6 биология-2

1

Коэволюция — совместная эволюция видов, взаимодействующих в экосистеме. Изменения, затрагивающие какие-либо признаки особей одного вида, приводят к изменениям у другого или других видов.

1. Симбиоз (от греч. - «совместно» и - «жизнь») — это тесное и продолжительное сосуществование представителей разных биологических видов.

Паразитизм (от др.-греч. - «нахлебник») — один из видов сосуществования организмов. Это явление, при котором два и более организма, не связанные между собой филогенетически, генетически разнородны, сосуществуют в течение продолжительного периода времени, при этом они находятся в антагонистических отношениях.

Паразит использует хозяина как источник питания, среду обитания (комар является непостоянным паразитом, в этом случае взаимодействие между организмами носит эпизодический характер, самки комаров потребляют кровь хозяина).

2

Рыба-клоун и морской анемон — организмы, сосуществующие в мутуалистическом

симбиозе.

Мутуализм — взаимовыгодные отношения между организмами. В этом случае эффективность взаимодействия организмов важна для

выживания особей обоих видов.

Одним из ярких случаев коэволюции видов при мутуализме является совместная эволюция некоторых цветковых растений и их

опылителей. Цветок этих растений устроен таким образом, что нектар из него может достать только определённый вид насекомых или птиц

колибри.

3

Примером коэволюции является - взаимодействие в системе «хищник-жертва».

Хищничество — трофические отношения между организмами, при которых один из них (хищник) атакует другого (жертву) и питается частями его тела, то есть обычно присутствует акт умертвления жертвы.

Связь хищника и жертвыРазмер популяции хищников влияет на размер популяции их жертв и

наоборот; динамика популяций описывается математической моделью Лотки-Вольтерра, однако данная модель является высокой степенью абстракции, и не описывает реальные взаимосвязи между хищником и жертвой, и может рассматриваться только как первая степень приближения математической абстракции.

В процессе совместной эволюции хищники и жертвы приспосабливаются друг к другу. У хищников появляются и развиваются средства обнаружения и атаки, а у жертв — средства скрытности и защиты. Поэтому наибольший вред жертвам могут нанести новые для них хищники, с которыми те не вступали ещё в «гонку вооружений».

Хищники могут специализироваться на одном–нескольких видах для добычи, это делает их в среднем более успешными в охоте, но повышает зависимость от данных видов. Длительное совместное существование хищников и жертв приводит к формированию системы взаимодействия, при которой обе группы устойчиво сохраняются на изучаемой территории. Нарушение такой системы часто приводит к отрицательным экологическим последствиям.

4

Негативное влияние нарушения коэволюционных связей наблюдается при интродукции видов.

В частности, козы и кролики, интродуцированные в Австралии, не имеют на этом материке эффективных механизмов регуляции численности, что приводит к разрушению природных экосистем.

Следует отметить, что так как экосистемы формируют сеть межвидового взаимодействия, то все виды, входящие в экосистему, должны коэволюционировать.

5

Развитие экосистем

Основанием всей системы современной эволюционной биологии выступает синтетическая теория эволюции.

Элементарной клеточкой синтетической теории эволюции является популяция - совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений. (Элементарной единицей наследственности выступает ген).

Наследственное изменение популяции в каком-либо определенном направлении осуществляется под воздействием таких эволюционных факторов, как мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор.

В синтетической теории эволюции на первый план выступает не онтогенез - совокупность преобразований, происходящих в организме от зарождения до конца жизни, т.е. индивидуальное развитие организма, а развитие популяций.

6

Биогеоценоз хвойного (слева) и смешанного

лесов

Совокупность совместно обитающих популяций разных видов живых организмов называется биоценозом. Биоценоз - совокупность растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих участок среды с более или менее однородными условиями существования и характеризующихся определенными взаимосвязями между собой и приспособленностью к условиям окружающей среды (например, биоценоз озера, леса и т.д.). Совокупность растений на участке с одинаковыми природными условиями, которые взаимодействуют друг с другом и со своим окружением, называется фитоценозом или растительным сообществом.

Биоценозы входят в качестве составных частей в еще более сложные системы, представляющие собой взаимообусловленный комплекс живых и абиотических компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергией - в биогеоценозы.

Биогеоценоз - это однородный участок земной поверхности с определенным составом живых (биоценоз) и абиотических косных (приземной слой атмосферы, солнечная энергия, почва и др.) компонентов и динамическим взаимодействием между ними (обменом веществ и энергии).

