Организм и среда Лекция 4 доцент к х

Организм и среда Лекция 4 доцент к. х. н. Подолина Е. А.

План лекции Уровни организации живых систем. Экологическая ниша. Основные среды жизни. Факторы среды. Адаптация. Мутация. Наследственность. Критерии вида. Факторы видообразования. Вымирание видов. Естественный отбор.

План практического занятия Биогеохимические циклы вещества и элементов

Уровни организации живых систем представляют собой некую упорядоченность, иерархическую систему, которая является одним из основных свойств живого.

Молекулярный уровень несет отдельные, хотя и существенные признаки жизни. Основу всех животных, растений и вирусов составляют 20 аминокислот и 4 одинаковых оснований, входящих в состав молекул нуклеиновых кислот. У всех организмов биологическая энергия запасается в виде богатой энергией аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Наследственная информация у всех заложена в молекулах дизоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), способной к саморепродукции. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК). Клеточный уровень – клетка является основной самостоятельно функционирующей элементарной биологической единицей, характерной для всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. Тканевый уровень – совокупность клеток с одинаковым типом организации составляет ткань. Тканевый уровень возник вместе с появлением многоклеточных животных и растений, имеющих различающиеся между собой ткани. Органный уровень – совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям, составляют органы. Всего лишь шесть основных тканей входят в состав органов всех животных и шесть основных тканей образуют органы у растений.

Организменный уровень – на организменном уровне обнаруживается чрезвычайно большое многообразие форм. Разнообразие организмов, относящихся к разным видам, а также в пределах одного вида, объясняется не разнообразием дискретных единиц низшего порядка (клеток, тканей, органов), а усложнением их комбинаций, обеспечивающих качественные особенности организмов. Популяционнно-видовой уровень – совокупность организмов одного вида, населяющих определенную территорию, составляет популяцию. Популяция — это недоорганизменная живая система, которая является элементарной единицей эволюционного процесса; в ней начинаются процессы видообразования. Биоценотический уровень – биогеоценозы – исторически сложившиеся устойчивые сообщества популяций различных видов, связанных между собой и окружающей средой обменом веществ, энергии и информации. Биосферный уровень – совокупность биогеоценозов составляют: биосферу и обуславливают все процессы, протекающие в ней. Структурные уровни материи в биологии отличаются не столько размерами или уровнями сложности, но главным образом, закономерностями функционирования.

Экологическая ниша Под экологической нишей понимают место организма в природе и весь образ его жизнедеятельности, или, как говорят, жизненный статус, включающий отношение к факторам среды, видам пищи, времени и способам питания, местам размножения, укрытий.

«Правило конкурентного исключения» : если два вида со сходными требованиями к среде (питанию, поведению, мес там размножения и т. п. ) вступают в конкурентные отношения, то один из них должен погибнуть, либо изменить свой образ жизни и занять новую экологическую нишу. С экологическими нишами в значительной мере связаны жизненные формы организмов к ним относят группы видов, часто систематически далеко отстоящие, но выработавшие одинаковые морфологические адаптации в результате существования в сходных условиях.

Основные среды жизни: водная, наземно-воздушная, почва и живые организмы как среда обитания.

• • Водная среда обитания образует важнейшие компоненты гидросферы Земли входят: Мировой океан, континентальные воды и подземные воды. К континентальным водам относятся реки, озера и ледники. Наземно воздушная среда обитания – самая сложная по экологическим условиям, у разных групп организмов оказался возможным благодаря появлению специфических адаптаций, в том числе, и ароморфного характера. Особенности наземно-воздушной среды обитания и приспособленность организмов к специфическим экологическим факторам: • недостаток воды часто является лимитирующим фактором для наземных организмов; • низкая теплоемкость и низкая теплопроводность воздуха приводит к значительным перепадам температуры: при изменении прямой освещенности, суточные перепады, сезонные перепады (сезонность характерна для умеренных и высоких широт); • низкая вязкость и низкая плотность воздуха позволяет приобретать разнообразную форму тела у животных; • поглощение света происходит за счет топических межвидовых взаимодействий, что приводит к появлению ярусности; • высокое содержание кислорода при низкой влажности воздуха приводит к появлению у животных разнообразных органов дыхания (трахеи, легкие); • неравномерное распределение элементов минерального питания сказывается, в первую очередь, на растениях, что приводит к мозаицизму.

