Тема 2. Понятие о биосфере. Лекция 5. Уровни организации живой природы.

Уровни экологического анализа структуры биологических систем (экология особей, популяции и сообществ). Живая природа представляет собой сложно организованную, иерархичную систему. Выделяют несколько уровней организации живой материи.

• Молекулярный. Любая живая система проявляется на уровне взаимодействия биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, полисахаридов, а также других важных органических веществ.

• Клеточный. Клетка - структурная и функциональная единица размножения и развития всех живых организмов, обитающих на Земле. Неклеточных форм жизни нет, а существование вирусов лишь подтверждает это правило, т.к. они могут проявлять свойства живых систем только в клетках.

• Организменный. Организм представляет собой одноклеточную или многоклеточную живую систему, способную к самостоятельному существованию. Многоклеточный организм образован совокупностью тканей и органов, специализированных для выполнения различных функций.

• Популяционно-видовой. Вид - это совокупность особей, сходных по структурно-функциональной организации, имеющих одинаковый кариотип и единое происхождение и занимающих определенный ареал обитания, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство, характеризующихся сходным поведением и определенными взаимоотношениями с другими видами и факторами неживой природы. Совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания, создает популяцию, в которой осуществляются простейшие, элементарные эволюционные преобразования.

• Биогеоценотический. Биогеоценоз - сообщество, совокупность организмов разных видов и различной сложности организации со всеми факторами конкретной среды их обитания - компонентами атмосферы, гидросферы и литосферы.

• Биосферный. Биосфера - самый высокий уровень организации жизни на нашей планете. В ней выделяют живое вещество - совокупность всех живых организмов, неживое или косное вещество и биокосное вещество (почва).

Биосфера - нижняя часть атмосферы, вся гидросфера и верхняя часть литосферы, населенные живыми организмами, область существования «живого вещества» (В.И. Вернадский), включает в себя: живое вещество (образованное совокупностью организмов), биогенное вещество (создается в процессе жизнедеятельности организмов - газы атмосферы, каменный уголь, нефть, торф и др.), косное вещество (формируется без участия живых организмов), биокосное вещество (представляет собой совместный результат жизнедеятельности организмов и небиологических процессов - почвы).

Косное вещество биосферы: газы и аэрозоли атмосферы, гидросфера (основной объем воды, около95%, находится в Мировом океане, 1300 млн. км³, поверхностные воды включают всего 0,182 млн. км³, а количество воды в живых организмах составляет около 0,001 млн. км³, 24 млн. км³ содержат ледники) и литосфера - верхняя твердая оболочка Земли, постепенно переходящая с глубиной в сферы с меньшей прочностью вещества (включает земную кору и верхнюю мантию Земли). Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Почва включает минеральные вещества, образующиеся при разрушении горных пород, и органические вещества - продукты жизнедеятельности организмов.

Границы биосферы: на высоте 20 км от поверхности планеты, ниже слоя озона, до дна Мирового океана (10-11 км), в литосфере жизнь встречается на глубине 3,5-7,5 км.

Живое вещество биосферы.

Хотя границы биосферы довольно узки, живые организмы в их пределах распределены очень неравномерно. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности Земли, в почве и в приповерхностном слое океана. Общую массу живых организмов оценивают в 2,43 на 10¹² тонн. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелеными растениями и 0,8% - животными и микроорганизмами. В океане же на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов - 93,7% всей биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше. Суммарная биомасса океана составляет всего 0,13% биомассы всех существ, обитающих на Земле.

В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается важная закономерность. Из общего числа видов 21% приходится на растения, но их вклад в общую биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов - беспозвоночные и только 4% - позвоночные, из которых десятая часть - млекопитающие. Масса живого вещества составляет всего 0,01-0,02% от косного вещества биосферы, однако она играет ведущую роль в геохимических процессах. Вещества и энергию, необходимую для обмена веществ, организмы черпают из окружающей среды. Ограниченные количества живой материи воссоздаются, преобразуются и разлагаются. Ежегодно, благодаря жизнедеятельности растений и животных, воспроизводится около 10% биомассы.

Эволюция биосферы. Все компоненты биосферы тесно взаимодействуют между собой, составляя сложно организованную систему, развивающуюся по своим внутренним законам и под действием внешних сил, в том числе космических (солнечного излучения, гравитационных сил, магнитных полей Солнца, Луны и др. небесных тел)

С возникновением жизни сначала медленно и слабо, затем все быстрее и значительнее стало проявляться влияние живой материи на геологические процессы Земли.

