Конспект лекций по Экологии часть 1, преподаватель Метечко Людмила Борисовна (Глава 3 Иерархия уровней живой природы)

Посмотреть архив целиком

17


Глава 3


Иерархия уровней живой природы


  1. Иерархия уровней живой природы

  2. Экосистемы -предмет изучения экологии

  3. Биоценоз

  4. Экотоп

  5. Живое вещество – основа биосферы

  6. Биосфера и ее свойства.



Возникновение жизни на земле вопрос дискуссионный по сей день.

Есть мнение о возможности абиогенного синтеза органических веществ. В книге М.Руттена ( 1974г.) описан опыт получения аминокислот из водорода, аммиака и метана в бескислородной среде под действием электрических разрядов и ультрафиолетового излучения.

В мае 2010 года, в прессе прошло сообщение об успешно завершении эксперимента американских ученых по синтезу органического вещества.

С другой стороны при исследовании Антарктиды в обнаружено большое количество метеоритов на поверхности льда. В них найдены различные аминокислоты, нуклеотиды, которые не могли образоваться во льдах Антарктиды. Можно предполагать, что биогенные вещества существуют и в далеких космических просторах. Таким образом, если не живое вещество, то его «матрица» в виде абиогенного органического вещества существует в космосе и может переноситься на межзвездные расстояния.

Поэтому идею В.И.Вернадского о «вечности» жизни можно сформулировать так :

ЖИЗНЬ – это этап эволюции материи, возможность, присущая всем пространствам и временам.







В чем же основное различие экологии от других научных направлений изучающих живое? Биология также изучает живые организмы, может изучать даже жизнь и развитие одной клетки, причем помимо биологии существует еще множество научных дисциплин изучающих живое.

Чем экология отличается от них – один из основных вопросов этой темы.

Рассмотрим условную иерархию уровней организации живой материи на нашей планете. Деление биосистем на ступени условно, так как каждый уровень взаимосвязан с соседними уровнями в функциональном смысле.

Системы низших уровней ( подсистемы) интегрированы в системы высших уровней ( надсистемы).

6



СООБЩЕСТВА


5

ПОПУЛЯЦИИ


4


ОРГАНИЗМЫ


3

ОРГАНЫ

2

КЛЕТКИ


1


ГЕНЫ





















БИОСИСТЕМА – природная система, в которой живые компоненты ( БИОТИЧЕСКИЕ ), упорядоченно взаимосвязаны с неживой физической средой, компонентами (АБИОТИЧЕСКИМИ).


Биоситемы разных уровней являются предметом изучения различных дисциплин: генетика, цитология, биология, физиология и т.д.

Биотические и абиотические компоненты образуют соответствующие биосистемы, расположенные снизу вверх, в следующем порядке:


  1. генетические системы

  2. клеточные системы

  3. системы органов

  4. системы организмов

  5. популяционные системы

  6. сообщества популяций, экологические системы.


Ген - структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определенного признака или свойства. Совокупность генов родители передают потомкам во время размножения.

Изначально термин ген появился как теоретическая единица передачи дискретной наследственной информации.


Кле́тка — элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. Все живые организмы либо, как многоклеточные животные, растения и грибы, состоят из множества клеток, либо, как многие простейшие и бактерии, являются одноклеточными организмами.


Орган (греч. organon - «инструмент») - обособленная совокупность различных типов клеток и тканей, выполняющая определённую функцию в пределах живого организма.

Орган представляет собой функциональную единицу в пределах организма, обособленную от других функциональных единиц данного организма. Органы одного организма связаны в своих функциях между собой таким образом, что организм является совокупностью органов, которые часто объединяются в различные системы органов.


Организмы - (позднелат. organismus от позднелатинского organizo — устраиваю, сообщаю стройный вид, от др.-греч. ὄργανον — орудие) — живое тело, обладающее совокупностью свойств, отличающих его от неживой материи. Организмы — главный предмет изучения в биологии.


