Текст книги "Экология: Шпаргалка"

9. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВЫХ СИСТЕМ. УРОВНИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОРГАНИЗАЦИИ

Существенным (фундаментальным) свойством живых систем (существ, организмов) является обмен веществ, энергии и информации. Живые системы (организмы) потребляют из окружающей среды энергию и вещества и используют их для жизненно важных реакций, а затем возвращают в окружающую среду эквивалентное количество энергии и вещества, но уже в другой форме. Живые системы способны существовать только в потоке непрерывного обмена веществ , энергии и информации с окружающей средой.

Живые системы состоят почти на 98,8 % из элементов, которые повсеместно присутствуют и в атмосфере, и в гидросфере: кислород, азот, водород и углерод. Из оставшихся 1 % приходится на кальций, калий, магний и кремний. Еще 0,2 % приходится на долю серы, фосфора, хлора, натрия, железа, алюминия и лишь 0,01 % – на все остальные элементы. Благодаря обмену веществ обеспечивается относительное постоянство химического состава всех частей живой системы. В.И. Вернадский сформулировал закон физико-химического единства живых систем: «Все живое вещество земли физико-химически едино».

Каждая отдельно взятая биологическая система существует ограниченное время, поэтому поддержание жизни невозможно без воспроизведения себе подобных, в основе которого – образование новых молекул и структур, которое обусловлено информацией, заложенной в ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоте). Способность к росту и развитию присуща любому живому организму, который с момента зарождения растет, увеличиваясь в размерах и массе, но при этом сохраняет общие черты строения. Рост сопровождается развитием, и в результате возникает новое качественное состояние живого организма. Изменчивость – противоположное наследственности свойство живого организма. Оно связано с его способностью приобретать новые признаки и свойства.

Уровень организации живой материи – это функциональное место биологической структуры определенной степени сложности в общей иерархии живого. Выделяют уровни: молекулярный – на нем проявляются такие процессы жизнедеятельности, как обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации; клеточный – клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живого; тканевый – ткань – это совокупность структурно сходных клеток, а также связанных с ними межклеточных веществ, объединенных выполнением определенных функций; органный – орган – это часть многоклеточного организма, выполняющая определенную функцию или функции; популяционно-видовой: популяция – это совокупность особей одного вида, образующих обособленную генетическую систему и населяющих пространство с относительно однородными условиями обитания. Вид – это совокупность популяций, особи которых способны к скрещиванию с образованием плодовитого потомства и занимают определенную область географического пространства (ареал); биоценотический – биоценоз – это совокупность организмов разных видов различной сложности организации, обитающих на определенной территории.

10. ОРГАНИЗМ КАК ДИСКРЕТНАЯ САМОВОСПРОИЗВОДЯЩАЯСЯ ОТКРЫТАЯ СИСТЕМА. РАЗНООБРАЗИЕ ОРГАНИЗМОВ. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ОРГАНИЗМОВ

Все живые организмы, обитающие на Земле, представляют собой дискретные самовоспроизводящиеся открытые системы, зависящие от поступления вещества и энергии извне. Процесс потребления вещества и энергии называется питанием. Химические вещества необходимы для построения тела, энергия – для осуществления процессов жизнедеятельности.

Дискретность является всеобщим свойством материи вообще. Любая, в том числе биологическая, система состоит из отдельных, но тем не менее взаимодействующих частей, которые образуют структурно-функциональное единство. Живое существо, организм существует всегда дискретно, т. е. в форме обособленных друг от друга тел; они характеризуются трехмерной структурой, которая специфична для каждого вида. Именно по характеру этой структуры можно отличить, например, льва от собаки.

Совершенно очевидно, что без активных связей со средой обитания (окружающей средой) в виде обмена веществ, получения энергии от источников и информации самовоспроизводства организмов не происходило бы вообще. Например, автотрофные организмы способны полностью самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических молекул, потребляемых из внешней среды. Гетеротрофные организмы строят собственные органические вещества из органических компонентов пищи, при этом гетеротрофная ассимиляция сводится, по существу, к перестройке молекул, составляющих компоненты пищи.

