Уровни организации живого

 

Содержание: 

1. Уровни  организации живого. Выделите объекты  изучения в экологии.
2. Передача энергии по цепям питания в биоценозах. Правило 10%.
3. Экотоксиканты: диоксины и бенз(а)пирены, основные источники поступления и их влияние на состояние экосистем и здоровье человека.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Уровни  организации живого. Выделите объекты  изучения в экологии.

     Предметом изучения экологии являются объекты  организменного (уровня особей), популяционно-видового, биоценотического и биосферного  уровней организации. В связи  с этим различают:

· аутэкологию - изучает взаимоотношения отдельной  особи (представителей вида) с окружающей ее (их) средой, определяет пределы устойчивости и предпочтения вида по отношению  к различным экологическим факторам;

· демэкологию - изучает взаимоотношения популяций с окружающей их средой, изучает демографию и ряд других характеристик популяций в свете их отношений с окружающей средой;

· синэкологию - исследует биотические сообщества и их взаимоотношения со средой: формирование сообществ, их энергетику, структуру, развитие и т.д.

     Кроме того, применение основных экологических  принципов и воззрений к конкретным группам организмов послужило основой  для выделения более узких  направлений экологических исследований: экология растений, экология микроорганизмов, экология животных, экология вирусов, экология грибов.

     Главные задачи экологии вытекают из рассмотрения объектов исследования экологии и включают:

· анализ физических, химических и биологических параметров функционирования природных систем;

· установление закономерностей организации жизни  в связи с увеличивающимся  антропогенным воздействием на природную  среду;

· исследование вопросов природопользования и ресурсосбережения;

· разработку мероприятий  по всесторонней защите окружающей природной  среды.

     Экология  изучает фундаментальные свойства жизни, однако часто весьма плодотворным оказывается ограничение исследований какой-то одной систематической  группой, поскольку различные группы организмов требуют разных методов  изучения, и поскольку некоторые  группы организмов в экономическом  или другом отношении намного  важнее или интереснее для человека, чем другие. Один из главных принципов  изучения экологии - системный подход, ибо организмы (или сообщества организмов) образуют со средой обитания единство, в пределах которого осуществляется преобразование (трансформация) вещества и энергии. Одно из ключевых понятий  системного подхода - уровень организации, под которым понимают функциональное место биологической структуры  определенной сложности в общей  системе живой природы. Исходя из концепции уровней организации, которые составляют своего рода «биологический спектр», лучше всего можно определить содержание современной экологии. Под  системой понимается совокупность элементов, находящихся в тесных отношениях друг с другом и формирующих целостное  образование. Системы, содержащие живые  компоненты (биологические системы, или биосистемы), можно выделять на любом из уровней или на любом  промежуточном уровне, удобном или  полезном для исследования. Например, можно рассматривать не только системы  генов, органов и т.д., но также системы паразит-хозяин, что соответствует промежуточному уровню между популяцией и сообществом. Отдельные элементы, из которых состоит система, вместе с тем, не определяют самой ее структуры, хотя и образуют её. Структура же определяется способом взаимодействия элементов. Сообщество, популяция, организм, орган, клетка и ген - главные уровни организации жизни, они расположены в иерархическом порядке от крупных систем к малым. Взаимодействие с физической средой (энергией и веществом) на каждом уровне обусловливает существование определенных функциональных систем. Экология изучает преимущественно системы выше уровня организмов. В системе или «биологическом спектре» нет четких границ или разрывов даже между уровнями организма и популяции. Поскольку мы привыкли, имея дело с людьми и высшими животными, представлять особь как конечную единицу, идея непрерывного спектра уровней может на первый взгляд показаться странной. Однако если принять во внимание такие факторы, как взаимозависимость, взаимосвязь и выживание, то и в самом деле здесь нигде не должно быть резких разрывов. Отдельный организм, например, не более способен к длительному существованию вне своей популяции, чем отдельный орган (в качестве самоподдерживающейся системы) вне своего организма. Подобно этому, сообщество не может существовать без круговорота веществ и потока энергии в экосистеме. В основе принципа функциональной интеграции лежит то, что ни один из уровней нельзя считать более или менее важным или более или менее заслуживающим изучения, чем какой-либо другой уровень. Если признаки, становятся более сложными и более изменчивыми, то другие свойства при переходе от малых систем к большим становятся менее сложными и менее изменчивыми. Поскольку гомеостатические механизмы действуют на протяжении всего ряда, функционирование более мелких единиц внутри более крупных характеризуется определенной степенью интеграции. Принцип функциональной интеграции, согласно которому при усложнении структуры возникают дополнительные свойства, позволяет применить данные, полученные при изучении какого-либо уровня, для изучения другого уровня. Однако с помощью этих данных никогда нельзя полностью объяснить явления, происходящие на этом другом уровне, каждый уровень имеет особенности, которые лишь частично можно объяснить, исходя из особенностей нижележащего уровня. Иными словами, не все свойства более высокого уровня можно предсказать, зная только характеристики, относящиеся к более низкому уровню. Это важное обобщение называется «теорией уровней интеграции». Исходя из выше сказанного отметим, что фундамент системного подхода и функциональной интеграции строится на следующих положениях:

· несводимость свойств отдельных составляющих к свойствам целой системы (свойство целостности);

· принципиальная возможность описывать систему, исходя из знания характера взаимоотношений  ее элементов;

· каждый отдельный  элемент можно охарактеризовать двояко: с одной стороны, его можно  представить как отдельную систему, а с другой - как составляющий элемент другой целостности (системы), но более высокого уровня организации, т.е. как подсистему (свойство иерархичности  соподчинения элементов);

· не существует абсолютно изолированных систем, каждая вступает в определенные взаимоотношения  с окружающей средой (свойство открытости), часто, однако, в целях построения моделей, многие системы рассматривают  как изолированные. 

2. Передача  энергии по цепям питания в  биоценозах. Правило 10%.

 

   Важнейший вид взаимоотношений между организмами  в биоценозе, фактически формирующими его структуру, – это пищевые связи хищника и жертвы: одни – поедающие, другие – поедаемые. При этом все организмы, живые и мертвые, являются пищей для других организмов: заяц ест траву, лиса и волк охотятся на зайцев, хищные птицы (ястребы, орлы и т. п.) способны утащить и съесть как лисенка, так и волчонка. Погибшие растения, зайцы, лисы, волки, птицы становятся пищей для детритофагов (редуцентов или иначе деструкторов).

     Пищевая цепь – это последовательность организмов, в которой каждый из них съедает  или разлагает другой. Она представляет собой путь движущегося через  живые организмы однонаправленного  потока поглощенной при фотосинтезе  малой части высокоэффективной  солнечной энергии, поступившей  на Землю. В конечном итоге эта  цепь возвращается в окружающую природную  среду в виде низкоэффективной тепловой энергии. По ней также движутся питательные  вещества от продуцентов к консументам и далее к редуцентам, а затем обратно к продуцентам.

     Каждое  звено пищевой цепи называют трофическим уровнем. Первый трофический уровень занимают автотрофы, иначе именуемые первичными продуцентами. Организмы второго трофического уровня называют первичными консументами, третьего – вторичными консументами и т. д. Обычно бывают четыре или пять трофических уровней и редко более шести (рис. 5.1).

     Существуют  два главных типа пищевых цепей  – пастбищные (или «выедания») и детритные (или «разложения»).

Рис. 1. Пищевые цепи биоценоза по Н. Ф. Реймерсу: обобщенная (а) и реальная (б). Стрелками показано направление перемещения энергии, а цифрами – относительное количество энергии, приходящей на трофический уровень

     В пастбищных пищевых цепях первый трофический уровень занимают зеленые растения, второй – пастбищные животные (термин «пастбищные» охватывает все организмы, питающиеся растениями), а третий – хищники. Так, пастбищными пищевыми цепями являются:

Детритная пищевая цепь начинается с детрита по схеме:

ДЕТРИТ → ДЕТРИТОФАГ → ХИЩНИК

Характерными  детритными пищевыми цепями являются:

     Концепция пищевых цепей позволяет в  дальнейшем проследить круговорот химических элементов в природе, хотя простые  пищевые цепи, подобные изображенным ранее, где каждый организм представлен  как питающийся организмами только какого-то одного типа, в природе  встречаются редко. Реальные пищевые  связи намного сложнее, ибо животное может питаться организмами разных типов, входящих в одну и ту же пищевую  цепь или в различные цепи, что  особенно характерно для хищников (консументов) высших трофических уровней. Связь между пастбищной и детритной пищевыми цепями иллюстрирует предложенная Ю. Одумом модель потока энергии (рис. 2).

     Всеядные  животные (в частности, человек) питаются и консументами, и продуцентами. Таким образом, в природе пищевые цепи переплетаются, образуют пищевые (трофические) сети.

     Для наглядности представления взаимоотношений  между организмами различных  видов в биоценозе принято  использовать экологические пирамиды, различая пирамиды численности, биомасс  и энергии.

Рис. 2. Схема пастбищной и детритной пищевых цепей (по Ю. Одуму)

     Самым фундаментальным способом отражения  связей между организмами разных трофических уровней и функциональной организации биоценозов является п и р а м и д а энергий, в которой размер прямоугольников пропорционален энергетическому эквиваленту в единицу времени, т. е. количеству энергии (на единицу площади или объема), прошедшей через определенный трофический уровень за принятый период (рис. 3). К основанию пирамиды энергии можно обоснованно добавить снизу еще один прямоугольник, отражающий поступление энергии Солнца.

     Пирамида  энергий отражает динамику прохождения  массы пищи через пищевую (трофическую) цепь, что принципиально отличает ее от пирамид численности и биомасс, отражающих статику системы (количество организмов в данный момент). На форму  этой пирамиды не влияют изменения  размеров и интенсивности метаболизма  особей. Если учтены все источники  энергии, то пирамида всегда будет иметь  типичный вид (в виде пирамиды вершиной вверх), согласно второму закону термодинамики.

