Экология и учение о биосфере

Тема 12

Экология и учение о биосфере

I/ Отличия растений от животных

2/ Учение Вернадского о биосфере

З/ Эмпирические обобщения Вернадского

4/ Экология

5/ Закономерности развития экосистем

б/ Синтетическая теория эволюции

7/ Концепция коэволюции

8/ Гипотеза Гея-Земли

Отличия растений от животных

Как считает большинство биологов, примерно 1 млрд. лет назад про­изошло разделение живых существ на два царства — растений и животных.

Различия между ними можно разделить на три группы:

1) по структуре клеток и их способности к росту;

2) по способу пита­ния;

3) по способности к движению.

Отнесение к одному из царств проводится не по каждому при­знаку, а по совокупности различий. Так, кораллы, моллюски, речная губка — бодяга всю жизнь остаются неподвижными, и тем не менее, имея в виду другие свойства,их относят к животным.

Существуют насекомоядные растения, которые по способу питания относятся к животным. Выделяют и переходные типы, как, скажем, эвглена зе­леная, которая питается как растение, а двигается как животное. И все же три отмеченные группы различий помогают в подавляю­щем большинстве случаев.

Кристаллы растут, но не воспроизводятся; растения воспро­изводятся, но не двигаются; животные двигаются и воспроизводят­ся.

В то же время у растений некоторые клетки сохраняют способ­ность к активному росту на протяжении всей жизни организма. В пластидах — белковых телах клеток растений заключен хлоро­филл, придающий растениям зеленую окраску. Его наличие связано с основной космической функцией растений — улавливанием и пре­вращением солнечной энергии. Эта функция определяет строение растений. «Свет лепит формы растений, как из пластического мате­риала,» — писал австрийский ботаник И. Визнер.

По словам В. И. Вернадского, «в биосфере видна неразрывная связь между освеща­ющим ее световым солнечным излучением и находящимся в ней зеленым живым миром организованных существ» (В. И. Вернадский. Биосфера. Избр. соч.- Т. 5.- М., I960.- С. 23). Самое большое дерево в мире — акация гальпини (122 м высоты, 44 м в периметре).

У животных клеток есть центриоли, но нет хлорофилла и кле­точной стенки, мешающей изменению формы.

Что же касается раз­личий в способе питания, то большинство растений необходимые для жизни вещества получают в результате поглощения минеральных соединений. Животные питаются готовыми органическими соедине­ниями, которые создают растения в процессе фотосинтеза.

В ходе развития животного мира происходила дифференциа­ция органов по функциям, которые они выполняют, и возникли

1) дви­гательная,

2) пищеварительная,

3) дыхательная,

4) кровеносная,

5) нервная системы и органы чувств.

В XVIII-XIX веках ученые потратили много усилий для систе­матизации всего многообразия растительного и животного мира. По­явилось направление в биологии, получившее название системати­ки. Были созданы классификации растений и животных в соответст­вии с их отличительными признаками.

Основной структурной единицей был признан вид, а более высокие уровни составили после­довательно род, отряд, класс.

На Земле существует 500 тыс. видов растений и 1,5 млн. видов животных, в том числе позвоночных — 70 тыс., птиц — 16 тыс., мле­копитающих — 12540 видов.

Подробная систематизация различных форм жизни создала предпосылки для изучения живого вещества как целого, что впервые осуществил выдающийся русский ученый Вернадский в своем учении о биосфере.

Экология

В буквальном смысле слово «экология» означает науку о «доме» (от греч. «ойкос» — жилище, местообитание).

Как входящая в биологиче­ский цикл,экология — наука о местообитании живых существ,их вза­имоотношении с окружающей средой.

Экология изучает организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней:

· популяций,

· сообществ,

· экосистем.

Термин «экология» предложил не­мецкий зоолог Э. Геккель в 1866 году, но подлинного расцвета эта на­ука достигла в XX веке, и ее развитие далеко не закончено.

Если учение о биосфере сразу подняло биологию с уровня от­дельных видов к целостности высшего порядка, то экология изучает различные уровни целостности, промежуточные между организменным и глобальным.

Выделяют аутоэкологию, которая исследует взаимодействие отдельных видов со средой, и синэкологию, которая изучает сообщества. Сообществом, или биоценозом, называют сово­купность растений и животных, населяющих участок среды обитания.

Совокупность сообщества и среды носит название экологическойсистемы, или биогеоценоза.

Основные понятия аутоэкологии:

1. популяция,

2. местообита­ние,

3. экологическая ниша.

Популяциейназывается группа организ­мов, относящихся к одному или близким видам и занимающая опре­деленную область, называемую местообитанием.

