Особенности жизни в пустыне

Разве не чудо природы — вечерняя примула, расцветшая на огромной песчаной дюне, кролик, скачущий по дикой пустыне по мелким камешкам, ящерица, снующая меж валунов, и все это под палящим солнцем, а вокруг — ни капли воды, почти ни крошки еды? Каким образом удается этим живым организмам выжить и даже радоваться жизни? Так как условия существования в пустынях самые суровые на Земле, организмы, там обитающие, отличаются наиболее сильными адаптационными способностями, позволяющими им преодолевать все трудности, с которыми они сталкиваются. В результате они представляют собой самый яркий пример механизма естественного отбора, при котором слабые особи отбраковываются. К проблемам выживания, стоящим перед пустынными видами, относятся поиск и сохранение воды, умение избегать перегрева, обеспеченность достаточным количеством пищи, способность спасаться от преследователей. Однако необходимость решать эти проблемы ставит перед растениями и животными новые дилеммы, ибо, решив одну задачу, организм оказывается уязвимым, но уже в другой области.

Перед растениями пустыни стоит особая проблема. Они синтезируют углеводы из воды и углекислого газа, поглощаемого из воздуха, используя при этом солнечную энергию. Раскрывая устьица, чтобы поглотить углекислый газ, они теряют влагу в процессе, который называется транспирацией. В районах обильных дождей растения могут восполнить эту потерю влаги извлечением воды из почвы. Но в пустынях сухой воздух оказывает сильное иссушающее воздействие, и растениям приходится затрачивать немало усилий для восполнения потерь воды, извлекая ее из сухой как порох почвы. Перед животными пустыни стоят те же проблемы. Пока они занимаются поисками пищи в условиях сухого воздуха, они сами теряют через устьица много влаги, особенно в жаркое время суток. Как и растения, они постоянно балансируют на лезвии бритвы между голодной смертью и гибелью от перегрева.

Угроза перегрева — вторая проблема. Растения должны подставлять листья лучам солнца, чтобы поглощать свет, но при этом температура их повышается, иногда настолько, что это становится гибельным для их тканей. В районах обильных дождей потери влаги при транспирации сопровождаются охлаждением растений, но в пустыне слишком мало воды, необходимой для таких процессов охлаждения. Животные, ведущие активный образ жизни на солнце, также поглощают солнечное тепло. Хотя животные могут охладиться при потоотделении или при дыхании, они подвергают себя другой всем хорошо известной опасности. К тому же растения произрастают, а животные охотятся на открытой местности и, следовательно, постоянно находятся под угрозой нападения. Специальные адаптационные приспособления, позволяющие растениям и животным пустыни балансировать на этой тонкой грани, являются отличительными характеристиками таких организмов.

Добыча воды

Первое правило садовника, пересаживающего декоративное дерево или куст, — стараться сделать так, чтобы под землей оказалась такая же часть биологической массы растения, как и масса ветвей и листьев над поверхностью. Растения с достаточно развитой корневой системой могут сравнительно быстро впитывать воду, чтобы восстанавливать потери влаги в результате испарения. У растений пустыни корни обычно в два, а то и в шесть раз длиннее надземной части. Некоторые деревья и кусты, произрастающие в пустыне, пускают длинные, плотные корни на глубину 50—75 м, пока не достигнут старых русел водотоков. Добравшись до их дна, корни поглощают воду, которая собирается с большой площади. Такой усиленный рост корней происходит за счет недоразвитости листьев и стволов, что отчасти объясняет, почему надземная часть растений в пустыне так мала.

Животные пустыни добывают воду различными путями. Небольшие по размерам виды, такие, как муравьи, рептилии, птицы и грызуны, которые составляют большую часть фауны пустыни, не способны преодолевать большие расстояния в поисках водоемов и должны добывать воду из пищи. Семена, стебли и листья растений содержат примерно 50 % воды, а в плодах, молодых побегах и стволах таких суккулентов, как кактусы, содержание воды еще больше. Тело животных на две трети или три четверти состоит из воды, поэтому они в свою очередь служат источником влаги для хищников, которые ими питаются.