Почва как среда обитания (литосфера, или педосфера). Почва, или педосфера – это рыхлый поверхностный слой суши, обладающий плодородием. Почва представляет собой трехфазную систему, в которой твердые частицы окружены воздухом и водой. В состав почвы входят разнообразные типы вещества: живое вещество (живые организмы), биогенное вещество (органические и неорганические вещества, происхождение которых связано с деятельностью живых организмов), косное вещество (горные породы). Особенности действия экологических факторов в почве: • достаточно высокое и стабильное содержание воды и разнообразных газов (промежуточное между водной и наземно-воздушной средой); • высокая концентрация органических и неорганических веществ; • стабильный температурный режим; • низкая освещенность (за исключением самых поверхностных слоев) – лимитирующий фактор для фотосинтезирующих организмов; • неоднородность почвы по вертикали и горизонтали создает условия для формирования множества экологических ниш. Организм как среда обитания. Любой организм (даже самый мелкий) представляет собой сложную систему, которая обеспечивает разнообразные условия обитания для других организмов. Если организмы одного вида используют организм другого вида как среду обитания, то между ними возникают разнообразные биотические взаимодействия. Совместное существование двух и более разноименных видов называется симбиоз (в широком смысле этого слова). В простейшем случае формируется двухкомпонентная система из двух организмов разных видов. В зависимости от типа взаимоотношений между симбионтами возможны частные типы симбиотических взаимодействий: комменсализм, паразитизм, мутуализм.

Факторы среды Организмы потребляют из окружающей среды необходимые вещества и выделяют в нее ненужные им – продукты обмена, которые, в свою очередь, могут быть использованы другими организмами.

Классификации экологических факторов: Абиотические факторы – это комплекс условий неорганической среды, влияющих на организмы. Рельеф и климат обусловливают большое разнообразие абиотических факторов. Биотические факторы – это совокупность влияний одних организмов на другие в процессе их жизнедеятельности (опыление растений, затенение верхними ярусами нижних, поедание одних особей другими).

Общие закономерности совместного действия факторов на организмы Понятие об оптимуме: каждый организм, каждая экосистема развивается при определенном сочетании факторов: влаги, света, тепла, наличия и состава питательных ресурсов. Все факторы действуют на организм одновременно.

Понятие о толерантности: Для разных видов растений и животных пределы условий, в которых они себя хорошо чувствуют неодинаковы. Свойство видов адаптироваться к условиям среды называется экологической пластичностью, а по амплитуде переносимых популяциями естественных колебаний фактора судят об экологической валентности вида.

Закон Либиха, или «закон минимума» , или закон ограничивающего фактора: в природе нет такого места, где бы на организм действовал один фактор. Все факторы действуют одновременно и совокупность этих действий называется констелляцией. При этом констелляция не является простой суммой влияния факторов, т. к. степень воздействия одних факторов на организмы и популяции зависит от степени воздействия других факторов.

• Правило предварения В. В. Алехина: одни и те же сообщества в одной зоне зональные, в других – экстразональные. • Принцип стациальной верности Г. Я. Бей-Биенко: стация – место обитания популяции вида, которому присущи экологические условия, соответствующие требованиям вида. Каждый вид имеет свой набор стаций. В пределах одной зоны и временного периода вид занимает одни стации. С переходом в другую зону или с переходом в другую возрастную стадию вид может менять стации. • Правило зональной смены ярусов М. С. Гилярова: в разных зонах одни и те же виды занимают и разные ярусы. При продвижении на север они закономерно из верхних ярусов перебираются в нижние, более теплые, а некоторые – и в почву.

Адаптация – предложение приспособления организма к внешним условиям в процессе эволюции, включая морфофизиологическу ю и поведенческую составляющие.

Мутация – это внезапно и случайно появляющиеся изменения в наследственной информации соматических клеток (соматическая мутация) или в зародышевых клетках, которые не являются следствием рекомбинации и которые наследуются. Изменения признаков, вызванные мутацией, могут быть рецессивными и у особей с диплоидным набором хромосом могут явно не проявляться, а также не иметь заметных последствий.

Факторы, вызывающие мутации называют мутагенами. Мутагены оказывают действие на весь организм, но действуют ненаправленно. К мутагенам можно отнести: радиоактивное и рентгеновское излучение; холодовой шок и высокие температуры; колхицин и никотин; азотистую кислоту; всевозможные газы, среди которых безусловно выделяется иприт.

