35. Виды экологических пирамид: пирамида чисел, пирамида энергии, пирамида биомасс, их краткая характеристика.

Экологическая пирамида - графические изображения соотношения между продуцентами и консументами всех уровней в экосистеме.

Консументы – это те, кто производит пищу. В основном это растения, которые используют солнечный свет, воду и углекислый газ, чтобы создавать себе органические вещества.

Продуценты — это те, кто потребляет пищу, созданную продуцентами.

Типы экологических пирамид

Пирамиды чисел - на каждом уровне откладывается численность отдельных организмов, отображает отчетливую закономерность: количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается.

Например, чтобы прокормить одного волка, необходимо по крайней мере несколько зайцев, на которых он мог бы охотиться; чтобы прокормить этих зайцев, нужно довольно большое количество разнообразных растений. В данном случае пирамида будет иметь вид треугольника с широким основанием суживающимся кверху.

Пирамиды биомасс - характеризует общую сухую или сырую массу организмов на данном трофическом уровне. Обычно в наземных биоценозах (группировка видов живых организмов, которые длительное время существуют совместно на определённом участке суши или водоёма) общая масса продуцентов больше, чем каждого последующего звена. В свою очередь, общая масса консументов первого порядка больше, нежели консументов второго порядка.

Пирамиды энергии — это соотношение между количеством энергии, заключённой в каждом из трофических уровней. Она показывает превращение солнечной энергии в энергию химических связей и перемещение энергии химических связей в биоценозе. Согласно правилу 10% (Р. Линдемана), с одного трофического уровня через пищевые цепи на другой трофический уровень переходит в среднем около 10% энергии. Остальные 90% энергии жизнедеятельность организма

36. Биосфера как открытая и саморегулирующаяся система. Эволюция биосферы. Границы биосферы. Типы веществ в биосфере. Функции биосферы.

Биосфера как открытая и саморегулирующаяся система

Современное: Биосфера — это глобальная экосистема, объединяющая все экосистемы земли, в которых биота взаимодействует с её абиотической средой земли, как единое целое.

Вернадский: Биосфера – оболочка жизни, область существования живого вещества.

Эволюция биосферы

Осуществлялась под влиянием двух факторов:

1. Под естественных геологических/климатических изменений

2. Изменений видового состава и количества живых существ в процессе биологической эволюции.

На современном этапе добавляется человек.

Этапы биосферы

1. Прокариотная биосфера (1 млрд лет назад). Появление и развитие анаэробных организмов. Накопление кислорода в воде, окислительные процессы, кислорода в атмосфере до 1%. Это приводит к возможности появления аэробных организмов (протистов).

2. Биосфера палеозоя (до 600 млн лет назад). Появление тканевых организмов. Биоминерализация, вовлечение в биогенный круговорот кальция повлекло вовлечение углекислого газа, поэтому количество кислорода увеличилось до 10%. Появились условия для озонового слоя и выхода на сушу животных и растений. Осаждение карбоната привело к удалению из сферы реакции СО2. Происходит накопление углекислого газа в воде.

3. Биосфера девона, палеозоя (от 270 млн лет назад). Происходит образование наземного растительного покрова. Фотосинтезирующая поверхность была вынесена в атмосферу - образование стебля и накоплению больших масс целлюлозы и лигнина. За счёт эвотранспирации изменился атмосферный и гидрологический циклы. Сформировавшийся в конце палеозоя химический состав воды, газовый состав атмосферы и строение трофической пирамиды сохранились без глобальных изменений. Появление и развитие человечества привели к новой перестройке биогеохимических циклов.

Учёные связывают 1–3 этапы в понятие биогенез и добавляют ещё 3 этапа.

4. Антропогенез. Появление человека и его превращение в социальное существо, формирование организации человеческих сообществ в процессе производственной и трудовой деятельности.

5. Техногенез. Преобразование природных комплексов биосферы в процессе производственной деятельности человека и формировании техногенных и технических комплексов- техносферы.

