Уровни организации живой материи

Различают следующие уровни организации живой материи:

1. МОЛЕКУЛЯРНЫЙ. Живая система построена из биополимеров. Существуют следующие типы биологических полимеров: полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты. К их мономерам относятся моносахариды, аминокислоты, нуклеотиды. Большое значение играют еще и липиды.

2. КЛЕТОЧНЫЙ. Клетка - структурная и функциональная единица живых организмов.

3. ТКАНЕВЫЙ. Ткань - совокупность сходных по строению клеток и межклеточного вещества.

4. ОРГАННЫЙ. Органы - структурно-функциональные объединения нескольких типов тканей.

5. ОРГАНИЗМЕННЫЙ. Многоклеточный организм - целостная система органов.

6. ПОПУЛЯЦИОННО-ВИДОВОЙ. Сюда относится совокупность организмов одного и того же вида, объединенных одним местом обитания.

7. БИОГЕОЦЕНОТИЧЕСКИЙ. Биогеоценоз - совокупность организмов разных видов и факторов среды.

8. БИОСФЕРНЫЙ. Биосфера - система высшего порядка, охватывающая все явления жизни на нашей планете. На этом уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью живых организмов, обитающих на Земле.

УСЛОВИЯ И РЕСУРСЫ СРЕДЫ

Под условиями среды понимают экологические факторы, оказывающие положительное или отрицательное влияние на существование и географическое распространение живых существ.

Различают следующие виды экологических факторов:

1. АБИОТИЧЕСКИЕ (факторы неживой природы: солнечный свет, температура, влажность - климатические; рельеф, свойства почвы, соленость, течение, ветер, радиация и др. - местные);

2. БИОТИЧЕСКИЕ - формы влияния живых организмов друг на друга (опыление растений, конкуренция, паразитизм) и на среду;

3. АНТРОПОГЕННЫЕ - все те формы деятельности человека, которые воздействуют на естественную природную среду, изменяя условия обитания живых организмов или непосредственно влияют на виды.

Живые организмы живут и развиваются в определенной среде. Различают следующие типы СРЕДЫ ОБИТАНИЯ:

1. НАЗЕМНО-ВОЗДУШНАЯ СРЕДА;

2. ПОЧВЕННАЯ СРЕДА;

3. ВОДНАЯ СРЕДА;

4. СРЕДА, ОБРАЗУЕМАЯ САМИМИ ЖИВЫМИ ОРГАНИЗМАМИ.

К факторам НАЗЕМНО-ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ относятся: температура, содержание кислорода, влажность, погода, интенсивность света. К факторам ПОЧВЕННОЙ среды относятся: структура, химический состав и влажность.

Обитатели наземно-воздушной и почвенной среды называются ГЕОБИОНТАМИ (ЭДАФОБИОНТАМИ).

К факторам ВОДНОЙ СРЕДЫ относятся: плотность, солевой режим, скорость течения, содержание органических веществ, свойства грунта, поглощение света, насыщенность кислородом.

Обитатели водной среды называются ГИДРОБИОНТАМИ.

К СРЕДЕ, ОБРАЗУЕМОЙ САМИМИ ЖИВЫМИ ОРГАНИЗМАМИ относятся тела организмов. Обитатели этой среды носят название ПАРАЗИТОВ, СИМБИОНТОВ.

Условия жизни живых существ могут достаточно сильно изменяться. При этом живые организмы могут по-разному выдерживать изменения условий жизни.

Способность организмов выдерживать изменение условий жизни называется ТОЛЕРАНТНОСТЬЮ (рис. 1.2).

Рисунок 1.2. - Кривая толерантности

Организмы с широким диапазоном ТОЛЕРАНТНОСТИ называются ЭВРИБИОНТАМИ (приспосабливающимися к разным условиям среды).

Организмы, обитающие в узких границах изменения того или иного фактора называются СТЕНОБИОНТАМИ. При помещении организма в новые условия он через некоторое время адаптируется к ним. Следствием этого является изменение физиологического оптимума, или сдвиги купола толерантности. Такие сдвиги называются АДАПТАЦИЕЙ или АККЛИМАТИЗАЦИЕЙ.

Немецкий химик Юстус Либих (1803-1873 гг.), основоположник науки о минеральных удобрениях, обнаружил, что урожай растений может ограничиваться любым из основных элементов питания, если только этот элемент находится в недостатке. Это положение получило название ЗАКОНА МИНИМУМА или ПРАВИЛА ЛИБИХА.

Его можно сформулировать следующим образом: ЕСЛИ ИНТЕНСИВНОСТЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОКАЗЫВАЕТСЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ К ДВУМ И БОЛЬШЕМУ ЧИСЛУ ФАКТОРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, ТО РЕШАЮЩЕЕ ЗНАЧЕНИЕ БУДЕТ ПРИНАДЛЕЖАТЬ ТАКОМУ ФАКТОРУ ИЛИ РЕСУРСУ, КОТОРЫЙ ИМЕЕТСЯ В МИНИМАЛЬНОМ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ПОТРЕБНОСТЕЙ ОРГАНИЗМА КОЛИЧЕСТВЕ.

