159. Человек и биосфера. Ноосфера - высший этап эволюции биосферы. Реакции организма на изменение экологической ситуации. Примеры. Правило Либиха-Тинемана. Бочка Либиха. Принцип Ле-Шателье-Брауна.

Человек не может жить вне природы и независимо от нее. Люди — живые существа, и человеческий организм живет и развивается по биологическим законам. В древнейшие времена люди всецело зависели от биосферы, собирая растения, охотясь на животных. Но и в современном мире, несмотря на гигантские достижения человека, эта зависимость остается очень высокой. Растения и животные, так же как и в древности, — основной источник человеческой пищи. Они служат также материалом для постройки жилищ, изготовления бумаги, одежды и многого другого. Кроме того, живая природа благотворно влияет на самочувствие людей, является источником их творческого вдохновения. Но биосфера не всегда «дружественна» по отношению к человеку. Многие растения и животные ядовиты, некоторые микроорганизмы вызывают опасные заболевания.

Ноосфера — предположительно новая, высшая стадия эволюции биосферы, становление которой связано с развитием общества, оказывающего глубокое воздействие на природные процессы. Информационная оболочка Земли. Сфера разума.

Оптимальное воздействие на разные организмы один и тот же фактор может оказывать при различных значениях. Так, одни растения предпочитают очень влажную почву, а дру­гие — относительно сухую. Некоторые животные любят сильную жару, иные лучше переносят умеренную температуру среды и т. д.

Кроме того, живые организмы делят на способных сущест­вовать в широком или узком диапазонах изменения какого-либо фактора среды. К каждому экологическому фактору орга­низмы приспосабливаются относительно независимым путем. Организм может иметь приспособленность к узкому диапазону одного фактора и к широкому диапазону — другого. Для орга­низма имеет значение не только амплитуда, но и скорость ко­лебаний того или иного фактора.

Если влияние условий среды не достигает предельных значе­ний, живые организмы реагируют на него определенными дейст­виями или изменениями своего состояния, что в конечном итоге ведет к выживанию вида. Преодоление неблагоприятных воз­действий животными возможно двумя способами:

1) путем их избегания,

2) путем приобретения выносливости.

Правило минимума ( Либиха-Тинемана).

Еще в 19 веке ученый Либих сформулировал правило минимума в соответствие, с которым возможность существования данного организма в определенном районе и степень его процветания зависит от факторов представленных в наименьшем количестве (лимитирующие факторы). Это правило дополнил Тинеман (1939). «Тот из необходимых факторов среды определяет плотность популяции данного вида живых существ…который действует на стадию развития, имеющую наименьшую экологическую валентность, при том действует в количестве или интенсивности наиболее далеких от оптимума».

Закон ограничивающего (лимитирующего) фактора (бочка либиха)— один из фундаментальных законов в экологии, гласящий, что наиболее значим для организма тот фактор, который более всего отклоняется от оптимального его значения. Поэтому во время прогнозирования экологических условий или выполнения экспертиз очень важно определить слабое звено в жизни организмов.

Принцип ЛеШателье — Брауна (1884 г.) — если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий (температура, давление, концентрация), то равновесие смещается таким образом, чтобы компенсировать изменение.

160. Эволюция биосферы. Функции биосферы в развитии природы Земли и поддержания в ней динамических равновесий (окислительно-восстановительная, газообмен, концентрирование рассеянных в геосфере элементов, синтез и разложение органического вещества).

Эволюция биосферы на протяжении большей части ее истории осуществлялась под влиянием двух главных факторов: естественных геологических и климатических изменений на планете и изменений видового состава и количества живых существ в процессе биологи¬ческой эволюции. На современном этапе в третичном периоде к ним присоединился третий фактор — развивающееся человече¬ское общество.

Жизнь зародилась на Земле свыше 3 млрд. лет назад. Первыми живыми существами были анаэробы, которые получали энергию путем брожения. Питание та¬ких примитивных организмов зависело от опускавшихся на дно водоемов органических веществ, синтезируемых в поверхностных слоях воды абиогенным способом.

Недостаток органических веществ создал давление отбора, при¬ведшее к возникновению фотосинтеза. Прогрессивное увеличение кислорода в воде за счет жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов и его диффузии в атмосферу вызнало изменения в химическом составе оболочек Земли, прежде всего атмосферы, что в свою очередь сделало возможным и развитие более сложно орган физованных живых форм и быстрое распространение Жизни по планете. Развитие механизма аэробного дыхания сделало возможным появление многоклеточных организмов.

В течение палеозойской эры живые существа не только заселили все моря, но и вышли на сушу. Развитие зеленых растений обеспечило образование больших количеств кислорода и органических веществ, что создавало благоприятные условия для последующей прогрес¬сивной эволюции.

