Биомасса, продуктивность и основные функции биосферы

Судя по оценкам биомассы и продуктивности биомов, суммарная биомасса биосферы (в расчете на сухое вещество) составляет около 2 трлн т, ежегодная продукция биомассы в 10 раз меньше. Живое вещество биосферы на 99,5% представлено биомассой наземных растений. Общее количество энергии, преобразуемое биотой биосферы за год, превышает 10²² Дж. Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей растения и другие организмы выполняют ряд фундаментальных биогеохимических функций планетарного масштаба.

Газовая функция. Живые существа постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессах фотосинтеза и дыхания.

Концентрационная функция. Пропуская через свое тело большие объемы воздуха и природных растворов, живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов и их соединений. Это относится не только к биосинтезу органики, но и к таким явлениям, как строительство раковин и скелетов, образование коралловых островов и т.д. Организмы научились извлекать из разбавленного водного раствора необходимые для них вещества, многократно увеличивая их концентрацию в своем теле.

Окислительно-восстановительная функция живого вещества тесно связана с биогенной миграцией элементов и концентрированием веществ.

Информационная функция живого вещества биосферы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором.

Перечисленные функции живого вещества биосферы обращены в основном к внешним факторам существования. Все вместе они составляют мощную средообразующую функцию. Работа растений обусловила современный состав атмосферы. От состава атмосферы зависит радиационный и тепловой режим на планете, спектральный состав достигающего поверхности Земли солнечного света. Растительный покров существенно определяет водный баланс, распределение влаги и климатические особенности больших пространств. Живые организмы играют ведущую роль в самоочищении воздуха, рек и озер, от них во многом зависит солевой состав природных вод и распределение химических веществ между сушей и океаном.

Средообразующая функция биосферы связана со средорегулирующей функцией - биотической регуляцией окружающей среды. Биота в глобальном масштабе способна с большой точностью и долгое время поддерживать на постоянном уровне важные параметры окружающей среды, несмотря на исключительную сложность и динамичность регулируемой системы. Таким образом, биота биосферы формирует и контролирует состояние окружающей среды.

Организмы делят на пять больших царств:

1. Монеры, или бактерии – одноклеточные организмы, клетки которых имеют простое строение.

2. Протисты – одноклеточные организмы с более сложной структурой.

3. Растения – автотрофные (питающиеся неорганическими веществами) организмы, для которых характерны способность к фотосинтезу и наличие плотных клеточных оболочек, состоящих, как правило, из целлюлозы; запасным веществом обычно служит крахмал.

4. Животные – гетеротрофные (питающиеся готовыми органическими веществами) организмы, не способны к фотосинтезу и, как правило, не имеют плотных клеточных оболочек; запасным веществом обычно служит гликоген. Отсутствие резкой границы между растениями и животными является следствием их общего происхождения, что подтверждается принципиальным единством путей обмена веществ, клеточным строением, общими закономерностями механизмов наследственности и изменчивости.

5. Грибы – одноклеточные или многоклеточные, разнообразные по размерам и строению гетеротрофные организмы с клеточной стенкой, состоящей из хитина (как у некоторых животных) или целлюлозы (как у растений).

Основные функции, которые должен выполнять каждый организм:

1. Получение питательных веществ или их синтез

2. Газообмен

3. Удаление продуктов распада

4. Перенос питательных веществ, газов, продуктов синтеза и распада в организме

5. Восприятие внешних раздражений

6. Расселение (перемещение, распространение семян или личинок)

7. Опора и защита

8. Координация всех функций

9. Размножение.

Более подробно на этих функций опишем в следующем пункте лекции.

Свойства живого вещества

Для живого характерен ряд свойств, которые в совокупности «делают» живое живым. Такими свойствами являются самовоспроизведение, специфичность организации, упорядоченность структуры, целостность и дискретность, рост и развитие, обмен веществ и энергии, наследственность и изменчивость, раздражимость, движение, внутренняя регуляция, специфичность взаимоотношений со средой.

Самовоспроизведение (репродукция). Это свойство является важнейшим среди всех остальных. Замечательной особенностью является то, что самовоспроизведение тех или иных организмов повторяется в неисчислимых количествах генераций, причем генетическая информация о самовоспроизведении закодирована в молекулах ДНК. Положение «все живое происходит только от живого» означает, что жизнь возникла лишь однажды и что с тех пор начало живому дает только живое. Важнейшее значение самовоспроизведения заключается в том, что оно поддерживает существование видов, определяет специфику биологической формы движения материи.

Специфичность организации. Она характерна для любых организмов, в результате чего они имеют определенную форму и размеры. Единицей организации (структуры и функции) является клетка. В свою очередь клетки специфически организованы в ткани, последние — в органы, а органы — в системы органов. Организмы не «разбросаны» случайно в пространстве. Они специфически организованы в популяции, а популяции специфически организованы в биоценозы. Последние вместе с абиотическими факторами формируют биогеоценозы (экологические системы), являющиеся элементарными единицами биосферы.

