§ 19. Як живляться тварини

Рослини й деякі бактерії мають дивовижну здатність до фотосинтезу й самі створюють поживу з води, повітря й сонячного світла. Тварини шукають готову іжу, яка містить білки, жири та вуглеводи. Ці складні сполуки не можуть бути засвоєні організмом у такому вигляді, тому розкладаються на простіші речовини.

1. ЯКІ ОСОБЛИВОСТІ ЖИВЛЕННЯ ТВАРИН

Тварини — гетеротрофні організми. Вони використовують для живлення готові органічні речовини, що надходять із середовища у вигляді їжі (мал. 103). Споживаючи рослини, м’ясо, органічні рештки, вони отримують неорганічні (воду, мінеральні солі) та органічні (білки, жири, вуглеводи) речовини.

Мал. 103. Тварини живляться готовими органічними речовинами

• Упізнайте зображених на мал. 103 тварин. Чим вони живляться?

Іншою особливістю живлення тварин є наявність травної системи. За участю органів травлення їжа подрібнюється, розщеплюється, всмоктується та засвоюється організмом. У павуків обробка їжі розпочинається ще поза організмом: вони вводять у тіло жертви отруту, яка розщеплює складні речовини. Морська зірка, яка полює на організми, що не поміщаються у її ротовому отворі, перетравлює їжу, висуваючи шлунок з тіла.

Найпростішим типом травної системи є сліпозамкнена система. Тварини з таким типом травної системи (наприклад, медузи) мають ротовий отвір і кишківник для всмоктування поживних речовин. У більшості тварин наскрізна система травлення: крім ротового отвору і травного каналу, вони мають ще отвір для видалення неперетравлених решток.

Перетравлювати їжу можуть і рослини-хижаки. У непентесу, як і в інших комахоїдних рослин, немає травної системи. На кінцях листків ці рослини мають особливі глечики-пастки, заповнені травними соками. Для полювання у їхньому арсеналі є яскраве забарвлення, солодкий нектар, привабливий запах і навіть світіння пасток в ультрафіолеті!

Глечики-хижаки

2. ЯКІ ОСНОВНІ ТИПИ ЖИВЛЕННЯ ТВАРИН

За характером їжі тварин поділяють на рослиноїдних, хижих та всеїдних (мал. 104).

Мал. 104. Способи живлення тварин: 1 — зубр (рослиноїдний); 2 — рись (хижа); 3 — бурий ведмідь (всеїдний)

Ці тварини занесені до Червоної книги України. Довідайся, чи пов’язане це з їхнім живленням.

Бурий ведмідь

Рослиноїдні (травоїдні) тварини живляться рослинною їжею, що є джерелом необхідних органічних речовин. Наприклад, коала сірий споживає свіжі молоді пагони евкаліптів. Особливості живлення рослиноїдних тварин досить часто відображені у назвах видів: листоїд м’ятний, короїд плодовий, квіткоїд яблуневий, зерноїд гороховий.

Довідайся, хто такі бджолоїдка, листоїд, крабоїд, осоїд, птахоїд, яйцеїд.

Для багатьох хижих (м’ясоїдних) тварин їжею є інші тварини. Ця їжа високопоживна, але її не так легко здобути. Леви, тигри, гепарди та інші хижі тварини витрачають багато енергії на те, щоб наздогнати й упіймати здобич та поласувати нею.

Всеїдні тварини — це організми, в раціоні яких наявна їжа і рослинного, і тваринного походження. Представниками всеїдних є бурі ведмеді, дикі свині, круки, пацюки.

За способом живлення тварин поділяють на такі групи: фітофаги (рослиноїдні тварини), зоофаги (хижаки), поліфаги (всеїдні тварини). Паразити використовують інший організм (іншу тварину, рослину чи людину) як джерело живлення й середовище існування та завдають йому шкоди (наприклад, аскарида людська живе в кишківнику людини й живиться її їжею). Сапрофаги — санітари природи, живляться відмерлими рештками рослин (дощові черв’яки), тварин (жуки-гробарики) або поїдають послід тварин (жуки-гнойовики).