По сходству и родству живые организмы делят следующим образом. Разделяют неклеточные организмы и клеточные организмы. Доклеточные включают одно царство – вирусы. Клеточные включают два надцарства: прокариоты (или доядерные) и эукариоты (или ядерные). Первое включает одно царство – дробянки (три подцарства: бактерии, архебактерии и цианобактерии, или синезеленые водоросли). Второе объединяет три царства: животные (два подцарства: простейшие, или одноклеточные, и многоклеточные), растения (три подцарства: настоящие водоросли, багрянковые и высшие растения) и грибы (два подцарства: низшие грибы и высшие грибы).

Для большинства организмов, живущих на Земле, главный источник энергии – Солнце: видимые лучи – основной источник жизни на Земле, дающий энергию для фотосинтеза; инфракрасные лучи – основной источник тепловой энергии, необходимой для многих организмов; ультрафиолетовые лучи в небольших дозах необходимы живым организмам как источник энергии для стимуляции роста и развития клеток, для синтеза витамина D и т. д.

Организмы могут использовать два источника тепловой энергии: внешний – тепловая энергия Солнца или внутреннее тепло Земли и внутренний – тепло, выделяемое при обмене веществ в самом организме.

По источнику энергии живые организмы делятся на фототрофов и хемотрофов: фототрофы используют световую энергию (энергию солнечного излучения); хемотрофы – химическую энергию, которая выделяется при окислении химических соединений (внутри организма).

11. ФОТОСИНТЕЗ И ДЫХАНИЕ. ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИЕ ОРГАНИЗМЫ

Фотосинтез (фотоавтотрофия) – синтез органических соединений из неорганических за счет энергии света. Суммарное уравнение фотосинтеза:

6СО₂ + 6Н₂О – С₆Н₁₂О₆ + 6О₂.

Фотосинтез протекает при участии фотосинтезирующих пигментов, обладающих уникальным свойством преобразования энергии солнечного света в энергию химической связи в виде АТФ (аденозинтрифосфата).

В процессе фотосинтеза, кроме моносахаридов (глюкоза и др.), синтезируются мономеры других органических соединений – аминокислоты, глицерин и жирные кислоты. Благодаря фотосинтезу растения обеспечивают себя и все живое на Земле необходимыми органическими веществами и кислородом.

Две фазы фотосинтеза. 1. На световой фазе поглощенная растением энергия Солнца претерпевает очень важные превращения. За ее счет строятся молекулы АТФ, восстанавливается НАДФ×Н₂ и разлагается вода с выделением молекулярного кислорода. И все это совершается ради темновой фазы.

2. За счет АТФ и НАДФ × Н₂ в темновой фазе из углекислого газа строятся различные органические вещества. Для того чтобы углекислый газ восстановился до уровня органических веществ, необходимы и энергия, и восстановитель. В качестве восстановителя – НАДФ × Н₂. Причем НАДФ – это сложное вещество – выполняет лишь роль надежного переносчика водорода. А водород зеленые растения приспособились отнимать у одного из самых простых и самых распространенных веществ на Земле – воды.

Дыхание (полное окисление), заключающееся в окислении ПВК (пировиноградной кислоты) до углекислого газа и воды, осуществляется в митохондриях при обязательном участии кислорода. Суммарное уравнение расщепления глюкозы в процессе клеточного дыхания:

С₆Н₁₂О₆+6О₂+38Н₃РО₄+38АДФ→6СО₂+44Н₂О + 38АТФ.

В ходе клеточного дыхания образуются 36 молекул АТФ и плюс 2 молекулы АТФ – в ходе гликолиза, а в целом при полном окислении – 38 молекул АТФ.

Фотосинтезирующие организмы – планктонные цианобактерии, или водоросли синезеленые, – относятся к клеточным формам, царству Прокариотические водоросли, отделу этого царства – Синезеленые водоросли, или Цианеи. Преобладали на Земле в древнейшую архейскую эру в морях. В ту же эпоху в морях существовали и зеленые водоросли. И те и другие – настоящие фотосинтетики. Упомянутые водоросли господствовали в древних морях Земли, в течение нескольких миллионов лет поглощая углекислый газ (диоксид углерода) и выделяя кислород. Таким образом, они подготовили аэробную среду – кислородную атмосферу – для высших растений на суше.

