Основные закономерности изменчивости

Изменчивость – свойство живых организмов изменяться, т.е. приобретать новые признаки или утрачивать старые. Различают два типа изменчивости: фенотипическую (ненаследственную) и генотипическую (наследственную).

Фенотипическая или модификационная изменчивость представляет собой изменение признаков организма (его фенотипа), не связанное с его генотипом. Разнообразие фенотипов при одном генотипе возникает под влиянием факторов внешней среды. Например, картофель обычно размножают вегетативно (клубнями). В этом случае все потомки обладают одинаковым генотипом. Значит ли это, что все растения, выращенные на поле и происходящие от одного клубня, будут одинаковыми? Нет. Многие растения будут отличаться по высоте, кустистости, количеству, размерам и форме клубней, и другим показателям. Так как модификационные изменения не затрагивают генотип, они ненаследственны. Но способность к модификации – признак наследственный. Например, в заповеднике Аскани – Нова антилопа гну зимой отращивает густой подшерсток, а антилопа канна к такой модификации не способна и может зимовать только в отапливаемых помещениях. Модификационная изменчивость ограничивается нормой реакции организма. Норма реакции – пределы (диапазон), в которых изменяется признак при одном и том же генотипе. Норма реакции разных генотипов различна и зависит от условий среды. Например, у крупного рогатого скота окраска шерсти не меняется в любых условиях, т. е. норма реакции по этому признаку постоянна, но по молочной продуктивности она варьирует в широких пределах в зависимости от условий кормления, содержания и т. д.

Норма реакции складывалась исторически в результате естественного отбора. Она имеет большое значение для адаптации организмов к тем или иным условиям и способствует сохранению вида.

Модификационная изменчивость обуславливается не передачей признака, а способностью организма формировать фенотип, соответствующий конкретным условиям. Например, растение стрелолист имеет листья различной формы: стреловидные (надводные), почковидные (плавающие) и лентовидные (погруженные). Причина возникновения лентовидных листьев – слабая освещенность в воде. Если посаженное на суше растение стрелолиста затенить, у него и на воздухе вырастут лентовидные листья. Следовательно, у этого растения наследственно детерминирована не форма листа, а способность изменять форму в некоторых пределах.

Особую форму модификационной изменчивости составляют длительные модификации, т. е. сохраняющиеся в нескольких поколениях. Например, при воздействии высоких или низких температур на куколок колорадского жука окраска взрослых животных меняется, и этот признак держится в нескольких поколениях, но при условии, что температурным воздействиям подвергались особи женского пола. Признак не передавался в последующие поколения, если нагревались или переохлаждались особи мужского пола. Следовательно, длительные модификации передаются по типу цитоплазматической наследственности.

Генотипическая изменчивость обусловлена изменениями генотипа. Она делится на два вида: комбинативную и мутационную. В основе комбинативной изменчивости лежит половое размножение, вследствие которого возникают различные генотипы. Источники комбинативной изменчивости: 1) кроссинговер, 2) случайное комбиниpование негомологичных хромосом в анафазу 1 мейоза, 3) случайная встреча гамет при оплодотворении. Все три источника действуют независимо друг от друга. Следует, однако, помнить, что новые комбинации генов не только часто возникают, но также часто могут и разрушаться. Именно поэтому в потомстве многих выдающихся по своим качествам организмов появляется потомство, уступающее по этим признакам своим родителям.

Мутационная изменчивость – это изменчивость, при которой происходят скачкообразные, прерывистые изменения наследственного материала – мутации. Мутации – внезапные, случайно возникшие, стойкие изменения генотипа, затрагивающие весь геном, целые хромосомы или их части, отдельные гены.

Учение о мутациях было заложено в работах Г. де Фриза. Основные положения мутационной теории: 1) мутации возникают внезапно и являются качественными изменениями; 2) новые мутантные формы устойчивы; 3) одни и те же мутации могут возникать повторно; 4) мутации могут быть вредными, полезными и нейтральными.

Мутации классифицируют по измененным клеткам (соматические и генеративные); по причине, их вызывающей (спонтанные и индуцированные); по локализации изменений в генотипе (генные, хромосомные, геномные).