Типология мутаций Генные мутации – изменения в наследственной информации отдельного гена, при такой мутации обменивается одно из нуклеотидных оснований в молекуле ДНК, в результате чего изменяется информационное содержание ДНК, нарушается считывание триплета – транслируемый участок цепи ДНК сдвигается и образуется укороченный полипептид или неактивный белок. Хромосомные мутации – изменения структуры хромосом, затрагивающие несколько генов. Возникают, как правило, из -за разрывов хромосом, которые приводят к перестройке структур хромосом. Геномные мутации – количественные изменения набора хромосом за счет утраты или умножения числа отдельных хромосом, а также в результате изменения целых наборов хромосом. Геномные мутации вызываются нарушениями в функционировании веретена деления.

Наследственность – свойство организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями. Наследственность реализуется в процессе наследования или воспроизведения в ряду поколений специфического характера обмена веществ и индивидуального развития в определенных условиях внешней среды. Проявление наследственности осуществляется в непрерывности живой материи при смене поколений. Поскольку организм развивается в результате взаимодействия генетических факторов и условий существования, наследственность может реализоваться в различных вариантах в зависимости от особенностей генотипа и внешних условий. У особей с разным генотипом наследственность может выражаться в одинаковом фенотипе у организмов с одинаковым генотипом – в разных фенотипах.

Благодаря наследственности стало возможным существование разнообразных групп организмов как относительно самостоятельных, целостных систем (популяции, виды), сохранение приспособленности к определенным условиям существования. Изучение закономерностей наследственности имеет важное значение для практики сельского хозяйства и медицины. Нередко наследственность определяют как процесс передачи наследственной информации. Такое понимание наследственности нельзя признать правильным, поскольку при этом отождествляются понятия «свойство» (наследственность) и «процесс» (наследование)

Критерии вида – это эволюционно устойчивые таксономические (диагностические) признаки, которые характерны для одного вида, но отсутствуют у других видов. Критерии вида делят на основные и дополнительные.

Основные критерии вида • Морфологический критерий вида. Основан на существовании морфологических признаков, характерных для одного вида, но отсутствующих у других видов. Виды двойники Близкие виды могут отличаться по малозаметным признакам. Существуют виды-двойники, настолько схожие, что использовать морфологический критерий для их разграничения очень трудно. • Географический критерий. Основан на том, что каждый вид занимает определенную территорию (или акваторию) – географический ареал. • Экологический критерий. Основан на том, что два вида не могут занимать одну экологическую нишу. Следовательно, каждый вид характеризуется своими собственными отношениями со средой обитания.

Дополнительные критерии вида Молекулярно генетический критерий основан на степени сходства и различия последовательностей нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Физиолого биохимический критерий основан на том, что разные виды могут различаться по аминокислотному составу белков. В то же время в пределах вида существует белковый полиморфизм (например, внутривидовая изменчивость многих ферментов), а разные виды могут иметь сходные белки. Цитогенетический (кариотипический) критерий основан на том, что каждый вид характеризуется определенным кариотипом – числом и формой метафазных хромосом. Репродуктивный критерий основан на том, что особи одного вида могут скрещиваться между собой с образованием плодовитого потомства, похожего на родителей, а особи разных видов, обитающих совместно, не скрещиваются между собой, или их потомство бесплодно. Этологический критерий. Связан с межвидовыми различиями в поведении у животных. Исторический (эволюционный) критерий. Этот критерий носит комплексный характер, поскольку включает сравнительный анализ современных ареалов видов (географический критерий), сравнительный анализ геномов (молекулярногенетический критерий), сравнительный анализ цитогеномов (цитогенетический критерий) и другие.

Факторы видообразования Видообразование — процесс возникновения одного или нескольких новых видов на основе существовавшего ранее.

Факторами видообразования являются: мутации и их комбинации, модификации, поток генов, дрейф генов, динамика численности популяций. Движущими силами видообразования являются борьба за существование и естественный отбор, которые через гибель части особей любой популяции способствуют сохранению определенных генофондов и их размножению. Образование новых видов возможно при возникновении препятствий, затрудняющих свободное скрещивание особей разных популяций или внутри популяции. Факторами видообразования являются изоляция и все элементарные факторы эволюции. Движущий силой видообразования являются борьба за существование и естественный отбор.