Термин предложил В.М.Сукачев (1940 г).

Иногда этот термин употребляется как синоним экосистемы

7

Гомеоста́з (от греч. — одинаковый, подобный и — стояние, неподвижность) — саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия. Стремление системы воспроизводить себя, восстанавливать утраченное равновесие, преодолевать сопротивление внешней среды.

Гомеостаз популяции — способность популяции поддерживать определённую численность своих особей длительное время.

Комплексные системы — например, организм человека — должны обладать гомеостазом, чтобы сохранять стабильность и существовать. Эти системы не только должны стремиться выжить, им также приходится адаптироваться к изменениям среды и развиваться.

Примеры гомеостаза у млекопитающих:Регуляция количества минеральных веществ и воды в теле —осморегуляция. Осуществляется в почках.Удаление отходов процесса обмена веществ — выделение. Осуществляется экзокринными органами—

почками, легкими, потовыми железами и желудочно-кишечным трактом.Регуляция температуры тела. Понижение температуры через потоотделение, разнообразные

терморегулирующие реакции.Регуляция уровня глюкозы в крови. Важно отметить, что, хотя организм находится в равновесии, его физиологическое состояние может быть

динамическим. Так, даже находясь в гомеостазе, температура тела, кровяное давление, частота сердечных сокращений и большинство метаболических индикаторов не всегда находятся на постоянном уровне, но изменяются в течение времени.

Свойства гомеостазаГомеостатические системы обладают следующими свойствами:• Нестабильность системы: тестирует, каким образом ей лучше приспособиться.• Стремление к равновесию: вся внутренняя, структурная и функциональная организация систем

способствует сохранению баланса.• Непредсказуемость: результирующий эффект от определённого действия зачастую может отличаться от

того, который ожидался.

8

В развитии экосистем большую роль играют организмы, способные самостоятельно синтезировать органическое вещество из неорганических соединений - автотрофы.

Автотрофы - это организмы, синтезирующие из неорганических веществ (главным образом воды, двуокиси углерода, неорганических соединений азота) все необходимые для жизни органические вещества, используя энергию фотосинтеза (все зеленые растения - фототрофы) или хемосинтеза (некоторые бактерии - хемотрофы).

Автотрофы служат первичной биотической основой для сложения биогеоценозов.

Организмы, использующие для питания органические вещества, произведенные другими организмами, называются гетеротрофами.

К гетеротрофным организмам относится человек, все животные, грибы, большинство бактерий, вирусов.

Автотрофные растения и микроорганизмы представляют жизненную среду для гетеротрофов. Складывается биогеоценотический комплекс, который может существовать веками.

9

В.И. Вернадский

Пространство, включающее околоземную атмосферу и наружную оболочку Земли, освоенное живыми организмами и находящееся под влиянием их жизнедеятельности, называется биосферой.

Биосфера Земли образуется всей совокупностью биогеоценозов, связанных между собой круговоротом веществ и энергии. Она представляет собой область активной жизни, охватывающую нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. В биосфере живые организмы и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему.

Термин "биосфера" введен в 1875 г. Э.Зюссом.

Учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в том числе человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения, создал В.И.Вернадский (1926 г.).

10

В структуре биосферы Вернадский выделял семь видов вещества:•живое;•биогенное (возникшее из живого или подвергшееся переработке);•косное (абиотическое, образованное вне жизни);•биокосное (возникшее на стыке живого и неживого; к биокосному, по Вернадскому, относится почва);•вещество в стадии радиоактивного распада;•рассеянные атомы;•вещество космического происхождения.

Элементами биосферы, по В.И. Вернадскому, являются:

биогенное вещество - вещество, созданное в процессе жизнедеятельности организмов (уголь, нефть и т.д.) и

косное вещество - вещество, сформированное без участия жизни, без наличия живых организмов.

Вернадский был сторонником гипотезы панспермии/

11

Элементами биосферы, по В.И. Вернадскому, являются:

биогенное вещество - вещество, созданное в процессе жизнедеятельности организмов (уголь, нефть и т.д.) и

косное вещество - вещество, сформированное без участия жизни, без наличия живых организмов.

12

Совокупность всех живых организмов, населяющих нашу планету, В.И.Вернадский назвал живым веществом.

