Популяционно-биоценотический уровень
Это надорганизменный уровень жизни, основной единицей которого является популяция – совокупность особей одного вида, относительно изолированных от других групп этого же вида, занимающих определенную территорию, воспроизводящую себя на протяжении длительного времени и обладающую общим генофондом – совокупностью всех генов популяции или группы популяций. Изучением популяций занимается популяционная биология.
Популяции. Сам термин «популяция» был введен одним из основоположников генетики Вильгельмом Иогансеном (1857–1927), который назвал так генетически неоднородную совокупность организмов, отличную от однородной совокупности – чистой линии. Позднее этот термин приобрел более глубокий смысл. Популяция стала считаться целостной системой, непрерывно взаимодействующей с окружающей средой, способной к трансформации и развитию. Именно популяции являются теми реальными системами, через которые существуют виды живых организмов. Видом называется совокупность особей, сходных по строению и физиологическим свойствам, имеющих общее происхождение, способных свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство. Вид существует только через популяции, представляющие генетически открытые системы, т. к. изоляция популяций не абсолютна и периодически бывает возможным обмен генетической информацией. Именно популяции выступают в качестве элементарных единиц эволюции, изменения их генофонда ведут к появлению новых видов. Вид, являясь системой популяций, представляет собой генетически закрытую систему. Ведь скрещивание особей разных видов в подавляющем большинстве случаев не ведет к появлению плодовитого потомства (например, мулы – потомство лошадей и ослов, являются стерильными).
Целостность популяций, проявляющаяся в возникновении новых свойств по сравнению с онтогенетическим уровнем жизни, обеспечивается взаимодействием особей в популяциях и воссоздается через обмен генетической информацией в процессе полового размножения. У каждой популяции есть количественные границы. С одной стороны, это – минимальная численность, обеспечивающая самовоспроизводство популяции. С другой стороны, это – максимум особей, который может прокормиться в ареале (месте обитания) данной популяции. Популяция как целое, характеризуется такими параметрами, как волны жизни (периодические колебания численности), плотность населения, соотношение возрастных групп и полов, смертность и т. д.
Для популяционного уровня организации жизни характерна активная или пассивная подвижность всех компонентов популяции. Это влечет постоянное перемещение особей – членов популяции. Необходимо отметить, что никакая популяция не бывает абсолютно однородной, она всегда состоит из внутрипопуляционных группировок. Также следует помнить о существовании популяций разных рангов – есть постоянные, относительно независимые географические популяции, и временные (сезонные) местные популяции. При этом высокая численность и устойчивость достигается только в тех популяциях, которые имеют сложную иерархическую и пространственную структуру, т. е. являются неоднородными, гетерогенными, имеют сложные и длинные пищевые цепи. Поэтому выпадение хотя бы одного звена из этой структуры ведет к разрушению популяции или потере ею устойчивости.
Популяции, представляющие первый надорганизменный уровень живого, и являющиеся единицами эволюции, способными к самостоятельному существованию и трансформации, объединяются в совокупности следующего надорганизменного уровня – биоценозы.
Биоценоз. Биоценоз – совокупность всех организмов, населяющих участок среды с однородными условиями жизни, например, лес, луг, болото и т. д. Иными словами, биоценоз – это совокупность популяций, проживающих на определенной территории. Биоценоз представляет собой закрытую систему для чужих популяций, для составляющих его популяций – это открытая система. Составляющие биоценоз популяции находятся в очень сложных отношениях: антагонизм, конкуренцию, кооперацию, паразитизм.
Обычно биоценозы состоят из нескольких популяций и являются составным компонентом более сложной системы – биогеоценоза.
Биосферный уровень
Биоценозы входят в качестве составных частей в более крупные и сложные системы – биогеоценозы, представляющие собой третий надорганизменный уровень жизни. В свою очередь, биогеоценозы нашей планеты в совокупности, связанные между собой круговоротом вещества и энергии, составляют биосферу Земли – область распространения жизни.
Биогенетический уровень. Биогеоценоз – сложная динамическая система, представляющая собой совокупность биотических и абиотических элементов, связанных между собой обменом вещества, энергии и информации, в рамках которой может осуществляться круговорот веществ в природе. Это означает, что биогеоценоз – устойчивая система, которая может существовать на протяжении длительного времени. Термин «биогеоценоз» был предложен в 1940 году русским ботаником Владимиром Николаевичем Сукачевым (1880–1967), который обозначил так совокупность однородных природных явлений (атмосферы, горных пород, водных ресурсов, растительности, животного мира, почвы), распространенных на некотором протяжении земной поверхности, имеющих определенный тип обмена веществом и энергией между ними и окружающими элементами, представляющих противоречивое единство. Представляя собой единство живого и неживого, биогеоценоз находится в постоянном движении и развитии, поэтому меняется с течением времени. Биогеоценозы называют также экосистемами.
