Підручники з Біології / Біологія 11 клас / Задорожний Біологія 11 клас. 2019

Здатна до запліднення

яйцеклітина

Запліднення

Донорська

сперма

Введення сперми

Мал. 77.1. Схема штучного запліднення

вирішити одразу три проблеми. По-перше, вона зменшує викиди парникового газу і запобігає глобальному потеплінню. По-друге, метан є чудовим паливом і гарним джерелом енергії. По-третє, ця технологія дозволяє переробляти велику кількість сміття і перешкоджає забрудненню навколишнього середовища.

Біотехнології в медицині

Біотехнологічні методи широко використовуються в таких галузях медицини, як репродуктивна медицина і трансплантологія. Репродуктивна медицина займається профілактикою, діагностикою та лікуванням безпліддя в людини. Вона базується на використанні найновіших розробок з ендокринології, хірургії, генетичної інженерії та інших галузей. Добре відпрацьованими і популярними технологіями репродуктивної медицини є технології штучного запліднення — екстракорпоральне (поза організмом жінки) та інтракорпоральне (в організмі жінки) запліднення (мал. 77.1).

Трансплантація — це пересадка реципієнту органа або тканини, які були взяті з організму донора. Пересаджувані органи

Ключова ідея

Сучасна біотехнологія є потужним інструментом як у галузі наукових досліджень, так і в галузі виробництв продуктів харчування, ліків, побутової хімії. Також вона дозволяє ефективно захищати сільськогосподарські культури без застосування хімічних засобів.

Тема 8. Селекція та біотехнологія

Мал. 77.2. 3D-принтинг органів людини

йтканини називають трансплантатами. Основною проблемою трансплантації є подолання імунного бар’єру. Будь-які чужі органи

йтканини імунна система організму розпізнає

йпочинає атакувати, намагаючись знищити чужорідні клітини. Це стає причиною загибелі й відторгнення трансплантатів. Для попередження цього процесу лікарям доводиться пригнічувати в пацієнта роботу імунної системи за допомогою спеціальних препаратів.

Одним із найбільш перспективних напрямів трансплантології є 3D­принтинг органів (мал. 77.2). Ця технологія заснована на створенні з живих клітин тривимірних моделей органів на штучній основі. У ній використовується система 3D-друку. Перевага цього методу в тому, що можна використовувати штучно культивовані клітини самого пацієнта. У такому випадку зникає проблема імунного конфлікту з трансплантатом.

Зараз таку технологію вже почали комерційно використовувати для вирощування шкіри, кровоносних судин, серця та деяких окремих тканин. Поки що основні успіхи було досягнуто у створенні окремих тканин. Друк цілих органів перебуває на стадії відпрацювання технології.

Запитання та завдання

1. Які переваги і недоліки мають методи біотехнології у випадку їх застосування для охорони довкілля? 2. Чому застосування мікроорганізмів для синтезу лимонної кислоти є вигіднішим, ніж її хімічний синтез?

Метод із використанням векторів на основі плазмід бактерій із роду Agrobacterium

Метод із використанням генної гармати

Частки золота з нанесеною ДНК

Генна гармата

Обстріл клітин частками золота з ДНК

Рослинна

клітина

Перенесення гена в геном клітин

Формування паростків на поживному середовищі

Поміркуйте

Як ви вважаєте, де в житті можна застосовувати екологічні знання?

Згадайте

•Навколишнє середовище, екологія

•Популяція, екосистема, біосфера

Визначення, об’єкт, предмет і завдання екології

Екологія — наука про взаємодію живих організмів та їхніх угруповань одне з одним і з навколишнім середовищем.

Об’єктами вивчення екології є біологічні системи надорганізмового рівня — популяції, екосистеми й біосфера в цілому.

Предметом вивчення екології є взаємодія організмів один з одним і з навколишнім середовищем.

На популяційному рівні екологія вивчає характеристики популяцій (наприклад, просторову структуру) і характер взаємозв’язків між особинами (наприклад, внутрішньовидову конкуренцію). На рівні екосистем велике значення мають міжвидові трофічні зв’язки (трофічні ланцюги), за допомогою яких відбувається перенесення поживних речовин та енергії в екосистемі. На рівні біосфери вивчають процеси планетарного масштабу, такі як колообіг речовин, асиміляція сонячної енергії, продукція органічної речовини.

