Пассивный и активный пути приспособления организмов............................. 5

1. Избегание неблагоприятных условий как путь адаптации организма..................................................................................................8

2. Анабиоз как вид адаптации к неблагоприятным условиям окружающей среды......................................................................................................................10

Заключение.............................................................................................................14

Список использованной литературы...................................................................15

 

 

Введение

Во всем разнообразии приспособлений живых организмов к неблагоприятным  условиям среды можно выделить три  основных пути. Активный путь   – это усиление сопротивляемости, развитие регуляторных процессов, позволяющих осуществить все жизненные функции организмов, несмотря на отклонения фактора от оптимума. По отношению к температуре, например, этот путь в зачаточной форме проявляется у некоторых высших растений, несколько сильнее развит у пойкилотермных животных, но особенно ярко выражен при гомойотермии. Активное противостояние иссушению особенно характерно для склерофитов среди растений, ксерофильных насекомых (например, пустынных чернотелок), крупных гомойотермных животных аридных районов.   Пассивный путь   – подчинение жизненных функций организма изменению факторов среды. При недостатке тепла это приводит к угнетению жизнедеятельности и понижению уровня метаболизма, что способствует экономному использованию энергетических запасов. Компенсаторно повышается устойчивость клеток и тканей организма. Пассивный путь адаптации к влиянию неблагоприятных температур свойствен всем растениям и пойкилотермным животным. Среди млекопитающих и птиц преимущества пассивного приспособления в неблагоприятные периоды года используют гетеротермные виды, впадающие в оцепенение или спячку. Элементы пассивной адаптации присущи и типичным гомойотермным животным, обитающим в условиях крайне низких температур. Это выражается в некотором снижении уровня обмена, замедлении темпов роста и развития, что позволяет экономнее тратить ресурсы по сравнению с быстро развивающимися видами.        Пассивное подчинение водному режиму среды свойственно пойкилогидрическим растениям и животным, способным выносить высыхание: напочвенным водорослям, лишайникам, нематодам, коловраткам и т. п.

  Избегание неблагоприятных воздействий   – третий возможный путь приспособления к среде. Общий способ для всех групп организмов – выработка таких жизненных циклов, при которых наиболее уязвимые стадии развития завершаются в самые благоприятные по температурным и другим условиям периоды года. Для животных основным способом избегания пессимальных температур являются разнообразные формы поведения. Изменения в ростовых процессах растений – в известной мере экологический аналог поведения животных. Например, карликовость тундровых растений помогает организмам использовать тепло приземного слоя и избегать влияния низких температур воздуха. Растения-эфемероиды в жарких пустынях избегают засухи, успевая отцвести за краткий весенний период. Избегание, уход от действия крайних температур или недостатка влаги свойствен организмам в той или иной мере и при активном, и при пассивном пути адаптации к среде. Все три пути приспособления характерны и по отношению к другим экологическим факторам среды. Чаще всего приспособление вида к среде осуществляется тем или иным сочетанием всех трех возможных путей адаптаций.

 

 

 

 

 

 

 

