Первая группа – процессы, направленные на обеспечение жизнедеятельности организма и поддерживание равновесия с окружающей средой. К этой группе относятся такие процессы, как пищеварение, дыхание, фотосинтез, клеточный метаболизм (обмен веществ). Большинство биохимических процессов первой группы катализируются (ускоряются) особыми белковыми веществами – ферментами. Причем каждый процесс контролируется особым ферментом. Кроме ферментов важную роль в биохимических процессах на уровне организма играют витамины – вещества, необходимые для нормального обмена веществ, и гормоны – особые химические вещества, осуществляющие общую координацию основных физиологических функций в сложных или изменяющихся условиях среды. В процессе адаптации изменяются определенные функции или составные части организма, что ведет к изменению всего организма в целом.
Различают поведенческие и физиологические адаптации. Поведенческие адаптации – это изменение поведенческих характе-
ристик организма; к этому типу относятся такие способы адаптаций, как перелеты птиц, зимние спячки у многих животных и т. д.
Физиологические адаптации сопровождаются изменением строения внутренних органов организма.
Морфологические адаптации – это приспособление организма к среде при помощи изменения строения тела.
Процессы, происходящие в организме, контролируются генами – веществами, ответственными за передачу наследственной информации. В процессе адаптации может происходить изменение генов, при этом приобретенные новые свойства передаются следующим поколениям. Совокупность генов данного вида организмов образует генофонд. Способность организмов адаптироваться к неблагоприятным воздействиям среды называется экологической валентностью, или пластичностью. Нарушение
вгенах приводит к изменению генофонда. При этом нарушается нормальная передача генетической информации – происходит мутация организма. В настоящее время частыми причинами мутаций являются загрязнение окружающей среды, воздействие коротковолнового излучения и др. Очень часто мутация приводит к изменению биохимических реакций
ворганизме и к нарушению нормального обмена веществ.
Наследственная информация, заложенная в генах, определяет путь развития организма. Индивидуальное развитие организма от его зарождения до смерти носит название онтогенез. Этот термин введен в
1866 г. Э.Геккелем для обозначения жизненного цикла организма. Этот же ученый сформулировал следующий биогенетический закон: онтогенез всякого организма представляет собой краткое повторение эволюции данного вида. Таким образом, существует взаимосвязь между развитием
одного организма и развитием (эволюции) всей живой природы Земли. Продолжительность онтогенеза сильно различается у разных видов живых организмов.
Онтогенез растений больше зависит от условий среды, чем онтогенез животных.
1.6. Систематика растений и животных
На Земле обитает большое количество живых организмов, сильно различающихся своим строением и функциями. Единицей классификации для организмов служит вид – совокупность сходных организмов, обладающих одинаковым строением и функциями, способных скрещиваться и давать плодовитое потомство. Мир живых организмов насчитывает по различным оценкам от 1,5 до 8 млн видов. По принятой системе классификации сходные виды группируются в более высокую единицу – род, роды объединяются в семейства, семейства – в отряды (у животных) или порядки (у растений), отряды и порядки – в классы, а классы – в типы. Высшими единицами классификации являются подцарства, царства, надцарства и империи.
Иногда для удобства в видах выделяют еще подвиды, типы делят на подтипы, классы – на подклассы, но основная схема остается неизменной.
Все живые организмы Земли можно разделить на две группы, сильно различающиеся между собой. Это две империи – доклеточные и клеточные организмы. Империя доклеточных, то есть организмов, не имеющих в своем составе живой клетки, состоит из единственного царства – вирусов. По современным представлениям, вирус – это субмикроскопические объекты, способные проникать внутрь живых клеток и воспроизводиться только в этих клетках. Вирусная частица состоит из одной или нескольких молекул ДНК (носителей наследственной информации) и белковой оболочки. Вирусы очень разнообразны по размерам и форме.
К вирусным заболеваниям человека относятся оспа, корь, краснуха, гепатит, ряд респираторных заболеваний и др. Империя клеточных гораздо более разнообразна и делится на два надцарства: прокариотов – доядерных, не имеющих ядра в живой клетке, и эукариотов – организмов, клетки которых содержат ядро.
Прокариоты являются древнейшими организмами, обитающими на Земле. Они существовали уже около миллиарда лет назад. Их надцарство включает только одно царство – дробянок, состоящее из двух подцарств – бактерий и сине-зеленых водорослей.
Эукариоты появились на Земле позднее, но отличаются большим разнообразием видов. Их надцарство включает в себя три царства:
животных, растений и грибов. Каждое из этих царств состоит из нескольких подцарств.
Бактерии являются самыми распространенными организмами на Земле. Размеры бактерий составляют от 0,2 до 100 мкм. Клетки бактерий не имеют оформленного ядра, а вместо него содержат эквивалент ядра – нуклеоид, лишенный оболочки и состоящий из одной хромосомы.
Бактерии получают энергию за счет биологического окисления (хемосинтез) или от солнечного излучения (фотосинтез). По разнообразию форм и строению бактерии превосходят все остальные живые организмы. Они могут иметь разную форму: палочкообразную (бациллы), шаровидную (кокки), спиралевидную, реже встречаются звездноили кольцеобразные и другие формы. Существуют бактерии неподвижные и подвижные, передвигающиеся при помощи жгутиков.
Больше всего бактерий в почве – до 2 млрд на 1 г почвы. В литосфере бактерии проникают ниже почвенного слоя на глубину до нескольких километров, обуславливая нижнюю границу биосферы.