На сьогодні екологія вийшла за межі біології й перетворилася на міждисциплінарну науку, що присвячена взаємодіям людини з навколишнім середовищем, та охоплює питання охорони природного середовища.

Основними завданнями екології є: •вивчення взаємодії організмів із факто-

рами навколишнього середовища та їх впливу на середовище проживання;

•вивчення організації та функціонування біологічних угруповань (популяцій, екосистем, біосфери);

•розробка основ раціонального природокористування.

Етапи розвитку екології

Перший етап — зародження екології. До середини XIX ст. відбувалося поступове накопичення даних про взаємозв’язки живих організмів із середовищем їх проживання. Ще відомий природознавець К. Лінней (1707–1778) підкреслював провідне значення кліматичних чинників.

Термін «біосфера» увів австрійський геолог Е. Зюсс (1875). Значний вплив на розвиток екологічної науки здійснив усесвітньо відомий науковець-зоолог Ж. Б. Ламарк (1744–1829), який вважав, що найважливішою причиною пристосувальних змін організмів є вплив умов навколишнього середовища. І, звісно ж, чималий внесок у становлення екології мала теорія природного добору визначного вченого Ч. Дарвіна (1859). Засновником екології ж вважається німецький біолог Е. Геккель, який 1866 року вперше вжив термін «екологія».

На другому етапі (середина XIX — середина XX ст.) відбулося виокремлення екології в самостійну галузь знань. Засновником популяційної екології вважається англійський вчений Ч. Елтон. Він у своїй монографії вперше використав поняття екологічної ніші, обґрунтував правило екологічних пірамід, сформулював принципи популяційної екології (1927).

1926 року вийшла праця видатного українського вченого В. І. Вернадського «Біосфера», де було висвітлено величезну роль живих організмів у геохімічних процесах Землі. У 30-ті роки XX століття сформувалися напрямки екології популяцій та екосистем. Зокрема, були запропоновані математичні моделі чи-

сельності популяцій (В. Вольтерра, А. Лотка, Г. Гаузе). Поняття «екосистема» було введено 1935 року англійським ботаніком А. Тенслі.

Третій етап розвитку екології розпочався в другій половині XX ст., коли стали помітними зміни в навколишньому середовищі, такі як забруднення води, повітря, зникнення лісів, вимирання рідкісних видів тварин і рослин. Ці зміни були наслідком швидкого розвитку промисловості й приросту населення. Стало зрозуміло, що діяльність людини не лише завдає шкоди довкіллю, але й загрожує існуванню самого людства. Так екологія перетворилася на комплексну науку, яка вивчає також проблеми охорони навколишнього середовища.

Структурні підрозділи екології

У наш час екологію поділяють на декілька наукових дисциплін.

Біоекологія є базовою екологічною наукою, що вивчає закономірності взаємозв’язків організмів та умов середовища.

Геоекологія розглядає зв’язок біосферних та геологічних процесів, участь геологічних чинників у виникненні й еволюції життя на Землі.

Прикладна екологія вивчає механізми руйнування біосфери людиною й способи запобігання цьому процесу, а також розробляє принципи раціонального використання природних ресурсів.

Ключова ідея

Екологія вивчає взаємодію організмів один з одним і з навколишнім середовищем на рівні популяцій, екосистем і всієї біосфери. Розділами біоекології є аутекологія (взаємодія «особина — середовище»), демекологія (взаємозв’язки особин в угрупованні) і синекологія (зв’язки в екосистемах).

Екологічні рухи

УXX столітті у світі почали поширюватися екологічні рухи, спрямовані на захист навколишнього середовища. Найбільш відомими міжнародними неурядовими організа­ ціями є Міжнародний союз охорони природи (IUCN), Всесвітній фонд дикої природи (WWF), Всесвітнє товариство захисту тварин (WSPA), Грінпіс. Їхня діяльність спрямована на виявлення та вирішення глобальних і регіональних екологічних проблем.

Убільш ніж 90 країнах світу існують

Зелені партії і політичні рухи; їх об’єднує міжнародна мережа Глобальні Зелені. Вони закликають до соціальних реформ стосовно охорони навколишнього середовища, захисту екологічних і пов’язаних із ними соціальних прав громадян.