Равновесие в живой системе динамично, т.е. представляет собой постоянное движение вокруг определенной точки устойчивости. Для стабильного функционирования живой системы необходимо наличие обратных связей между ее управляющей и исполняющей подсистемами. Такой способ поддержания динамического равновесия называется гомеостазом. Нарушение динамического равновесия между различными элементами биогеоценоза, вызванное массовым размножением одних видов и сокращением или исчезновением других, приводящее к изменению качества окружающей среды, называют экологической катастрофой.
Биогеоценоз – это целостная саморегулирующаяся система. Выделяется несколько типов подсистем в них. Первичные системы – продуценты (производящие), непосредственно перерабатывающие неживую материю (водоросли, растения, микроорганизмы); консументы – вторичный уровень, на котором вещество и энергия образуются за счет использования продуцентов (травоядные животные); затем идут консументы второго порядка (хищники и т.д.). Также существуют падальщики (сапрофиты и сапрофаги), питающиеся мертвыми животными, и редуценты – это группа бактерий и грибов, разлагающие остатки органической материи. В результате этого в почву возвращаются минеральные вещества, что увеличивает ее плодородие и обеспечивает питание растений. Поэтому падальщики и редуценты – очень важная часть пищевых цепей.
Биогеоценозы являются структурными элементами следующего надорганизменного уровня жизни – биосферного.
Биосферный уровень. Это наивысший уровень организации жизни, охватывающий все явления жизни на нашей планете. На этом уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на Земле. Таким образом, биосфера является единой экологической системой. Изучение функционирования этой системы, ее строения и функций – важнейшая задача биологии на этом уровне жизни. Занимаются изучением этих проблем экология, биоценология и биогеохимия.
Сам термин «биосфера» появился в 1875 году. Он был введен австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831–1914) для обозначения самостоятельной сферы нашей планеты, в которой существует жизнь. Зюсс дал определение биосферы как совокупности организмов, ограниченной в пространстве и времени и обитающей на поверхности Земли. Но он не придавал значения среде обитания этих организмов.
Разработка учения о биосфере неразрывно связана с именем выдающегося российского ученого Владимира Ивановича Вернадского (1863–1945).
Именно Вернадскому удалось доказать связь органического мира нашей планеты, выступающего в виде единого нераздельного целого, с геологическими процессами на Земле, он открыл и изучил биогеохимические функции живого вещества.
Биосфера – это живое вещество планеты (совокупность всех живых организмов Земли) и преобразованная им среда обитания (косное вещество, абиотические элементы), в которую входят гидросфера, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры. Таким образом, это не биологическое, геологическое или географическое понятие, а фундаментальное понятие биогеохимии – новой науки, созданной Вернадским для изучения геохимических процессов, проходящих в биосфере при участии живых организмов. В новой науке биосферой стали называть один из основных структурных компонентов организованности нашей планеты и околоземного космического пространства. Это – сфера, в которой осуществляются биоэнергетические процессы и обмен веществ вследствие деятельности жизни.
Благодаря биогенной миграции атомов живое вещество выполняет свои геохимические функции. Современная наука классифицирует их по пяти категориям:
• концентрационная функция – выражается в накоплении определенных химических элементов как внутри живых организмов, так и благодаря их деятельности. Результатом этого стало появление запасов полезных ископаемых (известняки, нефть, газ, уголь и т. д.);
• транспортная функция – тесно связана с первой функцией, так как живые организмы переносят нужные им химические элементы, которые затем накапливаются в местах их обитания;
• энергетическая функция – обеспечивает потоки энергии, пронизывающие биосферу, что дает возможность осуществлять все биогеохимические функции живого вещества. Важнейшую роль в этом процессе играют растения с их механизмом фотосинтеза, который преобразует солнечную энергию в биогеохимическую энергию живого вещества биосферы. Эта энергия тратится на все грандиозные преобразования облика нашей планеты;
• деструктивная функция – функция разрушения и переработки органических останков, в ходе этого процесса накопленные организмами вещества возвращаются в природные циклы, происходит круговорот веществ в природе;
• средообразующая функция – преобразование окружающей среды под действием живого вещества. Мы можем смело утверждать, что весь современный облик Земли – состав атмосферы, гидросферы, верхнего слоя литосферы, большая часть полезных ископаемых, климат – является результатом действия Жизни.
