Организм и среда

Цель лекции: объяснить уровни организации живых организмов, дать понятие о средах жизни и среде обитания. Ознакомить различными адаптационными возможностями организмов к среде обитания.

План лекции:

1. Уровни организации живых организмов

2. Потенциальные возможности размножения организмов

3. Основные среды жизни. Понятие о среде обитания

4. Пути приспособления организмов к среде

Основные понятия по теме: уровни организации: тканевый, молекулярный, клеточный, организменный, популяция, биоценоз, биосфера, нектон, планктон, бентос, геофильтратор, геофилы, геоксены, микробиота, мезобиота, макробиота.

В экологии организм рассматривается как целостная система, взаимодействующая с внешней средой, как абиотической, так и биотической.

Выделяют главные уровни организации жизни - ген, клетка, орган, организм, популяция, биоценоз, экосистема, биосфера.

Молекулярный -самый низкий уровень, в котором биологическая система проявляется в виде функционирования биологически активных крупных молекул – белков, нуклеиновых кислот, углеводов; клеточный – уровень, на котором биологически активные молекулы сочетаются в единую систему. В отношении клеточной организации все организации подразделяются на одноклеточные и многоклеточные; тканевый – уровень, на котором сочетание однородных клеток образует ткань; органный – уровень, на котором несколько типов тканей функционально взаимодействует и образуют определенный орган; организменный – уровень, на котором взаимодействие ряда органов сводится в единую систему индивидуального организма; популяционной – видовой, где существует совокупность определенных однородных организмов, связанных единством происхождения, образом жизни и местам обитания; биоценоз и экосистема – более высокий уровень организации живой материи, объединяющий разные по видовому составу организмы; биосферный – уровень, на котором сформировалась природная система наиболее высокого, охватывающая все проявления жизни в пределах нашей планеты. На этом уровне происходят все круговороты вещества в глобальном масштабе связанные с жизнедеятельностью организмов (см. рис 1).

Из всех вышеуказанных уровней организации жизни объектом исследования экологии является только лишь надорганизменные компоненты данной структуры, начиная с организмов включая биосферу.

Окружающий нас мир состоит из организмов. Любой организм смертен и рано или поздно погибает, а жизнь на Земле продолжается и процветает уже около 4 млрд. лет.

Рис.1 Уровни организации живых организмов

Живые организмы постоянно воспроизводят себя в веренице поколений, что не свойственно телам неживой природы. Именно способность к размножению позволяет видам существовать в природе очень долго, несмотря на то, что каждая особь живет ограниченное время. Способность к самовоспроизведению – главное свойство жизни. Даже самый медленно размножающийся вид способен в короткое время произвести столько особей, что для них не хватит места на земном шаре. Например, всего за пять поколений, т.е. за один – полтора летних месяца, одна единственная тля может оставить более 300 млн. потомков. Если дать видам размножаться свободно, без ограничений, численность любого из них росла бы в геометрической прогрессии, несмотря на то, что одни производят за всю жизнь всего несколько яиц или детенышей, а другие – тысячи и даже миллионы зародышей, которые могут вырасти во взрослые организмы. Фактически во всех живых организмах заложена способность размножаться беспредельно. Однако не один вид не в состоянии реализовать до конца ту безграничную способность к размножению, которой он обладает. Главный ограничитель к беспредельному размножению организмов – нехватка ресурсов, самых необходимых: для растений – минеральных солей, углекислого газа, воды, света; для животных – пищи, воды; для микроорганизмов – разнообразных потребляемых ими соединений. Запасы этих ресурсов не бесконечны, и этим сдерживается размножение видов. Второй ограничитель – влияние различных неблагоприятных условий, замедляющих рост и размножение организмов. Например, рост и вызревание растений сильно зависят от погоды, в частности от изменения температуры и т.д. В природе происходит также огромный отсев, гибель уже произведенных на свет зародышей или подрастающих молодых особей. Например, тысячи желудей, которые ежегодно производит один большой дуб, оказывается съеденными белками, кабанами и т.п., или поражаются грибками и бактериями, или гибнут на стадии проростков по разным причинам. В результате лишь из считанных желудей вырастают взрослые деревья. Подмечена одна важная закономерность: высокой плодовитостью отличаются именно те виды, у которых очень велика гибель особей в природе. Таким образом, высокая плодовитость не всегда приводит к высокой численности вида. Выживание, рост и размножение, численность организмов является результатом их сложных взаимодействий со средой обитания.

Среда каждого организма слагается из множества элементов неорганической и органической природы и элементов, привносимых человеком в результате его хозяйственной деятельности. К окружающей среде относится вся природная среда (возникшая на Земле вне зависимости от человека) и техногенная среда (созданная человеком). Понятие окружающая среда было введено биологом Я. Юкскюлем, который считал, что живые существа и среды их обитания взаимосвязаны между собой и образуют вместе единую систему - окружающую нас действительность. В процессе приспособления к окружающей среде организм, взаимодействуя с ней, отдает и принимает различные вещества, энергию, информацию. Окружающая среда – это все, что окружает организм и прямо или косвенно влияет на его состояние и функционирование. Среда, обеспечивающая возможность жизни организмов на Земле, очень разнообразна.