6. Ноогенез. Процесс превращения биосферы, в состояние разумно управляемой социально-природной системы - ноосферы. Характеризуется рациональным природопользованием, устойчивое развитие мирового человеческого сообщества. (будущее)

Границы биосферы

Обусловлены теми областями, где организмы существуют поколения за поколениями. Верхний предел в стратосфере на уровне озонового экрана. Фактически организмы распространяются ниже его границы. До 5 км с потоками воздуха и пылью могут подниматься м/о, споры. В горах на 8 км высоте обнаружены тли, на высоте 7 км некоторые птицы (конго). Нижняя граница определяется температурными условиями. На границе 3 км от земной поверхности живых существ на суше не обнаружено, в океане на всю глубину (Марианская впадина 11 км).

Типы веществ в биосфере

Вернадский выделял 7 типов в-ва

1. Совокупность живых организмов/живого вещества - биота

2. Костное, твёрдое, жидкое, газообразное вещество - образуется процессами, в которых живое вещество не участвует.

3. Биогенное вещество- вещество, которое раньше было живыми организмами (каменный уголь, нефть, известняк)

4. Биокостное вещество- которое создаётся живыми организмами и костными процессами, динамическое равновесие между теми и другими (океаническая вода, кора выветривания, почва).

5. Вещества в радиоактивном составе (обеспечивают 15% тепла)

6. Рассеянные атомы, которые непрерывно создаются из всякого рода земного вещества.

7. Вещество космического происхождения.

Функции биосферы

Вернадский

Лаппо

Газовая – все газы атмосферы создаются и изменяются биогенным путем. Кислородная – образование свободного кислорода Окислительная – окисление бедных кислородом соединений (Fe. Mn, Cu, N, C, H) Кальциевая – выделение кальция в виде чистых солей Восстановительная – создание сульфидов металлов и сероводорода Концентрационная – скопление элементов, рассеянных в окружающей среде Функция разрушения органических соединениц – разложение их с выделением воды, углекислого газа и азота Функция восстановительного разложения – образование сероводорода, метана, водорода Функция метаболизма и дыхания – поглощение кислорода и воды, выделение углекислого газа с миграцией органических элементов.

Энергетическая. Поглощение солнечной энергии и её аккумулирование в органических соединениях, с последующим высвобождением при разложении. Концентрационная. Избирательное поглощение и накопление определенных веществ (ионов, элементов) из окружающей среды, даже из ненасыщенных растворов, с образованием биогенных минералов. Деструктивная. Разрушение органического (сапрофитами) и неорганического вещества с целью включения биологический круговорот. Средообразующая. Изменение физико-химических параметров среды в результате жизнедеятельности организмов. Транспортная. Перемещение веществ в биосфере, как в вертикальном (снизу вверх), так и в горизонтальном направлениях.

37. Основные положения синтетической теории эволюции: популяция как единица эволюции; наследственная изменчивость как фактор эволюции; мутации и гетерозиготы как скрытый резерв эволюции; популяционные волны и дрейф генов; механизмы изоляции; формы естественного отбора; борьба за существование; вид, критерии, пути видообразования.

Основные положения синтетической теории эволюции

Синтетическая теория эволюции (СТЭ) — общепринятая эволюционная теория, построенная на теории Дарвина, но содержащая определённые поправки в соответствии с современными представлениями о живом мире.

Основные положения

1. Материалом для эволюции служат наследственные изменения — мутации и их комбинации.

2. Основным движущим фактором эволюции является естественный отбор, возникающий на основе борьбы за существование.

3. Наименьшей единицей эволюции является популяция.

4. Эволюция носит в большинстве случаев дивергентный характер, т. е. один таксон может стать предком нескольких дочерних таксонов.

5. Эволюция носит постепенный и длительный характер. Видообразование как этап эволюционного процесса представляет собой последовательную смену одной временной популяции чередой последующих временных популяций.

6. Вид состоит из множества соподчиненных, морфологически, физиологически, экологически, биохимически и генетически отличных, но репродуктивно не изолированных единиц — подвидов и популяций.

7. Вид существует как целостное и замкнутое образование. Целостность вида поддерживается миграциями особей из одной популяции в другую, при которых наблюдается обмен аллелями («поток генов»),

8. Макроэволюция на более высоком уровне, чем вид (род, семейство, отряд, класс и др.), идет путем микроэволюции. Иными словами, для эволюции групп видов живых организмов характерны те же предпосылки и движущие силы, что и для микроэволюции.