Соматические мутации возникают в генотипе клеток тела. При делении мутировавшей клетки новый признак передается потомкам. Например, если у растения мутировала почка, а из нее развился побег, то он приобретает новые свойства или признак (на кусте черной смородины может появиться ветка с белыми ягодами). При половом размножении соматические мутации потомкам не передаются и в процессе эволюции никакой роли не имеют.

Генеративные мутации – изменения в генотипе половых клеток. Если генеративная мутация доминантна, то новый признак появляется уже в первом поколении даже у гетерозигот. Рецессивная мутация проявляется обычно через несколько поколений и только у гомозигот.

Наблюдения показывают, что многие мутации вредны для организма, приводят к снижению жизнеспособности (полулетальные) или гибели (летальные). Но часто (у растений) мутации могут быть полезными. Такие мутации являются материалом для эволюции и селекции.

Спонтанные мутации встречаются в природе в естественных условиях без вмешательства человека. У одних видов они происходят чаще, у других – реже. В результате изучения спонтанных мутаций у растений Н.И. Вавилов сформулировал закон гомологических рядов в наследственной изменчивости: «Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов». Данный закон позволил по-новому подойти к пониманию принципов мутаций в природе. Оказалось, что наследственная изменчивость запрограммирована в генотипе и мутации случайны, если их рассматривать в отдельности. В целом же они, с точки зрения закона Н.И. Вавилова, представляют собой закономерное явление в системе вида. В 1920 году, когда был сформулирован этот закон, еще не знали озимой формы твердой пшеницы, но существование ее было предсказано. Через несколько лет такую форму обнаружили в Туркмении.

Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости имеет прямое отношение к изучению наследственных болезней человека. Согласно закону Н.И. Вавилова, мутации, аналогичные наследственным болезням человека, должны встречаться у животных. Действительно, многие мутации, обнаруженные у животных, могут служить моделями наследственных болезней человека. Например, у собак, свиней, лошадей наблюдается гемофилия. Ген, детерминирующий ее, сцеплен с Х – хромосомой, как и у человека. Альбинизм описан у кошек, собак, многих видов грызунов. Наследственная глухота описана у собак, мышей, морских свинок.

Индуцированные мутации происходят в генотипе особи под влиянием специальных, направленных факторов, получивших название мутагенных факторов или мутагенов. Различают 3 группы мутагенов: физические, химические, биологические.

Индуцированные мутации, вызванные облучением дрожжевых грибков радием были впервые экспериментально получены в нашей стране в 1925 году Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым. Американский генетик Г. Меллер в 1927 году показал, что рентгеновы лучи вызывают у дрозофил множество мутаций. В дальнейшем было установлено, что мутации могут возникать под действием всех видов проникающей радиации.

Приоритет открытия химических мутаций также принадлежит отечественным ученым. В 1933 году В.В. Сахаров получил мутации путем действия йода, в 1934 году М.Е. Лобашов, применяя аммоний, в 1946 году Рапопорт – под действием формалина.

Из биологических мутагенов наиболее сильными являются вирусы, токсины плесневых грибков.

Индуцированные мутации широко используются в селекции растений, т. к. дают широкий спектр появления новых признаков и служат ценным материалом для искусственного отбора. В связи с научно – техническим прогрессом во всех областях народного хозяйства широко применяются химические соединения, радиоактивные вещества и другие искусственные мутагены. Например, в сельском хозяйстве используются различные химические соединения в качестве удобрений, инсектицидов, пестицидов, дефолиантов, которые далеко не всегда безвредны для человека. Все эти вещества могут вызывать у людей мутации. В связи с этим следует усилить контроль за загрязнением окружающей среды мутагенами и принимать конкретные меры по предупреждению их выброса.