На нашей планете можно выделить четыре качественно отличные среды жизни: водную, наземно–воздушную, почвенную и живые организмы. Сами среды жизни также очень разнообразны. Например, вода как среда жизни может быть морской или пресной, текучей или стоячей. В этом случае говорят о среде обитания. Например, озеро является средой обитания в водной среде. Организмы обитающие в водной среде – гидробионты по месту обитания подразделяются: на нектон, планктон и бентос. Нектон – это совокупность плавающих, свободно перемещающихся организмов. Они способны преодолевать большие расстояния и сильные течения (киты, рыбы, и др). Планктон –это совокупность плавающих организмов, которые перемещаются главным образом с помощью течений, не способны к быстрым перемещениям (водоросли, простейшие, ракообразные). Бентос –совокупность организмов, обитающих на дне водоемов медленно передвигающиеся или прикрепленные (водоросли, актиния и т.д.) В свою очередь, в средах обитания различают местообитания. Так, в водной среде жизни, в среде обитания –озере, можно выделить местообитания: в толще воды, на дне, у поверхности и т.д. В водной среде обитают около 150 000 видов. Основные абиотические факторы водной среды: температура воды, плотность и вязкость воды, прозрачность воды, соленость воды, световой режим, кислород, кислотность воды. Водные организмы обладают меньшей экологической пластичностью, чем наземные, так как вода –более стабильная среда, и факторы ее претерпевают сравнительно незначительные колебания. Одной из особенностей водной среды является наличие в ней большого количества мелких частиц органического вещества – детрита, образующегося за счет отмирающихся растений и животных. Детрит для многих водных организмов представляет собой высококачественную пищу, поэтому некоторые из них, так называемые биофильтраторы, приспособлены добывать его с помощью специальных микропористых структур, процеживая воду и задерживая взвешенные в ней частицы. Такой способ питания называется фильтрацией: к биофильтраторам относятся двустворчатые моллюски, сидячие иглокожие, асцидии, планктонные ракообразные и другие. Животные – биофильтраторы играют большую роль в биологической очистке водоемов.

Организмы обитающие на поверхности Земли, окружены газообразной средой, характеризующейся низкой влажностью, плотностью и давлением, а также высоким содержанием кислорода. Действующие в наземно-воздушной среде экологические факторы отличаются рядом специфических особенностей: по сравнению с другими средами свет здесь действует интенсивнее, температура претерпевает более сильные колебания, влажность значительно изменяется в зависимости от географического положения, сезона и времени суток. Воздействие почти всех перечисленных факторов тесно связано с движением воздушных масс – ветрами. У организмов – обитателей наземно-воздушной среды в процессе эволюции выработались специфические анатома – морфологические, физиологические, поведенческие и другие адаптации. У них появились органы, обеспечивающие непосредственное усвоение атмосферного воздуха; сильное развитие получили скелетные образования, поддерживающие тело в условиях незначительной плотности среды; вырабатывались сложных приспособления для защиты от неблагоприятных факторов; установилась более тесная связь с почвой; выработалась большая подвижность животных в поисках пищи; появились летающие животные и переносимые воздушными течениями плоды, семена, пыльца растений. Для наземно-воздушной среды характерна четко выраженная зональность; различают широтные и меридиональные, или долготные природные зоны. Первые тянутся с западе на восток, вторые с севера на юг.

Почва как среда жизни обладает своеобразными биологическими особенностями, поскольку тесно связана с жизнедеятельностью организмов. Почвенные организмы по степени связи со средой обитания разделяются на три основные группы:

- геобионты – постоянные обитатели почвы, весь цикл их развития протекает в почве (дождевые черви);

- геофилы – животные, часть цикла развития которых проходит в почве. К ним относятся большинство насекомых: саранчовые, комары, долгоножки, жуки и т.д.;

- геоксены – животные, иногда посещающие почву для временного укрытия или убежища (таракановые, грызуны, млекопитающие, живущие в норах).

По размерам и степени подвижности почвенные обитатели делятся на группы:

- микробиота – почвенные микроорганизмы, составляющие основное звено детритной пищевой цепи (зеленые и сине-зеленые водоросли, бактерии, грибы, простейшие);

- мезобиота – сравнительно мелкие подвижные животные насекомые, дождевые черви и другие животные вплоть до роющих позвоночных;

- макробиота – крупные относительно подвижные насекомые, дождевые черви и другие животные (роющие позвоночные).

Верхние слои почвы содержат массу корней растений. В процессе роста, отмирания и разложения они разрыхляют почву, создавая определенную структуру, а вместе с тем и условия для жизни других организмов. Количество организмов в почве огромно, однако в связи со сглаженностью экологических условий все они отличаются «выравненностью группового состава», кроме того, для них характерна повторяемость в различных климатических зонах.