Упорядоченность структуры. Для живого характерна не только сложность химических соединений, из которого оно построено, но и упорядоченность их на молекулярном уровне, приводящая к образованию молекулярных и надмолекулярных структур. Упорядоченность в пространстве сопровождается упорядоченностью во времени.

Целостность (непрерывность) и дискретность (прерывность). Жизнь целостна и в то же время дискретна как в плане структуры, так и функции. Например, субстрат жизни целостен, т. к. представлен нуклеопротеидами, но в то же время дискретен, т. к. состоит из нуклеиновой кислоты и белка.

Рост и развитие. Рост организмов происходит путем прироста массы организма за счет увеличения размеров и числа клеток. Он сопровождается развитием, проявляющимся в дифференцировке клеток, усложнении структуры и функций.

Обмен веществ и энергии. Благодаря этому свойству обеспечивается постоянство внутренней среды организмов и связь организмов с окружающей средой, что является условием для поддержания жизни организмов. Живые клетки получают (поглощают) энергию из внешней среды в форме энергии света. В дальнейшем химическая энергия преобразуется в клетках для выполнения многих работ. В частности, для осуществления химической работы в процессе синтеза структурных компонентов клетки, осмотической работы, обеспечивающей транспорт разных веществ в клетки и вывод из них ненужных веществ, и механической работы, обеспечивающей сокращение мышц и передвижение организмов.

Таким образом, клетка является изотермической системой. Между ассимиляцией (анаболизмом) и диссимиляцией (катаболизмом) существует диалектическое единство, проявляющееся в их непрерывности и взаимности.

Наследственность и изменчивость. Наследственность обеспечивает материальную преемственность между родителями и потомством, между поколениями организмов, что в свою очередь обеспечивает непрерывность и устойчивость жизни. Основу материальной преемственности в поколениях и непрерывности жизни составляет передача от родителей к потомству генов, в ДНК которых зашифрована генетическая информация о структуре и свойствах белков.

Изменчивость связана с появлением у организмов признаков, отличных от исходных, и определяется изменениями в генетических структурах. Наследственность и изменчивость создают материал для эволюции организмов.

Раздражимость. Реакция живого на внешние раздражения является проявлением отражения, характерного для живой материи. Факторы, вызывающие реакцию организма или его органа, называют раздражителями. Ими являются свет, температура среды, звук, электрический ток, механические воздействия, пищевые вещества, газы, яды и др.

Благодаря раздражимости организмы уравновешиваются со средой. Избирательно реагируя на факторы среды, организмы «уточняют» свои отношения со средой, в результате чего возникает единство среды и организма.

Движение. Способностью к движению обладают все живые существа. Многие одноклеточные организмы двигаются с помощью особых органоидов. К движению способны и клетки многоклеточных организмов (лейкоциты, блуждающие соединительнотканные клетки и др.), а также некоторые клеточные органеллы. Совершенство двигательной реакции достигается в мышечном движении многоклеточных животных организмов, которое заключается в сокращении мышц.

Внутренняя регуляция. Процессы, протекающие в клетках, подвержены регуляции. На молекулярном уровне регуляторные механизмы существуют в виде обратных химических реакций, основу которых составляют реакции с участием ферментов, обеспечивающие замкнутость процессов регуляции по схеме синтез — распад — ресинтез. Синтез белков, включая ферменты, регулируется с помощью механизмов репрессии, индукции и позитивного контроля. Напротив, регуляция активности самих ферментов происходит по принципу обратной связи, заключающейся в ингибировании конечным продуктом.

Специфичность взаимоотношений со средой. Организмы взаимодействуют не только между собой, но и со средой, из которой они получают все необходимое для жизни. Организмы либо отыскивают среду, либо адаптируются (приспосабливаются) к ней. Между организмами и средой, между живой и неживой природой существует единство, заключающееся в том, что организмы зависят от среды, а среда изменяется в результате жизнедеятельности организмов.

Обобщая сведения о свойствах живого, можно заключить, что клетки представляют собой открытые изотермические системы, которые способны к самосборке, внутренней регуляции и к самовоспроизведению. В этих системах осуществляется множество реакций синтеза и распада, катализируемых ферментами, синтезируемыми внутри самих клеток.

Свойства, перечисленные выше, присущи только живому. Некоторые из этих свойств обнаруживаются и при исследовании тел неживой природы, однако у последних они характеризуются совершенно другими особенностями. Например, кристаллы в насыщенном растворе соли могут «расти». Однако этот рост не имеет тех качественных и количественных характеристик, которые присущи росту живого. Между свойствами, характеризующими живое, существует диалектическое единство, проявляющееся во времени и пространстве на протяжении всего органического мира, на всех уровнях организации живого.

Уровни организации живого

В организации живого в основном различают молекулярный, клеточный, тканевой, органный, организменный, популяционный, видовой, биоценотический и глобальный (биосферный) уровни. На всех этих уровнях проявляются все свойства, характерные для живого. Каждый из этих уровней характеризуется особенностями, присущими другим уровням, но каждому уровню присущи собственные специфические особенности.

