- •Глава 5 экология популяций (демэкология) 105
- •Глава 5 экология популяций (демэкология) 105
- •Часть I
- •Глава 1
- •Глава 2
- •Часть I. Биосфера 41 40 глава 2. Живое вещество
- •Глава 3
- •Часть I. Биосфера
- •Глава 3. Строение и свойства биосферы
- •Часть II
- •Глава 4
- •Глава 5 экология популяций (демэкология)
- •Глава 6. Экология сообществ и экосиСіЕм (синэк.Ология) 127
- •Глава 5 экология популяций (демэкология) 105
- •Глава 5 экология популяций (демэкология) 105
- •Часть II. Общая экология
- •Часть II. Общая экология
- •Часть III
- •Глава 7
- •I Существуют различные определения природопользования.
- •! Природопользование (как практически}! деятельность чело-
- •Часть III. Прикладная экология
- •Часть III. Прикладная экология
- •Часть III. Прикладная экология
- •Глава 5 экология популяций (демэкология) 105
- •Глава 8 антропогенные воздействия на атмосферу и ее защита
- •Глава 9
- •9.3. Экологические последствия загрязнения гидросферы
- •9.4. Экологические последствия истощения вод
- •Защита гидросферы
- •Часть III. Прикладная экология
- •Глава 10
- •10.1. Антропогенные воздействия на почву
- •Защита почв
- •Глава 11
- •Деградация растительного покрова
- •Деградация животного мира
- •Защита биотических сообществ
- •Глава 12
- •Глава 5 экология популяций (демэкология) 105
- •Глава 13 проблема перенаселения
- •Часть III. Прикладная экология
- •Часть III. Прикладная
- •Глава 15
- •0 Департамент Госсанэпиднадзора Минздравсоцразвития рф (Санэпиднадзор рф) — координатор деятельности всех ве- 1
- •Часть III. Прикладная экология
- •Часть III. Прикладная экология
- •Глава 16
- •Глава 17 концепции устойчивого развития человечества
- •Часть III. Прикладная экология
Глава 2
ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО
Признаки живой материи
Отечественным ученым М.В. Волькенштейном предложено следующее определение жизни: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот».
Однако до сих пор общепризнанного определения понятия «жизнь» не существует. Но можно выделить признаки (свойства) живой материи, отличающие ее от неживой.
Определенный химический состав. Живые организмы состоят из тех же химических элементов, что и объекты неживой природы, однако соотношение этих элементов различно. Основными элементами живых существ являются С, О, N и Н.
Клеточное строение. Все живые организмы, кроме вирусов, имеют клеточное строение.
Обмен веществ и энергозависимость. Живые организмы являются открытыми системами, они зависят от поступления в них из внешней среды веществ и энергии.
Саморегуляция (гомеостаз). Живые организмы обладают способностью поддерживать гомеостаз — постоянство своего химического состава и интенсивность обменных процессов.
Раздражимость. Живые организмы проявляют раздражимость, то есть способность отвечать на определенные внешние воздействия специфическими реакциями.
Наследственность. Живые организмы способны передавать признаки и свойства из поколения в поколение с помощью носителей информации — молекул ДНК и РНК.
Часть I. Биосфера 41 40 глава 2. Живое вещество
Изменчивость. Живые организмы способны приобретать новые признаки и свойства.
Самовоспроизведение (размножение). Живые организмы способны размножаться — воспроизводить себе подобных.
Индивидуальное развитие (онтогенез). Каждой особи свойственен онтогенез — индивидуальное развитие организма от зарождения до конца жизни (смерти или нового деления). Развитие сопровождается ростом.
Эволюционное развитие (филогенез). Живой материи в целом свойственен филогенез — историческое развитие жизни на Земле с момента ее появления до настоящего времени.
Адаптации. Живые организмы способны адаптироваться, то есть приспосабливаться к условиям окружающей среды.
Ритмичность. Живые организмы проявляют ритмичность жизнедеятельности (суточную, сезонную и др.).
