Фундаментальные свойства живых существ

Если живое вещество распределить на поверхности земли ровным слоем, то его толщина составит всего 2 см. Почему же обладая столь незначительной массой, они определяют облик биосферы.

Основная отличительная способность живого вещества в целом - это способ использования энергии. Живые организмы способны улавливать солнечную энергию, удерживать ее в виде энергии сложных органических соединений (биомассы), передавать друг другу, трансформировать в механическую, электрическую, тепловую и др. В этом уникальность живых существ. Не живые тела не способны к столь сложным преобразованиям энергии, они преимущественно рассеивают ее (камень, например, только нагревается под действием солнечной энергии, но его масса при этом не увеличивается ).

Живое вещество собирает полученную им в форме солнечного света энергию и превращает ее в свободную энергию, способную совершать работу.

Существование живых организмов основано на потреблении энергии из внешней среды. Часть организмов непосредственно использует энергию солнечного света - это растения, другая часть - химическую энергию потребляемых веществ - это животные организмы.

Другой особенностью живых организмов является их уникальная способность к самовоспроизведению, т.е. к производству на протяжении многих поколений форм, практически идентичных по структуре и функционированию.

Функции живого вещества:

1. Энергетическая. Ее выполняют в основном растения, аккумулируя солнечную энергию. По расчетам Вернадского, ан Земле ежегодно аккумулируется растениями около 10¹⁹ больших калорий энергии.

2. Деструктивная. Состоит в разложении, минерализации мертвого органического вещества, химическом разложении горных пород, вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот. Мертвое органическое вещество разлагается до простых неорганических соединений. Особо следует отметить именно химическое разложение горных пород.

3. Концентрационная. Заключается в избирательном накоплении при жизнедеятельности организмов атомов веществ, рассеянных в природе. Наиболее активными концентраторами многих элементов являются микроорганизмы. Например, в продуктах жизнедеятельности некоторых из них по сравнению с природной средой содержание марганца увеличено в 1200000 раз, железа в 65000 раз и т.д.

Особо следует обратить внимание на способность морских организмов накапливать микроэлементы, тяжелые металлы, радиоактивные элементы. Их концентрация в теле беспозвоночных и рыб может в сотни тысяч раз превосходить содержание в морской воде. Благодаря этому морские организмы полезны как источник микроорганизмов, но вместе с тем употребление их в пищу может грозить отравлением тяжелыми металлами.

4. Средообразующая. Состоит в трансформации физико-химических параметров среды (литосферы, гидросферы, атмосферы). Можно сказать, что она является совместным результатом всех рассмотренных функций живого вещества.

Средообразующие функции живого вещества создали и поддерживают баланс вещества и энергии в биосфере, обеспечивая стабильность существования организмов, в том числе и человека. Вместе с тем живое существо способно восстанавливать условия обитания, нарушенные в результате природных катастроф или антропогенного воздействия (принцип Ла Шателье – изменение любых переменных в системе в ответ на внешние возмущения происходит в направлении компенсации производимых возмущений).

В результате средообразующей функции в географической оболочке произошли следующие важнейшие события: преобразован газовый состав первичной атмосферы; изменился химический состав первичного океана; образовалась толща осадочных пород в литосфере и т.д.

Масса живого вещества, соответствующая данному моменту времени, с трудом сопоставима с тем грандиозным ее количеством, которое производило свою работу в течение сотен миллионов лет существования организмов. Если рассчитать всю массу живого вещества, воспроизведенного за это время биосферой, она окажется равной 2,4х10²⁰ т. Это в 12 раз больше массы земной коры.

Популяционный уровень.

Каждый биологический вид в природе представлен почти всегда несколькими, часто многими популяциями.

Популяция – это группа организмов одного вида, занимающая определенную территорию и обычно в той или иной степени изолированная от других сходных групп. Популяция — элементарная форма существова­ния вида в природе. Популяции эволюционируют и являются единицами эволюции видов и видообразования. Обладая всеми признаками биоло­гической системы, популяция, тем не менее, представляет собой совокупность организмов, как бы выделенную из природной системы, так как в природе особи одного вида всегда сожительствуют с особями других видов. Только в искусственных условиях или в специальном эксперименте можно иметь дело с «чистой» популяцией, например, культурой микро­организмов, посевом растений, приплодом животных и т.п.