Важнейшим отличием живого вещества от косной материи В.И. Вернадский считал молекулярную хиральность.

Хиральность (молекулярная хиральность) в химии - свойство молекулы быть несовместимой со своим зеркальным отражением любой комбинацией вращений и перемещений в трёхмерном пространстве (отсутствуют зеркально-поворотные оси

симметрии).

13

В биосфере постоянно происходит круговорот веществ и превращение энергии, главную роль в которых играют живые организмы.

Функция живого вещества, которая проявляется в способности накапливать в клетках отдельные элементы (например, кремния хвощами и осоками), называется концентрационной, а в поглощении газов (например, поглощение азота бактериями)- газовой.

14

Организмы, на долю которых приходится основной круговорот химических элементов в биосфере, это микроорганизмы.

Согласно биогеохимическому принципу В.И. Вернадского, в процессе эволюции биосферы видовой состав увеличивается, появляются виды, которые увеличивают биогенную миграцию атомов, а скорость биогенной миграции атомов стремится к максимуму.

15

Учение Вернадского о ноосфереВажным этапом необратимой эволюции биосферы Вернадский считал её

переход в стадию ноосферы.

Учение о ноосфере возникло в рамках космизма - философского учения о неразрывном единстве человека и космоса, человека и Вселенной, о регулируемой эволюции мира. Понятие ноосферы как обтекающей земной шар идеальной, «мыслящей» оболочки, формирование которой связано с возникновением и развитием человеческого сознания, ввели в оборот в начале ХХ века французские ученые П.Тейяр де Шарден и Э. Леру.

И сегодня под ноосферой мы понимаем высшую стадию биосферы, связанную с возникновением и развитием человечества, которое, познавая законы природы и совершенствуя технику, начинает оказывать определяющее влияние на ход процессов на Земле и в околоземном пространстве, изменяя их своей деятельностью.

Осознавая огромную роль и значение человека в жизни и преобразовании планеты, Вернадский употреблял понятие «ноосфера» в разных смыслах:

• 1) как состояние планеты, когда человек становится крупнейшей преобразующей геологической силой;

• 2) как область активного проявления научной мысли как главного фактора перестройки и изменения биосферы.

16

Ноосферу можно охарактеризовать как единство «природы» и «культуры».

Биосфера не раз переходила в новое эволюционное состояние. В ней возникали новые геологические проявления, раньше не бывшие. (Например, в кембрии, когда появились крупные организмы с кальциевыми скелетами, или в третичное время, когда создавались леса и степи и развилась жизнь крупных млекопитающих).

За последние 10-20 тысяч лет человек, выработав в социальной среде научную мысль, создает в биосфере новую геологическую силу, ранее в ней не бывшую.

Понятие «ноосфера» предстаёт в двух аспектах:1. ноосфера в стадии становления, развивающаяся стихийно с

момента появления человека; 2. ноосфера развитая, сознательно формируемая совместными

усилиями людей в интересах всестороннего развития всего человечества и каждого отдельного человека.

По мнению В.И. Вернадского, ноосфера создается в результате реального, вещественного преобразования человеком геологии Земли усилиями мысли и труда.

17

Вернадский считал, что научная мысль - такое же закономерно неизбежное, естественное явление, возникшее в ходе эволюции живого вещества, как и человеческий разум, развивается в том же полярном векторе времени и не может ни повернуть вспять, ни остановиться, тая в себе потенцию развития фактически безграничного.

Наука сильно и глубоко активизирует изменение биосферы Земли, она изменяет ситуации жизни, геологические движения, энергетику Земного шара.

Появление разума и итога его деятельности - науки - главнейший факт в формировании планеты.

18

Ноосфера - это новое, эволюционное состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится, решающим фактором ее развития.

Гигантская геологическая деятельность человечества выражается в том, что сейчас нет такого быстротекущего геологического процесса, с которым можно было бы сравнить мощь человечества, вооруженного огромным арсеналом всяческих воздействий на природу, в том числе и фантастических, по мощности разрушительных сил.

В.И. Вернадский указал ряд условий, необходимых для становления и существования ноосферы.