В середине палеозоя темпы потребления кислорода живыми организмами и расход его в абиотических процессах, а также темпы его образования сравнялись.

С появлением человеческого общества в развитии биосферы намечается переход от биогенеза, обусловленного факторами био¬логической эволюции, к ноогенезу — развитию под влиянием ра-зумной созидательной деятельности человечества. Вернадский развивал материалистическое представление о ноосфере, представляя ее как нечто внешнее по отношению к биосфере, а как новый этап в развитии биосферы, заключающийся в разумном регулировании отношений человека и природы.

Основные функции биосферы Земли следующие:

1. ОВР заключается в химическом превращении веществ в процессе жизнедеятельности организма.

2. Газообмен - поддержание постоянного обмена организмов с окружающей средой в процессе дыхания и фотосинтеза.

3. Концентр. Фун-ия – заключается в биогенной миграции атомов, которые вначале концентрируются в живых организмах в процессе синтеза органических веществ, а после отмирания переходят в неживую среду.

161.Филогенетические связи в природе. Естественная классификация живых форм. Основные типы животного мира. Доказательства монофилии. Эволюционно-обусловленные уровни организации жизни.

Филогенетические связи в живой природе и естественная классификация живых форм

Диета по группе крови состоит в следующем: все продукты питания делятся на полезные, нейтральные и вредные для человеческого организма в зависимости от его группы крови. Поскольку диета, определяемая группой крови, неразрывно связана с клеточным строением конкретного организма, то одинаковые продукты для разных групп крови обеспечат одному человеку потерю веса, а человеку с кровью иной группы - прирост. Диета по группе крови направлена как раз на устранение подобной причины: с исключением из рациона той пищи, которая плохо переваривается или является токсичной для человека, его организм начинает очищаться от токсинов, которые скапливаются преимущественно в жировых тканях. Таким образом, происходит и процесс похудания. Диета по группе крови очень эффективна,но требует консультаций у врача и постоянного контроля.

Филогенезом называют историческое развитие органического мира в целом, а также отдельных систематических групп организмов (таксонов). Филогенез и его закономерности изучает отдельная биологическая наука - филогенетика.

Основополагающими принципами филогенетики являются:

1) дивергентный характер эволюционного процесса - расхождение признаков организмов разных филетических линий, возникших от общего предка;

2) монофилия - таксон любого ранга, происходит от единственного родоначалъного вида на основе дивергенции или адаптивной радиации, вследствие чего ряд групп организмов могут иметь одного общего предка.

Согласно современным представлениям, дивергенция - это результат развития групп организмов в различных условиях, в процессе которого они приобретают различные черты и удаляются друг от друга по степени сходства. Дивергенции способствует дизруптивный отбор, а также изоляция.

Ход и результат филогенеза изображаются графически в виде родословного дерева (дендрограммы). Построение родословного дерева возможно лишь на основе признания монофилии как основного принципа эволюции органического мира. Схема родословного дерева выполнена впервые в 1866 году Э. Геккелем на примере животных. При его построении Э. Геккель разместил: в нижней части ствола - примитивные группы; в центральной части ствола - группы, эволюционировавшие в основном направлении; по бокам - группы, уклонившиеся от основного направления эволюции с приобретением той или иной специализации; в верхней части - группы, достигшие наиболее высокого уровня организации. При этом таксономическая близость разных групп нашла отражение в степени расхождения (удаления друг от друга) соответствующих ветвей, а толщина ветвей пропорциональна количеству подчинённых таксонов. Иногда родословное дерево «накладывают» на геохронологическую шкалу (рис. 162). Такое родословное дерево иллюстрирует время обособления, расцвета и вымирания разных филогенетических ветвей.

Исследования филогенеза и реконструкции его этапов необходимы для построения естественной системы организмов. Э.Геккель предложил использовать для этих целей метод тройного параллелизма, сущность которого заключается в сопоставлении данных палеонтологии, сравнительной анатомии и эмбриологии. В современной филоге-нетике всё шире используются данные генетики, биохимии, молекулярной биологии, этологии, физиологии, паразитологии и других биологических наук.

Конечной целью филогенетических исследований является создание филогенетической или естественной системы организмов. Система - это классификация (распределение) организмов по группировкам различного ранга - таксонам. Она создаёт возможность для биологов различных профилей и специализаций ориентироваться во множестве существующих видов организмов. Попытки классификации организмов известны с древности (Аристотель, Теофраст и др.), однако основы систематики как науки заложены в период с 1686 по 1704 гг. в работах английского натуралиста Дж. Рея (1628-1705), затем (с 1735 года) в известных трудах шведского естествоиспытателя К. Линнея (1707-1778). Первые системы (системы Дж. Рея, К. Линнея и др.) были искусственными: объединения видов в группы основывались на нескольких сугубо внешних признаках. Затем возникли классические системы, которые базировались на учёте морфологических признаков и в значительно меньшей степени эмбриологических и палеонтологических данных.