Деятельность живого вещества, проникшего во все уголки планеты, привела к возникновению нового образования - биосферы (тесно взаимосвязанной единой системы геологических и биологических тел и процессов преобразования энергии и вещества). Размеры преобразований, осуществляемых живой материей, достигли планетарных масштабов, существенно видоизменив облик и эволюцию Земли. Так, например, в результате процесса фотосинтеза - деятельности зеленых растений, образовался современный газовый состав атмосферы, в ней появился кислород. В свою очередь на активность фотосинтеза существенно влияет концентрация углекислого газа в атмосфере, наличие влаги и тепла.

Почва является целиком результатом деятельности живого вещества в косной (неживой) среде. Решающая роль в этом процессе принадлежит климату, топографии, деятельности микроорганизмов и растений и материнским породам. Биосфера, возникнув и сформировавшись 1-2 млрд. лет назад (к этому времени относятся первые обнаруженные остатки живых организмов), находится в постоянном динамическом равновесии и развитии.

Установившиеся за многие миллионы лет круговороты энергии и вещества в биосфере самоподдерживаются в глобальных масштабах, хотя локальные изменения структуры и особенностей отдельных экосистем, составляющих биосферу, могут быть значительными.

Эволюция биосферы шла по пути усложнения структуры биологических сообществ, умножения числа видов и совершенствования их приспособляемости. Эволюционный процесс сопровождался увеличением эффективности преобразования энергии и вещества биологическими системами: организмами, популяциями, сообществами.

Вершиной эволюции живого на Земле явился человек, который как биологический вид на основе многочисленных изменений приобрел не только сознание (совершенную форму отображения окружающего мира), но и способность изготавливать и использовать в своей жизни орудия труда.

С появлением и развитием человечества процесс эволюции заметно видоизменился. На ранних стадиях цивилизации вырубка и выжигание лесов для земледелия, выпас скота, промысел и охота на диких животных, войны опустошали целые регионы, приводили к разрушению растительных сообществ, истреблению отдельных видов животных. По мере развития цивилизации, особенно после промышленной революции конца средних веков, человечество овладевало все большей мощью, все большей способностью вовлекать и

использовать для удовлетворения своих растущих потребностей огромные массы вещества - как органического, живого, так и минерального, косного.

Посредством орудий труда человечество стало создавать фактически искусственную среду своего обитания (поселения, жилища, одежду, продукты питания, машины и многое другое). С этих пор эволюция биосферы вступила в новую фазу, где человеческий фактор стал мощной природной движущей силой.

Лекция 6. Понятие о факторах окружающей среды.

Экология организмов: любой организм существует в определенной среде. Их 4: водная, наземно-воздушная, почва, живой организм (для паразитов).

Элементы среды, воздействующие на организм, называются факторами. Они делятся на 3 группы: абиотические, биотические, социальные.

Абиотические факторы: температура, давление, электромагнитное излучение, влажность, газовый состав, осадки, солевой состав, минеральный субстрат.

В зависимости от закона изменения во времени - 4 категории факторов.

1. Неизменные

2. Регулярно-периодические (освещенность...)

3. Нерегулярные (наводнения...)

4. Непрерывно меняющиеся (глобальные изменения климата...) По характеру воздействия на живой организм - 2 группы:

1. Модификаторы (раздражители - вызывают развитие приспособительных реакций, и информационные - свидетельствуют об изменениях других факторов)

2. Лимитирующие (делают невозможным существование) Благоприятная дозировка (сила воздействия) называется зоной оптимума. Дозировка выше или ниже - зона пессимума. Критические точки - границы летальных зон.

Весь диапазон служит критерием для определения устойчивости организма по отношению к данному фактору и называется экологической толерантностью. В экологии широко применяется закон Либиха - закон толерантности: возможность процветания или невозможность существования определяется теми факторами, значение которых приближается или выходит за пределы экологической толерантности.

Зоны толерантности у разных индивидов не совпадают. Зона эта у вида всегда шире, чем у отдельной особи. Сумма толерантностей по всем факторам среды составляет экологический спектр вида. Они никогда не совпадают, хотя бы по одному фактору, что не позволяет совпадать экологическим нишам. Выражением этого служит закон Ф. Гаузе - закон конкурентного исключения: в одной нише может существовать только один вид.