9. Любой реальный таксон имеет монофилетическое происхождение (происхождение группы организмов от общего предка).

10. Эволюция имеет ненаправленный характер, т. е. не идет в направлении какой-либо конечной цели.

Под эволюцией органического мира понимают процесс исторического развития от древнейших до современных и будущих форм жизни. Сущность этого процесса состоит в непрерывном приспособлении живого к разнообразным и постоянно меняющимся условиям окружающей среды, а так же в появлении все более сложно устроенных организмов.

Популяция как единица эволюции

Популяция — самая мелкая из групп особей, способная к эволюционному развитию, поэтому её называют элементарной единицей эволюции. Отдельно взятый организм не может являться единицей эволюции — эволюция происходит только в группе особей. В популяциях происходит процесс микроэволюции. В результате микроэволюции происходит видообразование. При этом в надвидовых таксонах происходит макроэволюция по схожим механизмам.

Наследственная изменчивость как фактор эволюции

Изменчивость бывает наследственной и фенотипической. Наследственная изменчивость бывает комбинативной и мутационной.

• Комбинативная изменчивость возникает при сочетании в потомках генов обоих родителей. Обусловлена кроссинговером (обменом участками гомологичных хромосом при мейозе) и панмиксией — это свободное скрещивание разнополых особей в популяции. Именно благодаря комбинативной изменчивости происходит обмен генетическим (эволюционным) материалом.

• Мутационная изменчивость возникает при спонтанном изменении генетического материала. Такие изменения называются мутациями.

К факторам эволюции НЕ относится фенотипическая изменчивость. Модификационная изменчивость определяется факторами внешней среды, формируется при одинаковых условиях.

То, насколько сильно могут измениться признаки, определяется нормой реакции признака, которая контролируется генотипом. Норма реакции — это все возможные фенотипы, возможные для данного генотипа. Данные пределы (норма реакции) ограничиваются генотипом.

Мутации и гетерозиготы как скрытый резерв эволюции

Рецессивные мутации в гетерозиготном состоянии составляют скрытый резерв изменчивости, который может быть использован естественным отбором при изменении условий существования. Рецессивный характер мутаций позволяет им длительное время сохраняться у особей вида в гетерозиготном состоянии без вреда для организма и проявиться в будущем при переходе в гомозиготное состояние.

Бывают генные, хромосомные и геномные мутации.

Генные мутации происходят внутри гена, то есть с конкретными нуклеотидами. Хромосомные мутации происходят внутри хромосомы, то есть хромосома изменяет свою структуру. Геномные мутации — это изменение числа хромосом в кариотипе. Возникают при нарушении расхождения хромосом во время деления.

Любые мутации передаются детям, только если они возникают в половых клетках.

Популяционные волны и дрейф генов

Популяционные волны — это колебания численности популяции, возникающие по множествам причин.

Популяционные волны могут носить экологический или случайный характер. Волны жизни приводят к изменению концентраций аллелей в генофонде популяций. При снижении особей в популяции из ее генофонда могут выпасть редкие аллели, и наоборот, при возрастании количества особей такие аллели могут распространяться. Популяционные волны, таким образом, случайны и служат поставщиком эволюционного материала.

Дрейф генов – случайное изменение концентрации аллелей в небольшой, полностью изолированной популяции. Этот процесс может происходить из-за случайной миграции особи с редким аллелем из одной популяции в другую, приводя к распространению этого аллеля в новой популяции. Благодаря дрейфу генов распространение мутаций и новых признаков происходит быстрее. В результате этих изменений происходит смена частот аллелей, пока они не достигнут состояния равновесия. Дрейф генов приводит к уменьшению разнообразия в популяции и в это же время обуславливает различия между разными популяциями. Одним из основных результатов дрейфа генов является обеднение генетического разнообразия внутри популяции за счёт утраты одних аллелей и фиксации других.

Механизмы изоляции

1. Предзиготические – механизмы, предшествующие образованию зиготы, создающие препятствия для скрещивания особей из разных популяций.