Молекулярный уровень. Этот уровень является глубинным в организации живого и представлен молекулами нуклеиновых кислот, белков, углеводов, липидов, и стероидов, находящихся в клетках и, как уже отмечено, получивших название биологических молекул.

На молекулярном уровне осуществляется фиксация лучистой энергии и превращение этой энергии в химическую, запасаемую в клетках в углеводах и других химических соединениях, а химической энергии углеводов и других молекул — в биологически доступную энергию, запасаемую в форме макроэнергетических связей АТФ. Наконец, на этом уровне происходит превращение энергии макроэргических фосфатных связей в работу — механическую, электрическую, химическую, осмотическую, механизмы всех метаболических и энергетических процессов универсальны.

Клеточный уровень. Этот уровень организации живого представлен клетками, действующими в качестве самостоятельных организмов (бактерии, простейшие и другие), а также клетками многоклеточных организмов. Главнейшая специфическая черта этого уровня заключается в том, что с него начинается жизнь. Будучи способными к жизни, росту и размножению, клетки являются основной формой организации живой материи, элементарными единицами, из которых построены все живые существа (прокариоты и эукариоты). Между клетками растений и животных нет принципиальных различий по структуре и функциям. Некоторые различия касаются лишь строения их мембран и отдельных органелл.

На клеточном уровне происходит разграничение и упорядочение процессов жизнедеятельности в пространстве и во времени, что связано с приуроченностью функций к разным субклеточным структурам.

Тканевой уровень представлен тканями, объединяющими клетки определенного строения, размеров, расположения и сходных функций. Ткани возникли в ходе исторического развития вместе с многоклеточностью. У многоклеточных организмов они образуются в процессе онтогенеза как следствие дифференциации клеток. У животных различают несколько типов тканей (эпителиальная, соединительная, мышечная, нервная, а также кровь и лимфа). У растений различают меристематическую, защитную, основную и проводящую ткани. На этом уровне происходит специализация клеток.

Органный уровень. Представлен органами организмов. У простейших пищеварение, дыхание, циркуляция веществ, выделение, передвижение и размножение осуществляются за счет различных органелл. У более совершенных организмов имеются системы органов. У растений и животных органы формируются за счет разного количества тканей. Для позвоночных характерна цефализация, защищающаяся в сосредоточении важнейших центров и органов чувств в голове.

Организменный уровень. Этот уровень представлен самими организмами — одноклеточными и многоклеточными организмами растительной и животной природы. Специфическая особенность организменного уровня заключается в том, что на этом уровне происходит декодирование и реализация генетической информации, создание структурных и функциональных особенностей, присущих организмам данного вида. Организмы уникальны в природе, потому что уникален их генетический материал, детерминирующий развитие, функции и взаимоотношение их с окружающей средой.

Популяционный уровень. Растения и животные не существуют изолированно; они объединены в популяции. Создавая надорганизменную систему, популяции характеризуются определенным генофондом и определенным местом обитания. В популяциях начинаются и элементарные эволюционные преобразования, происходит выработка адаптивной формы.

Видовой уровень. Этот уровень определяется видами растений, животных и микроорганизмов, существующими в природе в качестве живых звеньев. Популяционный состав видов чрезвычайно разнообразен. В составе одного вида может быть от одной до многих тысяч популяций, представители которых характеризуются самым различным местообитанием и занимают разные экологические ниши. Виды представляют собой результат эволюции и характеризуются сменяемостью. Ныне существующие виды не похожи на виды, существовавшие в прошлом. Вид является также единицей классификации живых существ.

Биоценотический уровень. Представлен биоценозами — сообществами организмов разной видовой принадлежности. В таких сообществах организмы разных видов в той или иной мере зависят один от другого. В ходе исторического развития сложились биогеоценозы (экосистемы), которые представляют собой системы, состоящие из взаимозависимых сообществ организмов и абиотических факторов среды. Экосистемам присуще динамическое (подвижное) равновесие между организмами и абиотическими факторами. На этом уровне осуществляются вещественно-энергетические круговороты, связанные с жизнедеятельностью организмов.

Биосферный (глобальный) уровень. Этот уровень является высшей формой организации живого (живых систем). Он представлен биосферой. На этом уровне осуществляется объединение всех вещественно-энергетических круговоротов в единый гигантский биосферный круговорот веществ и энергии.

Между разными уровнями организации живого существует диалектическое единство, живое организовано по типу системной организации, основу которой составляет иерархичность систем. Переход от одного уровня к другому связан с сохранением функциональных механизмов, действующих на предшествующих уровнях, и сопровождается появлением структуры и функций новых типов, а также взаимодействия, характеризующегося новыми особенностями, т. е. связан с появлением нового качества.

 

Вопросы для самоконтроля:

1. В чем заключается всеобщий методологический подход к пониманию сущности жизни? Когда он возник и в связи с чем?

2. Можно ли определить сущность жизни? Если да, то в чем заключается это определение и каковы его научные обоснования?