Кормом для більшості видів кажанів є нічні комахи. Серед них велика кількість шкідників сільського господарства, котрі літають у сутінках і вночі, а тому денні птахи винищити їх не можуть. А один кажан упродовж ночі може з’їсти до трьох тисяч комарів! У світі є три види кажанів-вампірів, які поширені лише в Південній та Центральній Америці.

Про кажанів-вампірів

Наукові суперечки

Фільтратори — це тварини водного середовища, які споживають дрібні організми (або їхні рештки), проціджуючи воду (синій кит, китова акула, мідії, вустриці).

Є серед тварин і кровосисні види (комарі, медичні п’явки, кажани-вампіри, блощиці постільні).

Мал. 105. Класифікація тварин за способом живлення: 1 — фітофаги (олень); 2 — сапрофаги (жук-гнойовик); 3 — фільтратори (гребінець); 4 — кровосисні (кажан-вампір)

Навесні облаштуй ферму дощових черв’яків або равликів. Спостерігай за їхнім живленням. Після завершення експерименту випусти тварин на волю.

Як облаштувати ферму черв’яків (слимаків)

Підземні помічники агрономів

Ідеальний воїн (про їжака)

3. ЯК ПЕРЕТВОРЮЮТЬСЯ РЕЧОВИНИ В ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ

У будь-якому організмі постійно відбуваються процеси перетворення неорганічних та органічних речовин, отриманих іззовні. Розглянемо ці зміни на прикладі організму людини (мал. 106).

Усю сукупність перетворень речовин та енергії в організмі від надходження поживних речовин іззовні до видалення кінцевих продуктів у зовнішнє середовище називають обміном речовин та перетворенням енергії.

Працюємо разом

Пригадайте будову травної системи людини. Складіть узагальнювальну схему «Шлях речовин від ротової порожнини до клітини тіла».

Мал. 106. Етапи перетворення речовин в організмі людини

КОРОТКО ПРО ГОЛОВНЕ

• Для живлення тварин характерне використання готових органічних речовин, різноманітність їжі та способів живлення.

• За основними типами живлення є рослиноїдні, м’ясоїдні та всеїдні тварини.

• За джерелом органічних речовин розрізняють такі групи тварин, як сапротрофи, симбіотрофи, фільтратори, кровосисні.

• В організмі людини виділяють три основні етапи обміну речовин та перетворення енергії: 1) надходження речовин в організм; 2) внутрішньоклітинне перетворення речовин та енергії; 3) видалення кінцевих продуктів обміну з організму.

П’явчині мрії

ЗАПИТАННЯ • ЗАВДАННЯ • ДОСЛІДЖЕННЯ

1. У чому відмінність живлення тварин і рослин?

2. Склади схему «Способи живлення тварин».

3. Які перетворення речовин відбуваються в організмі людини?

4. Прочитай наукову казку «П’явчині мрії». Хто ще живиться кров’ю хребетних тварин?

5. Довідайся за QR-кодом про живлення їжаків.

6. Створи буклет на одну з тем: «Чим живляться дикі тварини»; «Як правильно організувати харчування домашніх тварин».

§ 4. Молекулярні та клітинні адаптації

Більшість розглянутих нами в попередніх параграфах прикладів адаптацій були пов’язані з пристосуваннями організмового рівня. Але всі вони мають своє «коріння» на молекулярному рівні, оскільки основним матеріалом еволюції є саме спадкова мінливість, що виникає внаслідок змін генетичного матеріалу. Тобто, на якому б із рівнів організації живого адаптація не мала вияв, еволюція фіксуватиме її саме на молекулярному. З огляду на це власне молекулярні та клітинні адаптації заслуговують більш детального розгляду.