Успешное функционирование популяций или сообществ живых организмов зависит от комплекса условий; ОГРАНИЧИВАЮЩИМ (лимитирующим) фактором является состояние среды, приближающееся, или выходящее за границу устойчивости группы.

Например, кислород - энергетический ресурс большинства сухопутных животных, но применительно к рыбам содержание кислорода можно рассматривать и как показатель устойчивости группы.

Важным экологическим понятием является понятие ресурсов.

РЕСУРСЫ - все то в природе, из чего организм черпает энергию и получает вещества для своей жизнедеятельности.

Ресурсы живых существ подразделяются на:

· вещества, идущие на построение тел живых существ;

· энергию, необходимую для жизнедеятельности живых организмов.

Иногда к ресурсам относят ПРОСТРАНСТВО.

Например, тело зеленого растения создается из молекул неорганического вещества и ионов - это пищевой ресурс зеленого растения. Для построения своего тела растению требуется энергия, которая черпается от Солнечного излучения при ФОТОСИНТЕЗЕ - это ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РЕСУРС.

Но один и тот же фактор можно рассматривать и как УСЛОВИЕ и как РЕСУРС.

ПОПУЛЯЦИИ И СООБЩЕСТВА

Живые организмы участвуют в кругообороте веществ и энергии в биосфере Земли. Они живут группами, благодаря чему выживают и развиваются. Их важнейшими характеристиками являются численность, плотность, рождаемость, смертность, возрастной состав, соотношение полов и др.

В экологии одно их важнейших мест занимают такие направления, как экология популяций и сообществ, которые рассматривают характеристики популяций и сообществ, структуру, свойства и т.д.

ПОПУЛЯЦИИ состоят из одновидовых организмов, совместно населяющих определенные участки и связанных между собой определенными взаимоотношениями, которые обеспечивают им устойчивое существование в данной природной среде.

ВИД - основная структурная и классификационная (ТАКСОНОМИЧЕСКАЯ) единица в системе живых организмов; совокупность популяций особей, способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства, обладающих рядом общих морфофизиологических признаков, населяющих определенный ареал, обособленных от других не скрещиваемостью в природных условиях.

Популяция обладает не только биологическими свойствами составляющих ее организмов, но и свойствами, которые присущи группе особей в целом. Различают СТАТИЧЕСКИЕ и ДИНАМИЧЕСКИЕ характеристики популяций.

К статическим характеристикам относятся:

· ЧИСЛЕННОСТЬ;

· ПЛОТНОСТЬ;

· ВОЗРАСТНОЙ и ПОЛОВОЙ СОСТАВ.

К динамическим характеристикам относятся:

· РОЖДАЕМОСТЬ;

· СМЕРТНОСТЬ;

· СКОРОСТЬ ПОПУЛЯЦИОННОГО РОСТА.

Численность популяции не может быть любой; она не может быть слишком малой (до 2000 особей), но и не может быть бесконечно большой, так как тогда она не сможет прокормиться и разместиться на данной площади (рис. 1.3).

Рисунок 1.3. - Экспоненциальная и логистическая модели популяционного роста

Плотностью популяции называется число особей, приходящихся на единицу площади. Часто плотность измеряют не числом особей, а их массой (биомассой). Плотность равная численности или биомассе популяции на единицу обитаемого пространства называют ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТЬЮ.

Возрастной состав также является статической характеристикой популяции.

Растущая популяция характеризуется преобладающим числом молодых особей, а в сокращающейся популяции преобладают особи старческого (пострепродуктивного) возраста.

Другая статическая характеристика популяции - половой состав. У высших животных число особей женского и мужского пола различно. Так, например, в человеческой популяции это соотношение составляет 515 : 485.

Рождаемость является динамической характеристикой популяции. Различают максимальную и реальную рождаемость.

Реально реализованная рождаемость (ПЛОДОВИТОСТЬ) называется ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ РОЖДАЕМОСТЬЮ. Экологическая рождаемость зависит от численности популяции, ее полового и возрастного состава, а также от физических условий среды.

Рождаемость равна общему числу вновь появившихся особей деленному на промежуток времени, в течение которого они появились.

Удельная рождаемость равна рождаемости, деленной на число всех особей в популяции.

Смертность определяется как число особей, погибших за данный отрезок времени.

Удельная смертность равна смертности, деленной на число всех особей в популяции.

Смертность - показатель, противоположный рождаемости. У большинства живых организмов интенсивность смертности меняется на протяжении всей жизни. Чаще она больше на ранних стадиях развития, затем она снижается, а к старости снова возрастает.

Чем больше смертность, тем меньше средняя продолжительность жизни и наоборот. Иначе говоря, чем меньше средняя продолжительность жизни, тем меньшее количество живых организмов доживет до старости. Зависимости возраста и численности популяции представляются в виде КРИВЫХ ВЫЖИВАНИЯ(рис. 1.4).

Рисунок 1.4. - Основные типы кривых выживания

В Биосфере Земли живые организмы живут в окружении других представителей живой природы.