Так, зеленые растения обеспечивают Землю кислородом и накапливают энергию, микроорганизмы участвуют в минерализации органических веществ, образовании ряда горных пород и в почвообразовании.
Задания
Задание 1. Составьте список наук, занимающихся изучением отдельных структурных уровней организации жизни в виде таблицы 1.
Таблица 1 – Науки, изучающие различные уровни организации жизни
| Структурные уровни организации жизни | Науки |
| Молекулярно-генетический | |
| Онтогенетический | |
| Популяционно-биоценотический | |
| Биосферный |
Задание 2. Составить схему-конспект материала, представленного в методическом указании в виде таблицы 1:
Таблица 2 – Уровни организации жизни
| Уровень организации жизни | молекулярно-генетический | клеточный | тканевый | органный | организменный | популяционно-видовой | биогеоценотический | биосферный |
| Элементарная единица уровня | ||||||||
| Элементарное явление уровня | ||||||||
| Биологическое значение уровня | ||||||||
| Наука, изучающая особенности уровня |
Задание 3. Приведите сравнительную характеристику прокариот и эукариот в виде таблицы 3.
Таблица 3 – Сравнительная характеристика прокариот и эукариот
| Признаки | Прокариоты | Эукариоты |
| Ядро | нет | есть |
| ДНК и т.д. | не окружены ядерной мембраной и не организованы в хромосомы | окружены ядерной мембраной и организованы в хромосомы |
Задание 4. Сравните клетки растений и животных. Отличия занести в таблицу 4.
Таблица 4 – Сравнительная характеристика растительной и животной клетки
| Признак | Клетки растений | Клетки животных |
| Способ питания и т.д. | автотрофы | гетеротрофы |
Задание 5. Выполните тестовое задание по теме работы:
1. Элементарная единица жизни на Земле: а) белок, б) клетка, в) аминокислота.
2. Внутреннее полужидкое содержимое клетки: а) лейкоплазма, б) хлороплазма; в) цитоплазма
3. Плотное образование внутри клетки: а) клеточный центр, б) клеточное ядро, в) хромосома.
4. Участок ДНК, в котором зашифрована структура какого-либо белка: а) ген, б) хромосома, в) хроматип.
5. Плотное округлое тельце взвешенное в ядерном соке: а) ядро, б) ядрышко, в) гамета.
6. Непостоянные клеточные структуры: а) клеточное ядро, б) клеточный центр, в) клеточные включения.
7. Совокупность всех реакций, протекающих в живой клетке: а) трансляция, б) метаболизм, в) ассимиляция.
8. Маленький пузырек, содержащий в себе большой набор ферментов, способных разрушать пищевые вещества. Формируется в клеточном центре Гольджи: а) хромосома, б) полисома, в) лизосома.
9. Энергетические органоиды клеток: а) пластиды, б) митохондрии, в) лизосомы.
10. Эти органоиды отсутствуют в животных клетках: а) пластиды, б) ядрышки, в) рибосомы.
11. Один из важных процессов, происходящих в клетке: а) хемосинтез, б) фотосинтез, в) фототропизм.
12. Что происходит в растительном организме в световую фазу фотосинтеза: а) образование глюкозы, б) образование углекислого газа, в) запас энергии.
13. Что происходит в пластидах в темновую фазу фотосинтеза: а) поглощение кислорода и выделение углекислого газа, б) поглощение углекислого газа и выделение кислорода; в) накопление лунной энергии.
14. Последовательность трех расположенных друг за другом нуклеотидов: а) триплет, б) дуплет, в) генетический код.
15. Основной способ деления клеток: а) мейоз, б) митоз, в) интерфаза.
Контрольные вопросы к лабораторной работе
1 Назовите основные структурные уровни организации жизни.
2 Каким химическим составом обладает любая живая клетка? Назовите функции, выполняемые различными группами веществ.
3 Какие существуют механизмы изменчивости на молекулярном уровне? В чем заключаются их отличия?
4 Назовите наименьшую самостоятельную единицу строения, функционирования и развития живого организма. Что она собой представляет?
5 Перечислите ученых, занимавшихся изучением элементарной единицы живого организма.
6 Назовите основные части клетки.
7 Опишите способы деления клеток.
8 На какие виды делятся организмы по типу питания?
9 Биогенетический закон: его автор и сущность.