В окремих країнах і їхніх регіонах існують добровільні об’єднання громадян і гро­ мадських організацій, метою яких є вирішення місцевих екологічних проблем і контроль за дотриманням природоохоронних законів.

ВУкраїні велика увага приділяється створенню природоохоронних територій, охороні річок, боротьбі з браконьєрством. Екологічне мислення популяризується — відбуваються екологічні акції (наприклад, кампанії на захист первоцвітів або проти утримання дельфінів у неволі), виходять друком книги екологічного спрямування.

Запитання та завдання

1. Який розділ екології вивчає щільність популяції? трофічні зв’язки між видами? колообіг речовин? 2. Які, на ваш погляд, положення теорії походження видів Ч. Дарвіна стосуються екології? 3. Як екологія пов’язана з географією? 4. З’ясуйте, які екологічні організації існують у вашій області і яка мета їхньої діяльності.

Поміркуйте

• Чим експеримент відрізняється від спостереження?

Згадайте

• Моніторинг, моделювання

Зв’язок екології з іншими науками

В основу екології покладено тісний зв’я- зок із природничими науками — біологією, географією, геологією, ґрунтознавством. Наприклад, взаємодію організмів із хімічними компонентами середовища вивчають фізіологія та біохімія. Ефект впливу середовища на організми оцінюється за конкретними біологічними ознаками, визначити які можна за допомогою анатомії, ембріології, гістології, цитології. В екологічному моніторингу можуть використовуватися об’єкти зоології, ботаніки, мікробіології.

Разом із тим, в екології широко застосовуються методи математики, фізики й хімії — для моделювання екологічних процесів, дослідження динаміки популяцій, вивчення колообігу речовин, моніторингу стану навколишнього середовища.

Знання, здобуті шляхом екологічних досліджень, застосовують в охороні природи (відновлення чисельності видів, регуляція промислу, очищення промислових відходів),

Мал. 79.1. Польові спостереження

медицині (розробка нормативів граничного вмісту шкідливих речовин), економіці (раціональне природокористування, ресурсозбереження, зміна технологій, відмова від особливо небезпечних виробництв).

Методологія екологічних досліджень

В екології використовуються стандартні методи наукового дослідження: спостереження, експеримент і моделювання. Власні методи екології можна поділити на дві групи: польові й лабораторні. Польові методи дозволяють вивчати живі організми в природному середовищі. Так можна з’ясувати тип взаємодії видів із середовищем, зрозуміти взаємозв’язки між організмами, вивчити дію зовнішніх факторів. Як лабораторними зазвичай користуються методами хімії, фізіології, анатомії, біохімії. Особливо популярні хімічні методи. Їх застосування дає змогу визначити якісний стан навколишнього середовища — води, ґрунту, повітря.

Польові спостереження

У польових спостереженнях екологи передусім з’ясовують наявність об’єкта спостереження (мал. 79.1). Наприклад, присутність тих чи інших видів, їхніх екологічних підгруп, чинників середовища. Складають карти поширення й інвентаризаційні списки досліджуваних об’єктів. Проте основою екологічних досліджень є кількісна оцінка об’єктів і процесів. Відбувається облік чисельності організмів на досліджуваній території, оцінюються плідність, захворюваність, забруднення середовища та інші показники. За зміною цих показників можна зробити висновок про стабільність об’єкта або ж виявити швидкість і напрямок змін.

Екологічний моніторинг

Екологічний моніторинг — це тривале (як правило, багаторічне) спостереження за природними об’єктами або екологічними процесами. Спостереження за наявністю видів, їхнім станом і чисельністю називається

біологічним моніторингом. Спостереження

за загальним станом природного середовища

йзміною екологічних факторів називається

моніторингом навколишнього середовища.

Спостереження за загальносвітовими процесами та явищами в біосфері Землі називається біосферним (глобальним) моніторингом.

Зазвичай, моніторинг поєднує польові

йлабораторні методи досліджень. Окрім біологічних, використовують фізичні, хімічні, географічні та навіть космічні методи, приміром, зондування зі штучних супутників. Моніторинг часто здійснюють задля контролю за забрудненням ґрунту, водного й повітряного середовища різними відходами, накопиченням важких металів, хімічних речовин, радіонуклідів, потраплянням їх у харчові ланцюги.