Популяции – совокупности разновозрастных особей одного вида, обменивающихся генетической информацией, объединенных общими условиями существования, необходимыми для поддержания численности в течение длительного времени (общность ареала, происхождение, свободное скрещивание и др.)


Экологическая ниша – совокупность условий, необходимых для обитания популяции.


Сообщества или биоценоз – совокупность растений и животных, населяющих участок среды обитания, которое может включать в себя несколько популяций разного вида.


Системы, которые расположены выше уровня организмов: популяционные, сообщества, в том числе экосистемы и биосферу в целом – изучает экология.


ЭКОЛОГИЯ изучает организацию и функционирование живых систем более сложных чем один организм, то есть надорганизменных систем.


Эти системы получили название ЭКОСИСТЕМЫ.



Более крупные экосистемы включают в себя экосистемы меньшего ранга. ( Впервые термин введен английским геоботаником АртуромТэсли в 1935 году).

Впоследствии появилось второе название экосистемы в 1942году В.Н.Сукачев ввел аналогичное понятие ГИОБИОЦЕНОЗ, подчеркивающее что в состав экосистемы входит как биотический компонент так и абиотический представляя собой единое целое.


Графическое изображение экосистемы.


ЭКОСИСТЕМА

(БИОГЕОЦЕНОЗ)

включает в себя два блока :







ЖИВОЕ

БИОЦЕНОЗ

НЕЖИВОЕ

БИОТОП








1 блок - включает в себя взаимоотношение организмов разных видов и носит название БИОЦЕНОЗ.

2 блок - включает в себя среду обитания и называется БИОТОП или ЭКОТОП.




ЭКОСИСТЕМА – безразмерная, устойчивая система живых

и неживых компонентов, в которой непрерывно совершается внешний и внутренний круговорот вещества и энергии.








Биотические компоненты ( БИОЦЕНОЗ) – состоят из трех групп организмов, осуществляющих циркуляцию веществ в живой природе:



Графическое изображение БИОЦЕНОЗА



Биотические компоненты экосистем






Консументы

(потребители разных порядков)




Продуценты

( растения)

Редуценты

( бактерии и грибы)



Фаготрофы



Фотоавтотрофы


Сапрофиты

Детритофаги




Хемоавтотрофы








I группа - продуценты, или автотрофные организмы – для которых питательным материалом являются простые неорганические вещества. В качестве энергии, они используют либо солнечную энергию, либо энергию химических реакций.

Автотрофы переводятся с греческого- сами являющиеся пищей (авто- сам, трофус – питание.)

В соответствии с этим делятся на фотоавтотрофы ( использующие солнечную энергию) и хемоавтотрофы.


Фотоавтотрофы – используют в качестве источника энергии солнечный свет, а в качестве питательного материала – углекислый газ и воду. К этой самой многочисленной массе живого относятся зеленые растения и бактерии. Их основа фотосинтез.

В процессе жизнедеятельности они синтезируют на свету органические вещества – углеводы, или сахара ( СН2О), которыми питаются животные и выделяют кислород.


n CO2 + n H2O = n (CH2O) + n O2


Хемоавтотрофы – используют энергию, выделяющуюся при химических реакциях. К этой группе принадлежат например нитрофицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой, а потом азотной кислоты.


2NH3 + 3 O2 = 2HNO2 + 2H2О+ Qхим.р.


2NO2 + O2 = 2 HNO3 + Qхим.р.


Выделяющееся при химических реакциях окисления аммиака тепло бактерии используют для синтеза органических веществ.


II группа - консументы или гетеротрофы используют в качестве источника энергии и питательного вещества готовое органическое вещество.

Гетеротрофы в переводе с греческого питающийся другими ( гетеро – другой, трофус- питание.)

Консументы осуществляют процесс разложения органических веществ.

Их делят на фаготрофов и сапротрофов.