Основными экологическими характеристиками популяции считаются:

- величина по занимаемому пространству и по численности особей;

- структура возрастная, половая, пространственная, этологическая (поведенческая) и т.д.;

- динамика - процессы изменения ее основных биологических показателей (численности, биомассы, структуры) во времени в зависимости от экологических факторов.

Экосистемный уровень.

Каждому биологическому виду присущи его собственные морфологические и анатомические признаки. Каждый вид в среде, где он обитает занимает определенное место, которое обусловлено его потребностью в пище, территории, связано с функцией воспроизводства. Такое место экологи называют экологической нишей данного организма, или средой обитания - комплекс всех физических, химических и биологических факторов среды, которые необходимы тому или иному биологическому виду для жизни, роста и размножения в данной экосистеме.

Среда обитания определенной группы организмов вместе с их совокупностью образуют экосистему. Экосистемы могут быть разнообразными по размеру: небольшая лужа по праву представляет собой экосистему, так же как и лес, занимающий сотни гектаров. Следовательно, площадь - это не основной признак экосистемы. Экосистема может быть определена как топографическая единица, где обитает некоторое количество живых существ, связанных между собой и средой обитания взаимодействиями экологического характера. Между соседними экосистемами устанавливаются определенные связи или обмен, но в любом случае они менее важны, чем связи между организмами одной экосистемы.

Другое определение экосистемы – совокупность различных видов растений, животных и микробов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой посредством обмена веществом, энергией и информацией таким образом, что вся эта совокупность (единая система) может сохраняться неопределенно долгое время. Термин «экосистема» введен в экологию английским ботаником А.Тенсли (1935).

Понятие экосистема относят не только к континентальной среде, но и к морской. В частности, коралловый риф с его флорой и фауной может служить прекрасным примером морской экосистемы. В этом смысле биосфера в целом является экосистемой высшего порядка.

Все экосистемы не изолированы друг относительно друга. Множество видов растений и животных можно встретить в двух или нескольких различных экосистемах, а некоторые виды, например, перелетные птицы, в зависимости от времени года мигрируют между экосистемами. Процессы происходящие в одной экосистеме затрагивают и другую. Так, частицы почвы и элементы питания, вымываемые с суши, могут влиять на жизнь в водоемах. Следовательно, все экосистемы взаимосвязаны и взаимозависимы.

В каждой локальной наземной экосистеме есть абиотический компо­нент — биотоп, или экотоп — пространство, участок с одинаковыми ландшафтными, климатическими, почвенными условиями, и биотический компонент — сообщество - это любая группа организмов различных видов, сосуществующих в одном и том же местообитании или на одной площади и взаимодействующих посредством трофических связей или биоценоз — совокупность всех живых организмов, населяющих данный биотоп. Биотоп является общим место­обитанием для всех членов сообщества. Биоценозы состоят из представителей многих видов растений, животных и микроорганизмов. Практически каждый вид в биоценозе представлен многими особями раз­ного пола и возраста. Они образуют популяцию или часть популяции данного вида в экосистеме.

Члены сообщества так тесно взаимодействуют со средой обитания, что биоценоз часто трудно рассматривать отдельно от биотопа. Например, учас­ток земли — это не просто «место», но и множество почвенных организмов и продуктов жизнедеятельности растений и животных. Поэтому их объеди­няют под названием биогеоценоза: «биотоп + биоценоз = биогеоценоз» (рис. 2). Понятие биогеоценоза ввел В.Н.Сукачев (1942).

Биогеоценоз — однородный участок земной поверхности с определенным составом живых и костных компонентов и динамическим взаимодействием между ними. Экосистема может включать в себя несколько биогеоценозов. Биогеоценозы – это природные образования. Любой биогеоценоз является экосистемой, но не всякая экосистема является биогеоценозом. Во всех наземных экосистемах масса растений всегда во много раз больше массы других организмов. Поэтому для большинства биогеоценозов определяющей характеристикой является определенный тип растительного покрова, по которому судят о принадлежности однородных биогеоценозов к данному экологическому сообществу (сообщества березового леса, мангровой зарос­ли, ковыльной степи, сфагнового болота и т.п.). Совокупность сообществ определенной крупной географической области называют региональной биотой, а объединение экосистем какой-либо из природно-климатических зон (тундры, тайги, степей, пустынь, тропических лесов и т.п.) — биомом.

Каждая экосистема имеет собственное материально-энергетическое обеспечение и определенную функциональную структуру, основанную на пищевых (трофических) взаимоотношениях. Эта структура составлена несколькими группами организмов, каждая из которых выполняет определенную работу в круговороте веществ. Организмы относящиеся к одному такому звену, образуют трофический уровень, а последовательные связи между трофическими уровнями образуют цепи питания, или трофические цепи. Основные типы пищевых цепей - пастбищная и детритная.

Пастбищной пищевой цепью называется ряд живых организмов, в котором каждый вид питается предшественником по цепи в свою очередь оказывается съеденным видом, занимающим более высокий пищевой (трофический) уровень. Начало пастбищной цепи – автотрофные организмы (продуценты), которые относятся к первому

трофическому уровню.

Продуценты - живые организмы, которые способны синтезировать органическое вещество из неорганических составляющих с использованием внешних источников энергии. По характеру источника энергии для синтеза органических веществ продуценты подразделяются на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов, т.е. первые используют для синтеза энергию солнечного излучения, вторые используют энергию химических связей. Ко второй группе относятся только прокариоты – бактерии, архебактерии и отчасти синезеленые. Химическая энергия высвобождается в процессах окисления минеральных веществ.

В природных сообществах продуценты играют важную роль: усваивая солнечную энергию или химических реакций и создавая органическое вещество, они как бы образуют запасы энергии, которая затем в виде пищи передается другим организмам.

Общая биосферная функция продуцентов-автотрофов едина и заключается в вовлечении элементов неживой природы в состав тканей организмов и таким образом в общий биологический круговорот.

Организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию, питаясь напрямую или косвенно продуцентами называются консументами. Растительноядные организмы принадлежат ко второму трофическому уровню. Хищники, поедающие растительноядных, образуют третий трофический уровень. Хорошо известны такие пищевые цепочки, как “трава-заяц-волк” или “растения-насекомые-птицы” и множество подобных.

В зависимости от источников питания консументы, питающиеся живыми организмами подразделяются на три основных класса:

• консументы первого порядка – фитофаги (растительноядные) питающиеся исключительно живыми растениями (либо целиком, либо их отдельными органами). Например, птицы едят семена, почки и листву. Олени и зайцы питаются ветками и листьями. В водных экосистемах зоопланктон питается фитопланктоном;

• консументы второго порядка – хищники (плотоядные), которые питаются исключительно травоядными животными, а также консументы третьего порядка, питающиеся только плотоядными животными;

• эврифаги (всеядные), которые могут поедать как растительную, так и животную пищу. Примерами являются свиньи, крысы, лисы, тараканы, а также человек.

Роль консументов в сообществах определяется их подвижностью и относительно быстрой адаптацией, что способствует распространению жизни на планете.

В детритных пищевых цепях организмы потребляют мертвое вещество, последовательно разлагая его на все более простые соединения. К этой группе организмов относятся деструкторы, которые в ходе своей жизнедеятельности превращают органические остатки в неорганические вещества. Это главным образом микроскопические одноклеточные бактерии и грибы. В свою очередь грибы и бактерии являются важным источником питания для таких живых организмов как черви и насекомые, обитающие в воде и почве. Присутствие детритных пищевых цепей необходимо в каждой экосистеме, поскольку именно они осуществляют замыкание круговорота элементов, доводя разложение органики до ее полной минерализации и возвращая в среду экосистемы молекулярный азот, минеральные элементы и последние порции двуокиси углерода. Очевидно, что само существование верхних трофических уровней в экосистемах обусловлено наличием некоторой избыточной продукции на нижележащих уровнях.

Кроме деструкторов существует другая группа, потребляющая мертвое вещество – детритофаги или сапрофаги – животные, питающиеся мертвым органическим веществом, остатками и продуктами жизнедеятельности растений и животных, т.е. в отличии от деструкторов они напрямую потребляют мертвые органические остатки. К ним можно отнести крабов, шакалов, дождевых червей, муравьев и грифов. Детритофаги и деструкторы составляют группу редуцентов.