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:
![]() |
Клетка без ядра + спирохета | ||
![]() ![]() | ||
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