Экологические факторы неравноценны по своей значимости для разных видов в различных условиях обитания (ведущие, сопутствующие, особо - лимитирующие). Пример: Цейлон, слоны – использование поведенческих реакций на факторы лесного пожара.

Важнейшее понятие эволюционной экологии - адаптация живых организмов. Адаптируясь, организмы формируют две новых формы (соответственно крайним значениям).

Один из плохо познанных абиотических факторов - время. Оно определяет цикличность процессов в биологических системах. Среди них - основа - фотопериодизм. Совокупность периодических изменений в организмах носит название биологических ритмов. В ходе эволюции выжили лишь те, кто выработал свой внутренний биоритм, синхронизированный с внешним. Отсюда - болезни (например, аритмия).

В наше время широко распространены разнообразные расчеты, основанные на якобы существующей связи поведения и состояния людей с взаимодействием трех строго регулярных ритмов: физического (23 дня), эмоционального (28) и интеллектуального (33). Истоки теории трех биоритмов восходят к концу 19 в., хирург Флисс (Берлин) и психолог Свобода (Вена) разработали 23-дневный цикл мужской физической потенции в дополнение к естественно-имеющемуся женскому (28). К началу I Мировой войны незаметно вопросы мужской потенции превратились в общую физическую активность, а женские дела стали всеобщей эмоциональной активностью. Масса проверок, но все сильно перекрывается мощными циклами космогонических и синоптических зависимостей.

Биотические факторы — все многообразие воздействий, кото­рые оказывают на организм другие организмы. Известно несколь­ко отношений между организмами.

Конкуренция — борьба разных особей за один и тот же ресурс в экологической нише с подавлением организмами друг друга. Пример — отношения черных и красных тараканов. В одной ни­ше, согласно русскому экологу Г. Ф. Гаузе, может находиться только один вид.

Аменсализм — одностороннее подавление популяции одного вида популяцией другого вида. Осуществляется в ходе сукцессий, например, когда болотная флора и фауна постепенно вытесняет флору и фауну олиготрофных озер.

Паразитизм — форма взаимоотношений, при которой орга­низмы одного вида используют организмы другого как источник питания и среду обитания. Типичные паразиты — гельминты (глисты).

Хищничество — поедание одних животных другими.

Протокооперация — взаимоотношения, при которых обе по­пуляции получают выгоду, но эта форма отношений между ними не обязательна. Пример — взаимоотношения актиний и крупных раков, тлей и муравьев.

Симбиоз — форма взаимоотношений организмов разных сис­тематических групп, выражающаяся в совместном взаимовыгод­ном существовании и нередко в обязательном сожительстве двух или большего числа особей. Примеры — акулы и рыбы-прилипалы.

Наиболее распространенной формой взаимоотношений из всех перечисленных является паразитизм. Паразиты есть практи­чески у любого животного и растения. Большинство видов живот­ных на Земле являются паразитами. Насекомые — самый много численный класс — сплошь представлен паразитами, по край! мере, на личиночной стадии.

Из всех форм межвидовой борьбы самой жесткой являет конкуренция.

Социальные факторы. Наряду с биотическими и абиотическими факторами, на био­логические системы влияют также факторы антропогенные. К ним относятся все формы деятельности человека, которые воздействуют на природную среду, изменяя условия обитания живых организмов, или непосредственно влияют на растения, животные, микроорганизмы. Деятельность человека распадается на две формы, связанные с двумя его сущностями: биологической и социальной. Человек — суть взаимодействие этих двух составляющих. Влияние его биологической составляющей на природу выражается в выделении углекислого газа при дыхании, в разложении фекальных масс, трупов. Это влияние относительно невелико в силу того, что человек как биологический вид составляет незначительную часть биосферы планеты. В отношении действия биологических факторов человек не имеет принципиальных отличий от других орга­низмов. Действие же социальной составляющей человека, опосре­дованной через материальное производство, специфично и каче­ственно отличается от тех воздействий, которые осуществляют животные и растения. Поэтому уместно выделить в отдельную категорию именно социальные факторы (производственные отношения, градостроительство, здравоохранение, обучение, планирование…).