3. Возможна ли постановка вопроса о субстрате жизни?

4. Назовите свойства живого. Укажите, какие из этих свойств характерны для неживого и какие только для живого.

5. Какое значение для биологии имеет подразделение живого на уровни организации? Имеет ли такое подразделение практическое значение?

6. Какими общими чертами характеризуются разные уровни организации живого?

7. Почему нуклеопротеиды считают субстратом жизни и при каких условиях они выполняют эту роль?

8. Какое содержание вкладывают в понятия «мертвое» и «неживое»?

 

 

ЛЕКЦИЯ №4

 

Тема: Разнообразие форм жизни на Земле. Живые системы

Цель лекции: Изучить сущность биосферы, ее роль в планетарном масштабе, ее функции и уникальные особенности живого вещества

Ключевые слова: характеристика, функция, граница, особенность, отличительные признаки и др

Основные вопросы (положения) и краткое содержание

1. Характеристика сред жизни

2. Характеристика царств

3. Биогеохимические циклы

4. Основные законы экологии

 

Характеристика сред жизни

Жизнь протекает на большом пространстве разнообразной поверхности земного шара.

Оболочку Земли, где существует жизнь в ее различных формах, называют биосферой.

Биосфера включает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и поверхностные слои литосферы – почву, которая образовалась в результате процессов выветривания и деятельности живых организмов. Каждая из этих оболочек Земли имеет свои особые условия, создающие разные среды жизни (водную, наземно–воздушную, почвенную, организменную). Различными условиями сред жизни порождаются многообразие форм живых существ и их специфические свойства.

Так, живые существа, населяющие водную среду, – гидробионты ( от греч. Hydor – "вода" и biontos – "живущий") способны к обитанию в плотной и вязкой водной среде: дышат в ней, размножаются, находят пищу и укрытия, передвигаются (плавают и "парят") в разных направлениях в толще воды.

Иными качествами наделены организмы, населяющие наземно–воздушную среду жизни. В процессе эволюции они приобрели способность существовать в менее плотной (по сравнению с водой) наземно–воздушной среде, при обилии воздуха и кислорода, резком колебании освещенности, суточных и сезонных температур, при дефиците влаги. Организмы, населяющие эту среду, называют аэробионтами (греч. Aer – "воздух") или террабионтами (греч. Terra – "земля").

Обитатели почвенной среды жизни, называемые педобионтами (греч. Pedon –"почва"), или эдафобионты (латин. Edaphos –почва), отличаются небольшими размерами тела, способностью обходиться без света, питаться мелкими животными и органическими веществами мертвых тел, попавших в почву.

Организмы, обитающие внутри другого живого существа – хозяина (в его кишечнике, крови, мышечной ткани, дыхательной системе, печени, кожных покровах и пр), называют эндобионтами (греч. Endon –"внутри"). В большинстве случаев это очень мелкие живые существа. Одни из них являются паразитами, т. е. питаются веществами тела хозяина, другие полезны хозяину, а третьи нейтральны.

В историческом развитии жизни на Земле возникло разнообразие форм живого, обусловленное не только обитанием в разных средах жизни, но и уровнем сложности организмов. Самые древние из них – многочисленные прокариоты (бактерии). Более поздние – эукариоты (растения, грибы, животные).

Раздел биологии, который занимается распределением живых организмов по группам на основе сходства и родства, называется систематикой. Основоположником систематики является шведский ученый Карл Линней (1707-1778). Первую естественнонаучную классификацию создал Ч.Дарвин (1809-1882). Основная единица классификации – вид (совокупность особей, имеющих сходное строение, образ жизни, способных к скрещиванию и населяющих определенную территорию). Близкородственные виды объединяют в род, роды – в семейство, семейства – в отряд, отряды – в класс, классы – в тип для животных и отдел для растений, типы – в подцарство, подцарства – в царство. Различают пять царств живой природы: вирусы, прокариоты, грибы, растения, животные

Характеристика царств

ЦАРСТВО ВИРУСЫ. Вирус - неклеточный инфекционный агент, который может воспроизводиться только внутри живых клеток. Изучает вирусология.

Вирусы поражают все типы организмов, от растений и животных до бактерий и архей (вирусы бактерий обычно называют бактериофагами).

Обнаружены также вирусы, поражающие другие вирусы (вирусы-сателлиты).

Вирусные частицы (вирионы) состоят из двух или трёх компонентов: генетического материала в виде ДНК или РНК (некоторые, например мимивирусы, имеют оба типа молекул); белковой оболочки (капсида), защищающей эти молекулы, и, в некоторых случаях, - дополнительных липидных оболочек.

Примерами наиболее известных вирусных заболеваний человека могут служить простуда (она может иметь и бактериальную этиологию), грипп, ветряная оспа и простой герпес. Многие серьёзные болезни, например, геморрагическая лихорадка Эбола, СПИД, птичий грипп и тяжёлый острый респираторный синдром вызываются вирусами. Относительная способность вируса вызывать заболевание характеризуется термином вирулентность.