Гени стійкості до антибіотиків дозволяють бактеріям уникати знищення

Більшість бактерій ґрунту харчується сапротрофно — рештками живих організмів, розкладаючи їх до неорганічних речовин. Але в цьому вони не єдині: те ж саме властиве й грибам. Наявність спільної харчової бази призводить до появи конкуренції між різними видами бактерій, а також між бактеріями й грибами. Одним із її наслідків є вироблення ними спеціальних речовин, що здатні вбивати інші бактерії — антибіотиків (рис. 4.1, А). Логічно, що бактерії намагаються захиститися від цих речовин: бактерії-жертви, щоб не програти в конкурентній боротьбі, а бактерії-виробники, щоб не загинути від своєї ж зброї. Адаптуючись до середовища з антибіотиками, вони виробили спеціальні ферменти, що здатні їх розщеплювати (рис. 4.1, Б).

Рис. 4.1. Стійкість бактерій до антибіотиків

А. Колонія пліснявого гриба пеніцилу виділяє антибіотик до середовища, який спричиняє загибель бактерій: утворюється вільне від них кільце навколо колонії. Б. Різні антибіотики, якими просочені білі папірці, з різною ефективністю діють на одну й ту ж бактерію, що утворила жовтувату поволоку на поверхні поживного середовища. В. Зміна кількості стійких до антибіотика бактерій-сальмонел із часом.

Із середини ХХ ст. людство почало активно використовувати антибіотики для лікування й профілактики бактеріальних інфекцій у медицині та ветеринарії. Унаслідок цього значна кількість цих речовин почала потрапляти в довкілля. Ті бактерії, що мали гени ферментів стійкості до антибіотиків, почали переважно виживати, тобто відбиралися природним добором. Тому поступово ці гени поширювалися в популяціях (оскільки їх носіїв ставало все більше), а завдяки горизонтальному перенесенню генів 1 — і між видами. У результаті значна кількість бактерій набула стійкості до антибіотиків (рис. 4.1, В). Отже, вилікувати інфекції, спричинені такими стійкими до антибіотиків бактеріями, стало значно складніше, і смертність від них, на жаль, зросла.

Білки-кристаліни очей різних тварин виконують однакову функцію, але мають відмінне походження

Як вам уже відомо, для того, щоб краще фокусувати промені світла в оці, у процесі еволюції виникла лінза — кришталик. Для ефективного функціонування він повинен бути заповнений прозорою речовиною, що має світлозаломлювальні властивості. У різних групах тварин кришталик утворюють глобулярні білки 2 — кристаліни, що мають неоднакове походження (табл. 4.1). А у вимерлих членистоногих трилобітів (рис. 4.2) кришталик узагалі було побудовано із неорганічного мінералу — кальциту (основою якого є кальцій карбонат)! Тобто у тварин різних груп адаптація до фокусування світла сформувалася на основі відмінних молекул, що яскраво свідчить про «винахідливість» (чи випадковість?) процесу еволюції.

Таблиця 4.1. Матеріал кришталика тварин і його походження

Матеріал кришталика

Речовина, від якої походить матеріал

Фермент ретинальдегідрогеназа (бере участь у світлосприйнятті)

Більшість птахів і рептилій

Фермент аргініносукцинатліаза (працює в печінці в циклі утворення сечовини)

Фермент лактатдегідрогеназа В (фермент молочнокислого бродіння)

Фермент глутатіон-S-трансфераза (фермент антиоксидантного захисту організму)

Фермент алкогольдегідрогеназа (окиснює спирти до альдегідів)

1 Тобто перенесення генів не від батьків до дітей (вертикально), а між неспорідненими організмами й видами (горизонтально).

2 Молекули цих білків мають сферичну форму.

Рис. 4.2. Трилобіти та їх очі

А. Скам’янілий панцир трилобіта, вимерлого близько 380 млн років тому. Б. Скам’янілі рештки вказують на те, що око трилобіта було складним фасетковим, а кожна фасетка мала свою лінзу з кальциту.