1. Пассивный и активный пути приспособления организмов

  Пассивный путь связан с подчинением жизненных функций организма изменению факторов среды. Например, явление скрытой жизни, сопровождающееся приостановлением жизнедеятельности при пересыхании водоема, похолодании и т.д., вплоть до состояния мнимой смерти или анабиоза.          Например, высушенные семена растений, их споры, а также мелкие животные (коловратки, нематоды) способны выдерживать температуры ниже 200оС. Примеры анабиоза? Зимний покой растений, спячка позвоночных животных, сохранение семян и спор в почве.      Явление, при котором имеет место временный физиологический покой в индивидуальном развитии некоторых живых организмов, обусловленный неблагоприятными факторами внешней среды, называется диапаузой.  При недостатке тепла подчинение неблагоприятным условиям среды приводит к угнетению жизнедеятельности и понижению уровня метаболизма, что способствует экономному использованию энергетических запасов. Компенсаторно повышается устойчивость клеток и тканей организма. Пассивный путь адаптации к влиянию неблагоприятных температур свойствен всем растениям и пойкилотермным животным. Среди млекопитающих и птиц преимущества пассивного приспособления в неблагоприятные периоды года используют гетеротермные виды, впадающие в оцепенение или спячку. Элементы пассивной адаптации присущи и типичным гомойотермным животным, обитающим в условиях крайне низких температур. Это выражается в некотором снижении уровня обмена, замедлении темпов роста и развития, что позволяет экономнее тратить ресурсы по сравнению с быстро развивающимися видами.   Пассивное подчинение водному режиму среды свойственно пойкилогидрическим растениям и животным, способным выносить высыхание: напочвенным водорослям, лишайникам, нематодам и т.п.

Состояния покоя

  Все растения и животные подготавливаются к зиме, при этом замедляются физиолого-биохимические процессы.     У растений прекращается рост. У древесных пород, впадающих в состояние покоя, интенсивность дыхания снижается до 1/200 – 1/400 от летнего. Органический покой характерен для плодов, клубней, почек (спящие почки). Они не прорастают, не распускаются до весны или до поры, пока не получат «сигнал» факторов среды, пока не произойдут биохимические реакции в эмбриональных клетках и тканях. Глубокий покой – наступает одновременно с органическим; степень глубины зависит от вида растений и условий осени; обеспечивает морозоустойчивость. Вынужденный покой – задержка весеннего развития из-за неблагоприятных условий.    У животных тоже несколько состояний покоя. Спячка – летняя – из-за высоких температур и дефицита воды, зимняя – из-за холода. Не всегда у млекопитающих во время зимнего сна замедляются обменные процессы – у бурых и белых медведей зимой рождаются детеныши. Анабиоз – состояние организма, при котором жизненные процессы настолько замирают, что признаки жизни отсутствуют. Организм обезвоживается и потому может переносить очень низкие температуры (до -271 °С), но при этом не происходит нарушения макромолекул в клетках. Анабиоз характерен для спор, семян, высохших лишайников, муравьев, простейших одноклеточных.

Диапауза – состояние временной пониженной физиологической активности; нередко встречается у членистоногих. В данном периоде замедляются процессы обмена, повышается устойчивость к неблагоприятным условиям среды. Различают зимнюю и летнюю (у дождевых червей, у дубовой и ореховой павлиноглазки, листоедов) диапаузы. Может наступать на определенной стадии развития (куколки, гусеницы, яйца), длится от нескольких недель до года и часто не связана с ухудшением условий. У сумчатых может непредсказуемо задержаться развитие плода до наступления благоприятного сочетания факторов среды – ответная «спячка».

Роль поведенческих реакций в пассивной адаптации. Все животные активно перемещаются в места с более благоприятными температурами (в жару – в тень, в холодные дни – на солнце или в укрытие), скучиваются или рассредоточиваются, во время спячки скручиваются клубком, выбирают или создают убежища с определенным климатом, проявляют активность в определенное время суток.

  При понижении температуры переходят на питание более калорийной пищей (олени – лишайники; белки – семена хвойных). Для животных – разные формы поведения. В качестве примера можно привести смену стадий обитаний эктотермными видами (насекомые, членистоногие, пресмыкающиеся) в разных зонах (правило смены ярусов) и в разное время суток, эндотермными видами – обустройство жилищ, гнезд и смена места пребывания при резкой смене условий среды в течение суток, миграции при смене сезонов года.          Виды сходно реагируют на совокупность факторов, но нет видов и популяций, реагирующих на них совершенно одинаково. Может быть, они различаются по реакции всего на один фактор, и то незначительно, но и этого достаточно, чтобы занять в одном биоценозе разные местообитания – микросайты (пример ольховника и кедрового стланика). Особенно четко различия в экологических требованиях проявляются на границах ареалов, в экстремальных условиях произрастания. Этими различиями определяется избирательное отношение к заселяемым территориям и многовидовой характер сообществ. На разных почвах в разных климатических зонах формируются разные экосистемы. В свою очередь в них создаются неодинаковые условия для животных и микроорганизмов. Исторически приспосабливаясь к абиотическим факторам среды, вступая во взаимоотношения (биотические, трофические) друг с другом, растения, животные и микроорганизмы распределяются в пространстве по различным средам, формируя самые разнообразные экосистемы (биогеоценозы), в конечном итоге объединяющиеся в мегаэкосистему – биосферу Земли.