Совокупность ус­ловий, необходимых для существования популяции, носит название экологической ниши. Экологическая ниша определяет положение вида в цепях питания.

В зависимости от характера питания строится пирамида питания, состоящая из несколькихтрофических уровней.

· Низший зани­мают автотрофные организмы, питающиеся неорганическими со­единениями, прежде всего растения.

· На более высоком уровне рас­полагаются гетеротрофные организмы, использующие в пищу биомассу растений.

· Затем идут гетеротрофы второго порядка, пита­ющиеся гетеротрофами первого порядка, т. е. травоядными живот­ными и т. д.

Пирамида питания связана с круговоротом вещества в био­сфере, который выглядит следующим образом:

Растения Первичные потребители

Бактерии и грибы, разлагающие органические Вторичные потребители соединения

Один из важнейших принципов экологии — принцип устойчи­вости, в соответствии с которым чем больше трофических уровней и чем они разнообразнее, тем устойчивей биосфера.

Экология показала также, что живой мир — не совокупность живых существ, а единая система, сцементированная множеством цепочек питания и иных взаимоотношений.

Если даже небольшая часть его погибнет, погибнет и все остальное. В то же время, как пи­сал Н. Винер, «сообщество простирается лишь до того предела, до ко­торого простирается действительная передача информации» (Н. Ви­нер. Кибернетика...- С. 230).

К важным выводам экологии можно отнести следующие, от­мечавшиеся еще Вернадским:

1. Каждый организм может существовать только при условиипостоянной тесной связи со средой, т. е. с другими организмами и неживой природой.

2. Жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие измененияна нашей планете. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распространялись на планете, стимулируя перераспределение энергии и веществ.

3. Размеры популяции возрастают до тех пор, по­ка среда можетвыдерживать их дальнейшее увеличение, после че­го достигается равновесие. Численность колеблется вблизи равно­весного уровня.

Принцип равновесия играет в живой природе огромную роль. Равновесие существует между видами и смещение его в одну сторо­ну, скажем, уничтожение хищников, может привести к исчезнове­нию жертв, у которых не будет хватать пищи.

Естественное равнове­сие существует и между организмом иокружающей его неживой средой. Великое множество равновесий поддерживают общее равно­весие в природе.

Равновесие в живой природе не статично, как равновесие кри­сталла, а динамично, представляя собой движение вокруг точки ус­тойчивости.

Если эта точка не меняется, то такое состояние называ­ется гомеостазом («гомео» — тот же, «стасис» — состояние).

Гомеостаз — механизм, посредством которого живой организм поддерживает параметры своей внутренней среды, противодейст­вуя внешним воздействиям, на таком постоянном уровне, который обеспечивает нормальную жизнь.

Кровяное давление, частота пуль­са, температура тела — все это обусловлено гомеостатическими ме­ханизмами, которые работают настолько хорошо, что мы обычно их не замечаем.

В пределах «гомеостатического плато» действует отри­цательная обратная связь, за пределами его — положительная об­ратная связь, и система гибнет.

В экосистемах необходим период эволюционного приспособ­ления к условиям среды, который называетсяадаптацией. Только после него устанавливается надежный гомеостатический контроль.

Адаптация организма может быть:

· структурной,

· физиологической и

· поведенческой.

К структурной адаптации относится:

· изменение окраски,

· изменение строе­ния тела,

· изменение органов и т. д. (например, бабочки под влиянием фабрично­го дыма из светлых становятся темными).

К физиологической адаптации отно­сится, скажем, появление слуховой камеры у двуногой мыши, позво­ляющее иметь идеальный слух.

Пример поведенческой адаптации демонстрирует мотылек с полосатыми крыльями, садящийся на по­лосатые листья лилий так, чтобы его полоски были параллельны по­лоскам на листьях.

Механизм, ответственный за эволюцию живой природы, полу­чил название гомеореза. Он дает возможность как бы перескакивать с одного устойчивого состояния на другое через неравновесные точ­ки (как бы «с кочки на кочку»), тем самым проявляя такую отличи­тельную особенность живых тел, каких способность поддерживать устойчиво неравновесное состояние.

По определению Э. Шредингера, «жизнь — это упорядоченное и закономерное поведение мате­рии, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время» (Э. Шредингер. Что такое жизнь? С точки зрения физика. - М., 1972.- С. 71).

Средством, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), является энергия, получаемая организ­мом из окружающей среды с продуктами питания.