Целостность и дискретность. С одной стороны, вся живая материя целостна, определенным образом организована и подчиняется общим законам; с другой стороны, любая биологическая система состоит из обособленных, хотя и взаимосвязанных элементов.
Иерархичность. Начиная от биополимеров (белков и нуклеиновых кислот) и кончая биосферой в целом, все живое находится в определенной соподчиненности. Функционирование биологических систем на менее сложном уровне делает возможным существование более сложного уровня.
Уровни организации живой природы
Иерархичность организации живой материи позволяет условно подразделить ее на ряд уровней. Уровень организации живой материи — это функциональное место биологической структуры определенной степени сложности в общей иерархии живого. Выделяют следующие уровни организации живой материи: молекулярный, субклеточный, клеточный, органнотканевой, организменный, популяционно-видовой, биоцено- тический, биогеоценотический, биосферный.
Молекулярный (молекулярно-генетический). На этом уровне живая материя организуется в сложные высокомолекулярные органические соединения, такие, как белки, нуклеиновые кислоты и др.
Субклеточный (надмолекулярный). На этом уровне живая материя организуется в органоиды: хромосомы, клеточную мембрану, эндоплазматическую сеть, митохондрии, комплекс Гольджи, лизосомы, рибосомы и другие субклеточные структуры.
Клеточный. На этом уровне живая материя представлена клетками. Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живого.
Органно-тканевой. На этом уровне живая материя организуется в ткани и органы. Ткань — совокупность клеток, сходных по строению и функциям, а также связанных с ними межклеточных веществ. Орган — часть многоклеточного организма, выполняющая определенную функцию или функции.
Организменный (онтогенетический). На этом уровне живая материя представлена организмами. Организм (особь, индивид) — неделимая единица жизни, ее реальный носитель, характеризующийся всеми ее признаками.
Популяционно-видовой. На этом уровне живая материя организуется в популяции. Популяция — совокупность особей одного вида, образующих обособленную генетическую систему, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других совокупностей того же вида. Вид — совокупность особей (популяций особей), способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства и занимающих в природе определенную область (ареал).
Биоценотический. На этом уровне живая материя образует биоценозы. Биоценоз — совокупность популяций разных видов, обитающих на определенной территории.
Биогеоценотический. На этом уровне живая материя формирует биогеоценозы. Биогеоценоз — совокупность биоценоза и абиотических факторов среды обитания (климат, почва).
Биосферный. На этом уровне живая материя формирует биосферу. Биосфера — оболочка Земли, преобразованная деятельностью живых организмов.
Необходимо отметить, что биогеоценотический и биосферный уровни организации живой материи выделяют не всегда, поскольку они представлены биокосными системами, включающими не только живое вещество, но и неживое. Также часто не выделяют субклеточный и органно-тканевой уровни, включая их в клеточный и организменный соответственно.
На рис. 1 представлена схема иерархической организации природных систем и показано, что предметом изучения экологии являются объекты организменного, популяционно-видового, биоценотического, биогеоценотического и биосферного уровней организации в их взаимодействии с окружающей средой.
Жизнь
Граница
жизни
!
Отсутствие
жизни
І
1
I
Область
экологии
Супермакромир, или космос (очень большой)
Макромир
(обычный)
Микромир (очень маленький)
Вселенная
Т
Г алактики
Т
Солнечная система
т
Земля
Т
Биосфера
т
Экосистемы
т
Сообщества
т
Популяции
г
Организмы
т
Системы органов
Т
Органы
т
Ткани
т
Клетки
т
Субклеточные структуры
т
Молекулы
Т
Атомы
т
Элементарные частицы
Рис. 1. Иерархия природных систем (по Т. Миллеру)
--тг-—
Следует отметить, что предсказать свойства каждого следующего уровня на основе свойств предыдущих уровней невозможно так же, как нельзя предсказать свойства воды, исходя из свойств кислорода и водорода. Такое явление носит название эмерд- жентность, то есть наличие у системы особых, качественно новых свойств, не присущих сумме свойств ее отдельных элементов. С другой стороны, знание особенностей отдельных составляющих системы значительно облегчает ее изучение. Таким образом, в науке вообще, и в экологии в частности, целесообразно оптимальное сочетание двух подходов к познанию окружающего мира — анализа и синтеза. Анализ — расчленение объекта на отдельные составляющие его элементы и их последующее изучение. Синтез — исследование объекта в целом.