Завданнями моніторингу є оцінка й прогноз стану природного середовища. Тобто це не

Дізнайтеся більше

В Україні багаторічний екологічний моніторинг здійснюють у зоні відчуження навколо Чорнобильської АЕС. До моніторингу належить контроль радіаційного забруднення ґрунту, атмосфери, водойм, оцінка стану рослинного й тваринного світу. За результатами моніторингу роблять прогноз — як поширюватиметься той чи інший радіоактивний елемент у навколишньому середовищі, і, виходячи з цього, розробляють стратегію захисту.

Ключова ідея

Оцінка і прогноз стану природного середовища відбувається на підставі польових спостережень, біондикації, екологічного моніторингу й моделювання. Екологічний моніторинг — це тривале спостереження за природними об’єктами або процесами. Біоіндикація — це оцінка стану середовища за допомогою біологічних об’єктів.

просто спостереження за біосферою, а й передбачення небажаних наслідків утручання людини в природу. Відомості, отримані в результаті моніторингу, спрямовують на розробку заходів щодо охорони досліджуваних об’єктів.

Біоіндикація

Якість навколишнього середовища можна визначити методами біоіндикації. Біоіндикація — це оцінка стану середовища за допомогою біологічних об’єктів. Для біоіндикації використовують особливо чутливі до зміни середовища біологічні види. Стан навколишнього середовища оцінюють за наявністю або відсутністю видів-індикаторів, їхньою морфологією, поведінкою, чисельністю, видовою різноманітністю угруповань та ін.

Моделювання

Моделювання — це дослідження не самого об’єкта, а його моделі, що відповідає властивостям реального об’єкта. Моделювання використовують тоді, коли дослідження власне об’єкта є неможливим, вимагає забагато коштів або часу, приміром, під час дослідження екосистем. За допомогою комп’ютерного моделювання отримали, наприклад, закономірності в системі «хижак — жертва», зробили прогнози чисельності популяцій і стійкості екосистем.

Запитання та завдання

1. Як ви вважаєте, чи потрібні математичні знання в екології? Поясніть свою відповідь. 2. Що таке біологічний моніторинг? Як його здійснюють? 3. Запропонуйте схему моніторингу природних популяцій кабана. 4. Як можна використовувати лишайники у дослідженнях, що здійснюють за допомогою біоіндикації?

Тема 9. Екологія

§ 80. Екологічні фактори

Поміркуйте

Які чинники впливають на біорізноманітність живих організмів?

Згадайте

• Місце проживання, середовище проживання

Класифікація екологічних факторів

Екологічні фактори — це умови середовища проживання, які впливають на живі організми. Екологічними факторами можуть бути, наприклад, освітленість, температура, доступність кисню, наявність сполук певних елементів і води.

За природою екологічні фактори поділяють на абіотичні, біотичні й антропогенні. Абіотичні фактори — це чинники неживої природи, які прямо або опосередковано впливають на живі організми. Біотичні фактори — це вплив на організм інших живих організмів. Антропогенні фактори — діяльність людини, що прямо впливає на живі організми або змінює їхнє середовище проживання.

Екологічні фактори поділяють також на ресурси й умови. Ресурси — це елементи середовища проживання, які організм споживає (їжа, вода, кисень, вуглекислий газ). Їх кількість у результаті взаємодії з організмом може зменшуватися. Умови — це елементи середовища проживання, які організм не споживає (температура, освітленість, атмосферний тиск).

Класифікація екологічних факторів

Вплив біотичних факторів

Біотичні фактори поділяють на внутрішньовидові й міжвидові.

Внутрішньовидові фактори — це вплив на організм особин цього ж виду. До них належать, наприклад, суперництво за лідерство в зграї, конкуренція за їжу, а також взаємодопомога й співробітництво, турбота батьків про потомство.

Міжвидові фактори — це вплив на організм особин інших видів. До типів міжвидової взаємодії належать протокооперація, мутуа­ лізм, коменсалізм, конкуренція, паразитизм, хижацтво, аменсалізм, нейтралізм.

Дізнайтеся більше

Улітку 2013 року на річці Сіверський Донець було зафіксовано масове розростання екзотичної акваріумної рослини — пістії (водяного салату), яка

внормі зростає в тропіках. Тобто відбулася антропогенна інтродукція (введення) акваріумної культури

вприроду.