ЦАРСТВО ПРОКАРИОТ. Включает древнейших обитателей планеты, появившихся около 3 млрд. лет назад, бактерий (в обиходе микробы). Микроскопические одноклеточные организмы, но лишены оформленного ядра. По форме делятся на кокки, бациллы, вибрионы, спириллы и др. Большинство гетеротрофны. Размножаются делением надвое. Изучает микробиология.

 

Таблица 4 – Разнообразие форм живых организмов царства прокариот

Подцарства	Количество видов	Представители
Настоящие бактерии		Возбудители воспаления легких, туберкулеза, сальмонеллеза, чумы, холеры и т.д. Бродильные бактерии
Архебактерии	Свыше 40 видов	Серобактерии, метанообразующие бактерии
Оксифотобактерии	Около 2 тыс. видов	Цианобактерии

 

ЦАРСТВО ГИБЫ. Обладают признаками растений (всасывание питательных веществ, неограниченный рост) и животных (гетеротрофы, хитин, гликоген). Основа гриба - мицелий. Самые древние – 170-190 млн.лет. Шляпочные грибы, наряду с почвенным мицелием, имеют плодовое тело. Гетеротрофны. Сапрофиты питаются мертвой органикой, разрушая остатки погибших организмов и образуя перегной. Встречаются грибы-паразиты. Там, где по отдельности грибы и водоросли жить не могут, встречаются лишайники. В ходе эволюции грибы перешли к наземному образу жизни и размножению спорами. У грибов впервые возникла многоклеточность. Изучает микология

 

Таблица 5 – Количественная и качественная характеристика представителей царства грибы

Отделы	Количество видов	Представители
Настоящие грибы	Около 100 тыс видов	Мукор, дрожжи, шляпочные грибы, синтизируют антибиотики
Оомицеты	Около 70 видов	фитофтора
Лишайники (симбиоз гриба и водоросли или цианобактерии)	Около 2 тыс. видов	Ягель, накипные лишайники

 

ЦАРСТВО РАСТЕНИЕ. Изучает ботаника. Свыше 350 тыс. видов. Составляют около 95% от биомассы планеты. Основные продуценты органического вещества Земли. Осовные признаки растений:

1. Способность к фотосинтезу;

2. Наличие в лктеках пигментов (хлорофилл, каротиноиды);

3. Выделение фитогормонов, регулирующих процессы их жизнедеятельности (ауксины-ускорители роста);

4. Клетки окружены клеточной стенкой, образованной целлюлозой;

5. Имеют неограниченный рост;

6. Имеют вакуоли, заполненные клеточным соком, который обрузается в результате обмена веществ. Сок обеспечивает тургор.

 

Таблица 6 – Количество видов и представители царства растений

Отделы	Количество видов	Представители
Подцарство низшие растения (тело не разделено на органы)
Зеленые водоросли	13 тыс.	Хлорелла, хламидомонада (одноклеточные); улотрикс, ульвовые, харовые
Красные водоросли (багрянки)	4 тыс.	В тропических и субтропических морях. Филлофора - из нее получают агар-агар.
Бурые водоросли		Основной источник органического вещества прибрежной зоны. Ламинария
Подцарство высшие растения (тело разделено на органы: вегетативные: корень, стебель и листья и репродуктивные – цветки и плоды)
Моховидные		Печеночные мох, сплахнум, сфагнум, кукушкин лен
Плауновидные		Плаун баранец
Хвощевидные		Хвощ лесной
Папоротниковидные		Орляк, древовидные, лиановидные
Голосеменные		90% лесов представлены голосеменными: сосна, ель, и т.д.
Покрытосеменные (цветковые)	250 тыс.	Однодольные: лук, чеснок, пшеница, рожь Двудольные: капуста, редька, яблоня, картофель

 

ВОДОРОСЛИ – сборная группа низших растений, которые могут быть одноклеточными, колониальными и многоклеточными. Тело многоклеточных водорослей не имеет вегетативных органов. Размножаются половым и бесполым путем. Населяют все водоемы планеты, живут в почве, на поверхности земли и в воздухе.

МХИ – это высшие растения, которые имеют вегетативные органы (стебли, листья) и многоклеточные органы полового размножения. Оплодотворение возможно только в воде. Имеют ризоиды – нитевидные выросты, состоящие из одной или нескольких клеток. Мхи вызывают заболачивание; отмирая, они образуют торф.

ХВОЩИ И ПЛАУНЫ имеют стебель, листья и корень. В их жизненном цикле наблюдается чередование гаметофита (полового поколения) и спорофита. Важнейшее условие полового размножения – наличие воды.

ПАПОРОТНИКИ – в их жизненном цикле преобладает спорофит. Распространены во влажных местах от тропиков до северных широт.

ГОЛОСЕМЕННЫЕ растения имеют семя, которое защищает зародыш от неблагоприятных воздействий и обеспечивает его питательными веществами на первых этапах. Оплодотворение не зависит от присутствия воды. Наиболее распространены представители класса хвойных.