Активный путь

  Активный путь – способствует усилению сопротивляемости, развитию регуляторных процессов, которые позволяют осуществить все жизненные функции организмов, несмотря на неблагоприятные факторы. Например, теплокровность у млекопитающих и птиц.

 

1. Избегание неблагоприятных условий как путь адаптации организма

Кроме подчинения и сопротивления  воздействию внешней среды, возможен и третий способ выживания — избегание  неблагоприятных условий и активный поиск других, более благоприятных  местообитаний. Этот путь приспособлений доступен только подвижным животным, которые могут перемещаться в  пространстве.     Например, зимующие тетерева и рябчики на большую часть суток зарываются в снег, где гораздо теплее. Многие животные устраивают жилища — норы и гнезда, защищающие их от внешних воздействий. Это тоже путь избегания неблагоприятных факторов. Ярким примером избегания зимней бескормицы и холодов являются дальние перелеты птиц. Все три пути выживания могут сочетаться у представителей одного и того же вида. Например, растения не могут поддерживать постоянную температуру тела, но многие из них способны регулировать водный обмен. Холоднокровные животные подчиняются неблагоприятным факторам, но могут и избегать их воздействия. В целом же мы видим, что при огромном разнообразии живой природы в ней можно выделить лишь несколько основных путей приспособительного развития видов.   Увеличение устойчивости организмов в состоянии скрытой жизни находит широкое применение в хозяйственной практике. В специальных хранилищах создаются особые режимы для длительного хранения семян растений, культур микроорганизмов, спермы ценных сельскохозяйственных животных. В медицинской практике разработаны особые условия для сохранения донорской крови, пересаживаемых органов и тканей. Есть проекты по сохранению половых клеток исчезающих видов животных и растений, с тем чтобы в дальнейшем иметь возможность восстановить их в природе.

 

 

 

 