Пістія надзвичайно швидко розмножилася, захопивши нові ділянки річки вниз за течією (за кілька місяців просунувшись на сотню кілометрів) і повністю вкривши поверхні водойм. Інші рослини нею конкурентно витіснялися; водойми заболочувалися. Зміни

Ключова ідея

Екологічні фактори поділяють на абіотичні, біотичні й антропогенні. Формами біотичних відносин є протокооперація, мутуалізм, коменсалізм, конкуренція, паразитизм, хижацтво, аменсалізм, нейтралізм.

середовища проживання призвели до загибелі риби. Зарості заважали судноплавству. Екологічні служби здійснювали постійний моніторинг і побоювалися, що такими темпами пістія за одне літо досягне річки Дон.

Однак узимку через низьку температуру (абіотичний екологічний фактор) більша частина заростей загинула. Та попри це пістія вдало перезимувала й збереглася в теплих стічних водах електростан-

ції в селищі Есхар Харківської області (техногенний фактор)Запитання. та завдання

1. Які екологічні умови та екологічні ресурси необхідні для яблуні? дощового черв’яка? дріжджових грибів? 2. Розкажіть, які біотичні фактори середовища впливають на лося. 3. Опишіть наслідки (позитивні й негативні) дії антропогенного фактора на бур’яни. 4. Чому види-інтродуценти (наприклад, колорадський жук) часто мають перевагу перед місцевими видами?

Поміркуйте

Чому ареал коали обмежений лише вузькою зоною прибережних районів на сході й півдні Австралії і більше вона ніде не трапляється?

Згадайте

•Адаптація

•Біотичні й абіотичні фактори середовища

Закон толерантності Шелфорда й закон мінімуму Лібіха

Кожний живий організм зазнає дії великої кількості екологічних факторів. Відповідні реакції на ці фактори в різних біологічних видів відрізняються, але мають загальні закономірності, які називаються екологічними законами.

Відповідно до закону мінімуму Лібіха,

успіх життєдіяльності організму залежить від того екологічного фактора, який перебу­ ває в мінімумі. Цей закон був сформульований німецьким хіміком Юстусом фон Лібіхом ще 1840 року. Американський зоолог Віктор Шелфорд 1913 року указав, що обмежувати життєздатність можуть фактори, представлені не тільки в мінімумі, але й у максимумі.

Закон толерантності Шелфорда: будь­який живий організм має верхню й нижню межі витривалості (толерантності) до будь­ якого екологічного фактора.

Мал. 81.1. Крива толерантності (графічне зображення закону оптимуму)

Закон оптимуму

Між мінімумом і максимумом існує діапазон значень фактора, у якому організм може існувати. Цей діапазон називається діапазоном толерантності (витривалості). Він описується законом оптимуму: будь­який еко­ логічний фактор позитивно впливає на живі організми лише в певних межах.

Графічно закон оптимуму зображують у вигляді кривої толерантності (мал. 81.1). Інтенсивність дії екологічного фактора, найбільш сприятлива для життєдіяльності організму, називається екологічним оптимумом. Інтенсивність екологічного фактора, за якої життєдіяльність організму суттєво пригнічується, називається песимумом. Мінімально й максимально можливі значення фактора називаються критичними точками; за їхніми межами існування організму неможливе.

Лімітуючі фактори

У природному середовищі проживання на організм одночасно діє безліч екологічних факторів. Навіть якщо лише один із цих факторів виходить за межі своїх критичних значень, то особинам загрожує смерть попри оптимальну комбінацію інших факторів. Наприклад, якщо не поливати кімнатні рослини, то вони загинуть, незважаючи на гарне освітлення й родючий ґрунт.

Таким чином, найбільш значущим для виживання виявляється той екологічний фактор, який максимально відхиляється від свого оптимуму. Такий фактор називається

лімітуючим, або обмежуючим.

Для тварин лімітуючими факторами часто стають температура середовища й доступність їжі, для рослин — наявність світла, води й інших неорганічних сполук.

Якщо рівень одного фактора виходить за межі толерантності, то звужується діапазон витривалості й до інших факторів. Наприклад, за умови низького вмісту Нітрогену в ґрунті знижується посухостійкість злаків; голодна тварина стає більш уразливою для хижаків і чутливою до холоду.