Химический состав живого вещества
Химический состав живых организмов можно выразить в двух видах: атомный и молекулярный. Атомный (элементный) состав характеризует соотношение атомов элементов, входящих в живые организмы. Молекулярный (вещественный) состав отражает соотношение молекул веществ.
Атомный состав. По относительному содержанию элементы, входящие в состав живых организмов, принято делить на три группы (табл. 6):
Макроэлементы — О, С, Н, N (в сумме около 98—99%, их еще называют основные), Са, К, Si, Mg, Р, S, Na, Cl, Fe (в сумме около 1—2%). Макроэлементы составляют основную массу процентного состава живых организмов.
Микроэлементы — Mn, Со, Zn, Си, В, I, F и др. Их суммарное содержание в живом веществе составляет порядка 0,1 %.
Ультрамикроэлементы — Se, U, Hg, Ra, Au, Ag и др. Их содержание в живом веществе очень незначительно (менее
01%), а физиологическая роль для большинства из них не раскрыта.
Химические элементы, которые входят в состав живых организмов и при этом выполняют биологические функции, называются биогенными. Даже те из них, которые содержатся в клетках в ничтожно малых количествах, ничем не могут быть заменены и совершенно необходимы для жизни (табл. 7).
Таблица
6
Средний
состав живого вещества (% от сырой массы)
МАКРОЭЛЕМЕНТЫ
(n
х
10“3
- n
х
10)
А.
Воздушные мигранты (98,8%)
0
— 70 С—18
Н
— 10,5
N
— 3 x lO^1
Б.
Водные мигранты (1,2%)
Са
— 5 х 10ч
Mg
—
4 х 10~2
Na
—
2 х 10”2
К
— Зх 10“‘
Р
—7х 10~2
Cl
—2х
10“2
Si
— 2х
10~'
S
—
5 X
10~2
Fe—
1
х 10"2
МИКРОЭЛЕМЕНТЫ
(водные мигранты) (n
х
10 3
- п х 10 5)
А1
— 5 х 10'3
Zn
—5
х 10"4
Pb
— 5 x 10“5
Ва
— 3 х 10-3
Rb
—
5 х 10-4
Sn
— 5 x 10~5
Sr
—2х
10_3
Си
— 2 х 10"4
As
— 3 x 10~5
Мп
— 1 х 10“3
V
—пх 10“4
Co
— 2 x 10~5
.
В
— 1 х 10“3
Сг
—пх 10‘4
r
T
X
5
i
Uv
Тг
—пх 10-3
Вг—
1,5 х 10~4
Mo
— 1 X
10“5
ТІ
—
8 х 10~4
Ge
—
п х 10"
Cs
— ок.