Фаготрофы питаются непосредственно растительными или животными организмами. К ним относятся как правило крупные животные и человек.


Сапротрофы или падальщики используют для питания органические вещества разлагающихся мертвых остатков. К этой группе относятся как мелкие организмы ( муравьи, черви, бактерии и пр.), так и крупные животные ( гиены, шакалы, вороны и пр.)


III группа организмов – редуценты или деструкторы.


Редуценты или деструкторы - это консументы , участвующие в последней стадии разложения и разрушения органических веществ, то есть в минерализации органических веществ.

Они восстанавливают остатки органики до неорганических соединений( СО2, Н2О и пр.) Они очищают экосистемы от отходов и возвращают вещества в круговорот, превращая их в формы, доступные для продуцентов и таким образом замыкают круговорот веществ.

К редуцентам относятся микроскопические организмы бактерий и грибов – микроконсументы.


АБИОТИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ (БИОТОП или ЭКОТОП) – химические и физические элементы неживой природы.

- неорганические вещества и химические элементы участвующие в обмене веществ между живой и неживой материей ( кислород, углекислый газ, вода, кальций. Магний, калий, натрий и пр.);

- органические вещества, связывающие абиотическую и биотическую части экосистем ( углеводы, жиры , аминокислоты, белки и пр.);

- поток энергии;

- воздушная, водная или твердая среда обитания;

- климатический режим: освещенность, влажность, ветер, температура и пр.


Составные компоненты экосистемы по В.И.Вернадскому


Всю материю планеты Вернадский разделил на 3 вида: живое вещество, костное вещество и биокостное вещество.

ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО – совокупность всех живых организмов планеты, выраженную через массу, энергию и химический состав.

КОСТНОЕ ВЕЩЕСТВО – это вещества неживой природы ( например минералы ).

БИОКОСТНОЕ ВЕЩЕСТВО – образование и сложение которого обуславливается живыми и костными компонентами ( например почва ).


Живое вещество – особый механизм, строящий материю живой оболочки земли БИОСФЕРЫ.

Если выделить его в чистом виде и распределить по поверхности Земли – этот слой составит 2 км., что составляет незначительную часть Биосферы, толща которой составляет десятки километров.


Живое вещество - это чрезвычайно активизированная материя, сверхактивное вещество, с физико-химической точки зрения.

Живое вещество способно при нормальном давлении и температуре связывать атмосферный азот до аммиака, тогда как в промышленных условиях для этого требуется температура 5000 и давление в 300-500 атмосфер.

Скорости протекания химических реакций в живом веществе на несколько порядков быстрее, чем в неживой природе.


Свойства живого вещества.


  1. Способность быстро занимать свободную территорию.

(простейшие формы организмов способны освоить земной шар за несколько часов.)


  1. Движение не только пассивное, но и активное.

( против течения, против силы тяжести, движения воздушных потоков)


  1. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти.

( включение в круговороты, сохраняя высокую активность)


  1. Высокая адаптация.

( некоторые организмы выносят температуры близкие к абсолютному нулю- 273оС, в термальных источниках – 140оС, в бескислородной среде, в вулканической лаве, в водах атомных реакторов, в ледовых полярных панцирях)


  1. Феноменально высокая скорость протекания реакций.

( например гусеницы за день пропускают через себя количество пищи в 200 раз больше их собственной массы. Дождевые черви ( их масса в 10 раз больше массы человечества) за 150 лет пропускают через себя всю почву - однометровый слой.)


  1. Высокая скорость обновления.

( всреднем для биосферы это 8 лет, при этом для суши – 14 лет, а для океана – 33 дня. За все время существования Земли 3млрд.лет масса живого вещества прошедшего через биосферу в 12 раз превышает массу планеты )


Все перечисленные свойства обуславливаются концентрацией в нем больших запасов энергии.