Хотя большинство животных пустыни не нуждается в питьевой воде, они охотно ее пьют, если она становится доступной после редких дождей или у водоемов. Вокруг водоемов кипит жизнь, что свидетельствует о том, что многие животные размножаются гораздо активнее при обилии воды, хотя для них это и не вопрос жизненной важности. Водоемы — центры скопления насекомых, птиц, млекопитающих, рептилий. Этим пользуются хищники, которые прячутся в засаде или же охотятся поблизости. Многие виды животных ждут наступления темноты и только тогда приходят на водопой к источникам воды, очевидно, чтобы избежать встречи с такими дневными охотниками, как ястребы и орлы.

Сохранение скудной влаги

Самая отличительная черта организмов пустыни — их адаптация к сохранению влаги. У растений выработались различные способы уменьшения потерь влаги при транспирации. Один из них — сокращение поверхности, с которой происходит транспирация. У одних растений совсем мало листьев; у них несколько устьиц находится на стебельках, являющихся основными производителями питательных веществ. К таким растениям относятся пустынный ракитник (Retama raetam), произрастающий в Северной Африке и на Среднем Востоке, паловерде (Cercidium), растущий в Северной и Южной Америке. У других растений пустыни вовсе не имеется листьев и фотосинтез происходит непосредственно в стеблях. Это, например, эфедра песчаная (Ephedra), растущая в пустыне Каракумы, и казуарина (Casuarina)t произрастающая в австралийской пустыне.

У некоторых растений листья вырастают после дождя, когда в почве содержится много влаги, и именно в это время происходит фотосинтез. Потом, когда почва высыхает, растения сбрасывают листья до следующего дождя. Такие растения называются засухо-листопадными. Типичный пример такого типа растений — фукерия окотилло (Fouquieria splendens), произрастающая в Северной Америке. У окотилло листья могут появиться несколько раз на протяжении года, но в особо засушливые годы они вообще не вырастают.

Отличительной особенностью пустынной растительности является то, что растения располагаются на большом расстоянии друг от друга. Полагают, что это результат борьбы корней растений за влагу. Чем суше почва, тем больше расстояние между растениями. Известно, что в листьях и корнях некоторых растений пустыни содержатся ядовитые вещества, которые, попадая в землю, препятствуют росту других молодых растений — это своего рода химическая война с конкурентами.

Некоторые растения пустыни обладают способностью сохранять воду после дождя. Кактусы и юкка в Северной и Южной Америке, алоэ в Южной Африке, молочай в Северной Африке и Азии называют суккулентами, поскольку у них толстые, губчатые листья и стебли, способствующие поглощению и хранению большого количества воды. Влагу, которую эти растения втягивают корнями после дождя, они затем постепенно расходуют в засушливые периоды. У суккулентов имеется простой метод уменьшения потерь влаги от транспирации. Фотосинтез и дыхание — в какой-то степени зеркальные процессы. Во время фотосинтеза растение из углекислого газа и воды, используя солнечную энергию, синтезирует углеводы, причем в качестве побочного продукта выделяется кислород. В процессе дыхания живые организмы расщепляют углеводы и другие продукты, при этом происходит поглощение кислорода и высвобождение изначально накопленной растениями энергии, необходимой для жизнедеятельности. В результате выделяются углекислый газ и вода. Таким образом, побочные продукты одной реакции — это строительные блоки другой.

Суккуленты выработали способность удерживать двуокись углерода, которую они выделяют при дыхании, а потом снова использовать ее во время фотосинтеза, фактически рециркулируя, таким образом, собственный углерод. Конечно, суккуленты не могли увеличиваться в размерах и развиваться, если бы при фотосинтезе использовали только тот углерод, который выделяется при дыхании. Необходимо дополнительно получать двуокись углерода из воздуха, чтобы в фотосинтезе участвовало больше углерода, чем выделяется при дыхании. Но благодаря тому что растение сохраняет и рециркулирует углерод, оно может держать устьица закрытыми вплоть до наступления ночи, когда влажность воздуха увеличивается, или до выпадения дождей, когда оно может возместить потери воды за счет транспирации.