Генные (точковые) мутации затрагивают структуру самого гена. Мутации могут изменять участки молекулы ДНК разной длины. Наименьший участок ДНК, изменение которого приводит к появлению мутации, назван мутоном. Минимально он может состоять из одной пары нуклеотидов. Изменения в ДНК могут быть в виде выпадения, повторения или смены места нуклеотидов. Эти мутации при отсутствии репарации могут изменять структуру белка – фермента, кодируемого данным геном, изменять его свойства или полностью нарушать его синтез. Генные мутации часто встречаются в природе. Они могут быть доминантными и рецессивными, полезными и вредными, возникать в гаметах или соматических клетках, спонтанно или под направленным действием мутагенов. Фенотипическим проявлением многих генных мутаций у человека являются нарушения обмена веществ – генные (молекулярные) болезни: сахарный диабет, гипертоническая болезнь, атеросклероз и др.

Хромосомные мутации (перестройки) обусловлены изменением структуры хромосом. Они являются следствием разрыва хромосомы с образованием фрагментов, которые в дальнейшем могут утрачиваться, удваиваться, менять место в хромосоме. Различают 4 типа хромосомных мутаций: 1) делеции, 2) дупликации, 3) инверсии, 4) транслокации. Большинство таких мутаций вредно для организмов и ведет к снижению жизнеспособности или гибели.

Геномные мутации – это изменения числа хромосом. Различают два типа геномных мутаций: полиплоидию и гетероплоидию.

Полиплоидия – увеличение диплоидного набора хромосом, кратное гаплоидному. Она возникает при разрушении веретена деления во время митоза или мейоза и приводит к образованию клеток с набором 3п, 4п, 6п и т. д. Полиплоидия часто встречается в растительном мире. Существует мнение, что эволюция цветковых растений шла путем полиплоидизации. Культурные растения в большинстве своем – полиплоиды. Они отличаются от своих диких «собратьев» более крупными размерами клеток, листьев, цветков, плодов, семян. Например, полудикий вид пшеницы однозернянки имеет 14 хромосом (2п), твердая пшеница – 28 хромосом (4п), мягкая пшеница – 42 хромосомы (6п).

Гетероплоидия – вид геномной мутации, обусловленной избытком или недостатком одной, двух, трех и более хромосом из любой пары аутосом или половых хромосом. Гетероплоидия происходит в результате нарушения расхождения гомологичных хромосом в профазе I мейоза после их конъюгации или в анафазе I. В итоге образуются половые клетки с нарушенным набором хромосом. После оплодотворения таких клеток формируется зародыш с гетероплоидией. Явление, при котором вместо двух гомологичных хромосом оказывается их три, называется трисомией, уменьшение хромосом в какой – либо паре – моносомией. Гетероплоидия у животных и человека вызывает тяжелые заболевания и смерть, а у растений – уменьшение размеров, снижение урожайности.

Цитоплазматическа я мутация – результат изменения ДНК клеточных органелл (митохондрий, пластид). Эти мутации наследуются при вегетативном размножении.

 

Селекция растений, животных

И микроорганизмов

 

Говоря о селекции следует иметь в виду два значения этого слова:

1) процесс создания сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов, полезных для человека;

2) науку, разрабатывающую теорию и методы создания сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов, полезных для человека.

Теоретическая база селекции – генетика. Итогом селекционного процесса является новый сорт, порода или штамм. Как наука селекция окончательно оформилась благодаря трудам Ч. Дарвина, который проанализировал огромный фактический материал по одомашниванию животных и введению в культуру растений и на этой основе создал учение об искусственном отборе.

Селекция как процесс представляет собой специфическую форму эволюции. Главная отличительная ее черта в том, что естественный отбор заменен на искусственный, проводимый человеком. Вавилов Н. И. писал, что селекция представляет собой «эволюцию, направляемую волей человека». Таким образом, селекция есть важнейший род деятельности человека, итогом которой стали все имеющиеся сегодня сорта культурных растений, породы домашних животных и штаммы полезных микроорганизмов.

Основные разделы селекции как науки: 1) учение об исходном материале; 2) учение о типах и источниках наследственной изменчивости; 3) учение о роли среды в развитии признаков и свойств; 4) теория искусственного отбора.

Задачи селекции: 1) улучшение продуктивности пород животных, повышение урожайности сортов растений, имеющихся у человека; 2) выведение новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов, полезных для человека. Для выполнения этих задач у нас существует широкая сеть научных и научно-практических учреждений-институтов, селекционных станций, племенных хозяйств.