Энергонасыщенность живого вещества может соперничать только с лавой, образующейся при извержении вулканов.




ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО – основа БИОСФЕРЫ.






БИОСФЕРА


Самая крупная ЭКОСИСТЕМА предельная по размерам и масштабам это – БИОСФЕРА Земли.


Существует множество определений биосферы.


БИОСФЕРА - зона распространения активной жизни


БИОСФЕРА – глобальная экосистема, особая оболочка Земли, сфера распространения жизни, границы которой определяются наличием пригодных для организмов абиотических условий: температуры, жидкой воды, состава газов, элементов минерального питания. БИОСФЕРА - зона распространения активной жизни


БИОСФЕРА – это область не только вещества и энергии Земли, но и вещества и энергии, полученной из космоса, то есть она создание Земли и Космоса.


БИОСФЕРА – это область земной коры, занятая живыми трансформаторами, переводящими энергию космоса, во все известные виды энергии – тепловую, механическую, химическую, электрическую и пр.


Биосфера существовала задолго до появления человека и может существовать без него, напротив существование человека невозможно без биосферы.

По данным современной науки БИОСФЕРА Земли существует 3-4 млрд. лет, она растет и развивается наперекор холодной энтропийной смерти и несет в себе жизнь и цивилизацию.


БИОСФЕРА – активная оболочка Земли, включающая все живые организмы Земли и находящаяся во взаимодействии с неживой средой нашей планеты, с которой они составляют единое целое.

определение по Эдуарду Зюссу ( 1875г)


В ХХ веке Определение БИОСФЕРЫ данное академиком Н.И.Вернадским расширило понимание БИОСФЕРЫ.


БИОСФЕРА - оболочки планеты, где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности.

Принципиальные границы Биосферы определяются как границы существования активной жизни.

Верхняя граница биосферы охватывает тропосферу и проходит по границе озонового слоя – 22-25 км над поверхностью земли, нижняя граница биосферы опускается на континентах до 3 км. в глубину земной коры, а под океаном до 1-го км.


Определение по В.И. Вернадскому


Он не только конкретизировал и очертил границы жизни в биосфере, но и раскрыл роль живых организмов в процессах планетарного масштаба. Он показал, что в природе Земли нет более мощной геологической (средообразующей) силы, чем живые организмы и продукты их жизнедеятельности.

Определение Биосферы по Н.И. Вернадскому произвело переворот во взглядах на глобальные природные явления, в том числе геологические процессы. До Н.И.Вернадского геологические процессы связывали в основном с действием физико-химических сил объединяемых термином «выветривание» пород.

Он же доказал первостепенную преобразующую роль живых организмов и обусловленную их жизнедеятельностью образование и разрушение геологических структур, круговорота веществ и изменений в атмосфере, гидросфере и литосфере Земли.

Биосфера, как и все экосистемы, относится к классу сложных систем.


Важное следствие сложной иерархичной организации Биосферы, является появление новых свойств на новой ступени иерархии не свойственных предыдущей.


Это свойство присущее сложным системам имеет название – ЭМЕРДЖЕНТНОСТЬ.


ЭМЕРДЖЕНТНОСТЬ – универсальное свойство экосистем.( эмердженс – возникновение, внезапное появление нового англ.)


Суть ЭМЕРДЖЕНТНОСТИ в том, что свойства системы как целого не является простой суммой свойств, слагающих элементов.



Для иллюстрации эмерджентности можно привести простые примеры :

- из химии, когда из водород и кислород соединяясь в определенном соотношении образуют вещество – жидкость, воду, никоем образом не похожую ни на кислород , ни на водород и свойства которой невозможно предсказать , исходя из свойств исходных газов..

4Н + О2 = 2 Н2О






- в человеческом обществе примером может служить психология толпы, которая не есть сумма психологических портретов отдельных людей. Поведение человека вне толпы отличается от его поведения в окружении массы людей.