2. Анабиоз как вид адаптации к неблагоприятным условиям окружающей среды

  При ухудшении условий среды многие виды способны приостанавливать свою жизнедеятельность и переходить в состояние скрытой жизни. Это явление было обнаружено в начале XVIII столетия А. ван Левенгуком, который впервые наблюдал в сделанный им микроскоп мир мелких организмов. Он заметил и описал, что некоторые из них могут полностью высыхать на воздухе, а затем «оживать» в воде. В высушенном состоянии они кажутся полностью безжизненными. Позднее такое состояние мнимой смерти было названо анабиозом («ана» — нет, «биос» — жизнь).  Глубокий анабиоз — это практически полная остановка обмена веществ. В отличие от смерти организмы могут при этом возвращаться к активной жизни. Переход в состояние анабиоза чрезвычайно расширяет возможности выживания организмов в самых суровых условиях. В опытах высушенные семена и споры растений, некоторые мелкие животные — коловратки, нематоды выдерживают длительное время температуры жидкого воздуха (-190 С) или жидкого водорода (-259,14 С).     Состояние анабиоза возможно лишь при полном обезвоживании организмов. При этом важно, чтобы потеря воды клетками тела не сопровождалась нарушением внутриклеточных структур. Большинство видов к этому не способно. Например, в клетках высших растений имеется обычно большая центральная вакуоль с запасом влаги. При высыхании она исчезает, клетка меняет форму, сжимается, и ее внутреннее строение нарушается. Поэтому глубокий анабиоз в природе встречается редко. Однако замедление обмена веществ и понижение жизнедеятельности в неблагоприятных условиях — явление широко распространенное. Клетки тела при этом частично обезвоживаются, происходит также и другая перестройка их состава. Состояние организмов, близкое к анабиозу, называют криптобиозом или скрытой жизнью («криптос» — скрытый). В состоянии пониженного обмена веществ организмы резко повышают свою устойчивость и очень экономно тратят энергию.          К явлениям скрытой жизни относятся оцепенение насекомых, зимний покой растений, спячка позвоночных животных, сохранение семян и спор в почве, а мелких обитателей — в пересыхающих водоемах. В неактивном состоянии часто находятся в природе многие виды бактерий, пока не возникнут благоприятные условия для их размножения.     Скрытая жизнь — очень важное экологическое приспособление. Это возможность переживать неблагоприятные изменения среды обитания. При восстановлении необходимых условий организмы вновь переходят к активной жизни.            Переходя в состояние оцепенения или покоя, растения и животные как бы подчиняются воздействиям среды, экономя при этом затраты на свое существование.            Способность к анабиозу и последующему восстановлению жизнедеятельности отмечена в экспериментах с мелкими организмами (в первую очередь обитающими в условиях резкого изменения условий влажности – в мелких пересыхающих водоемах, в слоевищах лишайников и т.д.) простейшими, коловратками, нематодами, а также со спорами растений и грибов, семенами и т.п.         Необходимое условие анабиоза – практически полное удаление воды из клеток, а условие возможности восстановления жизнедеятельности – сохранение неразрушенными внутриклеточных органелл и мембран. В таких клетках вода содержится в очень мелких многочисленных вакуолях. В состоянии анабиоза организмы сохраняют жизнеспособность неопределенно долгое время и при этом способны переносить невероятно низкие температуры (до –271 °С), сильное радиоактивное облучение, действие различных ядов и др. Споры бактерий из нижних слоев антарктического ледяного щита возвращались к жизни, пролежав там десятки, сотни тысяч, а возможно, и миллионы лет.        Большинство организмов не способно к полному анабиозу из-за сложности строения клеток и невозможности сохранить их структуру при полном обезвоживании. Однако замедление обмена веществ вплоть до глубокого покоя – очень широко распространенная адаптация, значительно расширяющая возможности выживания. Она получила название латентная, или скрытая, жизнь. Выделяют две формы скрытой жизни – гипобиоз и криптобиоз.          Гипобиоз – прямое замедление обмена веществ при действии неблагоприятного фактора с быстрым возвращением к активной жизни, если фактор перестает действовать. Таково, например, оцепенение насекомых при понижении дневной температуры; вмерзание в лед водных растений, личинок стрекоз или лягушек (если кристаллики льда образуются не в клетках, а только во внеклеточной жидкости, при оттаивании их жизнедеятельность восстанавливается). Если условия жизни благоприятны, гипобиоз не наступает, и организмы активны в течение всей жизни.  Криптобиоз составляет часть жизненного цикла организмов. Он генетически запрограммирован и приурочен к наступлению неблагоприятного времени года. Организмы готовятся к нему заранее и впадают в криптобиоз, даже если условия остаются постоянными. Таков, например, зимний покой растений. Листопадное дерево в определенный период сбросит листву, даже если выращивать его в теплице. К явлениям криптобиоза относятся спячка животных и различные проявления диапаузы – приостановки развития в яйцах, семенах, на разных этапах жизни насекомых, в эмбриональном развитии некоторых млекопитающих, которые приходятся на зимнее время или другие неблагоприятные, регулярно повторяющиеся периоды года. Из криптобиоза организм нельзя вывести сразу, простым изменением условий, нужно время, чтобы он начал реагировать на определенные сигнальные факторы.        Знание путей и возможностей адаптаций организмов используется при разработке биологических технологий. Например, явление анабиоза коренным образом изменило режим содержания культур микроорганизмов. Штаммы с интересующими человека свойствами раньше хранили в активном состоянии, что требовало постоянного их пересева и не давало гарантии сохранения свойств из-за постоянно возникающих мутаций. Теперь их держат при температурах, близких к абсолютному нулю, в состоянии анабиоза. Сходные технологии применяют для хранения клеток и тканей в медицинских целях, спермы ценных производителей при селекции животных, генетического материала видов, которым грозит вымирание, и т.п. Разработка любых биотехнологий требует глубокого знания адаптивных особенностей используемых видов.      Явление анабиоза при высушивании и низкой температуре широко распространено среди микроорганизмов. Наиболее стойки к высушиванию, охлаждению и нагреванию спорообразующие бактерии, а также грибки. Споры сибиреязвенной палочки долгие годы не теряют жизнеспособности ни в сухой почве степей и пустынь, ни в замерзшей почве арктической тундры. Многие бактерии, не образующие спор, переносят длительное охлаждение до t° ниже 0°, что позволяет выделять их чистые культуры из трупов и других объектов, в которых при обычных условиях развивается и другая микрофлора. Стойки к высыханию и охлаждению некоторые виды патогенных фильтрующихся вирусов. Явление анабиоза при высушивании и охлаждении используют при изготовлении сухих живых вакцин, длительном сохранении штаммов бактерий, вирусов и клеток опухолей, консервировании тканей для трансплантации. При сохранении микробов, высушенных вместе со специальной средой при низкой температуре, иммунизирующие свойства вакцин не теряются в течение нескольких месяцев и даже лет. Чистые культуры вирусов также сохраняют длительный срок в подсушенных и замороженных тканях восприимчивых животных.