Адаптації клітинного рівня мають прояв у специфічних клітинних структурах і формі клітини

Простим зразком специфічної клітинної адаптації є будова клітинної стінки клітин склеренхіми. Ця тканина належить до групи механічних тканин рослин, основною функцією яких є опора й захист. Клітини склеренхіми (рис. 4.3) розташовуються в деревині й лубі кори. Їхня клітинна стінка потовщується настільки, що обмін речовинами між цитоплазмою й зовнішнім середовищем стає неможливим, а живий уміст відмирає. Зате товста, багата на лігнін і целюлозу клітинна стінка забезпечує опору й міцність тканині, а з нею й різним органам рослин. Наприклад, саме ці клітини відповідальні за міцність деревини, без якої важко уявити собі сучасний побут людини. Крім того, клітинні стінки клітин склеренхіми є основним джерелом волокон целюлози, з яких виготовлено папір, на якому надруковано ці літери.

Ще одним доречним прикладом адаптації на клітинному рівні є втрата ядра та мітохондрій еритроцитами ссавців. Унаслідок цього еритроцит набуває дископодібної двоввігнутої форми (рис. 4.4, А), що дозволяє кисню краще проходити до середини цитоплазми й сполучатися з гемоглобіном 1 . Крім того, дископодібна форма покращує ефективність руху еритроцитів вузькими капілярами (рис. 4.4, Б).

Рис. 4.3. Клітини склеренхіми

Після зафарбовування на попоперечному зрізі стебла соняшника клітини склеренхіми вирізняються товстими рожевими клітинними стінками.

Рис. 4.4. Адаптації в будові еритроцитів

А. Еритроцити людини мають дископодібну двоввігнуту форму. Б. Дископодібна форма еритроцитів покращує ефективність їх транспортування кров’ю порівняно зі сферичною формою. В. Еритроцити верблюда (вгорі) мають овальну форму, на відміну від еритроцитів людини (знизу).

1 Двоввігнута форма скорочує відстань між поверхнею еритроцита й найглибше розташованою точкою в середині, порівняно зі сферичною (там ця відстань дорівнює радіусу), тому дифузія газів із плазми крові до середини еритроцита відбувається швидше.

Утім представники родини Верблюдові (верблюди, лами та вікуньї) мають не заокруглі еритроцити, а дрібні овальні (рис. 4.4, В). Така форма клітин є адаптацією до зневоднення організму, від якого часто потерпають представники цієї родини. У потоці крові овальні еритроцити повертаються довгою віссю вздовж напрямку течії, що дозволяє легко долати найдрібніші капіляри, не закубрюючи їх, навіть за умови загущення крові під час зневоднення. Отже, елементи будови компонентів і навіть форма клітин мають адаптивне значення.

Точкові мутації можуть призводити до появи адаптації Одним із механізмів появи молекулярних адаптацій є точкові мутації. Нагадаймо, що внаслідок точкової (генної) мутації одна нітрогеновмісна основа в ланцюзі ДНК чи РНК замінюється на іншу, видаляється з ланцюга чи додається до нього. У результаті змінюється нуклеотидна послідовність ДНК. І якщо мутація відбулася в кодувальній частині гена, то вона може спричинити зміну амінокислотної послідовності білка. Білок із такою зміною набуде іншої просторової форми. За умови, що новий білок сприятиме виживанню й розмноженню особини, такий алель буде відібрано природним добором і з часом поширено популяцією.

Так сталося, наприклад, із гемоглобіном S, наявність алеля якого спричиняє серпуватоклітинну анемію. За цієї хвороби частина еритроцитів людини набуває серпуватої форми й гине швидше за звичайні. Утім у регіонах, де поширена малярія, швидка загибель серпуватих еритроцитів має адаптивне значення, оскільки блокує розвиток малярійних плазмодіїв усередині еритроцитів і забезпечує краще виживання. Ген гемоглобіну S 1 відрізняється від гена звичайного гемоглобіну А лише одним нуклеотидом (рис. 4.5). Такої заміни достатньо для того, щоб у шостому положенні білка розташувався залишок валіну замість залишку глутамінової кислоти. Тобто за умов поширення малярії заміни лише одного нуклеотиду в ДНК гена гемоглобіну було достатньо для набуття нової адаптації.