Рис. 3. Пирамида энергии: цифры – количество энергии, кДж-м ^-2r^-1

Рис. 4. Экологические пирамиды (по Ю. Одуму). Без соблюдения масштаба

     Пирамиды  энергий позволяют не только сравнивать различные биоценозы, но и выявлять относительную значимость популяций  в пределах одного сообщества. Они  являются наиболее полезными из трех типов экологических пирамид, однако получить данные для их построения труднее всего.

     Одним из наиболее удачных и наглядных  примеров классических экологических  пирамид служат пирамиды, изображенные на рис. 4. Они иллюстрируют условный биоценоз, предложенный американским экологом Ю. Одумом. «Биоценоз» состоит из мальчика, питающегося только телятиной, и телят, которые едят исключительно люцерну.

Р. Линдеман (1942) сформулировал закон пирамиды энергий, или правило 10 %:

с одного трофического уровня экологической  пирамиды переходит  на другой, более  высокий ее уровень (по «лестнице» продуцент  – консумент – редуцент), в среднем около 10 % энергии, поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды.

     На  самом деле потеря бывает либо несколько  меньшей, либо несколько большей, но порядок чисел сохраняется.

     Обратный  поток, связанный с потреблением веществ и продуцируемым верхним  уровнем экологической пирамиды энергии более низкими ее уровнями, например, от животных к растениям, намного слабее – не более 0,5 % (и даже 0,25 %) от общего ее потока, поэтому говорить о круговороте энергии в биоценозе не приходится.

3. Экотоксиканты: диоксины и бенз(а)пирены , основные источники поступления и их влияние на состояние экосистем и здоровье человека.

   В начале 60-х годов нашего столетия человечество впервые стало осознавать серьезность встающих перед ним  экологических проблем и хрупкость  самого существования жизни на планете  Земля. Реальностью стали глобальное потепление климата, возникновение  озоновых дыр над полюсами, убиквитарное (повсеместное) распространение токсикантов и загрязнение воды, воздуха, почв, продуктов питания вредными химическими веществами, вымирание многих видов растений и животных, снижение биоразнообразия в результате деятельности растущего народонаселения планеты. Загрязнение природной среды газообразными, жидкими и твердыми веществами и отходами производства, вызывающее деградацию среды обитания и наносящее ущерб здоровью населения, остается наиболее острой экологической проблемой, имеющей приоритетное социальное и экономическое значение.

   Все виды загрязнений, то есть привнесение в среду или возникновение в ней новых, не характерных для среды агентов, можно разделить по их источнику или происхождению на четыре крупные многокомпонентные группы: физические, химические, биологические, информационные.

   Физическое  загрязнение включает в себя тепловое, световое и радиационное загрязнения, электромагнитные поля.

   Для биологического загрязнения характерно размножение в окружающей среде нежелательных для человека организмов, как патогенных, так и условно-патогенных при их чрезмерном размножении, или появление в среде новых патогенных микроорганизмов.

   Информационное  загрязнение – поток дисгармоничной, хаотической, разрушительной информации, воздействующий на человека и других представителей окружающей среды через зрительные, слуховые, сенсорные, тактильные и другие каналы восприятия.

   Химическое  загрязнение – один из старейших видов загрязнения окружающей среды. По продолжительности и силе воздействия химические загрязнители можно разделить на разовые (одномоментное событие или природный катаклизм, например, выброс Исландского вулкана), постоянные или хронические и нарастающие или катастрофические загрязнения.

   В экологическом аспекте любые  химические загрязнения являются чужеродным комплексом в экосистеме, и их принято  подразделять на четыре класса опасности: I - чрезвычайно опасные (суперэкотоксканты), II – высоко опасные (экотоксиканты), III - умеренно опасные (экотоксиканты) и IV – малоопасные (ксенобиотики).  
Химические загрязнители подразделяют на разрушаемые (вещества, которые подвергаются естественной трансформации, разрушению и утилизации или переходят в нетоксичные соединения) и стойкие (искусственные классы синтезируемых химических соединений для которых отсутствуют естественные пути утилизации).

   Экотоксиканты (презентация «Экотоксиканты» в pdf) – это экологически опасные факторы химической природы, которые способны долгое время сохраняться, мигрировать и накапливаться в ее биотических и абиотических компонентах. В концентрациях, превышающих естественный природный уровень, экотоксиканты оказывают токсическое воздействие, как на окружающую среду, так и на здоровье человека.  
Сегодня при изучении экотоксикантов большое внимание уделяется особенностям их кинетики, метаболизма, биотрансформации, кумуляции и концентрации; движению по пищевым цепочкам; переносу и переходам из одной среды в другую; возможностям превращений во вторичные загрязнители; их влиянию на различные организмы, входящие в экосистемы.