Концепция коэволюции

Критика дарвинизма велась со дня его возникновения. Одним не нравилось, что изменения, по Дарвину, могут идти во всех возмож­ных направлениях и случайным образом. Концепция номогенеза утверждала, что изменения происходят не беспорядочно и случайно, а по законам форм. Русский ученый и революционер П. А. Кро­поткин придерживался точки зрения, в соответствии с которой взаимопомощь является более важным фактором эволюции, чем борьба.

Эти возражения не могли поколебать общей теории эволюции вплоть до появления под влиянием экологических исследований концепции коэволюции, которая смогла объяснить возникновение полов и другие феномены.

Как химическая эволюция — результат взаимодействия химических элементов, так по аналогии биологиче­ская эволюция может рассматриваться как результат взаимодейст­вия организмов. Случайно образовавшиеся более сложные формы увеличивают разнообразие и стало быть устойчивость экосистем. Удивительная согласованность всех видов жизни есть следствие ко­эволюции.

Концепция коэволюции хорошо объясняет эволюцию в систе­ме«хищник — жертва» — постоянное совершенствование и того, и другого компонента системы.

В системе «паразит — хозяин» естест­венный отбор должен вроде бы способствовать выживанию менее вирулентных (опасных для хозяина) паразитов и более резистентных (устойчивых к паразитам) хозяев.

Постепенно паразит стано­вится комменсалом, т. е. безопасным для хозяина, а затем они могут стать мутуалами — организмами, которые способствуют взаимному процветанию, как грибы и фотосинтезирующие бактерии, вместе об­разующие лишайники. Но так происходит не всегда.

Паразиты явля­ются неизбежной, обязательной частью каждой экосистемы. Коэволюционная «гонка вооружений» способствует большему разнообра­зию экосистем. Паразиты препятствуют уничтожению хозяевами других видов.

Совместная эволюция организмов хорошо видна на следую­щемпримере. Простейшие жгутиковые, живущие в кишечнике термитов, выделяют фермент, без которого термиты не могли бы переваривать древесину и расщеплять ее до сахаров. Встречая в природе симбиоз, мы можем предполагать, что его конечной ста­дией является образование более сложного организма. Травояд­ные животные могли развиться из симбиоза животных и микро­скопических паразитов растений. Паразит уже обрел некогда спо­собность производить ферменты для переваривания веществ, имевшихся в организме его хозяина-растения. Животное же де­лится с паразитом питательными веществами из растительной массы.

Концепция коэволюции объясняет и факты альтруизма у жи­вотных: заботу о детях, устранение агрессивности путем демонстра­ции «умиротворяющих поз», повиновение вожакам, взаимопомощь в трудных ситуациях и т. п.

Гипотеза Гея-Земли.

Эта гипотеза возникла в последние два десятилетия на основе учения о биосфере, экологии и концепции коэволюции.

Авторами ее являются английский химик Джеймс Лавлок и американский микробиолог Линн Маргулис. Вначале была обнаружена химиче­ская неравновесность атмосферы Земли, которая рассматривает­ся как признак жизни. По мнению Лавлока, если жизнь представ­ляет собой глобальную целостность, ее присутствие может быть обнаружено через изменение химического состава атмосферы планеты.

Лавлок ввел понятие геофизиологии, обозначающее систем­ный подход к наукам о Земле.

Согласно Гея-гипотезе, сохранение длительной химической неравновесности атмосферы Земли обус­ловлено совокупностью жизненных процессов на Земле.

С начала жизни 3,5 млрд. лет назад существовал механизм биологической ав­томатической термостатики, в котором избыток двуокиси азота в ат­мосфере играл регулирующую роль, препятствуя тенденции потеп­ления, связанной с возрастанием яркости солнечного света. Другими словами, действует механизм обратной связи.

Лавлок сконструировал модель, в соответствии с которой при изменении яркости потоков солнечного света растет разнообразие, ведущее к возрастанию способности регулировать температуру по­верхности планеты, а также к росту биомассы.

Суть Гея-гипотезы: Земля является саморегулирующейся си­стемой, созданной биотой и окружающей средой, способной сохра­нять химический состав атмосферы и тем самым поддерживать бла­гоприятное для жизни постоянство климата.

По Лавлоку, мы — оби­татели и часть квазиживой целостности, которая обладает способностью глобального гомеостаза, снисходительного к наруше­ниям, если она в хорошей форме, в пределах своей способности к са­морегуляции. Когда подобная система попадает в состояние стресса, близкого к границам саморегуляции, даже маленькое потрясение может толкнуть ее к переходу в новое стабильное состояние или да­же полностью уничтожить.