1 Гемоглобін — це білок, що складається з чотирьох субодиниць: двох α-ланцюгів і двох β-ланцюгів. Йдеться про алель β-ланцюга гемоглобіну.

Рис. 4.5. Молекулярно-генетичний механізм появи серпуватоклітинної анемії

Молекулярні адаптації можуть виникати завдяки дуплікаціям генів

Часто для утворення нової адаптації потрібна нова копія гена, яка накопичуватиме зміни. Річ у тім, що мутації оригінального гена часто мають негативні наслідки або взагалі їх не мають. Так стається тому, що важко однією зміною нуклеотиду покращити добре налагоджений механізм функціонування клітин, органів й організму. Нерідко така зміна щось «зламає» 1 , і виживання організму погіршиться. А подекуди вона не буде мати ніякого значення, бо не проявиться у фенотипі (мовчазна мутація), або не змінить його принципово (наприклад, одна коротка неполярна амінокислота буде замінена подібною короткою й неполярною). Тому для «експериментування» еволюції потрібна копія гена. Вона може виникнути завдяки хромосомній мутації — дуплікації.

Саме ця мутація, разом із низкою інших мутацій, що відбулися згодом, відповідальна за наше чудове кольорове бачення. Більшість ссавців у колбочках сітківки ока мають два типи відповідальних за колір фотопігментів. Основними їхніми компонентами є фотопсини — білки колбочок, що беруть участь у світлосприйнятті. Один із фотопсинів («синій») входить до складу пігменту, що реагує на світло з короткими довжинами хвиль, а інший — «червоний» — із довгими. Натомість у приматів Африки й Азії таких фотопсинів три: їм характерний іще один — «зелений» фотопсин, що потрібен для сприйняття світла зі середньою довжиною хвилі (рис. 4.6, А). Виявляється, що ген «зеленого» фотопсину виник унаслідок дуплікації гена «червоного» в предка приматів. Згодом три точкові мутації спричинили зміну послідовності амінокислот у білку, через яку виник зсув спектра світлосприйняття в бік менших довжин хвиль. Поява трьох фотопсинів забезпечила мавпам можливість краще розрізняти кольори, що, своєю чергою, дозволило їм легше знаходити зрілі плоди за денного світла (рис. 4.6, Б). Завдяки цьому мавпи з трьохкомпонентним кольоровим зором краще виживали й розмножувалися (бо були ситіші), почали переважати в популяції та дали початок іншим приматам і людині. Тобто досконаліший зір значно покращив їхню пристосованість до умов довкілля.

Рис. 4.6. Кольоровий зір

А. Спектри світлосприймання трьох видів кольорових фотопігментів ока людини. Б. Кольорове бачення світу з трьома (ліворуч) чи двома (праворуч) видами фотопігментів.

1 Це як покращувати мотор автомобіля молотком: імовірність того, що після удару молотком по багатокомпонентному моторові його функціонування покращиться, набагато менша ніж, що воно погіршиться. Простіше кажучи: ламати легше, ніж будувати.

Цікаве життя

Клітинний компас бактерій

Деякі бактерії володіють «п’ятим чуттям» і здатні орієнтуватися за силовими лініями магнітного поля Землі завдяки спеціальним мембранним структурам — магнетосомам. Магнетосоми є мембранними міхурцями, у середині яких міститься кристал із феромагнітних речовин магнетиту (Fe₃O₄) чи грейгіту (Fe₃S₄). Ці кристали мають розмір від 35 до 120 нм. Якщо б вони були меншими, то не могли б створити достатній магнітний момент для спрямовування клітини вздовж лінії магнітного поля. Крім того, інші за розміром кристали втрачали б постійну намагніченість і не функціонували б належним чином.

