Уровни биологической организации живой материи - молекулярный, клеточный, организменный, популяционный ( популяционно-видовой), экосистемный, биосферный ( экосферный )

В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в состав объектов неживой природы, но их количественное соотношение неодинаково. Шесть элементов – углерод, кислород, водород, азот, сера и фосфор- составляют почти 99% состава всех живых существ от вирусов до человека.. Эти элементы называются биогенными. В настоящее время на основании морфологических и биохимических различий недавно зарегистрировано более 1,7 миллиона видов организмов.

Любая живая система потребляет энергию и расходует ее в виде работы и теплоты. Исторически этот факт послужил становлению термодинамики как науки и позволил приписать организму свойства тепловой машины, подчиняющейся началам термодинамики (закон сохранения энергии).

Популяции. Понятие и структура популяции.

Популяция – это совокупность особей одного вида, населяющих одну территорию, имеющих общий генофонд и возможность свободно скрещиваться.

Генофонд –совокупность генотипов всех особей популяции.

Генотип –совокупность всех генов организма.

Популяция –элементарная форма существования вида в природе. Различают половую, возрастную, генетическую, пространственную и экологическую структуры популяций.

Половая структура популяции – соотношений в ней особей разного пола.

Возрастная структура популяции – соотношение в составе популяции особей разного возраста. Возрастная структура отражает интенсивность размножения, уровень смертности, скорость смены поколений.

Генетическая структура популяции определяется изменчивостью и разнообразием генотипов, частотами вариаций отдельных генов, а также разделением популяции на группы генетически близких особей, между которыми происходит постоянный обмен.

Фенотип – совокупность генетически определяемых признаков и свойств организма.

Пространственная структура популяции –это характер размещения и распределения отдельных членов популяции и их группировок на популяционной территории (ареале).

Ареал –область распространения систематической группы организмов – популяции, вида и т. д.

Экологическая структура популяции – это подразделенность всякой популяции на группы особей, по-разному взаимодействующие с факторами среды.

Размер и динамика численности популяции. Для реализации нормальной структуры популяции она должна обладать некоторой минимальной численностью и плотностью, то есть числом особей, приходящимся в среднем на единицу площади или объема. В зависимости от внешних и внутренних факторов численность и плотность популяций колеблются во времени- по годам, сезонам, от поколения к поколению («волны жизни»).

Численность популяции без учета возможной миграции определяется соотношением рождаемости и смертности.

Общая рождаемость – число новых особей, добавляющихся за время t. Высокая плодовитость отдельных видов компенсируется факторами сопротивления среды: недостаток пищи, действия неблагоприятных абиотических факторов, конкуренции, отклонений в развитии, болезней, паразитов, хищников, нехватки пространства, убежищ и т. п.

Общая смертность – это число особей, погибающих в единицу времени.

Главные факторы устойчивости популяций:

- сохранение полного контроля над генетической структурой популяции со стороны естественного отбора;

- сохранение нормального системного соотношения между всеми параметрами популяционной структуры;

- сохранение эффективной численности популяции, а так же минимальный риск перехода за границу минимальной допустимой численности при сохранении репродукционного потенциала.

Экосистемы.

Экологическая система – основной предмет экологии – пространственно определенная совокупность живых организмов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями. Различают водные и наземные экосистемы. В каждой локальной экосистеме есть абиотический компонент- биотоп, или экотоп -участок с одинаковыми ландшафтными, климатическими, почвенными условиями; и биотический компонент- сообщество, 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, микроорганизмов. Каждый вид в биоценозе представлен многими особями разного пола и возраста, образующими популяцию (или ее часть).

Члены сообщества так тесно взаимодействуют со средой обитания, что биоценоз трудно рассматривать отдельно от биотопа. Участок земли это не просто «место», но и множество почвенных организмов и продуктов жизнедеятельности растений и животных. По этому их объединяют под названием биогеоциноз: биотоп+биоценоз=биогеоценоз.

Биогеоциноз – это элементарная наземная экосистема, главная форма существования природных экосистем.

Состав и функциональная структура экосистемы.

Каждая экосистема имеет собственное материально-энергетическое хозяйство и определенную функциональную структуру. В каждую экосистему входит группа организмов разных видов, различаемые по способу питания – автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы ( самопитающие) – организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ- двуокиси углерода и воды- посредствам процессов фотосинтеза и хемосинтеза. Фотосинтез осуществляют фотоавтотрофы- все хлорофиллоносные (зеленые) растения и микроорганизмы. Хемосинтез наблюдается у некоторых хемоавтотрофных бактерий, которые используют в качестве источника энергии окисление водорода, серы, сероводорода, аммиака, железа.