Здесь следует отметить удивительную эволюционную параллель: у некоторых животных, обитателей пустыни, продукты метаболизма также рециркулируют для того, чтобы удержать влагу. При этом у них сохраняется метаболическая влага, почки перегоняют ее по второму кругу, а не выделяют из организма. Американская кенгуровая крыса {Dipodomys) выделяет мизерное количество мочи в день за счет рециркуляции метаболической влаги, в результате чего содержание воды в моче уменьшается.

Такие способы сохранения воды и эффективной работы почек наблюдаются у самых различных видов животных, обитателей пустыни. Мы находим их не только у кенгуровой крысы, но и у африканского и азиатского тушканчика (Jaculus), у австралийской прыгающей мыши (Notomys alexis), у газели Старого Света (Gazella), у вилорогой антилопы Нового Света (Antilocapra americana), у австралийских кенгуру. Такое развитие одинаковых черт у неродственных видов как реакция на сходные условия окружающей среды — яркий пример конвергентной эволюции.

Долгая сиеста

Гораздо большее число пустынных растений избегают гибели от засухи благодаря тому, что в засушливые периоды у них нет над поверхностью почвы стеблей, листьев и цветов. Однолетние растения, например морковь или ноготки в наших садах, живут и умирают в течение одного вегетационного сезона, оставляя семена — единственный живой организм, который передает эстафету жизни для следующего сезона вегетации. Однолетники типа пустынного горошка Стёрта (Clianthus jormosus), растущего в австралийских пустынях, кореопсиса, встречающегося в североамериканской пустыне Мохаве, Linaria michauxii, произрастающего в Иране, — самые распространенные растения пустыни. Почвы в пустынях насыщены их семенами, которые ждут, когда пройдут дожди, чтобы прорасти. Как только влаги становится достаточно, проросшие семена дают побеги, развиваются корни, стебли, листья, цветы, и буквально за несколько месяцев образуется новое поколение семян. Эти последовательные стадии должны сменяться очень интенсивно, чтобы в короткий промежуток времени, когда в почве достаточно влаги, растение могло успеть пройти весь цикл развития.

Для жизни однолетников представляет опасность то обстоятельство, что если они прорастут после небольшого дождя, то почва может потерять влагу до окончания жизненного цикла этих растений и они могут погибнуть еще до появления семян. Однако у пустынных однолетников имеются специальные защитные механизмы. Так, их семена прорастают только после достаточно обильных дождей, насыщающих почву влагой, — таким образом растения успевают завершить жизненный цикл. По мнению одного ботаника-пустыноведа, в покровных тканях семян пустынных однолетников содержатся химические вещества, которые не дают им прорасти, и семена прорастают только после того, как вода смоет эти вещества.

Многие насекомые, обитающие в пустыне, ведут себя подобным же образом и, по существу, являются «однолетними животными». Их яйца могут сохраняться в почве несколько лет в ожидании дождя, который позволит им проклюнуться и завершить жизненный цикл. Такие растения и животные называются эфемерами, и их непредсказуемое появление делает экосистемы пустыни чрезвычайно разнообразными.

Растения, стебли и корни которых сохраняются живыми в течение ряда лет, даже теряя листву, называются многолетними. Многие многолетние растения пустыни переносят засуху, прячась, подобно корневищам моркови или луковицам, под землей. Эти мясистые корневища и луковицы сохраняют влагу и питательные элементы, что обеспечивает метаболизм, пока они находятся под землей и на раннем периоде роста, причем растут они только в сезон дождей. Стоит над землей появиться стеблям и листьям, растение вырабатывает больше элементов питания, что позволяет ему активнее расти, цвести и вновь откладывать в корнях запасы для следующего засушливого сезона. С наступлением засухи надземная часть растения засыхает, и оно вновь начинает пребывать в состоянии покоя. Такие растения произрастают, например, в пустыне Негев на Ближнем Востоке. Там пустынный тюльпан (Tulipa amplyophylla) и негевский ирис (Iris atrofusca) весной украшают пустыню после зимних дождей, так же как наши сады расцвечивают менее выносливые к летней жаре садовые тюльпаны и ирисы.

