Аутэкология – экология организмов

 

Биологическое разнообразие организмов

Живое вещество дискретно. Элементарной единицей живого является организм. Разнообразие ныне существующих организмов огромно. Они различаются по форме тела, уровню организации, образу жизни. Но всех их объединяют общий универсальный набор признаков. С экологических позиций организм – открытая, саморегулирующаяся и самовоспроизводящаяся система, построенная из биополимеров. Открытая система подразумевает обмен энергией и веществом с окружающей средой. Организмы питаются поглощая вещество из окружающей среды; они синтезируют и разлагают органическое вещество; излучают тепловую энергию и выделяют продукты обмена. Они тесно связаны с окружающей средой обменом веществ. Каждый нормальный организм обладает адаптациями, позволяющими ему противостоять неблагоприятному воздействию окружающей среды, находить необходимые ему для жизни вещества и производить потомков. Организмы не обладающие подобными свойствами не способны выжить.

Сходные между собой организмы относятся к одному виду. Вид – совокупность организмов обладающих общими морфологическими, анатомическими, физиологическими и биологическими свойствами. Важно, что вид репродуктивно изолирован от других видов. Особи, относящиеся к одному виду имеют общую эволюционную историю и в пространстве распределены в пределах общей для них территории (ареале).

По особенностям строения существующие виды относят к трем основным группам: вирусы, бактерии (прокариотические организмы) и ядерные (эвкариотические) организмы (рис.). Вирусы – мельчайшие паразитические организмы не имеющие клеточного строения. Например, бактериофаги – паразитирующие на бактериях, представляют из себя белковый футляр внутри которого располагается молекулы ДНК, несущая наследственную информацию о строении этого вируса. Бактерии – одноклеточные очень мелкие организмы не имеющие ядра. В отличие от них ядерные организмы имеют в клетке особую структуру – ядро, служащую для защиты наследственной информации. Эти медленно живущие, в сравнении с бактериями, организмы могут быть одиночными, колониальными и многоклеточными.

Многоклеточные эвкариот по особенностям их развития делятся на две большие группы – унитарные и модулярные организмы. Унитарный организм на всех стадия своего развития представляет собой особь с определенным, генетически заданным планом строения. Большая часть животных – унитарны, от момента рождения до смерти они имеют сходный план строения, в котором могут изменяться пропорции частей или добавляться какие-то второстепенные детали. Например, только что родившийся олененок – маленький олень с двумя парами копыт, телом, головой и хвостом. В процессе развития у него изменятся пропорции, размеры, появятся рога, но эти изменения не существенно изменят его облик. В отличие от унитарных модулярные организмы состоят из наборов основных конструктивных элементов, число которых чрезвычайно изменчиво, а конечная форма модулярных организмов сильно зависит от воздействия окружающей среды. У модулярных организмов из зиготы развивается некая единица строения (модуль), порождающая затем все новые и новые модули, напоминающие самый первый. То, что получается в результате, почти всегда разветвлено и неподвижно. Растения в большинстве своем модулярные. Внешний вид сосны значительно разнится в зависимости от условий произрастания: от раскидистых крон с мощными сучьями отдельно стоящих деревьев, до редких иголок на тонких ветвях у сосен растущих на болотах. Модулярное строение имеют и многие животные. Например, модулярны морские кораллы.

 

Экологическое разнообразие организмов

Процесс приобретения организмами энергии и вещества называется питанием. Организм как открытая система не может существовать без постоянного притока энергии и вещества. Разнообразие способов питания составляет экологическое разнообразие организмов. При выделении групп организмов со сходным способ питания учитываются два момента: 1) что является источником энергии и 2) откуда организм берет углерод для синтеза органических веществ, расходующихся на постройку собственного тела.