1
x 10~5
F
—
5 х 10~4
Ni
—
5 х 10“s
УЛЬТРАМИКРОЭЛЕМЕНТЫ
Se
—
< 10~6
U
—<
10"6
Hg
— n x 10“7
Я
Са
1
3
X
о
Обнаружены
в организмах, но нет данных о среднем
содержании
Не,
Be,
Ne, Ar, Sc, Ga, Kr, Zr, Nb, Rh, Pd, Ag? Cd, In, Sb, Те,
I,
Xe, Ta, W, Au, Tl, Bi. Th
He
обнаружены
с достоверностью в организмах
Ru,
Hf,
Re,
Os,
Ga,
Ir,
Po,
Ac,
Tc,
At,
Fr
(последние
три не обнаружены в земной коре)
Биогенные
элементы и их роль в живых организмов
Элемент |
Символ |
Роль в живых организмах |
Углерод |
С |
Входит в состав органических веществ, в форме карбонатов входит в состав раковин моллюсков, коралловых полипов, покровов тела простейших, бикарбонатной буферной системы (HCOV, Н2СОч) |
Кислород |
0 |
Входит в состав воды и органических веществ |
Водород |
н |
Входит в состав воды и органических веществ |
Азот |
N |
Входит в состав всех аминокислот, нуклеиновых кислот, АТФ, НАД, НАДФ, ФАД |
Фосфор |
Р |
Входит в состав нуклеиновых кислот, АТФ, НАД, НАДФ, ФАД, фосфолипидов, костной ткани, эмали зубов, фосфатной буферной системы (НР042", Н2Р04') |
Таблица 7
Окончание
таблицы
7
Элемент
Символ
Роль
в живых организмах
Сера
S
Входит
в состав серосодержащих аминокислот
(цисти- на, цистеина, метионина),
инсулина, витамина В |
Хлор
С1
Преобладающий
отрицательный ион в организме,
участвует в создании мембранных
потенциалов клеток, входит в состав
соляной кислоты желудочного сока
Натрий
Na
Главный
внеклеточный положительный ион,
участвует в создании мембранных
потенциалов клеток
Калий
К
Преобладающий
положительный ион внутри клетки,
участвует в создании мембранных
потенциалов клеток
Кальций
Са
Входит
в состав костей и зубов, активизирует
сокращение мышечных волокон,
участвует в регуляции избирательной
проницаемости клеточной мембраны,
процессах свертывания крови
Магний
Mg
Входит
в состав хлорофилла, многих ферментов
Железо
Fe
Входит
в состав некоторых ферментов,
гемоглобина
Медь
Си
Входит
в состав некоторых ферментов
Цинк
Zn
Входит
в состав некоторых ферментов
Марганец
Mn
Входит
в состав некоторых ферментов
Кобальт
Со
Входит
в состав витамина В12
Фтор
F
Входит
в состав эмали зубов, костей
Иод
I
Входит
в состав гормона щитовидной железы
— тироксина
Бром
Br
Входит
в состав витамина В!
И>
...
В
Влияет
на рост растений
Молекулярный состав. Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов и молекул неорганических и органических веществ. Важнейшие неорганические вещества в клетке — вода и минеральные соли, важнейшие органические вещества — углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты (табл. 8).
Таблица 8
Содержание
в живых организмах химических соединений
Соединение
%
от сырой массы
Вода
75-85
Белки
10-15
Жиры
1-5
Углеводы
0,2-2,0
Нуклеиновые
кислоты
1-2
Низкомолекулярные
органические соединения
0,1-0,5
Неорганические
соединения
1,0-1,5
Систематика живых организмов
В настоящее время на Земле описано более 2,5 млн видов живых организмов. Однако реальное число видов на Земле в несколько раз больше, так как многие виды микроорганизмов, насекомых и др. не учтены. Кроме того, считается, что современный видовой состав — это лишь около 5% от видового разнообразия жизни за период ее существования на Земле.
Для упорядочения такого многообразия живых организмов служат систематика, классификация и т-аксономия. Систематика — раздел биологии, занимающийся описанием, обозначением и классификацией существующих и вымерших организмов по таксонам. Классификация — распределение всего множества живых организмов по определенной системе иерархически соподчиненных групп — таксонов. Таксономия — раздел систематики, разрабатывающий теоретические основы классификации. Таксон — искусственно выделенная человеком группа организмов, связанных той или иной степенью родства, достаточно обособленная, чтобы ей можно было присвоить определенную таксономическую категорию того или иного ранга.
В современной ксистематике живых организмов существует следующая иерархия таксонов: царство, отдел (тип в систематике животных), класс, порядок (отряд в систематике животных), семейство, род, вид. Кроме того, выделяют промежуточные таксоны: над- и подцарства, над- и подотделы, над- и подклассы и т.д.