Некоторые позвоночные, например птицы, млекопитающие и ящерицы, а также некоторые беспозвоночные, например пауки и скорпионы, — многолетние обитатели пустыни, причем некоторые из них проводят долгие жаркие сухие периоды под землей в пассивном состоянии. У млекопитающих и птиц это состояние называется анабиозом. Многие грызуны пустыни впадают в анабиоз в середине лета. Анабиоз — это состояние, аналогичное зимней спячке в условиях холодного климата.

Опасность перегрева

Поскольку растения не могут двигаться, они не в состоянии спрятаться от солнца во избежание перегрева. Поэтому некоторые растения выработали другие способы избегать перепадов температуры, которые для них не только вредны, но порой и губительны. Один из таких способов — отражение солнечной радиации, падающей на растения. На поверхности листьев многих растений пустыни, таких, как лебеда настоящая (Atriplex halimus) в пустыне Негев, имеются тонкие шелковистые белые волоски, что придает им серебристый оттенок и, таким образом, способствует отражению солнечных лучей.

Другие растения, такие, как австралийский эвкалипт (Eucalyptus), синтезируют белесую восковую пленку, покрывающую листья и служащую тем же целям. Эта пленка отражает более половины солнечной радиации, падающей на листья. Многие животные пустыни развиваются аналогичным образом, и механизмом отражения им служат бледные перья или светлая шерсть.

Другой способ, с помощью которого некоторые пустынные растения компенсируют невозможность уклониться от солнца, состоит в следующем: в самую жаркую часть дня они стараются подставлять солнцу как можно меньшую поверхность. Кактус и молочай тянутся прямо навстречу солнцу, поэтому только их верхушки оказываются под его прямыми лучами. Эвкалипты же поступают наоборот — они опускают свои листья к земле. В результате они получают довольно мало солнечного света. Животные также во время жары избегают солнечных лучей: они стараются спрятаться в тени растений, скал, холмов или под землей. Многие грызуны и ящерицы на день забираются в норы. Дневная относительная влажность летом в пустыне уменьшается до 10% —при таком ее уровне у большей части животных происходит обезвоживание организма. Однако в норах влажность сохраняется на уровне 30—40 %. Ночью влажность воздуха повышается до 25—30%, и животные могут отправляться на поиски пищи.

Избавление от жары

Несмотря на попытки растений и животных пустыни избегать перегрева при высокой температуре, некоторое нагревание в условиях высоких температур неизбежно. У растений более ограниченные возможности регулировать свою температуру, и потому им приходится выдерживать довольно сильные ее перепады. Если они способны противостоять экстремальным значениям, то выдерживают жару довольно легко. Среди животных наблюдается две разные физиологические группы. Птицы и млекопитающие относятся к одной группе — так называемой группе теплокровных, — но, согласно современной экологической терминологии, их чаще классифицируют как эндотермные, то есть организмы, согревающиеся изнутри. Эти животные, переваривая пищу, поддерживают температуру тела на постоянном высоком уровне. У птиц, как правило, температура тела 40—41 °С, а у млекопитающих — 37 °С. Когда птицы и млекопитающие находятся в условиях низкой температуры воздуха, в результате чего температура их тела понижается, они потребляют больше пищи, увеличивают скорость метаболических процессов и быстрее вырабатывают тепло. Однако при высокой температуре окружающей среды, такой, как в пустыне, они сталкиваются с противоположной проблемой. Хотя они могут несколько уменьшить скорость метаболизма, постоянно высокая температура их тела свидетельствует о необходимости высвобождения определенной части внутреннего тепла. Один из способов, к которому прибегают млекопитающие, чтобы понизить температуру своего тела, заключается в том, что днем они находятся под землей в норах, где намного прохладнее, и появляются на поверхности лишь ночью. В дневную жару птицы прячутся в тени и делаются неактивными.