Автотрофы составляют основную массу всех живых существ и полностью отвечают за образование всего нового органического вещества в любой экосистеме, т. е. являются воспроизводителями продукции – продуцентами экосистем.

Гетеротрофы – (питающиеся другими) – организмы, потребляющие готовое органическое вещество других организмов и продуктов их жизнедеятельности. Это все животные, грибы и большая часть бактерий.

В отличии от автотрофов – продуцентов гетеротрофы выступают как потребители и деструкторы (разрушители) органических веществ. В зависимости от источников питания и участия в деструкции они также подразделяются на несколько категорий:

- консументы, детритофаги и редуценты.

Консументы – потребители органического вещества живых организмов. К их числу относятся:

1.) растительноядные животные (фитофаги), питающиеся живыми растениями (тля, кузнечик, гусь, овца и т. д.);

2.) плотоядные животные (зоофаги), поедающие других животных, - различные хищники (хищные насекомые, насекомоядные и хищные рептилии и звери), нападающие не только на фитофагов, но и на других хищников (хищники второго и третьего порядков);

3.) паразиты, живущие за счет веществ организма – хозяина (черви, насекомые, клещи, вирусы, бактерии, простейшие, а также некоторые грибы и растения);

4.) симбиотрофы – бактерии, грибы, простейшие, которые питаются соками или выделениями организма – хозяина выполняют вместе с этим и жизненно важные для него трофические функции (мутуализм).

Детритофаги или сапрофаги – организмы, питающиеся мертвым органическим веществом остатками растений и животных. Они выполняют функцию очищения экосистемы.

Детритофаги участвуют в образовании почвы, торфа, донных отложений водоемов.

Редуценты – бактерии и низшие грибы – завершают деструктивную работу консументов и сапрофагов, доводя размножение органики до ее полной минерализации и возвращение в среду экосистемы последней порции двуокиси углерода, воды и минеральных элементов.

Все названные группы организмов в любой экосистеме тесно взаимодействуют между собой, согласуя потоки вещества и энергии. Их совместное функционирование не только поддерживает структуру и целостность биоценоза, но и оказывает существенное влияние на абиотические компоненты биотопа, обуславливая самоочищение экосистемы, ее среды.

Основной процесс в экосистеме – фундаментальный обратимый химический процесс: фотосинтез (автотрофы) = дыхание (гетеротрофы).

Пищевые сети и трофические уровни.

Пищевые цепи и пищевые цепи питания различных организмов можно построить, отслеживая пищевые взаимоотношения между членами биоценоза (кто кого и сколько поедает).

Различают несколько типов пищевых цепей.

Пастбищные пищевые цепи или цепи эксплуататоров, начинаются с продуцентов (трава полевка лисица).

Цепи паразитов (яблоня щитовка корова слепень бактерии фаги).

Детритные цепи, включают только редуцентов.(опавшие листья плесневые грибы бактерии).

Первый трофический уровень во всех экосистемах образуют продуценты – растения,

второй – первичные консументы – дитофаги,

третий – вторичные консументы – зоофаги и т. д.

Биомы – наземные экосистемы, относящиеся к одной природно-климатической зоне, имеют общую структуру доминирующей растительности и по этому могут рассматриваться как единый большой биогеоценоз-биом. Биомы являются основными объектами экологической географии.

Биосфера.Экосфера.

Биосфера – это совокупность частейземных оболочек (мето -,гидро -, и атмосферы),которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности.

Биосфера – глобальная экосистема, она не образует сплошного слоя с четкими границами, а как бы «пропитывает» другие геосферы планеты.

Ноосфера – сфера разума – человеческая «оболочка»земли.

Вещество биосферы – (по В.И. Вернадскому) состоит из:

- живого вещества – биомасса современных живых организмов;

- биогенного вещества- всех форм детрита, а также торфа, угля, нефти и газа биогенного происхождения;

- биокосного вещества - смесей биогенных веществ с минеральными породами небеогенного происхождения (почва, илы, природные воды, газо-нефтеносные сланцы, битумизные пески, часть осадочных карбонатов);

- косного вещества – горных пород, минералов, осадков, не затронутых прямым биогеохимическим воздействием организмов.