В сообществах организмы одной популяции могут питаться особями другой или использовать их как среду обитания (НЕПОСРЕДСТВЕННОЕ взаимодействие). Разные организмы могут использовать один и тот же ресурс; один вид может быть передающим звеном в цепи развития паразита, живущего за счет другого (ОПОСРЕДОВАННЫЕ или КОСВЕННЫЕ взаимодействия).

Различают следующие типы экологических взаимодействий:

1. если две популяции не влияют друг на друга, то это носит название НЕЙТРАЛИЗМ (в природе нейтрализм встречается крайне редко);

2. если для одного из совместно обитающих видов влияниедругого отрицательно (он испытывает угнетение), в то время как угнетающий не получает ни вреда, ни пользы, то это называется АМЕНСАЛИЗМ. Например - когда светолюбивые растения растут в густом еловом лесу;

3. к взаимополезным взаимодействиям относятся:

· ПРОТОКООПЕРАЦИЯ;

· СИМБИОЗ;

· МУТУАЛИЗМ (птицы, кормящиеся на коже носорога);

4. к полезно-нейтральным взаимодействиям относятся:

· КОМЕНСАЛИЗМ (нахлебничество, сотрапезничество, квартиранство);

5. к полезно-вредным взаимодействиям относятся:

· ПАРАЗИТИЗМ;

· ХИЩНИЧЕСТВО;

6. к взаимовредным взаимодействиям относятся:

· КОНКУРЕНЦИЯ (различают межвидовую и внутривидовую конкуренцию).

СООБЩЕСТВОМ называется совокупность образующих его видов и взаимоотношения между ними.

С этим понятием тесно связано понятие биогеоценоза.

БИОГЕОЦЕНОЗОМ называют исторически сложившуюся совокупность живых организмов (биоценоз) и абиотической среды вместе с занимаемым ими участком земной поверхности (БИОТОПОМ).

При взаимодействиях живых организмов существуют механизмы, которые регулируют численность, создавая устойчивость в данной биологической системе. Колебания численности во времени как правило носят циклический характер. Обильный корм способствует быстрому размножению травоядных животных, которые служат пищей для хищников, количество которых увеличивается, но с некоторым запаздыванием (рис. 1.5).

Рисунок 1.5. - Динамика изменения численности популяций зайцев и лисиц во времени

Если выразить данные зависимости в системе координат «жертва-хищник» то получим следующую картину (рис. 1.6).

Рисунок 1.6. - Эволюция двух популяций "ХИЩНИК-ЖЕРТВА" во времени

На основании анализа следует, что чем больше амплитуда изменения численности данных групп живых организмов, тем больших размеров достигает элипсоподобная геометрическая фигура, а это соответствует меньшей устойчивости данной биологической системы.

Данные взаимоотношения живых организмов могут быть описаны с помощью математических моделей, включающих уравнения, содержащие такие взаимосвязанные параметров, как количество травы, зайцев (жертва) и лис (хищник), а также скорость рождения зайцев, скорость выедания зайцев лисами и скорость гибели лис. Значимым аспектом является начальное количество травы, зайцев и лис.

Например, для данной системы в общем виде модель может быть представлена следующим образом:

X(t) = f ₁(G, X_i, Y_j, n, m),

Y(t) = f₂ (X_i, Y_j , m, k),

Где X(t) - изменение количества зайцев во времени, Y(t) - изменение количества лис во времени, G - количество травы, X - количество зайцев, Y – количество лис, n – скорость рождения зайцев, m – скорость выедания зайцев лисами, k – скорость гибели лис.

Реализация данной модели показывает, что наиболее устойчивой является система, в которой начальной количество вышеназванных компонентов отличается примерно в десять раз (например, количество зайцев в десять раз больше начального количества лис). На устойчивость системы влияет также соотношение скоростей рождения и гибели. Эти скорости не могут изменяться в широких пределах и должны соответствовать начальному количеству живых организмов. Изменения в ту или иную сторону от оптимума могут привести к снижению устойчивости и к деградации данной системы.

Структурой сообщества называют соотношение различных групп организмов, различающиеся по систематическому положению, по роли, которую они играют в процессе переноса энергии и вещества, по месту в пространстве, в пищевой сети, либо по иному признаку, существенному для понимания закономерностей группы естественных экосистем.

Внутри биоценоза в результате борьбы за существование происходит распределение биологических видов по «ЭКОЛОГИЧЕСКИМ НИШАМ», которые определяются как сложные пространственные фигуры, учитывающие большое количество экологических факторов. Каждая популяция видов в сообществе занимает определенную экологическую нишу, границы которой достаточно четко определены (рис. 1.7).

Рисунок 1.7. - Схема экологической ниши

В понятие экологической ниши вкладывается не только расположение вида в пространстве, но и его роль в экологической системе в целом.

Узкая специализация видов позволяет им плотно располагаться в пределах ограниченного пространства.

Когда виды живых организмов не конкурируют между собой, они занимают неперекрывающиеся экологические ниши, хотя могут занимать и один и тот же участок пространства. Конкурирующие живые организмы занимают перекрывающиеся ниши, что может привести в конечном итоге вытеснению одного из видов или к исчезновению обоих видов и занятию освободившейся ниши другими видами.