Зеленые водоросли ученые биологи относят к отделу Прохлорофитовые водоросли, или Прохлорофиты.

Синезеленые и зеленые водоросли сыграли большую роль в эволюции растительного мира на Земле, послужив основой для возникновения настоящих фотосинтетиков. Высшие растения на суше относятся к группе клеточных, надцарства Эукариоты, входят в царство Растения, конкретно – в подцарство Высшие растения. Развитие высших растений – настоящих фотосинтетиков – создало условия для возникновения и развития животного мира и homo sapiens – человека разумного.

12. ХЕМОСИНТЕЗ, ЖИЗНЬ В АНАЭРОБНЫХ УСЛОВИЯХ

Хемосинтез (хемоавтотрофия) – процесс синтеза органических соединений из неорганических (СО₂ и др.) за счет химической энергии окисления неорганических веществ (серы, водорода, сероводорода, железа, аммиака, нитрита и др.).

К хемосинтезу способны только хемосинтезирующие бактерии: нитрифицирующие, водородные, железобактерии, серобактерии и др. Они окисляют соединения азота, железа, серы и других элементов. Все хемосинтетики являются облигатными аэробами, так как используют кислород воздуха:

нитрифицирующие бактерии окисляют соединения азота:

N ^-3H₃ → (N⁺³O₂)^- → (N ⁺⁵0₃)^-;

железобактерии превращают закисное железо в окисное:

Fe⁺² → Fe⁺³;

серобактерии окисляют соединения серы:

H₂S^-2 → S⁰ → (S⁺⁴0₃)^2- → (S⁺⁶0₄)^2-;

водородные бактерии окисляют свободный водород до воды:

Н₂⁰ → Н₂⁺¹О.

Высвобождающаяся в ходе реакции окисления энергия запасается бактериями в виде молекул АТФ и используется для синтеза органических соединений. Хемосинтезирующие бактерии играют очень важную роль в биосфере. Они участвуют в очистке сточных вод, способствуют накоплению в почве минеральных веществ, повышают плодородие почвы.

Если поместить синезеленые и зеленые водоросли в анаэробные условия, например в атмосферу, содержащую сероводород или молекулярный водород, то усвоение углекислого газа атмосферы на свету пойдет у них без выделения кислорода, т. е. по пути бактериального фотосинтеза. Это говорит о том, что бактериальный фотосинтез – первобытная форма питания растений за счет энергии солнечного света.

В водоемах, содержащих сероводород, живут бесцветные серобактерии. Энергию (Е), которая необходима для синтеза органических соединений из диоксида углерода, они получают в результате окисления сероводорода:

2H₂S + O₂ → 2H₂O + 2S + E.

Свободная сера, выделяющаяся в результате этого процесса, накапливается в клетках бактерий. Если сероводорода впоследствии не хватает, бесцветные серобактерии производят дальнейшее окисление содержащейся в них свободной серы до серной кислоты:

2S + 3O₂ + 2H₂O → 2H₂SO₄ + Е.

Выделяющаяся энергия также используется для осуществления синтеза органического вещества из диоксида углерода.

13. ОСНОВНЫЕ ГРУППЫ ГЕТЕРОТРОФОВ. ТРОФИЧЕСКИЕ ОТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ОРГАНИЗМАМИ

Гетеротрофы (от греч. heteros – другой) – это организмы, использующие для своего питания чужие тела (живые или мертвые), т. е. готовые органические вещества. Очевидно, что жизнедеятельность гетеротрофов полностью определяется синтетической активностью автотрофов. Среди гетеротрофов выделяют три группы организмов:

• убивающие объект питания (хищники);

• питающиеся за счет других организмов, но не убивающие их (паразиты, кровососы);

• питающиеся отмершей органикой. Гетеротрофные организмы выполняют в экологических системах роль консументов (к ним относят всех животных, часть микроорганизмов, паразитических и насекомоядных растений) и редуцентов (главным образом грибы и бактерии). Последние в процессе своего питания превращают пищу – органические остатки – в неорганические вещества (СО₂, Н₂О, микроэлементы), возвращая таким образом их в биосферу. Биомассу, которую образуют гетеротрофы, называют вторичной.

По способу получения пищи гетеротрофы делятся на фаготрофов (голозоев) и осмотрофов. Фаготрофы (голозои) заглатывают твердые куски пищи (животные), осмотрофы поглощают органические вещества из растворов непосредственно через клеточные стенки (грибы, большинство бактерий).

Трофические связи возникают между видами, когда один вид питается другим: живыми особями, мертвыми остатками, продуктами жизнедеятельности. Трофическая связь может быть прямой и косвенной.

Прямая связь проявляется при питании волков живыми овцами, гиен – трупами зебр, жуков-навозников – пометом крупных копытных и т. д. Косвенная связь возникает при конкуренции разных видов за один пищевой ресурс.

Трофические связи животных и растений имеют первостепенное значение, их можно назвать взаимоотношениями автотрофных и гетеротрофных организмов. Продуценты – автотрофные организмы, способные производить органические вещества из неорганических, используя фотосинтез или хемосинтез (растения и автотрофные бактерии). Консументы (фаготрофы, макроконсументы) – гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов (животные, гетеротрофные растения, некоторые микроорганизмы). Консументы бывают первого порядка (фитофаги, сапрофаги), второго порядка (зоофаги, некрофаги) и т. д.

Редуценты (микроконсументы, деструкторы, сапротрофы, осмотрофы) – гетеротрофные организмы, питающиеся органическими остатками и разлагающие их до минеральных веществ (сапротрофные бактерии и грибы).

И продуценты, и консументы частично выполняют функции редуцентов, выделяя в окружающую среду минеральные вещества – продукты их метаболизма.

Как правило, в любой экосистеме выделяются три функциональные группы организмов: продуценты, консументы и редуценты.

В экосистеме пищевые (трофические) и энергетические связи идут в направлении: продуценты – консументы – редуценты.

14. ГОМЕОСТАЗ. ПРИНЦИПЫ РЕГУЛЯЦИИ ЖИЗНЕННЫХ ФУНКЦИЙ. ВОЗМОЖНОСТИ АДАПТАЦИИ ОРГАНИЗМОВ К ИЗМЕНЕНИЯМ УСЛОВИЙ СРЕДЫ. ТОЛЕРАНТНОСТЬ И РЕЗИСТЕНТНОСТЬ

Для нормального функционирования живого организма в меняющихся условиях окружающей среды необходимо внутреннее регулирование – саморегуляция различных процессов, полное подчинение их единому порядку поддержания постоянства внутренней среды – гомеостазу. В основе механизма саморегуляции лежит принцип обратной связи, в соответствии с которым сигналом для включения того или иного регулируемого процесса может быть изменение состояния какой-либо системы, например изменение температуры, концентрации веществ и т. д.

У живых организмов различают три механизма терморегуляции: 1) химическая терморегуляция – осуществляется путем изменения теплопродукции за счет изменения интенсивности обмена веществ; 2) физическая терморегуляция – связана с изменением величины теплоотдачи; 3) этологическая (или поведенческая) терморегуляция – заключается в избегании условий с неблагоприятными температурами (воздуха, воды).

Адаптация – это различные приспособления к среде обитания, выработавшиеся у организмов в процессе эволюции. Адаптации проявляются на разных уровнях организации живой материи, обеспечивающих возможность ее существования, и развиваются под действием трех основных факторов: наследственность, изменчивость и естественный (а также искусственный) отбор.