10 Ткань, орган, система органов, организм – дайте определение и характеристику.
11 Что называют популяцией? Назовите свойства, которыми характеризуется популяция.
12 Дайте определение понятия «биоценоз». В каких отношениях находятся популяции составляющие биоценоз?
13 Кто является автором термина «биогеоценоз»? Дайте характеристику.
14 Какие подсистемы выделяют в биогеоценозе?
15 Биосфера: автор термина, автор учения, характеристика, границы.
16 Назовите геохимические функции живого вещества в биосфере.
Рекомендуемая литература
1 Грушевицкая, Т.Г. Концепции современного естествознания : учебное пособие / Т.Г. Грушевицкая, А.П. Садохин. - 4-е изд., перераб. и доп. - М. : Директ-Медиа, 2014. - 480 с. - ISBN 978-5-4458-3391-8 ; То же [Электронный ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=210672
2 Садохин, А.П. Концепции современного естествознания : учебник / А.П. Садохин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Юнити-Дана, 2015. - 447 с. : табл. - ISBN 978-5-238-01314-5 ; То же [Электронный ресурс]. - URL:http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=115397
Моделирование эволюции
Эволюционное моделирование - замена процесс моделирования сложного объекта моделированием его эволюции. Он направлен на применение механизмов естественной эволюции при синтезе сложных систем обработки информации. В своей теории происхождения видов Ч. Дарвин открыл и обосновал основной закон развития органического мира, охарактеризовав его взаимодействием трех следующих факторов:
1) наследственной изменчивости;
2) борьбы за существование;
3) естественного отбора.
Дарвиновская теория получила подтверждение и развитие в генетике и других науках. Одним из крупнейших эволюционистов, нашим соотечественником И. И. Шмальгаузеном были выдвинуты следующие необходимые и достаточные условия, определяющие неизбежность эволюции:
1) наследственная изменчивость, то есть мутации как предпосылка эволюции, ее материал;
2) борьба за существование как контролирующий и направляющий фактор;
3) естественный отбор как преобразующий фактор.
Понятие «эволюционное моделирование» сформировалось в работах Л. Фогеля, А. Оуэне, М. Уолша. В 1966 году вышла их совместная книга «Искусственный интеллект и эволюционное моделирование».
На лабораторном занятии предусмотрен просмотр видеофильма «Дикий мир будущего».
«Дикий мир бдущего» (англ. The Future is Wild) – научно-популярный фильм в трёх частях в жанре реконструкции.
Пользуясь сложнейшими расчётами, строго обоснованными прогнозами и богатейшими познаниями в биологии и геологии, ведущие учёные из США, Великобритании, Германии и Канады вместе с непревзойдёнными мастерами компьютерной анимации создали поразительный портрет нашей планеты и её впечатляющих обитателей спустя много веков после того, как её покинет последний человек
Фильм демонстрирует зрителю облик и повадки животных и растений, ныне не существующих, но при этом не воссоздаёт животных, существовавших ранее и дошедших до нас в виде останков, а переносит действие в далёкое будущее (5, 100 и 200 миллионов лет спустя), моделируя предполагаемые формы, которые могут произойти от современных, в условиях вполне предсказуемых изменений в ландшафте и климате Земли.
После просмотра фильма нужно выполнить предлагаемые задания и ответить на контрольные вопросы.
Задания
Задание 1.Установите соответствие животных с их характеристикой.
| Животное | Характеристика |
| Шаграты | потомки росомах. В пасти имеются длинные клыки, как у вымерших саблезубых кошачьих и звероящеров Горгонопсов. Покрыты густой белой шерстью. Сильно развит родительский инстинкт. Чуткое обоняние. Рост в холке – 60 см. |
| Снегозвери | полностью приспособившиеся к жизни в океане и занявшие нишу китообразных. На сушу вылезают только для откладки яиц. От хищников защищаются длинным крепким клювом, или выплёвывая в него отвратительно пахнущую полупереваренную еду. Длина тела – 4,3 м |
| Китовые олуши | потомки альпийских сурков. Питаются всеми растениями, которые могут найти. Пищу выкапывают из снега сильными передними лапами. Густая шерсть защищает животных от морозов. Рост в холке составляет 91 см. |
Контрольные вопросы
1 Как изменится климат на Земле через 5 млн. лет? Через 100 млн. лет? Через 200 млн. лет?
2 На основании чего снят просмотренный фильм?
3 С чем связано появление новых видов животных и насекомых?
4 Как по вашему мнению могла бы выглядеть Земля в присутствии человека?