ПОКРЫТОСЕМЕННЫЕ (ЦВЕТКОВЫЕ) – самые распространенные растения на Земле. Для них характерно наличие цветков и семян, заключенных в плод.

ЦАРСТВО ЖИВОТНЫЕ. Изучает зоология. Свыше 1,5-2 млн. видов. Осовные признаки животных:

1. Гетеротрофное питание;

2. Отсутствие клеточной стенки;

3. Активное передвижение, наличие специальных органов движения;

4. Обмен веществ в организме выполняется системами органов;

5. В клетках имеются центриоли;

6. Имеют ограниченный рост;

7. Характерна четкая симметрия тела.

 

Таблица 7 – Описание представителей царства животные

Типы	Количество видов	Представители
ПОДЦАРСТВО ОДНОКЛЕТОЧНЫЕ – свыше 40 тыс. видов
Саркожгутиконосцы		Амебы – обыкновенная, дизентерийная, волвокс
Споровики		Малярийный плазмодий
Инфузории (ресничные)		Инфузория туфелька
ПОДЦАРСТВО МНОГОКЛЕТОЧНЫЕ
Губки	5 тыс.	Пресноводная губка бодяга
Кишечнополостные	10 тыс.	Гидра пресноводная, медуза, кораллы
Плоские черви	12,5 тыс.	Планария, печеночный сосальщик, бычий цепень
Круглые черви (нематоды)	20 тыс.	Почвенная нематода, власоглав, острица, аскарида.
Кольчатые черви	9 тыс.	Нереида, дождевой червь, пиявка
Моллюски	130 тыс.	Беззубка, устрица, мидия, морской гребешок, жемчужница, кальмар, улитка, каракатица, осьминог, наутилус
Членистоногие	1, 5 млн.	Паукообразные, ракообразные, насекомые
Иглокожие	6 тыс.	Морские звезды, морские
Хордовые	40 тыс.	п\т бесчерепные – ланцетник; п\т личиночно-хордовые – оболочники; п\т позвоночные - Рыбы, земноводные, пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие

 

Подцарство одноклеточные. Большинство одноклеточных, или простейших имеют микроскопические размеры (от 3-4 до 50-150 мкм). В клетке имеются органоиды специального назначения. В неблагоприятных условиях образуют цисту. Размножение основном бесполое, но встречается и половой процесс. Среда обитания –пресные водоемы, моря, почва. Много паразитирующих видов (споровики). Некоторые образуют колонии (вольвокс).

Подцарство многоклеточные подразделяется на две группы - беспозвоночные и хордовые. К беспозвоночным относятся двухслойные животные с лучевой симметрией (губки и кишечнополостные) и трехслойные животные с двусторонней и лучевой симметрией.

Биогеохимические циклы

3.1. Биогенный круговорот. Известно, что вещество на нашей планете перемещается в соответствии с силами земного тяготения. Неживое вещество само по себе перемещается по наклонной плоскости исключительно сверху вниз. Только в этом направлении движутся реки, ледники, лавины, осыпи. Общее направление движения - от континентов к океану.

Живое вещество - единственный фактор, который обусловливает обратное перемещение вещества - снизу вверх, из океана на континенты.

Биологический круговорот - поступление химических элементов из почвы и атмосферы в живые организмы; превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения и возвращение их в почву, атмосферу и воду в процессе жизнедеятельности с ежегодным спадом части органического вещества или с полностью отмершими организмами, входящими в состав биогеоценоза.

Биологический круговорот веществ включён в более общий круговорот - геологический. Длительность биосферного цикла составляет от нескольких десятков и сотен до нескольких тысяч лет, а геологического - миллионы лет.

Круговорот веществ на Земле - есть повторяющиеся процессы превращения, перераспределения и перемещения вещества, энергии и информации.

Космические излучения в биосфере преобразуются в разнообразные виды энергии. Преобразование энергии происходит в процессе её циркуляции между веществом планеты и живыми организмами биосферы, биогеохимического круговорота веществ - перемещения огромных масс химических элементов, перераспределения накопленной в процессе фотосинтеза энергии, преобразования информации. Биогенная миграция атомов обеспечивает непрерывность жизни в биосфере при конечном количестве вещества и постоянном притоке солнечной энергии.

3.2. Биогеохимические функции разных групп организмов. Биологическая составляющая биогеохимических циклов отдельных элементов выражается вовлечением неорганических веществ в органический синтез, многократной трансформацией органических веществ в процессе метаболизма и разложением их до минеральных веществ по ходу цикла редукции. Вместе эти звенья составляют биологический круговорот веществ.

Основные трофические уровни (трофос - питание), составляющие базу круговорота, представлены конкретными видами организмов - продуцентов, консументов и редуцентов, различающимися между собой по типу метаболизма и соответственно, по конкретной функции, выполняемой на данном трофическом уровне.