Систематика живых организмов постоянно изменяется и обновляется. В настоящее время она имеет следующий вид:
Неклеточные формы. Царство Вирусы.
Клеточные формы.
Надцарство Прокариоты (Procariota):
царство Бактерии (Bacteria, Bacteriobionta),
царство Архебактерии (Archaebacteria, Archaebacterio- bionta),
царство Прокариотические водоросли:
а) отдел Синезеленые водоросли, или Цианеи (Суапо- bionta),
б) отдел Прохлорофитовые водоросли, или Прохло- рофиты (Prochlorophyta).
Ряд ученых выделяет в надцарстве Прокариоты одно царство Дробянки, которое включает три подцарства: Бактерии, Архебактерии и Цианобактерии.
Надцарство Эукариоты (Eycariota):
царство Растения (Vegetabilia, Phitobiota или Plantae):
а) подцарство Багрянки (Rhodobionta),
б) подцарство Настоящие водоросли (Phycobionta),
в) подцарство Высшие растения (Embryobionta),
царство Грибы {Fungi, Mycobionta, Mycotalia или Mycota):
а) подцарство Низшие грибы (одноклеточные) (Myxobionta),
б) подцарство Высшие грибы (многоклеточные) (Mycobionta),
царство Животные (Animalia, Zoobionta):
а) подцарство Простейшие, или Одноклеточные (Protozoa, Protozoobionta),
б) подцарство Многоклеточные (Metazoa, Metazoo- bionta).
Типы питания живых организмов
Все живые организмы, обитающие на Земле, представляют собой открытые системы, зависящие от поступления вещества и энергии извне. Процесс потребления вещества и энергии называется питанием. Химические вещества необходимы для построения тела, энергия — для осуществления процессов жизнедеятельности.
Существует два типа питания живых организмов: автотроф- ное и гетеротрофное.
Автотрофы (автотрофные организмы) — организмы, использующие в качестве источника углерода углекислый газ (растения и некоторые бактерии). Иначе говоря, это организмы, способные создавать органические вещества из неорганических — углекислого газа, воды, минеральных солей.
В зависимости от источника энергии автотрофы делят на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов. Фототрофы — организмы, использующие для биосинтеза световую энергию (растения, цианобактерии). Хемотрофы — организмы, использующие для биосинтеза энергию химических реакций окисления неорганических соединений (хемотрофные бактерии: водородные, нитрифицирующие, железобактерии, серобактерии и др.).
Гетеротрофы (гетеротрофные организмы) — организмы, использующие в качестве источника углерода органические соединения (животные, грибы и большинство бактерий). Иначе говоря, это организмы, не способные создавать органические вещества из неорганических, а нуждающиеся в готовых органических веществах.
По способу получения пищи гетеротрофы делят на фагот - рофов (голозоев) и осмотрофов. Фаготрофы (голозои) заглатывают твердые куски пищи (животные), осмотрофы поглощают органические вещества из растворов непосредственно через клеточные стенки (грибы, большинство бактерий).
По состоянию источника пищи гетеротрофы делятся на биотрофов и сапротрофов. Биотрофы питаются живыми организмами. К ним относятся зоофаги (питаются животными) и фитофаги (питаются растениями), в том числе паразиты, Сап- ротрофы используют в качестве пищи органические вещества мертвых тел или выделения (экскременты) животных. К ним принадлежат сапротрофные бактерии, сапротрофные грибы, сапротрофные растения (сапрофиты), сапротрофные животные (сапрофаги). Среди них встречаются детритофаги (питаются детритом), некрофаги (питаются трупами животных), коп- рофаги (питаются экскрементами) и др.
Некоторые живые существа в зависимости от условий обитания способны и к автотрофному, и к гетеротрофному питанию. Организмы со смешанным типом питания называются миксотрофами. Миксотрофы — организмы, которые могут как синтезировать органические вещества из неорганических, так и питаться готовыми органическими соединениями (насекомоядные растения, представители отдела эвгленовых водорослей и др.).
В таблице 9 представлен тип питания крупных систематических групп живых организмов.