Хотя энергия существует во многих формах для живых организмов пригодны только две из них – световая и химическая. Те организмы, которые синтезируют все необходимые им органические вещества за счет энергии света называются фототрофными, а те, которым для этого нужна химическая энергия, - хемотрофными. По источнику углерода организмы подразделяются на автотрофных – умеющих фиксировать неорганическое вещество - углекислый газ (СО₂), и гетеротрофные – использующие органические вещества. Сочетание двух этих рядов позволяет построить полную классификацию организмов по способу питания:

		Источник углерода
		Автотрофные	Гетеротрофные
Источник энергии	Фототрофные	Фотоавторофные (зеленые растения, цианобактериии, зеленые и пурпурные серобактерии)	Фотогетеротрофы (немногие организмы, например, пурпурные несерные бактерии
	Хемотрофные	Хемоавтотрофные (некоторые бактерии, участвующие в круговороте азота)	Хемогетеротрофы (животные, грибы, большинство бактерий, некоторые безхлорофильные растения)

 

Фотоавтотрофный способ питания осуществляется при участии пигментов (важнейший из которых хлорофилл), которые поглощают энергию света и превращают ее в химическую энергию органического вещества. Процесс связывания солнечной энергии называется фотосинтезом. Наиболее распространенная его форма – фотосинтез растений, где источником электронов выступает вода. В самом общем виде он сводится к следующей химической реакции:

Солнечный свет

CO₂ + H₂O ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾® (CH₂O)_n + O₂.

                             Хлорофилл

Все живое на Земле зависит от фотосинтеза, так как он делает энергию и углерод доступными для живых организмов и обеспечивает поступление кислорода в окружающую среду.

Иначе организован фотосинтех у серобактерий. У них источником электронов выступает сероводород (H₂S) и другие соединения серы. В таком случае процесс фотосинтеза выглядит следующим образом:

Солнечный свет

2H₂S + CO₂ ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾® (CH₂O)_n + 2S + H₂O.

                 Бактериохлорофилл

Фотогетеротрофный способ питания основывается на восстановлении органического соединения в присутствии света за счет другого органического вещества – являющихся источником электронов. Такой способ питания крайне редок в природе и встречается только у пурпурных несерных бактерий.

Хемоавтотрофный способ питания предполагает фиксацию неорганического углерода (CO₂) с использованием энергии, полученной не от солнечного света, а за счет химических реакций. Энергия может быть получена при окислении водорода, сероводорода, серы, железа (II), аммиака, нитритов и других неорганических соединений. Приведем только некоторые примеры возможных реакций.

Железобактерии в присутствии кислорода окисляют двухвалентное железо до трехвалентного

4FeCO₃ + O₂ + 6H₂O ® 4Fe(OH)₃ + 4CO₂ + Энергия.

Некоторые бесцветные серобактерии окисляют серу:

2S + 3O₂ + 2H₂O ® 2H₂SO₄ + Энергия.

Нитрифицирующие бактерии – аммиак:

2NH₃ + 3O₂ ® 2HNO₂ + 2H₂O + Энергия.

При хемогетеротрофном способе питания органическое вещество одновременно является источником энергии и соединений углерода, необходимых для синтеза биомолекул организма. Выживание гетеротрофов прямо или косвенно зависит от синтетической активности автотрофов. Высокое разнообразие гетеротрофов обуславливает чрезвычайно высокое разнообразие способов питания. Различают 4 типа гетеротрофного питания:

Тип питания	Характеристика	Последовательность процессов
голозойный	пища захватывается внутрь тела, где она переваривается	поглощение пищи ® переваривание ® всасывание ® ассимиляция ® экскреция
сапрофитный	пищеварительные ферменты выделяются на потенциальный продукт питания, располагающийся вне тела организма; пища – мертвое органическое вещество	выделение ферментов ® переваривание ® всасывание ® ассимиляция ® экскреция
симбиотический	организм хозяина каким-либо образом обеспечивает существование симбиотических организмов, снабжающих его органическим веществом	получение вещества ® ассимиляция ® экскреция
паразитический	организм-паразит поглощает органические вещества из тела хозяина	поглощение (или всасывание) ® ассимиляция® экскреция

Метаболизм

Являясь открытой системой организм находится в постоянном взаимодействии с окружающей средой. При этом он вынужден приспосабливаться к изменениям среды обитания изменяя свое строение, формы и степень активности. Для всех этих процессов требуются пластические вещества и энергия. Совокупность процессов происходящих в организме и обеспечивающих его веществом и энергией называется Метаболизмом или обменом веществ.