Формы изоляции Выделяют два основных типа изоляций: географическую и биологическую. Географическая изоляция связана с различными изменениями в ландшафте (возникновение горных хребтов, водных барьеров, лесных массивов и т. п. ). Географическая изоляция может иметь место и в тех случаях, когда вид занимает достаточно обширный ареал и особи разных популяций в силу большого расстояния между ними не могут встречаться и скрещиваться. Биологическая, или репродуктивная, изоляция, определяется всевозможными различиями индивидуумов внутри вида, предупреждающими скрещивание между особями. Выделяют 3 основные формы биологической изоляции: экологическую, морфофизиологическую и генетическую. Экологическая изоляция наблюдается, когда потенциальные партнеры по спариванию не встречаются. Это может быть в тех случаях, когда особи одной популяции имеют разные местообитания в пределах одной и той же территории либо когда половое созревание у потенциальных партнеров по спариванию наступает не одновременно. Морфофизиологическая изоляция обусловлена особенностями строения и функционирования органов размножения, когда изменяется не вероятность встреч , а вероятность скрещивания. Скрещиванию препятствуют размеры особей, несоответствие в строении копулятивных аппаратов, гибель половых клеток и т. п. Генетическая изоляция наступает тогда, когда скрещивающиеся пары имеют существенные генетические различия, в результате чего снижается жизнеспособность зигот и зародышей.

Вымирание видов Вымирающие виды являются живыми формами жизни, подверженными угрозе вымирания, из-за того, что они имеют критически малую численность или на них воздействуют определенные факторы окружающей среды. Проблемы вымирания – четыре причины, которые заставляют беспокоиться о вымирании: нарушение стабильности экосистем; пропадание видов как живых сущностей; утеря незаменимых генетических материалов; другие виды подвержены вымиранию.

Пропадание видов это важнейший фактор, так как это и уменьшение природного богатства, и моральная проблема. Нарушение стабильности экосистем, которая хорошо понятна при исчезновении звена цепи питания биологических видов из экосистемы. При исчезновении одного вида, часто происходит изменение численности и остальных видов. Бывает так, что экосистема изменяется довольно сильно и необратимо. Причина утери незаменимых генетических материалов является и наиболее важным пунктом для человечества. У каждой разновидности уникальный генетический материал ДНК, который образует уникальные биохимические соединения, следуя генетическим инструкциям, которые заложены в них. Хотя вымирание бывает также естественным отбором природы, например большое вымирание различных видов в периоде голоцена, однако период вымирания современности – уникален. Во время вхождения в контакт с остальными экосистемами, которым прежде не доводилось испытывать человеческое присутствие, они нарушали экологический баланс, охотились и разрушали среду обитания, разносили болезни. Период от сотни тысяч лет до десятка тысяч лет назад назван «первой фазой» VI периода вымирания. Вторая фаза данного периода началась около 10 тысяч лет назад, когда появилось сельское хозяйство. Люди обладают возможностью жить в разных экосистемах, они свободны от ограничений по численности популяции, и этим они перенаселяют экосистемы, создавая для них огромное напряжение, тем самым производя разрушительное воздействие на нужные факторы для еще больших приростов населения.

Самая всесторонняя справочная система в вопросах охранных статусов видов это Красная книга МСОП. Она учитывает индивидуальные особенности, характерные для каждого отдельного вида, идет распределение видов на девять категорий: Extinct, EX (Исчезнувшие) Extinct in the Wild, EW (Исчезнувшие в природе) Critically Endangered, CR (Находятся под критической угрозой) Endangered, EN (Находятся под угрозой) Vulnerable, VU (Уязвимые) Near Threatened, NT (Близкие к угрозе вымирания) Least Concern, LC (Находятся под небольшой угрозой) Data Deficient, DD (Сведения недостаточны) Not Evaluated, NE (Неисследованные) К спискам пропавших видов относятся и те, которые пропали после 1500 года.

Естественный отбор – это дифференциальное выживание и размножение особей, которые отличаются друг от друга генетически детерминированными признаками.

Естественный отбор происходит автоматически – эффективность естественного отбора зависит от его интенсивности и запаса наследственной изменчивости, накопленного в популяции. Важнейшим свойством естественного отбора является его способность накапливать и совмещать полезные аллели. Отбор действует в каждом поколении, и в каждом поколении он начинается с того состояния популяции, в которое она была приведена в результате предыдущего цикла отбора.

Способностью отбора накапливать и совмещать полезные аллели, и удалять вредные, обусловлена и постепенность эволюции, и возникновение изумительно сложных органов, форм и функций. Самые сложные приспособления в строении, функциях и поведении живых организмов сформировались постепенно путем систематического отбора случайно возникающих мутаций. Объектами отбора всегда являются отдельные особи, а не популяции и не виды. Ни одно приспособление, сколь угодно полезное для вида, не сможет быть подхвачено естественным отбором и распространиться в популяции, если оно вредно для конкретных особей.