В то же время «Гея» превращает даже отбросы в необходимые элементы и, видимо, может выжить даже после ядерной катастро­фы. Эволюция биосферы, по Лавлоку, может быть процессом, кото­рый выходит за рамки полного понимания, контроля и даже участия человека.

Подходя к Гея-гипотезе с биологических позиций, Л. Маргу­лис полагает, что жизнь на Земле представляет собой сеть взаимоза­висимых связей, позволяющих планете действовать как саморегу­лирующаяся и самопроизводящая система. В 60-х годах Маргулис предположила, что эукариотические клетки произошли в результате симбиотического союза простых прокариотических клеток, таких как бактерии.

Маргулис выдвинула гипотезу, что митохондрии (клеточные органеллы, которые производят энергию из кислорода и углеводов) произошли от аэробных бактерий; хлоропласты растений когда-то были фотосинтезирующими бактериями.

По мнению Маргулис, сим­биоз — образ жизни большинства организмов и один из наиболее со­зидательных факторов эволюции. Например, 90% растений сущест­вуют вместе с грибами, поскольку грибы, связанные с корнями расте­ний, необходимыим для получения питательных веществ из почвы. Совместная жизнь приводит к появлению новых видов и признаков Эндосимбиоз (внутренний симбиоз партнеров) — механизм усложне­ния строения многих организмов. Изучение ДНК простых организмов подтверждает, что сложные растения произошли из соединения про­стых.

Схематически это можно представить следующим образом:

Предковый анаэробный эукариот (с ядром) + аэробная бактерия

Клетка без ядра + спирохета
	Предковый аэробный эукариот + фотосинтезирующая бактерия

Клетка гриба
	Клетка зеленого растения + другая клетка
	Многоклеточные организмы

Животная клетка

Такая симбиотическая коэволюция хорошо согласуется с дан­ными синергетики, и ею можно объяснить образование колонии амеб под влиянием недостатка пищи и образование муравейника.

В син­тетических терминах это описывается так. Начальной «флуктуаци­ей» является несколько большая концентрация комочков земли, ко­торая рано или поздно возникает в какой-то точке области обитания термитов. Но каждый комочек пропитан гормоном, привлекающим других термитов. Флуктуация растет, и конечная площадь гнезда определяется радиусом действия гормона.

Так происходит переход от целесообразности на уровне орга­низмов к целесообразности на уровне сообществ и жизни в целом — целесообразности в научном смысле слова, определяемой тем, что существуют не внешние по отношению к сообществам, а внутренние объективные надорганизменные механизмы эволюции, которые и изучает наука.

С точки зрения концепции коэволюции естественный отбор, который играл главную роль у Дарвина, является не «автором», а скорее «редактором» эволюции. Конечно, в этой сложной области ис­следований науку ждет еще немало важных открытий.

ВОПРОСЫ

1. В чем сходства и отличия растений и животных?

2. Что такое эмпирические обобщения и чем они отлича­ются от гипотез, моделей, теорий?

3. Каковы основные выводы учения Вернадского о биосфере?

4. Что изучает экология?

5. Что такое сукцессия?

6. Каковы сравнительные характеристики развивающейся и зрелой экосистем?

7. Каковы основные закономерности, сформулированные в экологии?

8. Какие выводы получены в результате изучения систем «хищ­ник—жертва» и «паразит—хозяин»?

9. Что такое теория эволюции?

10. Что такое концепция коэволюции?

11. В чем суть гипотезы Геи-Земли?

Литература

1. Вернадский В. Д. Биосфера. Разл. изд.

2. Вольтерра В. Математическая теория борьбы за существова­ние. - М., 1976.

3. Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественного отбора.— СПб., 1991.

4. Одум Ю. Экология. — М., 1975.

5. Реймерс Н.Ф. Экология. — М., 1994.

Практикум к семинару

I. Ответьте на вопросы.

1. Почему именно русский ученый создал учение о био­сфере?

2. Как Вернадский понимал биосферу и почему он изме­нил это понятие?

3. Как учение о биосфере продолжило учение о почве?

4. Что такое популяция, сообщество, экосистема, экологи­ческая ниша, сукцессия?

5. Каковы законы экологии?

6. Каковы закономерности развития экосистем?

7. Как формулируется основной закон экологии?

8. Зачем на Земле необходимо существование столь боль­шого количества видов жизни?

9. В чем суть концепции коэволюции и как она возникла?

10. Как концепция коэволюции примирила взгляды Дарви­на и Кропоткина?

11. Как происходила эволюция с точки зрения концепции коэволюции?

12. Каково экологическое значение науки?

Тема 12

Экология и учение о биосфере

I/ Отличия растений от животных

2/ Учение Вернадского о биосфере