Магнітні кристали утворюються завдяки білкам, розташованим у мембрані магнетосоми. І, на відміну від штучно синтезованих, володіють надзвичайною чистотою, ідеальною формою і приблизно однаковим розміром, що дозволяє застосовувати бактерії, магнітосоми чи самі кристали як точні мініатюрні магніти. Також штучне позаклітинне використання бактеріальних білків, відповідальних за синтез магнітних кристалів, дало змогу отримати високоякісні магнітні мікрочастинки.

Бактерії, що орієнтуються за магнітним полем, володіють здатністю до магнетотаксису — руху вздовж силових магнітних ліній — завдяки специфічному розташуванню магнетосом. Вони розташовуються одна за одною у вигляді ланцюжка, що тягнеться вздовж найдовшої осі клітини (див. рис). Таке розміщення забезпечує додавання магнітних векторів кристалів, і бактерія стає поляризованою щодо магнітного поля Землі. Фактично всередині клітини виникає стрілка компаса, спрямована від одного з магнітних полюсів Землі до іншого. І тепер бактерії залишається лише крутити джгутиками, щоб рухатися вздовж магнітної лінії. Завдяки наявності «магнетосомного стрижня» броунівські (теплові) рухи більше не можуть збити бактерію з наміченого шляху!

А пливе магніточутлива бактерія до місця, де менше кисню. Оскільки магнітні лінії спрямовані під кутом до поверхні Землі, то бактерія ніби «сповзає» уздовж лінії, аж поки не знайде такий шар водойми чи мулу на дні, де концентрація кисню буде якнайкраще відповідати її «бажанням». І там залишиться жити.

Вивчивши це, винахідливі вчені змусили магніточутливі бактерії «танцювати під їхню дудку» разом із собою!

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Розгляньте графік зміни стійкості до різних антибіотиків збудника гонореї.

Зазначте правильне твердження.

• А стійкість збудника до всіх антибіотиків постійно зростає, починаючи з 2002 року
• Б чим вища стійкість до пеніциліну, тим вона вища й до тетрацикліну
• В зі збільшенням стійкості до антибіотиків кількість хворих на гонорею збільшилась
• Г стійкість збудника до флуорохінолонів зросла більше ніж у десять разів за останні 10 років

• 2. Який вплив має видалення ядра з еритроцита у ссавців?

• А збільшує об’єм клітини
• Б зменшує площу поверхні клітини
• В покращує зв’язування кисню з гемоглобіном
• Г погіршує рух еритроцитів судинами організму

• 3. Увідповідніть фотопігмент із довжинами хвиль видимого світла, які він найкраще поглинає, та твариною, для якої він характерний.

• 1 «синій» фотопігмент
• 2 «зелений» фотопігмент
• 3 «червоний» фотопігмент
• А короткі, собака
• Б середні, горила
• В довгі, олень
• Г середні, кішка

У житті все просто

• 4. Використавши рисунок 4.5 і свої знання з інформатики (порадьтесь із учителем/учителькою цього предмета за потреби), складіть максимально детальний алгоритм розвитку серпуватоклітинної анемії.

• 5. Доведіть точку зору про те, що основою адаптацій організмового рівня є зміни на молекулярному.

У житті не все просто

• 6. Які заходи вживаються для зменшення кількості антибіотиків, що потраплять до навколишнього середовища? Оцініть їхню ефективність.

Проект для дружної компанії

• 7. Виготовлення моделей еритроцитів різної форми у судині.

• 1) Змоделюйте судину прозорою порожньою ємністю, сферичні еритроцити — нееластичними кульками, а дископодібні еритроцити — циліндрами, того ж діаметру що й кульки, але у 4 рази меншої висоти.
• 2) Максимально щільно помістіть кульки і циліндри у ємність. Чого вмістилося більше? Чому?
• 3) Використайте вашу модель для допомоги вчителю чи вчительці під час пояснення будови еритроцитів людини на уроці біології у 8-му класі.