Ч. Айтматов : « Если взять одного человека, то сам по себе он безопасное существо. Но как только люди собираются в большие группы, нации, этносы и вооружаются экстремистскими идеями, начинают действовать разрушительные силы толпы, с которой вести диалог уже не возможно».


Таким образом, эмерджентные свойства экосистем невозможно свести к сумме свойств подсистем, составляющих эту экосистему.


Следует отметить, что кроме эволюционной теории Дарвина, предполагающей постепенное изменение видовых признаков, существует альтернативная, идеалистическая концепция эмерджентной эволюции.

Она рассматривает эволюцию как скачкообразный процесс, при котором возникновение новых высших качеств обусловлено идеальными силами. Эта теория имеет право на существование. Концепция эмерджентной эволюции изложена в трудах Самюэла Александера ( 1859 – 1938) английского философа-идеалиста, неореалиста.


Американский эколог Ю.Одум( 1986г) писал : « Хорошо известный принцип сложных систем о несводимости свойств целого к сумме свойств его частей должен служить первой рабочей заповедью экологов».


Современный научный подход основывается на противоположном принципе познания - анализе, вычленении и изучении составляющих компонентов, выводы из которого не соответствуют закономерностям развития целого.

Поэтому в экологии, изучающей сложные . высокоорганизованные экосистемы, необходимо традиционный аналитический подход к изучению предмета дополнять системным синтетическим методом познания, или, по крайней мере дополнят им.

Таким образом, учитывая эмерджентные свойства высокоорганизованных систем, для познания целого, не корректно расчленять и изучать все его составляющие элементы и члены, причем не всегда обязательно знать все их характеристики.


По мнению В.И.Вернадского живой организм БИОСФЕРЫ должен изучаться целиком, как особое тело.


ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА БИОСФЕРЫ


  1. Биосфера – централизованная система.

( центральное звено – живое вещество)


  1. Биосфера открытая система.

( ее существование невозможно без поступления энергии извне )


  1. Биосфера саморегулирующаяся система.

( способность гасить возникающие возмущения и возвращаться в исходное состояние – свойство высокой организованности, гомеостаз)


  1. Биосфера система характеризующаяся большим разнообразием.

( разнообразие – основное условие устойчивости и возможности дублирования одних звеньев другими на видовом уровне)


  1. Важнейшее свойство биосферы – наличие механизмов обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость химических элементов и их соединений.

( во всеобъемлющем круговороте веществ в биосфере участвуют все без исключения химические элементы и их соединения. Природные обменные процессы не имеют отходов или излишков.)










Вопросы к главе 3


  1. Расскажите о существующей иерархию уровней организации живой материи.

  2. Дайте определение гену, клетке, органу и организму.

  3. Дайте определение популяции и сообществу.

  4. Что является предметом изучения экологии?

  5. Графическое изображение экосистемы (биогеоценоза).

  6. Графическое изображение биоценоза.

  7. Какие группы организмов носят название продуцентов?

  8. Какие виды продуцентов вы знаете?

  9. Расскажите в чем разница между автотрофами и гетеротрофами?

  10. Какие функции в биоценозе осуществляют редуценты или деструкторы?

  11. Что представляют собой консументы?

  12. Какие типы консументов вы можете назвать?

  13. Расскажите о разном способе синтеза органических веществ автотрофными организмами.

  14. Что такое экотоп и биотоп.

  15. Что такое живое, костное и биокостное вещество?

  16. Перечислите свойства живого вещества.

  17. Какую роль в биосфере земли играет живое вещество по В.И.Вернадскому?

  18. Определение биосферы.

  19. Чем отличается определение биосферы по Эдуарду Зюссу от определения по Владимиру Ивановичу Вернадскому?

  20. Чему присуще свойство эмерджентности?

  21. Приведите примеры явления эмерджентности.

  22. В чем суть гипотезы Самюэла Александера ?

  23. Перечислите свойства биосферы.