Метаболизм слагается из пластического и энергетического обменов. Пластический обмен – совокупность реакций синтеза и разрушения органических молекул. Энергетический обмен – запасание и расходование энергии. Энергия запасается в виде энергии химических связей органического вещества; расходуется при дыхании и брожении, т.е. разрушении химических связей.

Реакции синтеза и разрушения органического вещества, составляющие пластический обмен, идут во всех организмах, но у автотрофов преобладают процессы синтеза, а у гетеротрофов – процессы разрушения. Синтезируемые организмом вещества относятся к трем группам соединений: белки, углеводы и липиды. Синтез белков в живых организмах находится под непосредственным контролем наследственной информации, заключенной в молекулах ДНК. Все без исключения организмы имеют следующую последовательность процессов: информация с молекулы ДНК передается на информационные РНК, которые взаимодействуют с клеточными органоидами – рибосомами; на рибосомах происходит синтез белковых молекул. Механизм синтеза других биологических полимеров (углеводов и липидов), осуществляющийся под контролем специальных белков – ферментов, разобран нами ранее (см. схемы питания автотрофных организмов). В результате разрушения веществ организмы получают необходимую для их жизнедеятельности энергию. Различают два способа разрушения органики:

1) аэробное дыхание, при котором органические вещества в присутствии кислорода разрушаются до углекислого газа и вода

                             ферменты

 (CH₂O)_n + O₂ ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾® CO₂ + H₂O + Энергия

2) анаэробное дыхание (брожение), при котором разрушение органических соединений идет не до конца. Такой процесс протекает без участия кислорода и энергии

                     ферменты

C₆H₁₂O₆ ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾® C₂H₅OН + H₂O + Энергия

Глюкоза                                         Спирт

При аэробном окислении организмы получают энергии больше, чем при анаэробном дыхании. Говорят, что при брожении энергия недоиспользуется, но зато этот способ дыхания можно реализовать при недостатке кислорода. Например в мышцах бегуна-марафонца к концу дистанции возникает недостаток кислорода и идет процесс анаэробного дыхания. Недоокисленные продукты дыхания ответственны за болевые ощущения в мышцах после интенсивных физических нагрузках. Постепенно они окислятся и боли в мышцах пройдут.

Полученная клеткой энергия расходуется на синтез биомолекул, транспорт веществ и другие нужды живой клетки. Зачастую энергия вырабатывается не там, где расходуется. Для того чтобы связать процессы получения и расходования энергии организм синтезирует специальные короткие энергетические молекулы, функция которых заключается в переносе энергии внутри клетки. Такие молекулы строятся на основе аминокислоты аденозин. Измененный аденозин, к которому присоединен остаток фосфорной кислоты (АМФ – аденозин-монофосфат) способен присоединить к себе еще два остатка фосфорной кислоты. Для присоединения остатка фосфорной кислоты требуется энергия, которая освобождается при разрыве химической связи (30,6 кДж/моль). Там где получается энергия идет превращение АМФ → АДФ (аденозин-дифосфат) → АТФ (аденозин-трифосфат). Молекула АТФ становится потенциальным источником энергии. Она транспортируется в место, где энергия требуется для выполнения какой-то работы. Последовательное отщепление двух фосфорных остатков (АТФ → АДФ → АМФ) протекает с высвобождением энергии, необходимой, например, для синтеза белков. «Разрядившиеся» молекулы АМФ возвращаются на «зарядку». По такой схеме клетка реализует энергетический обмен.