Пищевая специализация в наиболее общей форме выражена в подразделении всех живых организмов на автотрофов и гетеротрофов. Первые в циклах биогенного круговорота составляют уровень продуцентов, вторые - консументов и редуцентов.

Автотрофы, используя энергию солнечной радиации (фотосинтетики) или химических связей (хемосинтетики), из углекислого газа, воды и минеральных элементов синтезируют основные классы органического вещества: углеводы, жиры (липиды), белки, нуклеиновые кислоты и др.

Дальнейшие преобразования синтезированных продуцентами органических веществ происходят на уровне организмов-гетеротрофов, которые специализированы по использованию различного рода пищи. Среди гетеротрофов различают фитофагов, использующих растительную пищу и составляющих уровень консументов I порядка, и зоофагов (хищники, паразиты), питающихся животными и составляющих трофические уровни консументов II порядка и выше. Потребители мёртвых организмов, формирующие циклы деструкции органического вещества, по пищевой специализации подразделяются на некрофагов (потребители трупов животных), копрофагов (потребители экскрементов), сапрофагов (потребители мёртвых растительных остатков) и детритофагов (потребители полуразложившихся органических веществ). На последних стадиях деструкционных циклов функционируют редуценты, минерализующие остатки органического вещества.

3.3. Энергетическое обеспечение биологического круговорота. Все преобразования веществ в процессе круговорота требуют затрат энергии. Ни один живой организм не продуцирует энергию - она может быть получена только извне. В современной биосфере главнейший источник энергии, утилизируемой в биогенном круговороте, - это энергия солнечного излучения. Соответственно первый этап использования и преобразования энергии в цепях круговорота - фотосинтез, в процессе которого создаются вещества для построения тела растительного организма. Энергия, полученная в виде солнечной радиации (ФАР), в процессе фотосинтеза преобразуется в энергию химических связей. Процесс аккумуляции энергии в организме фотосинтетиков сопряжён с увеличением массы организма. Массу веществ, созданных продуцентом-фотосинтетиком, обозначают как первичную продукцию; это биомасса растительных тканей.

Лишь 15% энергии солнечного излучения достигает поверхности Земли и только 1% связывается в виде органического вещества растительности (74% составляет тепло и 10% - отражённая энергия). Из суммы связанной в процессе продукции энергии около половины расходуется на жизненные процессы (потери.на дыхание). Оставшиеся 50% аккумулированной энергии составляет рост биомассы. Таким образом, чистая продукция соответствует примерно 0,5% солнечной энергии, падающей на Землю. По некоторым другим расчётам, эффективность фотосинтеза оказывается ещё ниже - порядка 0,1%.

Накопленная в результате фотосинтеза биомасса растений (первичная продукция) - это резерв, из которого часть используется в качестве пищи организмами-гетеротрофами (консументами I порядка). По тем же приблизительным расчётам, в пищу фитофагам изымается около 40% фитомассы; оставшиеся 60% означают реальную массу растительности в экосистеме.

Примерно в такой же последовательности идёт дальнейшее использование энергии организмами-гетеротрофами. Полученная с пищей энергия (так называемая большая энергия) соответствует энергетической стоимости общего количества съеденной пищи.

Усвоенная энергия, за вычетом энергии, содержащейся в выделениях организма (экскретах), составляет метаболизированную энергию. Часть её выделяется в виде тепла в процессе переваривания пищи и либо рассеивается, либо используется на терморегуляцию. Оставшаяся энергия подразделяется на энергию существования, которая немедленно расходуется на различные формы жизнедеятельности (по существу это тот же расход на ≪дыхание≫), и продуктивную энергию, которая аккумулируется (хотя бы временно) в виде массы нарастающих тканей, энергетических резервов, половых продуктов. Энергия существования складывается из затрат на фундаментальные жизненные процессы (основной обмен, или базальный метаболизм) и энергии, расходуемой на различные формы деятельности. У гомойотермных животных к этому добавляются расходы энергии на терморегуляцию. Все эти затраты заканчиваются рассеиванием энергии в виде тепла - опять-таки в силу того, что ни одна функция не реализуется с КПД, равным 100%.

Энергия, накопленная в тканях гетеротрофа, составляет вторичную продукцию экосистемы, которая может быть использована в пищу консументами высших порядков.

Подобным образом энергия расходуется на всех гетеротрофных этапах круговорота, т.е. в организмах, последовательно использующих в пищу биомассу предыдущих трофических уровней (например, по схеме: Энергия солнца - продуценты (растения) - потребители /гетеротрофы/:заяц (консумент I порядка); волк (консумент II порядка) – редуценты (бактерии, грибы). В результате количество энергии, доступной для потребления, прогрессивно падает по ходу повышения трофических уровней, что лежит в основе относительно небольшой длины пищевых цепей.

В цепях разложения постепенная деструкция органических веществ связана с высвобождением энергии, которая частично рассеивается, а частично аккумулируется в составе тканей организмов-редуцентов. После гибели их тела также попадают в цикл редукции.