Многие бактерии могут существовать в экстремальных условиях, в которых другие живые организмы не выживают – в глубоком вакууме, при температуре +300 С, в растворах кислот.
Бактерии играют важную роль в природных процессах. Они принимают активное участие в круговоротах важных элементов: азота, серы, железа, фосфора, кальция и кремния. Именно жизнедеятельность бактерий обуславливает газовый состав атмосферы. Бактерии минерализуют остатки органического вещества, образуя необходимые для растений питательные компоненты.
Сине-зеленые водоросли по строению сходны с бактериями, они обитают преимущественно в верхних слоях гидросферы.
Среди эукариотов самыми распространенными являются растения – на Земле их насчитывается несколько сотен тысяч таких видов. Растительный покров Земли является важным элементом биосферы. Растения способны синтезировать органические вещества из неорганических компонентов под воздействием энергии Солнца. Поэтому именно растения обеспечивают пищей все остальные живые организмы.
Животные неспособны создавать необходимые им органические компоненты непосредственно из неорганического вещества. Поэтому животные питаются готовыми органическими веществами, синтезированными растениями или полученными от других животных. Наибольшее разнообразие форм среди животных имеют насекомые.
Грибы – это низшие живые организмы. Раньше их относили к растениям, но по современным представлениям грибы являются своеобразной формой жизни, которую нельзя однозначно отнести к другим формам. Клетки грибов лишены хлорофилла, в отличие от клеток
растений. Поэтому грибы не могут самостоятельно синтезировать органическое вещество из неорганического. По способу питания все грибы подразделяются на паразитов, сапрофитов и симбионтов.
Грибы-паразиты паразитируют на растениях, небольшая их часть – на животных. Питаются они за счет органического вещества организма хозяина.
Грибы-сапрофиты питаются гниющими остатками растений. К ним относятся 2/3 всех видов грибов.
Грибы-симбионты помогают растениям усваивать вещества почвы, активизируют ферменты многих высших растений, связывают свободный азот. Эти грибы находятся в состоянии симбиоза (тесного взаимодействия, приносящего взаимную пользу) со многими растениями и некоторыми животными.
Наряду с бактериями грибы играют важную роль в круговоротах многих элементов, разлагая органические вещества до неорганических (минеральных) компонентов.
Территория, в пределах которой находится популяция, называется стация (от лат. – «место пребывания»). Стация может быть постоянной или использоваться данной популяцией на ограниченное время (сезонные стадии) или для определенных целей (стации ночевок, размножения).
С точки зрения экологии популяция представляет собой не просто сумму особей, а сложную систему организмов, способную к самореализации и взаимодействующую с окружающей средой по специальным законам.
Основными характеристиками популяции являются численность, плотность и динамика изменения численности.
Численность – это количество особей в данной популяции. Численность является основной характеристикой, однако абсолютное значение численности популяции в пределах стадии чаще всего подсчитать трудно, поэтому широко используется другая характеристика – плотность.
Плотность – это среднее число особей, приходящееся на условно выбранную единицу пространства (на 1 м2, 1 га) площади земной поверхности. Плотность популяции определить гораздо проще, чем численность.
Сравнение показателей плотности двух популяций одного вида, обитающих в различных условиях, показывает, какие условия для данного вида предпочтительнее. Численность и плотность популяций не остаются неизменными, а колеблются в определенных пределах. Во всех живых организмах заложена способность размножаться беспредельно, неограниченно увеличивая рост численности популяции. Однако на практике этого никогда не происходит, так как рост популяции ограничен
количеством ресурсов среды, а также воздействием неблагоприятных условий.
Каждая стадия (место обитания) имеет ограниченный набор ресурсов, сумма которых определяется емкостью среды. При значительном увеличении плотности популяции сверх оптимальных пределов происходит превышение емкости и резкое истощение ресурсов, губительное для данной популяции.
Важной характеристикой популяции является динамика изменения численности популяции на определенной стадии. Она определена соотношением между рождаемостью и смертностью, между выселением и вселением особей из соседних популяций.
В благоприятных условиях происходит рост численности популяции до определенных пределов, определяемых емкостью среды. Постепенно по мере истощения ресурсов прирост популяций уравновешивается потерями особей за счет смертности и миграции. Поэтому на кривой изменения численности популяции во времени имеются точки максимума. Такая кривая роста численности характерна для популяций всех видов от микроорганизмов до человека. Точка максимума зависит не только от емкости среды, но и от плотности самой популяции. Эта зависимость сформировалась под воздействием естественного отбора и действует поразному у различных видов. Так, у растений при увеличении плотности популяции усиливается конкурентная борьба и происходит самоизреживание – погибают более слабые ростки.
У животных при увеличении плотности усиливается миграция на другие территории с образованием новых популяций. Многие виды, обитающие в стесненных условиях, могут тормозить рост популяции продуктами обмена веществ, выделяемыми в окружающую среду. У других видов при превышении определенной плотности происходит задержка размножения. У некоторых организмов (однолетние растения, некоторые мелкие рыбы, например гупии) плотность популяций может достигать значительных величин за счет уменьшенных размеров особей. В этих случаях чем выше плотность популяций, тем меньше размер входящих в нее особей и соответственно меньше количество потребляемых ими ресурсов.
Динамика колебания численности популяций во времени может носить периодический и непериодический характер.
Периодические колебания численности бывают сезонными (у многих насекомых) и с периодом в несколько лет (у млекопитающих). В устойчивых экосистемах колебания чаще всего имеют периодический характер, обусловленный периодическими изменениями условий среды или особенностями самих организмов.