Таблица
9
Типы
питания крупных систематических групп
живых организмов
(по
A.JI.
Тахтаджяну,
1976, с изменениями)
Надцар-
ства
Царства
Подцарства
Автотрофы
Г
етеротрофы
фото-
трофы
хемо-
трофы
биотро-
фы
сапро-
трофы
Прока
риоты
Дробян
ки
Бактерии
+
+
+
+
Архебактерии
+
+
+
+
Цианобактерии
+
+
-
—
Эукарио
ты
Растения
Багрянки
+
-
-
-
Настоящие
водоросли
+
—
—
-
Высшие
растения
+
—
очень
редко
?
Грибы
Низшие
-
-
редко
+
Высшие
-
'
-
редко
+
Живот
ные
Простейшие
-
—
+
очень
редко
Многоклеточные
-
-
+
+
Метаболизм живых организмов
Метаболизм — совокупность всех химических реакций, протекающих в живом организме. Значение метаболизма состоит в создании необходимых организму веществ и обеспечении его энергией. Выделяют две составные части метаболизма — катаболизм и анаболизм.
Катаболизм (энергетический обмен, диссимиляция) — совокупность реакций, приводящих к образованию простых веществ из более сложных (гидролиз полимеров до мономеров и расщепление последних до низкомолекулярных соединений углекислого газа, воды, аммиака и др. веществ). Катаболичес- кие реакции идут обычно с высвобождением энергии.
Анаболизм (пластический обмен, ассимиляция) — понятие, противоположное катаболизму: совокупность реакций синтеза сложных веществ из более простых (образование углеводов из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза, реакции матричного синтеза). Для протекания анаболических реакций требуются затраты энергии.
Процессы пластического и энергетического обмена неразрывно связаны между собой. Все синтетические (анаболические) процессы нуждаются в энергии, поставляемой в ходе реакций диссимиляции. Сами же реакции расщепления (катаболизма) протекают лишь при участии ферментов, синтезируемых в процессе ассимиляции.
Энергетический обмен. По отношению к свободному кислороду организмы делятся на три группы: аэробы, анаэробы и факультативные формы.
Аэробы (облигатные аэробы) — организмы, способные жить только в кислородной среде (животные, растения, некоторые бактерии и грибы).
Анаэробы (облигатные анаэробы) — организмы, неспособные жить в кислородной среде (некоторые бактерии).
Факультативные формы (факультативные анаэробы) — организмы, способные жить как в присутствии кислорода, так и без него (некоторые бактерии и грибы).
У облигатных аэробов и факультативных анаэробов в присутствии кислорода катаболизм протекает в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный. В результате органические вещества распадаются до неорганических соединений. У облигатных анаэробов и факультативных анаэробов при недостатке кислорода катаболизм протекает в два первых этапа: подготовительный и бескислородный. В результате образуются промежуточные органические соединения еще богатые энергией.
Этапы катаболизма:
Первый этап — подготовительный — заключается в ферментативном расщеплении сложных органических соединений на более простые. Белки расщепляются до аминокислот, жиры до глицерина и жирных кислот, полисахариды до моносахаридов, нуклеиновые кислоты до нуклеотидов. У многоклеточных организмов это происходит в желудочно-кишечном тракте, у одноклеточных — в лизосомах под действием гидролитических ферментов. Высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде теплоты. Образовавшиеся органические соединения либо подвергаются дальнейшему окислению, либо используются клеткой для синтеза собственных органических соединений.
Второй этап — неполное окисление (бескислородный) —
заключается в дальнейшем расщеплении органических веществ, осуществляется в цитоплазме клетки без участия кислорода.
Бескислородное, неполное окисление глюкозы называется гликолизом. В результате гликолиза из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), при этом синтезируются две молекулы АТФ.
Далее при отсутствии в среде кислорода ПВК перерабатывается либо в этиловый спирт — спиртовое брожение (в клетках дрожжей и растений при недостатке кислорода), либо в молочную кислоту — молочнокислое брожение (в клетках животных при недостатке кислорода).