Главной задачей современной систематики является создание естественной (филогенетической) системы, которая отражала бы реально существующие родственные (генеалогические) отношения между группами живых организмов. Разработка такой системы должна осуществляться на основе комплексного использования морфологических, физиологических, эмбриологических, биохимических, генетических, экологических, палеонтологических и других методов исследования.

Понимаемая большинством современных биологов система живой природы представляет собой усовершенствованный и, по сути, компромиссный вариант классических систем XIX века. Не удивительно, что она постоянно обсуждается, уточняется и изменяется. Наиболее крупные систематические группы этой системы представлены ниже.

Принципиально важным для формирования системы живых организмов было установление в середине XX века факта резкого отличия бактерий, цианобактерий (синезелёных водорослей) и недавно открытых архе-бактерий от всех остальных живых существ. У них нет истинного ядра, а генетический материал в виде кольцевой молекулы ДНК лежит свободно в так называемой нуклеоплазме, не образуя настоящих хромосом. Бактерии и архебактерии отличаются также отсутствием митотического веретена, микротрубочек и нетипичным строением жгутиков. Эти организмы получили название прокариот, или доядерных организмов. Ключевыми событиями в истории развития жизни считают переход к эукариотическому типу клеточной организации, появление многоклеточности, возникновение человека.

Основные типы животного мира

Тип Прстейшие

Тип Кишечнополостные

Тип Плоские черви

Тип Круглые черви

Тип Кольчатые черви

Тип Моллюски

Тип Членистоногие

Тип Хордовые

Доказательства монофилии.

Монофили́я (др.-греч. μόνος — «один», и φυλή — «семейный клан») — происхождение таксона от одного общего предка^[1]. Согласно современным представлениям, монофилетической в биологической систематике называют группу, включающую всех известных потомков гипотетического ближайшего предка, общего только для членов этой группы и ни для кого другого.

До недавнего времени для доказательства монофилии использовались, в основном, гомологии. В настоящее время массу доказательств одного источника происхождения всего живого дают биохимия и молекулярная биология. Выяснилось, что основные - "заглавные" - процессы жизни унифицированы:

• Основа наследственности всего живого - нуклеиновые кислоты.

• Репликация осуществляется с помощью одних и тех же ферментов.

• Генетический код универсален: он един и для человека, и для вирусов.

• Для живых существ характерна транскрипция.

• Репликация ДНК конвариантна: как правило, при достаточной длине нуклеотидной последовательности дочерние последовательности оказываются мутантными.

• В состав белков входят одни и те же 20-26 аминокислот.

• Все аминокислоты левовращающие, а сахара - правоврашающие.

• Транспортные РНК одни и те же.

• ДНК разных существ можно гибридизировать, денатурировать, ренатурировать.

  • Денатурация - это процесс разъединения комплементарных цепей ДНК. Двойную цепь в спирали ДНК, образованную водородными связями, можно разрушить нагреванием. Этот процесс называют плавлением.

  • Ренатурация ДНК - это соединение одиночных цепей ДНК, восстановление двойной спирали.

  • Гибридизация ДНК - это ренатурация ДНК, взятых из различных организмов. ДНК гибридизируется путем спаривания азотистых оснований. Способность к гибридизации двух нитей ДНК различных организмов служит строгим тестом на комплементарность их последовательностей.

• Родопсин есть в зрительных клетках млекопитающих и в клеточной оболочке бактерий.

• Тироксин и трийодтиронин (гормоны щитовидной железы человека) обнаружены у цианобактерий.

• Гликолиз есть в клетках бактерий и в клетках человека.

• АТФ синтезируется у всех живых организмов.

• Трипсин и пепсин есть у животных и у росянки.

• Гемоглобин есть у немертин, пиявок, дождевых червей, катушки (моллюск), мотыля (личинка насекомого), бактерии ризобиум, инфузорий.

• В последовательности цитохрома С у бактерий и эукариот имеются гомологии. Цитохром С - небольшой белок. В нем насчитывается 112 аминокислот. Между молекулами цитохрома С человека и собаки 11 несовпадений, человека и курицы - 13, человека и бабочки - 31, человека и нейроспоры - 51 несовпадение по аминокислотным остаткам.

• Инсулин обнаружен у кишечной палочки, у инфузорий и у насекомых.

Академик А. Л. Тахтаджян считает, что сравнительные исследования первичной структуры белков дают объективные критерии истинной степени родства, ценную информацию для эволюционной классификации.

Имеются и цитологические доказательства монофилии.