1. Заселение и обживание людьми целой планеты. (Выполнено)2. Усиление связей между всеми государствами Земли. (Выполнено)3. Резкое преобразование средств связи между странами. (Выполнено)4. Преобладание геологической роли человека над другими геологическими

процессами, протекающими в биосфере. По-новому вылилась в понимании геологов геологическая роль человечества. Но в

начале нашего столетия независимо Ч. Шухерт и А.П. Павлов учли геологически, по-новому, давно известное изменение, какое появление цивилизации человека вносит в окружающую природу, в Лик Земли. Они сочли возможным принять такое проявление Homo sapiens за основу для выделения новой геологической эры, наравне с тектоническими и орогеническими данными, которыми обычно такие деления определяются. Они правильно пытались на этом основании разделить плейстоценовую эру, определив ее конец началом выявления человека (последнюю сотню-другую тысяч лет - примерно несколько декамириад назад) и выделить в особую геологическую эру - психозойную, по Шухерту, антропогенную - по А.П. Павлову». [C.322]

(Это условие выполнено в связи с тем, что человечество стало мощным геологическим фактором, влияющим на все процессы, протекающие в биосфере.)

19

5. Расширение пределов биосферы, изучение космического пространства и выход в космос.

(Это условие выполнено.)6. Открытие новейших источников энергии. (Это условие также выполнено. Открыта и используется энергия атомного распада.

Ведутся исследования по получению энергии управляемого термоядерного синтеза.)

7. Равноправие людей всех рас и религий. (Это условие еще не достигнуто.)8. Усиление значения народа и его мнения в решении политических проблем. (Это

условие еще не достигнуто)9. Свобода научной мысли от давления религиозных и политических настроений. (В

большинстве развитых стран наука свободна от такого давления)10. Подъем благосостояния людей. Создание реальной возможности не допустить

недоедания, голода, нищеты и ослабление влияния болезней. (Это условия еще не достигнуто)

11. Разумное преобразование и использование первичной природы нашей планеты. (Это условие нельзя считать выполненным)

12. Недопущение войн и насилия. (Это условие еще не выполнено)

Ноосфера - это еще достаточно дисгармоничная, находящаяся в состоянии становления реальность.

Мировоззренческий смысл понятия ноосферы состоит в том, что человек своей деятельностью должен продолжить логику развития органического мира, но на качественно новом уровне.

20

Ноосфера - это оболочка, построенная на планете Земля по идеям разума, в которую входят люди, объекты природы, обработанные людьми, и объекты, созданные по идеям разума и трудом человека.

Ноосфера начала создаваться после появления на Земле человека и в настоящее время она построена, но еще нуждается в совершенствовании. По В.И.Вернадскому эпоха ноосферы будет царством разума, организующего на принципах демократии развитие науки, техники, научно обоснованной системы природопользования и экономики, обеспечивающих счастливую жизнь людей.

В ноосферном учении Человек предстаёт укоренённым в Природу. Человечество в целях своего сохранения должно будет взять на себя ответственность за развитие биосферы, превращающейся в ноосферу, а это потребует от него определённой социальной организации и новой, экологической и одновременно гуманистической этики.

Значение учения В.И. Вернадского о ноосфере состоит, что он впервые осознал и попытался осуществить синтез естественных и общественных наук при изучении глобальной деятельности человека, активно перестраивающего окружающую среду. Ноосфера, по мнению ученого, есть уже качественно иная, высшая стадия биосферы, связанная с коренным преобразованием не только природы, но и самого человека.

В настоящее время под ноосферой понимается сфера взаимодействия человека и природы, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится главным определяющим фактором развития.

В структуре ноосферы можно выделить в качестве составляющих:• человечество, • общественные системы, • совокупность научных знаний, • сумму техники и технологий в единстве с биосферой. Гармоничная взаимосвязь всех составляющих структуры есть основа устойчивого

существования и развития ноосферы.

21

Гея-гипотезаГипотеза Геи — разновидность геотеизма, теория о Земле как

суперорганизме, который в результате саморегуляции способен поддерживать основные параметры среды на постоянном уровне.

Так, при различных уровнях энергии, поступающей от Солнца, температура поверхности планеты может оставаться приблизительно на одном уровне. Предложена в 1970-х годах британским экологом Джеймсом Лавлоком.

Предшественником Лавлока был Джеймс Хаттон: он ещё в 1785 году высказал предположение о том, что Земля — сверхживой организм, имеющий свои системы обмена веществ и дыхания (которые и выражаются геологическими процессами — такими, например, как эрозия).

Идеи Хаттона были похоронены Дарвином, утверждавшим, что в ходе естественного отбора живые организмы приспосабливаются к любым условиям, какие только может предоставить им планета.