Другой способ понизить внутреннюю температуру — увеличить площадь поверхности тела, с которой животное может излучать тепло в окружающую среду. В процессе эволюции у некоторых животных развиваются длинные тонкие туловища и шеи, а также длинные тонкие конечности, и в результате при малой общей массе у этих животных довольно большая поверхность тела. Представительница такого типа животных — газель доркас (Gazella dorcas), обитающая в Африке и Азии; это маленькая, изящная, очень пропорциональная антилопа.

Другие млекопитающие способны добывать достаточное количество влаги из пищи и сохранять ее в течение некоторого времени. При этом при испарении влаги происходит охлаждение их организма. Зебры и газели потеют, лисицы, волки и многие птицы пустыни выделяют влагу через легкие при учащенном дыхании. Некоторые австралийские кенгуру и валлаби, для того чтобы охладиться, часто облизывают шкуру. Животные, относящиеся ко второй группе, включая рептилий и беспозвоночных, отдают меньше тепла, получаемого при переваривании пищи, и в небольшом диапазоне могут сами регулировать температуру тела. Таким образом, температура их тела связана с внешними условиями. У этих эктотермных (зависящих от температуры окружающей среды) животных температура тела может повышаться до температуры воздуха и даже выше при поглощении солнечного излучения, нагревании на горячей земле или при вдыхании жаркого воздуха. Некоторые виды согреваются при быстром движении.

Когда температура воздуха резко понижается — особенно в холодные ночи, — температура тела у животных этой группы также понижается. Движения их замедляются, а порой, когда становится очень холодно, они вовсе перестают двигаться. Но эктотермные животные могут также регулировать температуру тела, избегая перегрева, когда они находятся на солнце в теплое время года. Подобно эндотермным животным, они ищут тень, зарываются под землю; у многих из них жизненная активность летом проявляется только ночью. Более того, они могут выдержать более широкий диапазон температур по сравнению с эндотермными.

Утоление голода в непредсказуемых условиях

В пустынях только раз в пять лет осадков выпадает выше нормы, раз в два года отмечается мало дождей или полное их отсутствие, раз в два года — среднее их количество. В очень сухих пустынях по нескольку лет не бывает дождей. Более того, структура осадков нестабильна и непредсказуема.

В таких условиях решением проблемы является запасание пищи — обычное поведение для грызунов пустыни, — поскольку пищи, как правило, очень мало. В дождливые годы североамериканские кенгуровые крысы и сумчатые мыши (Perognathus), а также африканские и азиатские тушканчики и песчанки (Gerbillus) собирают семена и хранят их в норах; так же поступают и муравьи, питающиеся семенами. В пустыне интенсивность и повторяемость выпадения осадков носят нестабильный характер; кроме того, следует учитывать огромные территории, которые занимают пустыни, однако в течение года в одном или другом районе пустыни осадки все-таки выпадают. Если животное не может запастись пищей, оно должно быть достаточно мобильным, чтобы отправиться туда, где есть пища. Такова стратегия кочевников, а большинство крупных травоядных животных и многие виды птиц, обитающие в пустынях, — кочевники.

Спасение от врагов

Некоторые растения пустыни обладают способностью к регенерации, после того как их объест животное. Некоторые же, такие, как кактусы и акации, защищаются кольчугой шипов, чтобы отпугнуть тех, кто ими питается. У ряда растений в стеблях и листьях содержится смола и терпены с едким запахом или вкусом.

Большинство животных не обладает способностью растений регенерировать, поэтому они должны спасаться бегством и укрываться от врага. На открытых пространствах пустынь у них вырабатываются особые способы передвижения, позволяющие им спастись от врагов. Многие виды птиц, обитающих в пустыне, предпочитают убегать от преследователей по земле, а не лететь. В процессе эволюции у многих ящериц и млекопитающих выработалась способность подниматься вертикально и убегать на двух задних конечностях. Самая «современная» форма передвижения — скачки кенгуру; такая «походка» характерна для многих видов грызунов, живущих в пустынях всего мира; отсюда-то и пошло название кенгуровых крыс Нового Света.