• Экологическая: из-за разного местообитания не встречаются друг с другом.

• Временная: особи не спариваются друг с другом ввиду несоответствия во времени половой активности.

• Поведенческая: особи из-за различий в половом поведении они не привлекают друг друга.

• Механическая изоляция: особи разных видов не скрещиваются из-за разного строения половых органов.

• Географическая изоляция: популяции не скрещиваются из-за разделения исходного ареала и возникновении природных преград.

• Гаметическая изоляция: особи встречаются, спариваются, но ввиду отсутствия взаимодействия гамет не образуется зигота.

2. Постзиготические – механизмы, действующие после образования зиготы, приводящие к снижению жизнеспособности или плодовитости будущего потомства.

• Гибель зигот: образуется зигота, но быстро гибнет вследствие несовместимости геномов родительских видов. Понятие очень близкое к гаметической изоляции.

• Нежизнеспособность гибридов: зигота развивается в гибрид, обладающий пониженной жизнеспособностью.

• Стерильность гибридов: гибриды жизнеспособны, но не могут давать потомство. Мул.

Формы естественного отбора

Естественный отбор – движущий фактор эволюции — процесс, посредством которого в популяции увеличивается число особей, обладающих максимальной приспособленностью.

1. Стабилизирующий. Направлен на сохранение особей с минимальным отклонением от «среднего» признака.

2. Движущий. Способствует выживанию особей с новыми признаками в меняющихся условиях среды.

3. Дизруптивный. Способствует возникновению и поддержанию разнообразия популяций, приводит к дивергенции (расхождению признаков) и образованию нескольких видов из одного исходного. В основном это необходимо для лучшей борьбы с условиями среды и уменьшения внутривидовой конкуренции.

4. Половой. Основан на соперничестве одного пола за спаривание с особями другого пола. В основном характерен для животных. За счет него появился половой диморфизм и развились вторичные половые признаки.

Борьба за существование

Борьба за существование тесно связана с факторами среды. Выделяют три фактора среды: биотический, абиотический и антропогенный.

Биотический фактор — это вся живая природа в целом. В связи с этим выделяют два вида борьбы с биотическим фактором:

• Внутривидовая борьба - возникает между особями одного вида: за еду, партнёра, место жительства.

• Межвидовая борьба - возникает, когда организмы состоят в каких-либо отношениях: симбиоз, хищничество, паразитизм

Борьба с абиотическим фактором — это борьба с неблагоприятными условиями среды.

Антропогенный фактор возник с появлением человеческой культуры, наши отношения с природой давно вышли за рамки «межвидовой борьбы», учёные называют такой тип борьбы — борьбой с антропогенным фактором.

Виды, критерии, пути видообразования

Вид – это совокупность особей, сходных по критериям вида до такой степени, что они могут в естественных условиях скрещиваться и давать плодовитое потомство.

Критерии вида – это признаки, по которым сравнивают 2 организма, чтобы определить, относятся они к одному виду или к разным.

1. Морфологический – внутреннее и внешнее строение.

2. Физиолого-биохимический – работа органов и клеток.

3. Поведенческий – поведение, особенно в момент размножения.

4. Экологический – совокупность факторов внешней среды, необходимых для жизни вида.

5. Географический – ареал.

6. Генетико-репродуктивный – одинаковое количество и строение хромосом.

Видообразование – это процесс образования и изменения новых биологических видов. Виды:

• Аллопатрическое (географическое видообразование). Происходящий при нарушении целостности ареала исходного вида. Причины: геологические процессы и дальние миграции, вызывающие географическую изоляцию популяций. В изоляции популяции развиваются независимо, накапливая генетические различия и формируя новые виды. Ведущая роль у движущей формы естественного отбора.

• Симпатрическое (экологическое видообразование). Происходящий в пределах единого ареала без пространственной изоляции. Ключевой фактор - изменения генетического материала (генные мутации) вызывающие генетическую изоляцию (отдельные группы становятся неспособны к скрещиванию). Развитие изолированных групп приводит к образованию новых видов. Ведущая роль у дизруптивной формы естественного отбора, разделяющей популяцию на адаптивные группы