22

Джеймс Лавлок, британский химик, приглашенный в Калифорнию Американским космическим агентством, готовившим к запуску серию зондов, призван был оценить степень вероятности существования жизни на Марсе и Венере и создать инструментарий для выявления мизерных концентраций тех или иных химических элементов в атмосфере.

Лавлок указал на методологическую ошибку (невозможно предугадать, какой именно химией «питается» жизнь, следует разработать общий принцип поиска жизни в космосе) и сформулировал собственный метод энтропийного анализа. В мёртвом мире энтропия нарастает. Предоставленная сама себе атмосфера безжизненной планеты рано или поздно уравновешивает собственное содержимое, достигая энергетического покоя. Противодействует же энтропийному росту жизнь, потребляющая энергетически активные элементы и выбрасывающая мёртвый шлак. Следовательно, планета с атмосферой из углекислого газа почти наверняка должна быть безжизненной. Напротив, присутствие кислорода должно указывать на присутствие жизни.

В сентябре 1965 года Лавлок пришёл к мысли о том, что земная жизнь научилась поддерживать необходимые для себя условия существования, вступив с планетой в некую форму взаимовыгодного сотрудничества. Писатель Уильям Голдинг предложил Лавлоку назвать теорию в честь древнегреческой богини Земли — гипотезой Геи.

НАСА встретило гипотезу в штыки, поскольку к этому времени уже было известно, что Марс и Венера «дышат», в основном, двуокисью углерода. Известный биолог Ричард Докинз выступил с категорическим утверждением о том, что «гипотеза Геи» противоречит теории эволюции Дарвина.

23

К началу 70-х годов у теории Лавлока стали появляться защитники и последователи. В 1970 году Линн Маргулис, биолог Бостонского университета, высказала мысль о том, что связующую роль в поле взаимодействия между жизнью и планетой должны играть микроорганизмы. Лавлок сделал свое знаменитое «серное предсказание». До тех пор бытовало мнение, будто сера, вымываемая в океан из почвы, возвращается на сушу в виде сероводорода. Лавлок выразил в этом сомнение, в 1971 году он организовал исследовательскую экспедицию и на борту RV Shackleton доказал: сера поднимается в атмосферу в виде диметилсульфида (DMS), производимого разлагающимися морскими водорослями. Так гипотеза Геи получила первое практическое подтверждение.

Решающую роль в её становлении сыграл созданный Лавлоком компьютерный мир Daisyworld — модель планетарной жизни, основанная как раз на принципах теории эволюции Дарвина. В 2002 году один из последователей Лавлока, эволюционист Тим Лентон (Университет East Anglia), выступил с заявлением о том, что гипотеза не только не противоречит учению Дарвина, но и дополняет его. А год спустя Такэси Сугимото (Kanagawa University) показал, как открытые Дарвином процессы адаптации стимулируют «гееобразные» процессы, помогая жизни укреплять свои позиции на нашей планете.

24

В 2008 году группа учёных под руководством профессора Брента Крайстнера с факультета биологических наук университета Луизианы обнаружила, что за образование почти всех осадков могут отвечать бактерии.

Было доказано, что бактерии могут путешествовать с облаками на дальние расстояния и быть причиной осадков по всему миру при достаточно высоких температурах. Это открытие считается ещё одним подтверждением Гея-гипотезы.

КритикаПо мнению биолога профессора Питера Уорда представление о

Земле как сверхорганизме, поддерживающем жизнь на планете, является ошибочным. Он напоминает, что большинство массовых вымираний на Земле происходило не по внешним причинам, а по внутренним, например геологическим. По мнению Уорда, Земля не сможет «исцелить себя», если вдруг человечество исчезнет, она не обладает гипотетической «мудрой саморегуляцией». Уорд предлагает использовать для образного описания Земли не Гею, а другого мифического персонажа — Медею (Медея прославилась тем, что убила собственных сыновей).

25

Связь с представлениями В.И.Вернадского

Гипотеза Геи привлекает внимание к высказываниям В.И.Вернадского об исключительно большой роли живого вещества (живых организмов, биоты) в формировании лика Земли, химических и физических характеристик биосферы, атмосферы, гидросферы.

Современные экологические данные подтверждают и детализируют взгляды В.И.Вернадского, указывают на важные функции биоты по формированию и регуляции параметров геохимической среды.