Если животное не способно убежать от врагов, оно может спрятаться и тем самым спастись от преследования. У многих животных пустыни бледная окраска кожи, меха, перьев делает их незаметными на залитой солнцем местности. (Бледный цвет также помогает отражать солнечные лучи, о чем мы уже упоминали.) Но такую защитную окраску животное должно сочетать со способностью сливаться с местностью, оставаться на месте, «замереть», если оно не хочет, чтобы его обнаружили такие зоркие хищники, как лиса или ястреб. Помогает здесь и умение прятаться в нору или зарываться в песок. Таким образом, на открытых пространствах пустыни жизнь под землей помогает животному и сохранить влагу, и избежать перегрева, и скрыться от врагов.

Дивергентная и конвергентная эволюция

Знание способов адаптации организмов к окружающей среде необходимо для понимания их экологии. Но экологи хотят также установить историю развития таких взаимосвязей, чтобы лучше осмыслить конечный результат. Так, например, в популяции короткоухих мышей пустыни смогли выжить особи с более длинными ушами, поскольку они эффективнее избегали перегрева. И уже через несколько поколений в популяции будут доминировать особи с длинными ушами. Подобные изменения происходят не только с какой-нибудь одной характеристикой животных. Одновременно могут изменяться окраска и форма тела, форма конечностей, поведенческие и другие характеристики, что в результате приводит к появлению нового вида.

Представим себе, как под воздействием различных внешних условий могут изменяться короткоухие мыши: одни могут достичь больших размеров и стать похожими на крыс, у других могут вырасти длинные хвосты и появиться способность лазать по деревьям, третьи же могут научиться выкапывать себе глубокие норы и начать вести подземный образ жизни. Все они будут по-прежнему грызунами, но уже разных видов.

Эти расходящиеся линии эволюции называются дивергенцией. До последнего времени при изучении проблем эволюции ученые основное внимание уделяли именно дивергенции. И все же полезно задуматься: могут ли короткоухие грызуны типа крыс под давлением отбора в пустынной среде через продолжительный период времени стать обладателями длинных ушей, как их дальние родственники — длинноухие мыши? Могут ли живущие на деревьях и обитающие под землей виды — совсем далекие «родственники» — начать изменяться аналогичным образом, если они тоже попадут в пустыню? В подобной ситуации все эти виды будут конвергировать в ходе своей эволюции, и у них появятся длинные уши. Может ли селективное давление условий пустыни быть во всем мире аналогичным, а процесс естественного отбора столь эффективно видоизменять различные виды, что в результате не имеющие между собой родственной связи организмы будут конвергировать, пока не станут одинаковыми по внешнему облику?

Ответы на все эти вопросы будут утвердительными. Мы наблюдаем бесконечное число примеров конвергенции строения тела, манеры поведения, движения, размеров листа, суккулентности, функционирования почек и т. д. Сегодня студент, занимающийся проблемами эволюции, изучает примеры как дивергенции, так и конвергенции, поскольку каждый процесс только подтверждает другой, свидетельствуя об эффективности естественного отбора. Конвергенция проявляется как в строении тела, так и в экологическом функционировании организма. В пустыне имеются ареалы, где живет множество питающихся семенами грызунов, муравьев и птиц, что обусловлено наличием семян. Характерной особенностью многих пустынь является и присутствие здесь большого количества пчел, опыляющих цветы, и жуков-чернотелок, которые кормятся отмершими растениями. Организмы из различных экосистем, сформировавшиеся под воздействием сходных условий окружающей среды и — что еще более важно — имеющие сходный внешний вид, называются экологическими эквивалентами. Тушканчики и кенгуровые крысы, гадюки-бокоходы и гремучие змеи-бокоходы имеют сходные черты в условиях пустынь. Это не значит, что между ними нет никаких различий. Кенгуру — не газель, а сочный суккулентный молочай — не кактус. Однако такое сочетание различий и общности, эти повторяющиеся вариации общих явлений и привлекают экологов, занимающихся изучением экосистем пустынь.

Поддержите проект Мир Знаний, подпишитесь на наш канал в Яндекс Дзен

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *