Лекции по биологии (1 семестр). Лекция 1 Типы клеточной организации
 Скачать 1.41 Mb.
|
Общие вопросы экологии. Биосфера и человек.
Экология – наука о взаимоотношениях отдельных организмов или их сообществ и среды их обитания. Среда в понимании эколога – всё, что окружает особь (популяцию, сообщество) и воздействует на неё. Сюда входят другие особи того же вида, популяции других видов, любые неживые объекты, а также физические и химические процессы. Экология исследует три основных уровня организации живой материи: отдельные особи, популяция и сообщества. В связи с этим различают:
Аутэкология изучает, как влияют на организм абиотические и биотические факторы среды и наоборот. Демэкология изучает вопросы, связанные с изменениями и колебаниями численности популяции. Синэкология изучает состав и структуру сообществ и закономерности их функционирования (круговорот веществ и энергии). Но всё же основными объектами исследования экологии являются процессы, влияющие на распространённость и численность организмов, т.е. процессы воспроизводства особей, их гибели и миграции. На современном уровне развития общества экология превратилась в одну из ведущих биологических наук. Это связано с тем, что решение проблем, связанных с рациональным использованием природных ресурсов биосферы, возможно только с экологических позиций. Экология как наука является теоретической основой охраны природы. Однако между понятиями «экология» и «охрана природы» ставить знак равенства нельзя, т.к. задачи экологии гораздо шире. К основным методам экологии относят полевые наблюдения, эксперименты в природных условиях, моделирование процессов и ситуаций, встречающихся в популяциях и биоценозах.
Среда – это совокупность элементов, которые действуют на особь в месте ее обитания. Элемент среды, способный оказывать прямое влияние на живой организм хотя бы на одной из стадий индивидуального развития, называют экологическим фактором. Экологические факторы условно делят на биотические, абиотические и антропогенные.
растения; животные животные; растения животные; животные растения).
Воздействие человека как биологического вида можно было бы отнести к биотическим факторам. Но воздействие человека на экосистемы своеобразно. В ходе промышленной деятельности человека в среду поступают тысячи разных химических соединений, с которыми природа ранее не сталкивалась. Поэтому воздействие человека можно приравнять к появлению мощных и разнообразных новых абиотических факторов. По мере роста народонаселения и технической вооруженности человечества удельный вес антропогенных экологических факторов неуклонно возрастает. В настоящее время антропогенный фактор – самый мощный экологический фактор. Экологическая валентность – это способность вида осваивать разные среды обитания. Виды с малой экологической валентностью называют стенотопными, с большой – эвритопными. Эвритопные виды могут быть представлены несколькими экотипами – разновидностями, приспособленными к выживанию в средах, различающихся по некоторым факторам. Так, сложноцветное растение тысячелистник образует равнинные и горные экотипы. При выращивании горного экотипа в равнинных условиях растения сохраняют присущие им особенности на протяжении ряда поколений.
Биогеоценоз – это однородный участок земной поверхности с определенным составом живых организмов (биоценоз) и определенными условиями среды (экотоп), которые объединены обменом веществ и энергии в единый природный комплекс. Биогеоценоз (Сукачёв, 1940г) и экосистема (Тенсли,1935г) – понятия сходные, но не тождественные. Понятие «экосистема» не имеет размерности: капля воды с содержащимися в ней микроорганизмами и биосфера в целом – это экосистема. А биогеоценоз – это экосистема, границы которой определены характером растительного покрова, т.е. определенным фитоценозом. Таким образом, любой биогеоценоз является экосистемой, но не всякая экосистема есть биогеоценоз. Биогеоценоз представляет собой энергетически и вещественно открытую систему. В него поступают энергия Солнца, минеральные вещества почвы, газы атмосферы, вода. Из него выделяются теплота, кислород, углекислый газ, биогенные вещества переносимые водой, перегной. Главным компонентом биогеоценоза, от состояния которого зависят его существование и изменение во времени, служит биоценоз. Антропобиогеоценозы отличаются от природных экосистем наличием в их составе человеческих сообществ, которым в развитии всей системы антропобиогеоценоза принадлежит доминирующая роль. В процессе существования антропоэкологических систем взаимодействие людей и природной среды осуществляется по двум главным направлениям. Во-первых, происходят изменения биологических и социальных показателей отдельных индивидуумов и сообщества в целом, направленные на удовлетворение требований, предъявляемых человеку средой. Во-вторых, осуществляется перестройка самой среды для удовлетворения требований человека. Трофические структуры экосистемы: Продуценты – организмы, производящие биомассу (автотрофные организмы, прежде всего фотосинтетики). Консументы – потребители биомассы (растительноядные животные – потребители первого порядка, плотоядные животные – потребители второго и следующих порядков). Редуценты – разрушители органических остатков (бактерии, грибы). Наиболее устойчивыми являются биогеоценозы, характеризующиеся: 1) большим видовым разнообразием (разнообразие видового состава обеспечивает большее число сетей питания), 2) наличием неспециализированных видов (способны обитать в меняющихся условиях и использовать разные источники питания, объединяя, таким образом, разные трофические уровни экологической пирамиды и упрочивая тем самым ее структуру), 3) слабой степенью ограниченности от соседних экологических систем (обмен видами между соседними биоценозами способен обеспечить восстановление даже существенно нарушенного экологического равновесия), 4) большой биомассой (чем больше вещества и энергии, тем легче системе перенести неблагоприятные экологические факторы).
Связь между компонентами биогеоценоза возникает на основе пищевых взаимоотношений. Пищевые цепи бывают следующих типов: Цепь выедания (пастбищная цепь): растения растительноядные животные хищники. Например: трава кузнечики иволга змея коршун. Цепь разложения (детритная цепь): растительные и животные остатки мелкие трупоядные животные, грибы, бактерии. Цепь паразитическая: хозяин паразит. Например: овца овод, откладывающий личинки под кожу овцы одноклеточный паразит личинки овода бактерия (паразит одноклеточного) бактериофаг. Все типы пищевых цепей всегда существуют в сообществе таким образом, что член одной цепи является также членом другой цепи. Соединение цепей образует пищевую сеть экосистемы. Угнетение или разрушение любого звена экосистемы с неизбежностью отразится на экосистеме в целом. Поэтому вмешиваться в жизнь экосистем надо с большой осторожностью. Цепи питания не могут быть длинными, ибо каждый последующий потребитель, поедая предыдущего, значительную часть энергии тратит на свою жизнедеятельность. В среднем только 10% энергии переходит во вновь построенное вещество тела потребителя. Поэтому обычно пищевая цепь имеет 3-5 звеньев. При переходе с одного уровня на другой численность особей уменьшается, а их размер увеличивается. Так, на 1га луга растёт примерно 9 млн. растений (I пищевой уровень); ими питаются 700.000 растительноядных насекомых (II уровень); их поедают 350.000 хищных насекомых и пауков (III уровень); являющихся пищей для трёх птиц (IV уровень). Как видим, образовалась экологическая пирамида, основание которой в 3 млн. раз шире, чем вершина. Различают три типа экологических пирамид: 1. пирамида чисел (на каждом уровне указывается численность организмов); 2. пирамида биомасс (на каждом уровне указывается общая масса организмов); 3. пирамида энергии (на каждом уровне указывается величина потока энергии). В целом для наземных биогеоценозов, где продуценты крупные и живут сравнительно долго, характерны относительно устойчивые пирамиды биомасс с широким основанием. В водных же экосистемах, где продуценты невелики по размеру и имеют короткие жизненные циклы, пирамида биомасс может быть обращённой, или перевёрнутой (острием направлена вниз). Подобные пирамиды биомасс наблюдаются в океане. Фитопланктон океана имеет малые размеры и массу, но очень интенсивно размножается. Годовая продукция фитопланктона в сотни раз превышает урожай, т.е. фитомассу, отнесённую к данному моменту времени. Однако вся первичная продукция быстро съедается потребителями (зоопланктон, низшие ракообразные), и накопление биомассы практически не происходит. В тоже время в океане происходит накопление зоомассы, ибо эти организмы крупнее и медленно воспроизводятся. Таким образом, на данный момент получается, что потребителей больше, чем продуцентов, и пирамида биомасс имеет перевёрнутый вид по сравнению с пирамидой биомасс суши. Пирамида численности тоже может иметь перевёрнутый вид, например, на одном дереве может обитать и кормиться большое число насекомых.
Биогеоценоз – саморегулирующаяся система. После окончательного формирования между его компонентами устанавливается экологическое равновесие. Увеличение численности какого-либо вида организмов автоматически вызывает увеличение численности его потребителей. Например, массовое размножение грызунов ведёт к увеличению численности их потребителей: сов, лисиц, паразитов. Они сокращают численность популяции грызунов (погибают менее приспособленные), но это приводит к гибели от голода части потребителей (в первую очередь менее приспособленных). Таким образом, в биогеоценозе восстанавливается равновесие между его членами. Итак, популяции организмов – производителей и организмов – потребителей одновременно существуют в биогеоценозе, взаимно ограничивая численность друг друга. Каждый биогеоценоз испытывает постоянную смену своих компонентов. Причины этой смены до конца ещё не ясны. Предположительно деятельность организмов, входящих в состав биогеоценоза, делает занимаемую область непригодной для обитания (самоотравление биогеоценоза). Однако эта область пригодна для существования других видов, и они сменяют первоначальные виды данного биогеоценоза. Пример смены одного сообщества другим, – зарастание небольшого озера с последующим появлением на его месте болота, а затем и леса. Сначала по краям озера образуется плавающий ковёр из осок, мхов и других растений. Постепенно озеро заполняется отмершими остатками растений – торфом. Образуется болото, которое постепенно зарастает лесом. Последовательная смена во времени одних биоценозов другими на определённом участке земной поверхности называется сукцессией. Сукцессии могут быть двух типов: первичные и вторичные. Первичные сукцессии – это процесс формирования сообществ живых организмов в таких условиях, в которых они до этого отсутствовали. Примером может служить заселение островов вулканического происхождения поднявшихся с океанского дна, или появление растительных сообществ на песчаных дюнах. Процесс первичной сукцессии занимает примерно 1000 лет. Вторичные сукцессии – это процесс восстановления и формирования новых сообществ в условиях, в которых они (сообщества) прежде существовали, но были уничтожены, например, восстановление растительности на лесных вырубках или выжженных участках степи. Этот процесс занимает 100-200 лет. Сукцессия завершается климаксом – образованием стабильного самовозобновляющегося сообщества, находящегося в равновесии с физической средой. Состояние устойчивого равновесия климаксного сообщества проявляется в способности его возвращаться в исходное состояние после кратковременных внешних воздействий, а также в способности противостоять этим воздействиям. Если сукцессия происходит естественным образом и вызвавшие её причины не связаны с тем или иным видом деятельности человека, то она называется природной сукцессией. Если же изменения в биогеоценозе обусловлены деятельностью человека, то в этом случае говорят об антропогенной сукцессии.
Биосфера – это особая оболочка земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Современные концепции биосферы: Биохимическая. Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговоротов химических элементов. Глобальный биотический круговорот осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов. Биогеоценотическая – биосфера рассматривается как система биогеоценозов, функционирующих как единое целое. Термодинамическая - «Биосфера – термодинамическая оболочка Земли с температурой от +50 до -50°C и давлением 1атм., населённая живыми организмами» (В. И. Вернадский). Геофизическая – важнейшим фактором, преобразующим геологические оболочки Земли является деятельность живых организмов. Кибернетическая – биосфера рассматривается как кибернетическая система. Социально-экономическая – отражает превращение биосферы в ноосферу. Вклад отечественных ученых. В.В.Докучаев сформулировал представление о широком влиянии живых существ на протекающие в природе процессы. Он показал зависимость процесса почвообразования не только от климата, но и от совокупного влияния раститель- ных и животных организмов. В.И. Вернадский развил это направление и разработал учение о биосфере как глобальной системе нашей планеты, в которой основной ход геохимических и энергетических превращений определяется живым веществом. Он также сформулировал ряд концепций биосферы. В.Н. Сукачев – один из основоположников биогеоценологии, создатель отечественной геоботанической школы.
Биосфера включает: 1) живое вещество, образованное совокупностью организмов; 2) биогенное вещество, которое создается и перерабатывается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, сланцы, известняки и др.); 3) косное вещество, которое образуется без участия живых организмов (продукты тектонической деятельности, метеориты); 4) биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов (почвы). Биосфера представляет собой многоуровневую систему, включающую подсистемы различной степени сложности. Границы биосферы определяются областью распространения организмов в атмосфере, гидросфере и литосфере. Верхняя граница биосферы – озоновый экран (15-20км), нижняя граница – органические отложения на дне океанов и организмы, проникающие в недра планеты. Живая оболочка Земли толщиной 20-40км включает полностью гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы. Атмосфера простирается над Землёй на высоту свыше 100км и включает тропосферу (до15км), стратосферу (до 100км) и ионосферу. В пределах атмосферы ограничивающими факторами служат ионизирующее излучение, недостаток влаги и кислорода, низкая температура. Жизнь возможна лишь в пределах тропосферы, в стратосфере обнаруживаются лишь некоторые представители, временно переместившиеся из других областей биосферы (бактерии, споры, пыльца растений). Озоновый экран, расположенный на высоте 15-20км защищает нашу планету от жестких (коротковолновых) ультрафиолетовых лучей. В настоящее время наблюдается появление «озоновых дыр», что выражается в истончении слоя озона в данной точке биосферы. Основной причиной возникновения «озоновых дыр», является накопление в атмосфере фреонов (фторсодержащие углеводороды, применяемые в качестве хладагентов). К счастью, почти все «озоновые дыры» находятся над Антарктидой. В верхнем слое литосферы (осадочные породы, гранит) проникновение жизни вглубь ограниченно высокой температурой, давлением и отсутствием света. Бактерии обнаружены на глубине 6км. Гидросфера объединяет океаны, моря, озёра, реки и составляет 70,8% всей поверхности Земли. В океанах некоторые формы жизни проникают на глубину 10-11км, ограничивающими факторами здесь являются давление толщи воды; отсутствие света; особенности газового состава
Хотя границы биосферы довольно узки, живые организмы в их пределах распределены очень неравномерно. На большой высоте и в глубинах гидросферы и литосферы организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности Земли, в почве и в приповерхностном слое океана. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелеными растениями и 0,8% – животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов – 93,7% всей биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше, так как 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. Приведенные соотношения иллюстрируют фундаментальную закономерность организации биосферы: в количественном отношении преобладают формы, достигшие в процессе эволюции относительно низких степеней морфофизиологи-ческого прогресса. Живое вещество по массе составляет 0,01-0,02% от косного вещества биосферы, однако играет ведущую роль в биогеохимических процессах благодаря совершающемуся в живых организмах обмену веществ. Так как субстраты и энергию, используемые в обмене веществ, организмы черпают из окружающей среды, они преобразуют ее уже тем, что в процессе своего существования используют ее компоненты.
Окислительно-восстановительная состоит в окислении веществ с помощью организмов с образованием оксидов, солей и других соединений, а также в восстановлении веществ (Н2S, FeS). Так, в круговороте серы одни серобактерии окисляют сульфиды или свободную серу до серной кислоты, а другие – восстанавливают сульфаты до сероводорода. В результате деятельности бактерий в земной коре образовались отложения самородной серы. Газовая осуществляется растениями в процессе фотосинтеза, когда они поглощают СО2 и выделяют О2, а также в процессе дыхания, когда растения и животные поглощают О2 и выделяют СО2. Азот воздуха образует при действии денитрифицирующих бактерий, переводящих соединения азота в молекулярный азот. Концентрационная связана с накоплением организмами химических элементов окружающей среды. Концентрация их в организмах может в сотни и тысячи раз превышать таковую в среде. Например, бурые водоросли (ламинария) интенсивно накапливают йод; лютики – литий; злаки – кремний; ряска – радий; моллюски – медь; позвоночные – железо; бактерии – марганец.
Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговоротов химических элементов. Глобальный биотический круговорот осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов. Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии Солнца создают органическое вещество, которое другими живыми существами (гетеротрофами – потребителями и деструкторами) разрушается, с тем, чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы растениями для новых органических синтезов. Круговорот воды Важная роль в глобальном круговороте веществ принадлежит циркуляции воды между океаном, атмосферой и верхними слоями литосферы. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на многие километры. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делая их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в океаны и моря. Циркуляция воды между Мировым океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле и основное условие взаимодействия растений и животных с неживой природой. Под влиянием этого процесса происходит постепенное разрушение литосферы, перенос ее компонентов в глубины морей и океанов. Круговорот углерода начинается с фиксации атмосферного диоксида углерода в процессе фотосинтеза. Часть образовавшихся при фотосинтезе углеводов используют сами растения для получения энергии, часть потребляется животными. Углекислый газ выделяется в процессе дыхания растений и животных. Мертвые растения и животные разлагаются, углерод их тканей окисляется и возвращается в атмосферу. Аналогичный процесс происходит и в океане. Круговорот азота. Свободный азот не усваивается растениями. Почва обогащается азотом благодаря нитрифицирующим бактериям, как свободноживущим (азотобактер), так и находящимся в симбиозе с бобовыми растениями (клубеньковые бактерии). Они переводят азот в аммиак, хорошо усваиваемый растениями. Из растений азот в виде белков поступает в организмы животных и человека. При разложении отмерших организмов белки под действием бактерий превращаются в аммиак. Часть его снова усваивается растениями, другая часть под действием денитрифицирующих бактерий превращается в молекулярный азот, поступающий в атмосферу.
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 биологической эволюции. На современном этапе к ним присоединился третий фактор – развивающееся человеческое общество. Эволюция органического мира прошла несколько этапов. Первый из них – возникновение первичной биосферы с биотическим круговоротом, второй – усложнение структуры биотического компонента биосферы в результате появления многоклеточных организмов.
На начальных этапах существования человеческого общества интенсивность воздействия людей на среду обитания не отличалась от воздействия других организмов. Получая от окружающей среды средства к существованию в таком количестве, которое полностью восстанавливалось за счет естественных процессов биотического круговорота, люди возвращали в биосферу то, что использовали другие организмы для своей жизнедеятельности. Универсальная способность микроорганизмов разрушать органическое вещество, а растений – превращать минеральные вещества в органические обеспечивала включение продуктов хозяйственной деятельности людей в биотический круговорот. В настоящее время человек извлекает из биосферы сырье в значительном и все возрастающем количестве, а современные промышленность и сельское хозяйство производят или применяют вещества, не только не используемые другими видами организмов, но нередко и ядовитые. В результате этого биотический круговорот становится незамкнутым. Вода, атмосфера, почвы загрязняются отходами производства, вырубаются леса, истребляются дикие животные, разрушаются природные биогеоценозы.
Понятие «ноосфера» было введено в науку французским философом Э. Леруа (1927). Ноосферой Леруа назвал оболочку земли, включающую человеческое общество с его языком, индустрией, культурой и прочими атрибутами разумной деятельности. Ноосфера, по мнению Э. Леруа, представляет собой «мыслящий пласт», который, зародившись, разворачивается над миром растений и животных вне биосферы и над ней. В противоположность приведенной трактовке В.И. Вернадский представляет ноосферу не как нечто внешнее по отношению к биосфере, а как новый этап в развитии биосферы, заключающийся в разумном регулировании отношений человека и природы. УРОК 23 |