К биосфере относится вся совокупность живых организмов и все вещества, которые находятся под контролем потребления, трансформации и продуцирования живыми организмами (биогенное вещество).

Экосфера- планетарная совокупность современных биомов.

Верхняя граница экосферы расположена на высоте нескольких метров(больше 30 метров) над поверхностью растительного покрова суши на суше или над океаном; нижняя- по горизонту грунтовых вод или максимального проникновения корней растений и роющих животных. В океане она ограничена слоем проникновения солнечных лучей, достаточных для осуществления фотосинтеза (не более 100 метров) или глубиной сохранения биологической активности в донных осадках. За этими пределами остается ничтожная часть живых организмов, но находятся огромные массивы продуктов их жизнедеятельности – и в атмосфере и в гидросфере.

Биота экосферы обуславливает преобладающую часть химических превращений на планете, то есть – выполняет глобальную метаболическую функцию.

Биомасса и продуктивность экосферы.

Живое вещество экосферы на 98,6 % представлено биомассой наземных растений.

В течении года 1 кг биомассы растений эффективно поглощает 5,4 мДж фотосинтетически активной солнечной энергии, потребляет в процессе фотосинтеза 0,5 кг СО2 и 0,15 кг Н2О, выделяет 0,35 кг О2 и образует 0,3 кг суммарного органического вещества. В параллельно идущем процессе дыхания растений 2/3 этого количества окисляется с образованием 0,33 кг СО2, 0,1 кг Н2О и высвобождается 3,6 мДж энергии. Эта энергия используется для физиологических нужд растений и рассеивается в виде теплоты. Оставшиеся 0,1 кг новообразованного органического вещества образуют биологический урожай, который используется гетеротрофами.

Основные функции экосферы. Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей растения и другие организмы выполняют ряд фундаментальных биохимических функций планетарного масштаба.

Газовая функция –живые существа постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессах фотосинтеза и дыхании растений и животных.

Концентрационная функция – пропуская через свое тело большие объемы воздуха и природных растворов, живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов и их соединений.

Окислительно-восстановительная функция живого вещества тесно связана с биогенной миграцией элементов и концентрированием веществ.

Информационная функция. Организмы способны к получению информации путем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы.

Биогеохимические принципы Вернадского.

Первый. Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.

Второй. Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идей в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.

Третий. Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете космической энергией Солнца.

Эволюция экосферы.

Движущая сила эволюции – непрерывное, циклическое воспроизводящееся противоречие между безразличной способностью организмов к размножению, организуемой потоком солнечной энергии и ограниченностью материальных ресурсов.

Этапы эволюции экосферы.

Добиотическая эволюция:

1. Образование планеты и ее атмосферы (около 4,5 млрд лет назад).

2. Возникновение абиотического круговорота вещества в атмосфере.

3. Образование органических соединений.

4. Возникновение круговорота органических соединения углерода

Биотическая эволюция:

5. Возникновение жизни (около 3,5 млрд лет назад).

6. Развитие фотосинтеза.

7. Увеличение биологического многообразия и усложнение строения и функциональной организации живых существ и экосферы в целом.

8. Появление человека – лидера эволюции.

Главные закономерности эволюции организмов.

Микроэволюция – протекает на уровне популяций, рас, подвидов и заключается в отборе мелких изменений организмов, наступающих в результате случайных генетических отклонений, мутаций и генетического дрейфа.

Макроэволюция – эволюционные процессы надвидового уровня, вызывается значительными изменениями в экологической среде.

Главный критерий эволюции – закрепление эволюционных изменений видов животных и растений происходит только тогда, когда они способствуют лучшему размножению этих видов.

Закон необратимости эволюции – эволюция необратима: организм, популяция, вид не могут вернуться к прежнему состоянию, уже осуществленному в предыдущих поколениях.

Закон ненаследуемости приобретенных признаков - никакие биологические изменения в строении и функциях, приобретенные в течении жизни растения, животного или человека, их потомкам не передаются.

Правила прерывистого равновесия – эволюция, представляет собой не непрерывный монотонный процесс, а состоит из чередования длительных периодов преобладания микроэволюционных процессов и скачкообразных микроэволюционных изменений.

Правило ускорения эволюции – с ростом сложности организации биосистем продолжительность существования вида в среднем сокращается, а темпы эволюции возрастают.

Эти законы и правила всецело относятся к биологической и от части к надбиологической эволюции человека.