Для животных и растений, ведущих паразитический образ жизни, организм, на котором или в котором они поселяются (хозяин), является специфической средой обитания, т.е. организм хозяина для паразита является средой обитания. Многие паразиты почти полностью утратили связь с внешним миром – все стадии их развития проходят в организме хозяев. Между паразитами и хозяевами в процессе эволюции возникли сложные взаимоотношения. Выделяют три пути возникновения паразитизма: «квартирантство» – когда более мелкий организм поселяется в жилище более крупного или с близи него и со временем переходит на тело хозяина, а затем и внутрь, переключаясь на питание за счет его пищи или соков и тем самым причиняя ему вред. Так квартирант превращается в паразита; «хищничество» – если хищник нападает на крупную добычу, которую не может уничтожить и съесть сразу, он прикрепляется к ней и постоянно питается тканями или соками ее тела. При определенных условиях такой хищник проникает внутрь тела хозяина и превращается в паразита. Случайное проникновение – крупные животные могут заглатывать с пищей мелкие организмы: некоторые из них не погибают, а приспосабливаясь к новым условиям, превращаются в паразитов. Все паразиты делятся на две группы: эктопаразиты – наружные паразиты, обитающие на поверхности тела хозяина (клещи, пиявки, блохи) и эндопаразиты – внутренние паразиты, живущие внутри тела хозяина (большинство гельминтов, вирусов, бактерий, паразитические простейшие). У животных и у растений, ведущих паразитический образ жизни, выработались многочисленные приспособления к паразитированию в виде анатомо – морфологических и физиологических особенностей. При ухудшении условий среды многие виды способны приостанавливать свою жизнедеятельность и переходить в состояние скрытой жизни. Такое состояние мнимой смерти было названо анабиозом – (ана- нет, биос - жизнь). Глубокий анабиоз – это полная остановка обмена веществ. В отличие от смерти организмы могут при этом возвращаться к активной жизни. Состояние анабиоза возможно лишь при полном обезвоживании организмов. При этом важно, чтобы потеря воды клетками тела не сопровождалась нарушением внутриклеточных структур. Большинство видов к этому не способны. Однако замедление жизнедеятельности в неблагоприятных условиях – явление широко распространенное. Состояние организмов, близкое к анабиозу, называют скрытой жизнью. К явлениям скрытой жизни относятся оцепенение насекомых, зимний покой растений, спячка позвоночных животных, сохранение семян и спор в почве, а мелких обитателей – в пересыхающих водоемах. Скрытая жизнь – очень важное экологическое приспособление. Это способ переживать неблагоприятные изменения среды обитания. При восстановлении необходимых условий организмы вновь переходят к активной жизни. Переходя в состояние оцепенения или покоя, растения и животные как бы подчиняются воздействиям среды, экономя при этом затраты на свое существование.

Другой, прямо противоположенный способ выживания организмов связан с поддержанием постоянства внутренней среды, несмотря на колебания воздействий внешних факторов. Например, птицы и млекопитающие – поддерживают внутри себя постоянную температуру, оптимальную для биохимических процессов в клетках тела. Многие растения способны переносить сильные засухи и расти даже в жарких пустынях. Такое сопротивление влиянию внешней среды требует больших затрат энергии и специальных приспособлений во внешнем и внутреннем строении организмов.

Кроме подчинения и сопротивления воздействию внешней среды, возможен и третий способ выживания – избегание неблагоприятных условий и активный поиск других, более благоприятных местообитаний. Этот путь приспособлений доступен только подвижным животным, которые могут перемещаться в пространстве.

Все три способа выживания могут сочетаться у представителей одного и того же вида. Например, растения не могут поддерживать постоянную температуру тела, но многие из них способны регулировать водный обмен. Холоднокровные животные подчиняются неблагоприятным факторам, но могут и избегать их воздействия.

Таким образом главные способы выживания организмов при ухудшении условий – либо временный переход в неактивное состояние, либо сохранение активности при дополнительных затратах энергии, либо избегание неблагоприятного фактора и перемена мест обитания. Каждый вид осуществляет эти способы по-своему.

Выводы

Таким образом, выделяют основные уровни организации живых систем от молекулярного до биосферного, где каждый уровень характеризуется определенной совокупностью свойств и экология изучает начиная с организменного уровня. Живым организмам присуще свойство – способность к самовоспроизведению, а также приспособляемость к условиям окружающей среды. Среда каждого организма слагается из множества элементов неорганической и органической природы.

Контрольные вопросы

1. Какие уровни биологической организации являются объектами изучения экологии?

2. Что такое среда обитания и какие среды заселены организмами?

3. Почему следует говорить о зависимости живых существ не только от окружающей среды, но и об их влиянии на нее?

4. Что способствует выживанию вида?

5. Перечислите основные среды обитания?

6. Почему некоторые организмы впадают в состояние анабиоза? В чем экологический смысл этого процесса?