Тема: Системная концепция биоразнообразия.

 

Цель: ознакомить студентов с основными подходами в изучении биоразнообразия

 

1. Концепция системного подхода в изучении жизни.

2. Генетическое разнообразие.

3. Видовое и экосистемное разнообразие.

4. Оценка биоразнообразия.

 

Концепция системного подхода в изучении живого.

 

Основу современного представления о биологическом разнообразии составляет концепция системности и разноуровненности организации жизни.

Системность живого означает, что любое живое существо представляет собой своеобразный комплекс тесно взаимосвязанных подсистем и, вместе с тем, оно является составной функциональной частью систем более высокого ранга. Формирование этого представления имеет длительную историю и шло несколькими путями.

Наиболее значимым является формирование представления о целостности организма, как совокупности и взаимосвязи слагающих его частей. Исторически оно базируется на трудах Ж.Кювье (принцип корреляции 1817) и К.Бернала (о вазомоторной - сосудодвигательной -функции нервной системы). В дальнейшей эволюции этих представлений важную роль сыграли эмбриологические исследования (Г. Монгольд,1924) и особенно теория Н.И.Вавилова о гомологической наследственности, согласно которой генотипы стали понимать как интегральную систему генов, регулирующих процесс наследственной изменчивости.

Второе направление связано с развитием представлений о структуре вида. Считается, что первую концепцию биологического вида сформулировал Дж.Рей (1627-1705),(хотя ее корни прослеживаются до Ф.Бэкона и Аристотеля), который видом считал собрание особей, как дети похожих на родителей. К.Линней(описавший в «Системе природы» все известные растения и животные) сформировал представление о мономорфизме вида, как совокупности особей, сходных по всем признакам. Ч.Дарвин ……

Сложной таксономической структурой считал вид П.П.Семенов-Тянь-Шанский (1910), но лишь с выходом работыН.И.Вавилова (1931) «Линнеевский вид как система», представления о структурированности вида сменилось представлением о его системности. В этой работе было указано, что разнообразие внутривидовых форм обусловлено неодинаковыми условиями среды с разным направлением естественного отбора. Вместе с тем, вид признавался единым, что достигалось обменом генами между всеми внутривидовыми формами. С другой стороны генотипические структуры аппарата наследственности ограничивают связи особей, что обеспечивает обособленность одних видов от других

Третьим направлением, которое привело к  формированию представления о системности в биологии, стало развитие представлений о взаимосвязанности и взаимодействии разных видов, обитающих совместно.

Такое развитие и непрерывное углубление представлений об обязательности связей между структурами живого привело к тому, что концепции системности живого прочно вошли в теорию биологии. Сейчас она (как часть общей теории системЛ. Берталанфи) предполагает целостное понимание биологических явлений, где все химические процессы регулируются геномом, геном не существует вне организма, организм- вне вида, вид - вне экосистемы, а организм - вне среды.

По Л.Берталанфи система - это комплекс находящихся во взаимодействии иерархически соподчиненных элементов. Взаимодействие между ними осуществляется в соответствии с принципом Ле-Шателье – всякая система подвижного равновесия под внешним воздействием изменяется так, что эффект внешнего воздействия сводится к минимуму.

 

 

Генетическое разнообразие

 

Первичным, базовым уровнем организации жизни нашей планеты является геном, разнообразие генетических вариаций которого определяет естественное биологическое разнообразие.

Генетическое разнообразие проявляется в генотипической гетерозиготности,полиморфизме и других формах генотипической изменчивости, существование которых вызывается адаптационной необходимостью природных популяций приспосабливаться к конкретным условиям.

Как известно генетическое разнообразие определяется изменением последовательности четырех комплиментарных нуклеотидов (А-Г и Т-Ц) в нуклеиновых кислотах,  составляющих генетический код любого организма. Количество генов у разных организмов неодинаково – от 1000 у бактерий, до 10000 у грибов, 100000 у высших растений и 500000 у высших животных. В целом же в мировой биоте предположительно насчитывается около миллиарда генов. Вместе с тем, потеря даже одного вида чревата утерей тысяч генов с еще неизвестными потенциальными свойствами.

Новые генетические вариации в естественных популяциях возникают в процессе генных и хромосомных мутаций, а у видов с половым размножением и рекомбинацией генов (у культурных растений и животных в т.ч. в процессе селекционного отбора). Количественно генетические вариации у любого вида могут быть оценены как числом возможных комбинаций различных форм от каждой генной последовательности, так и числом хромосом и некоторыми другими показателями.

 К настоящему времени изучена лишь незначительная часть генетического материала, когда можно определенно сказать какие гены отвечают за отдельные генетические признаки организмов или определенные физиологические процессы и эволюционные изменения.

Вместе с тем, не все гены дают одинаковый вклад в формирование разнообразия. Так, гены определяющие важнейшее биогеохимические процессы обмена веществ, более консервативны и подвержены меньшим изменениям чем другие.

Изучение закономерностей распространения генотипов в популяциях начатое Пирсоном (1904), Г.Харди и В. Вайнбергом (1908) еще в первые годы XX столетия показало, что при наличии  двух различных аллелей одного гена и действии свободного скрещивания, генотипы в популяциях распределяются в соответствии с формулой (a+b)2=a2+2ab+b2, что фенотипически проявляется как соотношение 3:1. Затем установлено, что при различии по трем аллелям генотип разделяется в соответствии с формулой (a+b+c)2.

Исходя из закона Харди-Вайнберга, наш соотечественник С.С.Четвериков доказал неизбежность генетической разнородности природных популяций, хотя некоторые мутации  могут оставаться скрытыми. Для жизни популяций эта особенность имеет важное значение, поскольку:

- при изменении условий вид может сохраниться благодаря не только современным изменениям, но и благодаря «капиталу» генов доставшемуся от предков, которые и обеспечивают высокую устойчивость его приспособлений в постоянно изменяющихся условиях среды. В связи с этиморганизмы,  обладающие удачными вариантами признаков,  имеют большую вероятность выжить и оставить потомство (генетический гомеостаз - т.е. способность популяции поддерживать в равновесии свою генетическую структуру);

-при резких изменениях условий обитания даже от громадных популяций в живых могут остаться всего несколько особей, причем порой даже совершенно нетипичных для бывшей популяции. В связи с этим новая популяция генетически будет уже совершенно другой;

-благодаря мутациям, расщеплениям гетерозигот и миграции генов в популяциях могут проявляться резкие, скрытые, порой даже вредные мутации(т.н. «генетический груз»), которые будут вытесняться и элиминироваться в процессе естественного отбора. У человека, например, это приводит к возникновению больного потомства даже у совершенно здоровых родителей (до 35 летальных исходов на 1000 новорожденных).

Для описания различных ситуаций в популяционной генетике применяется несколько моделей. Наибольшей известностью среди них пользуются модели, предложенные С.Райтом – островная (с двумя вариантами) и изоляция расстоянием.Промежуточной является модель М.Кимуры (1953).

В любом случае эволюционный процесс напрямую зависит от генетического разнообразия популяций и условий, при которых изоляция и перекрестная коммуникация поддерживаются в соответствующем равновесии.