• Синтез полипептидов происходит в рибосомах. У эукариот рибосомы одинаковые.

• Микротрубочки обнаружены в жгутах, ресничках, центриолях всех эукариот.

• Реснички и жгутики эукариот имеют структуру 9 + 2.

• Мейоз сходен у диплоидных эукариот.

• У эукариот сходен механизм митоза.

• Процесс оплодотворения сходен у диплоидных эукариот.

• Эукариоты имеют сходное строение хромосом. Хромосомы имеют хромосомные белки гистоны. Молекулы гистона IV крупного рогатого скота и гороха имеют одинаковое число аминокислотных остатков и различаются только двумя заменами.

Эмбриологические доказательства монофилии:

• Сходство в дроблении яйца (зиготы) многоклеточных.

• Сходство гистогенеза многоклеточных.

• Сходство органогенеза многоклеточных.

• Сходство ранних стадий эмбрионов у позвоночных животных.

Эволюционно-обусловленные уровни организации жизни.

В живой природе выделяют несколько уровней рорганизации • молекулярно-генетический – на этом уровне обнаруживается однообразие всего живого. Жизненный субстрат для всех животных, растений, вирусов составляет всего 20 одних и тех же аминокислот и 4 одинаковых азотистых основания, входящих в состав молекул нуклеиновых кислот. Близкий состав имеют липиды и углеводы. У всех организмов биологическая энергия запасается в виде богатых энергией аденозинфосфорных кислот (АТФ, АДФ, АМФ). Наследственная информация у всех заложена в молекулах ДНК (исключение составляют лишь РНК-содержащие вирусы), способной к саморепродукции. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул РНК, синтезируемых на матричных молекулах ДНК. В связи с тем, что с молекулярными структурами связано хранение, изменение и реализация наследственной информации, этот уровень называют молекулярно-генетическим. На этом уровне изучают физико-химические процессы, происходящие в организме (синтез и разложение белков, нуклеиновых кислот, липидов, обмен веществ и энергии, копирование генетической информации). • клеточный – на этом уровне также отмечается однотипность всех живых организмов. Клетка является основой самостоятельно функционирующей элементарной биологической единицей, характерной для всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. В истории жизни нашей планеты был такой период (первая половина архейской эры), когда все организмы находились на этом уровне организации. Из таких организмов состояли все виды, биоценозы и биосфера в целом. На этом уровне изучают строение клеток и клеточных компонентов. Метаболизм, происходящий на уровне клетки, необходим для осуществления жизни на других уровнях. • тканевый – совокупность клеток с одинаковым типом организации составляет ткань. Тканевый уровень возник вместе с появлением многоклеточных животных и растений, имеющих дифференцированные ткани. У многоклеточных организмов он развивается в период онтогенеза. Большое сходство между всеми организмами сохраняется на тканевом уровне. Совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям, составляют органы. Всего лишь 5 основных тканей входят в состав органов всех многоклеточных животных и 6 основных тканей образуют органы растений. • организменный (онтогенетический) – на этом уровне обнаруживается труднообозримое многообразие форм, связанное с пространственными комбинациями, обусловливающими новые качественные особенности организма. В настоящее время на Земле обнаруживается более миллиона видов животных и около полумиллиона видов растений. Каждый вид состоит из отдельных индивидуумов. Особь – организм как целое – элементарная единица жизни. Вне особей в природе жизнь не существует. Индивидуальное развитие особи, или онтогенез, дает возможность называть этот уровень онтогенетическим. Нервная и гуморальная системы осуществляют саморегуляцию в организме и обусловливают определенный гомеостаз. На этом уровне изучают процессы, происходящие в особи (организме), начиная с момента ее зарождения и до прекращения жизни.  • популяционно-видовой – совокупность организмов (особей) одного вида, населяющих определенную территорию, свободно между собой скрещивающихся, составляет популяцию. Популяция – это элементарная единица эволюционного процесса; в ней начинаются процессы видообразования, элементарные эволюционные преобразования, такие как естественный отбор, мутационный процесс. Изучают колебания численности и динамику популяций, ее половой состав. Популяция входит в состав биогеоценозов. • биоценотический и биосферный – на этом уровне элементарной структурой является биогеоценоз. Биогеоценоз – исторически сложившиеся устойчивые сообщества растений, животных и микроорганизмов, связанных между собой и с окружающей неживой природой обменом веществ, энергии и информации. Биогеоценоз – целостная саморегулирующаяся и самоподдерживающаяся система. Биогеоценозы составляют биосферу и обусловливают все процессы, протекающие в ней. Биосфера – совокупность всех биогеоценозов, образующих единый комплекс, охватывающий все явления жизни на планете. Элементарное явление на биосферном уровне связано с круговоротом веществ и энергии, происходящим при участии живых организмов.