Таким образом, на фоне биологического круговорота веществ потоки энергии однонаправлены: первично аккумулированная в тканях продуцентов энергия постепенно рассеивается в виде тепла на всех этапах трофических цепей. Однако на всех этапах идёт процесс синтеза вещества и аккумуляции энергии в химических связях. Живые организмы в определённой степени препятствуют немедленному рассеиванию энергии, замедляют этот процесс, действуя против второго закона термодинамики.

 

Основные законы экологии

Задачей экологии, как любой другой науки, является поиск законов функционирования и развития данной области реальности. Исторически первым для экологии был закон, устанавливающий зависимость живых систем от факторов, ограничивающих их развитие (так называемых лимитирующих факторов).

Закон минимума

В 1840 г. Ю. Либих установил, что урожай зерна часто ограничивается не теми питательными веществами, которые требуются в больших количествах, а теми, которых нужно немного, но которых мало и в почве. Сформулированный им закон гласил: «Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай, определяется величина и устойчивость последнего во времени».

Закон толерантности. Этот закон формулируется следующим образом: отсутствие или невозможность развития экосистемы определяется не только недостатком, но и избытком любого из факторов (тепло, свет, вода). Следовательно, организмы характеризуются как экологическим минимумом, так и максимумом. Слишком много хорошего тоже плохо. Диапазон между двумя величинами составляет пределы толерантности, в которых организм нормально реагирует на влияние среды. Закон толерантности предложил В. Шелфорд в 1913 г. Можно сформулировать ряд дополняющих его предложений.

§ Организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий в отношении другого.

§ Организмы с широким диапазоном толерантности ко всем факторам обычно наиболее широко распространены.

§ Если условия по одному экологическому фактору не оптимальны для вида, то может сузиться диапазон толерантности к другим экологическим факторам.

§ В природе организмы очень часто оказываются в условиях, не соответствующих оптимальному значению того или иного фактора, определенному в лаборатории.

§ Период размножения обычно является критическим; в этот период многие факторы среды часто оказываются лимитирующими.

Живые организмы изменяют условия среды, чтобы ослабить лимитирующее влияние физических факторов. Виды с широким географическим распространением образуют адаптированные к местным условиям популяции, которые называются экотипами. Их оптимумы и пределы толерантности соответствуют местным условиям.

Закон конкурентного исключения. Данный закон формулируется следующим образом: два вида, занимающие одну экологическую нишу, не могут сосуществовать в одном месте неограниченно долго.

Закон эмерджентности: целое всегда имеет особые свойства, отсутствующие у его части.

Закон необходимого разнообразия: система не может состоять из абсолютно идентичных элементов, но может иметь иерархическую организацию и интегративные уровни.

Закон необратимости эволюции: организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию, осуществленному в ряду его предков.

Биогенетический закон (Э. Геккель): онтогенез организма есть краткое повторение филогенеза данного вида, т.е. индивид в своем развитии повторяет сокращенно историческое развитие своего вида.

Закон сохранения жизни: жизнь может существовать только в процессе движения через живое тело потока веществ, энергии, информации.

Принцип Ле Шателье-Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.

Закон относительной независимости адаптации: высокая адаптивность к одному из экологических факторов не дает такой же степени приспособления к другим условиям жизни (наоборот, она может ограничивать эти возможности в силу физиолого-морфологических особенностей организмов).

Принцип минимального размера популяций: существует минимальный размер популяции, ниже которого ее численность не может опускаться.

Правило представительства рода одним видом: в однородных условиях и на ограниченной территории таксономический род, как правило, представлен только одним видом. По-видимому, это связано с близостью экологических ниш видов одного рода.

Закон пирамиды энергий (Р. Линдеман): с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой, более высокий уровень в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень энергии. Обратный поток с более высоких на более низкие уровни намного слабее — не более 0,5-0,25%, и потому говорить о круговороте энергии в биоценозе не приходится.

Правило обязательности заполнения экологических ниш: пустующая экологическая ниша всегда и обязательно бывает естественно заполнена («природа не терпит пустоты»).

Закон незаменимости биосферы: биосферу нельзя заменить искусственной средой, как, скажем, нельзя создать новые виды жизни. Человек не может построить вечный двигатель, в то время как биосфера и есть практически «вечный» двигатель.

 

Вопросы для самоконтроля:

1. Дайте определение биологического круговорота

2. Какова роль автотрофов и гетеротрофов в БГХ- круговоротах?

3. Каково содержание принципа Ле Шателье - Брауна?

4. Какие царства Вы знаете?

5. Опиште сколько сред, где встречается жизнь, существует?

6. Опишите разницу между вирусом и бактериями.

 

 

ЛЕКЦИЯ №5

 

Тема: Клетка – основа живой материи

Цель лекции: Изучить основу цитологии, химический состав клетки, получить новые знания

Ключевые слова: клетка, состав, белки, углеводы, содержание, микроэлементы, макроэлементы и др.

Основные вопросы (положения) и краткое содержание:

1. Клеточная теория, клетка и ее функции

2. Типы клеточной организации

3. Химический состав клетки