 

 

 

Заключение

  Каждый из описанных путей выживания имеет свои преимущества и недостатки. При возможности тормозить обмен веществ и переходить к скрытой жизни организмы экономят энергию и повышают устойчивость, но не способны к активности при ухудшении условий. При регуляции температуры и запасов влаги в теле представители различных видов могут поддерживать нормальную жизнедеятельность в очень широком диапазоне внешних условий, но тратят при этом много энергии, которую им необходимо постоянно восполнять. Кроме того, такие организмы очень неустойчивы к отклонениям режима их внутренней среды. Например, у человека повышение температуры тела всего на 1°С свидетельствует о нездоровье.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

 

     1. Билич Г.Л., Крыжановский В.А. Биология. – ООО "Издательский дом     "Оникс 21 век"", 2010г. – 1088с. (стр.1017 – 1021)

1. Воронцов Н.Н. Теория эволюции: истоки, постулаты и проблемы. – М.: "Знание", 2009г. – 64с.
2. Рувинский А.О. (ред.) Общая биология. М.: "Просвещение", 2010 – 544с. (стр.272 -277)
3. Иванов В.П., Васильева О.В. Основы экологии. М.: СпецЛит, 2010г. – 192с.
4. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. Человек-экономика-биота-среда. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2011г. – 245с.
5. Экология: учебное пособие для ВУЗов. М.: Издательство МГОУ, 2010г. – 163с.
6. Миркин Б.М., Наумова Л.Г. Основы общей экологии: Учебное пособие. М.: Университетская книга, 2012г. – 341с.
7. Сибирский экологический журнал. 2011. Том 18. № 2. СО РАН.
8. Степановских А.С. Биологическая экология. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2010г. – 244с.
9. Тюкин И. Ю., Терехов В. А. Адаптация в нелинейных динамических системах. М.: ЛКИ, 2010г. – 384с.
10. Чернова И.А, Пономарева Т.В. Экологические факторы: абиотические, биотические, антропогенные, их влияние на организмы. М.: Физикон, 2011г. – 243с.