При наличии в среде кислорода продукты гликолиза претерпевают дальнейшее расщепление до конечных продуктов, то есть включаются в третий этап.
Третий этап — полное окисление (дыхание) — заключается в окислении ПВК до углекислого газа и воды, осуществляется в митохондриях, при обязательном участии кислорода.
Суммарное уравнение расщепления глюкозы в процессе клеточного дыхания:
СН.,0, + 6 О, + 38 ҚР04 + 38 ЛДФ ->
-» 6 С02 + 44 Н20 + 38 АТФ.
Таким образом в ходе гликолиза образуются 2 молекулы АТФ, в ходе клеточного дыхания — еще 36 АТФ, в целом при полном окислении глюкозы — 38 АТФ.
Пластический обмен. Гетеротрофные организмы строят собственные органические вещества из органических компонентов пищи. Гетеротрофная ассимиляция сводится, по существу, к перестройке молекул:
органические вещества пищи (белки, жиры, углеводы) —> простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) —> макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).
Автотрофные организмы способны полностью самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических молекул, потребляемых из внешней среды. В процессе фото- и хемосинтеза, происходит образование простых органических соединений, из которых в дальнейшем синтезируются макромолекулы:
неорганические вещества (С02, Н20) —> простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) —» макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).
Рассмотрим наиболее важные, с точки зрения экологии, метаболические процессы пластического обмена — фотосинтез и хемосинтез.
Фотосинтез (фотоавтотрофия) — синтез органических соединений из неорганических за счет энергии света. Суммарное уравнение фотосинтеза:
hv
6 С02 + 6 Н20 -> С6Н1206 + 6 02.
Фотосинтез протекает при участии фотосинтезирующих пигментов, обладающих уникальным свойством преобразования энергии солнечного света в энергию химической связи в виде АТФ. Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой.
В процессе фотосинтеза кроме моносахаридов (глюкоза и др.) синтезируются мономеры других органических соединений — аминокислоты, глицерин и жирные кислоты. Таким образом, благодаря фотосинтезу растения обеспечивают себя и все живое на Земле необходимыми органическими веществами и кислородом.
Хемосинтез (хемоавтотрофия) — процесс синтеза органических соединений из неорганических (С02 и др.) за счет химической энергии окисления неорганических веществ (серы, водорода, сероводорода, железа, аммиака, нитрита и др.).
К хемосинтезу способны только хемосинтезирующие бактерии: нитрифицирующие, водородные, железобактерии, серобактерии и др. Они окисляют соединения азота, железа, серы и других элементов. Все хемосинтетики являются облигатными аэробами, так как используют кислород воздуха. Нитрифицирующие бактерии окисляют соединения азота:
N~3H3 —> (N+302)~ —> (N+503)~. Железобактерии превращают за- кисное железо в окисное: Ғе+2 -> Ғе+3. Серобактерии окисляют соединения серы: H2S-2 —> S° —> (S+403)2- —> (S+604)2~. Водородные бактерии окисляют свободный водород до воды: Н2° -> Н2+10.
Высвобождающаяся в ходе реакций окисления энергия запасается бактериями в виде молекул АТФ и используется для синтеза органических соединений. Хемосинтезирующие бактерии играют очень важную роль в биосфере. Они участвуют в очистке сточных вод, способствуют накоплению в почве минеральных веществ, повышают плодородие почвы.
Экологическая характеристика основных систематических групп организмов
Вирусы — внутриклеточные паразиты. Могут проявлять свойства живых организмов, только попав внутрь клетки. Простые вирусы (например, вирус табачной мозаики) состоят из молекулы нуклеиновой кислоты и белковой оболочки — капсида. Вирус подавляет существующие в клетке процессы транскрипции и трансляции. Он использует их для синтеза собственных нуклеиновой кислоты и белка, из которых собираются новые вирусы.