Существуют три основных пути приспособления организмов к условиям окружающей среды:

1) активный – усиление сопротивляемости, развитие регуляторных процессов, позволяющих осуществлять все жизненные функции организма, несмотря на отклонения фактора от оптимума; 2) пассивный – подчинение жизненных функций организма изменению факторов среды. Например, переход при неблагоприятных условиях среды в состояние анабиоза (скрытой жизни), когда обмен веществ в организме практически полностью останавливается (зимний покой растений, сохранение семян и спор в почве, оцепенение насекомых, спячка позвоночных животных и т. д.); 3) избегание неблагоприятных воздействий – выработка организмом таких жизненных циклов и поведения, которые позволяют избежать неблагоприятных воздействий (например, сезонные миграции животных, птиц).

Из практики известно, что сам факт существования организма может определяться не минимальным значением, а наоборот, избытком любого из факторов. Впервые мысль об этом высказал американский ученый В. Шелфорд (1913); она легла в основу закона толерантности: фактором процветания организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному фактору. Смысл закона толерантности очевиден: все хорошо в меру.

Выносливость организмов к воздействиям в диапазоне между экологическими минимумами и максимумами называют пределом толерантности вида.

Важным свойством организмов является резистентность – избирательность, которая близка по смыслу к адаптации организмов в отношении окружающей среды, среды обитания.

15. УСЛОВИЯ И РЕСУРСЫ СРЕДЫ. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ СРЕДА ОБИТАНИЯ ОРГАНИЗМОВ. ВОДНАЯ, ПОЧВЕННАЯ И ВОЗДУШНАЯ СРЕДЫ

Для развития и роста организмов всех видов на Земле решающее значение имеют условия и ресурсы среды. Наилучшее сочетание этих факторов имеется, конечно, на суше. Именно поэтому общая биомасса всех организмов, обитающих на суше, больше, чем биомасса всех организмов, живущих в Мировом океане, хотя океаническая площадь намного больше площади суши (почти в 4 раза). Организмы на суше получают больше солнечного света и тепловой энергии, чем морские организмы. Даже некоторые породы рыб, например осетровые, для размножения, воспроизводства устремляются в реки, туда, где условия для этого процесса наилучшие (пресная вода, солнечное тепло).

В земных условиях живые организмы освоили четыре основные среды обитания, различающиеся по специфике условий. Первой по времени была водная среда, в которой возникла и распространилась жизнь на Земле. В последующие периоды эволюции жизни на Земле живые организмы овладели наземно-воздушной средой, постепенно создавая и заселяя почву. Четвертой специфической средой жизни стали сами организмы, тела которых использовались и используются паразитами, или симбионтами.

Вода обеспечивает протекание в организме обмена веществ и нормальное функционирование организма в целом. Среднее содержание воды в клетках большинства живых организмов составляет около 70 %. Вода в клетке присутствует в двух формах: свободной (95 % всей воды клетки) и связанной (4–5% связаны с белками). Многие химические реакции в клетках организмов являются ионными, поэтому протекают только в водной среде. Вода как реагент участвует во многих химических реакциях: полимеризации, гидролиза, в процессе фотосинтеза. Водная среда остается средой обитания для многих водорослей, планктона, рыб, моллюсков и т. д.

Важнейшими характеристиками почвы как среды обитания являются: кислотность, содержание питательных элементов и органических веществ, структура, плотность, засоленность, гранулометрический состав и др. По степени связи с почвой как средой обитания животных их объединяют в три группы: геобионты – животные, постоянно обитающие в почве, весь цикл развития которых протекает в почвенной среде; геофилы – животные, часть цикла развития которых (чаще одна из фаз развития) обязательно проходит в почве; геоксины – животные, иногда посещающие почву для временного укрытия или убежища.

Жизнь и развитие практически всех растений на Земле невозможны без почвы, из которой они забирают воду, минеральные вещества и в первую очередь – азот (N), фосфор (Р), калий (К).

В воздушной среде обитают животные, человек, микроорганизмы (в том числе вирусы). Воздушная среда – это коллоидная смесь ряда химических элементов. Основу воздушной среды (чистого воздуха) составляет азот – около 78 % и кислород – около 21 %, примесь углекислого газа незначительна – 0,03 %, около 1 % аргона. В районах крупных промышленных центров содержание углекислого газа в воздухе увеличивается и добавляется еще сернистый ангидрид – виновник кислотных дождей.