Прокариоты (бактерии, архебактерии, цианобактерии) — одноклеточные организмы, не имеют ядра. По способу питания среди бактерий встречаются фототрофы, хемотрофы, сапро- фиты, паразиты. Благодаря такому разнообразному метаболизму бактерии могут существовать в самых различных условиях среды: в воде, воздухе, почве, живых организмах. Велика роль бактерий в образовании нефти, каменного угля, торфа, природного газа, в почвообразовании, в круговоротах азота, фосфора, серы и других элементов в природе. Сапротрофные бактерии участвуют в разложении органических останков растений и животных и в их минерализации до С02, Н20, H2S, NH3 и других неорганических веществ. Вместе с грибами они являются редуцентами. Клубеньковые бактерии (азотфикси- рующие) образуют симбиоз с бобовыми растениями и участвуют в фиксации атмосферного азота в минеральные соединения, доступные растениям. Сами растения такой способностью не обладают.
54 ЧАСТЬ I. БИОСФЕРА
Грибы насчитывающее около 100 тыс. видов. Грибы являются гетеротрофами. Встречаются сапротрофы и паразиты. Грибы-паразиты вызывают такие заболевания растений, как головня, спорынья, ржавчина, мучнистая роса. Грибы-сапро- фиты играют важную роль в круговороте веществ в природе, минерализуя органические остатки отмерших растений и животных. Вместе со многими бактериями они являются редуцентами.
Растения — эукариотические автотрофные фотосинтезирующие организмы. Царство растений насчитывает около 500 тыс. видов. Растения являются продуцентами органических веществ и основным источником энергии для других живых организмов. Любые пищевые цепи начинаются с зеленых растений. Они же определяют характер биоценоза, защищают почву от эрозии. Растения служат источником кислорода воздуха и оказывают значительное влияние на климат Земли. Человек использует около 1,5 тыс. видов культурных растений как пищевые, технические и лекарственные ресурсы.
Животные — эукариотические гетеротрофные организмы. Их описано более 2,0 млн видов. У большинства животных питание голозойное, у некоторых осмотрофное. В пищевых цепях выполняют роль консументов. Встречаются свободножи- вущие формы и паразиты.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Что такое жизнь? Какие свойства (признаки) отличают живую материю от неживой?
Назовите и охарактеризуйте уровни организации живой материи.
Что такое эмерджентность? Как применимо это понятие к экологии?
Охарактеризуйте атомный (элементный) состав живых организмов. Приведите примеры макро-, микро- и ультрамикроэлементов.
Охарактеризуйте молекулярный (вещественный) состав живых организмов.
Что такое систематика, классификация и таксономия живых организмов?
Систематизируйте существующие на Земле организмы.
Классифицируйте живые организмы по типам питания.
Классифицируйте живые организмы по отношению к свободному
кислороду.
Охарактеризуйте две составные части метаболизма живых организмов: катаболизм и анаболизм.
Дайте определение понятиям «брожение», «дыхание», «фотосинтез» и «хемосинтез».
Дайте экологическую характеристику вирусам.
Дайте экологическую характеристику бактериям.
Дайте экологическую характеристику грибам.
Дайте экологическую характеристику растениям.
Дайте экологическую характеристику животным.
ЛИТЕРАТУРА
Биологический энциклопедический словарь / Гл. ред. М.С. Гиляров. М.: Сов. Энциклопедия, 1986.
Вахненко Д.В., Гарнизоненко T.C., Колесников С.И. Биология с основами экологии: Учебник для вузов / Под общ. ред. проф. В.Н. Думбая. Ростов н/Д: Феникс, 2003.
Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: В 3-х т. М.: Мир, 1990.
Колесников С.И. Общая биология. Ростов н/Д: Феникс, 2005.
Остроумов С.А. Введение в биохимическую экологию. М.: Изд-во МГУ, 1986.
Пехов А.П. Биология с основами экологии. СПб.: Лань, 2000.
Энное А.Р., Бейли С.Э.Р. Биология окружающей среды: Пер. с англ. М.: Колос, 1997.