 

 

Селекция растений

 

Культурные растения произошли от диких предков. Этот процесс называют введением в культуру. Движущей и направляющей силой этого процесса служит искусственный отбор. Сначала бессознательный, случайный – отбор на способность размножаться в условиях искусственного возделывания. На этом этапе еще не ставится цель улучшить урожайность. Наиболее полно этот этап проанализировал Ч. Дарвин в своих работах «Происхождение видов» и «Изменение животных и растений в домашнем состоянии». Из 250 тысяч видов растений человек использует 3 тысячи видов и только 150 видов он ввел в культуру. Первыми были введены в культуру хлебные злаки: рожь, просо, пшеница.

Следующим этапом введения в культуру растений было применение сознательных форм искусственного отбора с целью улучшения урожайности; качества продукции; устойчивости к экстремальным условиям среды; болезням и т. д.

В селекции выделяют два вида сознательного искусственного отбоpа: 1) массовый отбор, 2) индивидуальный отбор.

Массовый отбор проводится по внешним (фенотипическим) признакам в популяции. Например, в поле ржи из 1000 растений выбирают 50 с более полным колосом и крупными зернами, смешивают все зерна и высевают, ожидая более высокого урожая, но он будет выше не всегда, т. к. по внешним признакам не всегда можно определить лучший генотип (недостаток этой формы отбора).

Индивидуальный отбор ввел французский селекционер Ж. Вильморен. Суть его в том, что берутся семена от каждого растения и отдельно высеваются. Таким образом, оценивается индивидуально не только внешний вид, но и генотип. Индивидуальный отбор можно продолжить в последующих поколениях, добиваясь поставленной цели. Введение индивидуального отбора открыло эру комбинативной селекции, где основным элементом является скрещивание форм, отличаюшихся по отдельным признакам или их комплексам. Вслед за этим в расщепляющейся гибридной популяции в течение ряда поколений ведется отбор рекомбинативных гомозиготных форм с новыми сочетаниями генов.

Классические методы селекции: 1) гибридизация (близкородственная и отдаленная); 2) гетерозис; 3) полиплоидия; 4) искусственный мутагенез.

Близкородственная гибридизация основана у растений на самоопылении перекрестноопыляющихся сортов. При этом повышается гомозиготность особей по изучаемым признакам, что закрепляется в последующих поколениях. Потомство, полученное от самоопыляемой особи, называется чистой линией. При скрещивании чистых линий между собой (межлинейная гибридизация) в первом поколении наблюдается гетерозис (гибридная сила). Гетерозис повышает на 20-30% урожайность многих сортов растений (кукурузы, сахарной свеклы, огурцов, томатов). Эффект гетерозиса можно закрепить при вегетативном размножении, либо за счет полиплоидии.

Отдаленная гибридизация позволяет сочетать в одном организме ценные признаки разных видов или даже родов. Как правило, она осуществляется с трудом и уже первое поколение бесплодно.

Полиплоидия – увеличение набора хромосом кратное гаплоидному. Играет большую роль при создании новых сортов растений: пшеницы, овса, картофеля, гречихи и др. Полиплоиды выгодны растению, так как более устойчивы к неблагоприятным условиям среды (на севере, в горах). Они более урожайны, что весьма выгодно человеку. Для их получения растения облучают или воздействуют различными химическими веществами (колхицином и дp.).

Важнейший раздел селекции как науки – учение об исходном материале. Оно разработано выдающимся генетиком и селекционером Н. И. Вавиловым и подробно изложено в его работе «“Центры происхождения культурных растений». Любая селекционная программа начинается с подбора селекционного матариала. Решая эту проблему, Н. И. Вавилов обследовал земной шар и выявил территории с наибольшим генетическим разнообразием растений. Их 8 и они являются центрами происхождения этих видов растений:

1) южно-азиатский (юг Индии, Китая, Индокитай) – родина риса, банана;

2) восточно-азиатский (южно – китайский) – родина проса, гречихи, яблони:

3) юго-западноазиатский (среднеазиатский) – родина гороха, винограда;

4) переднеазиатский – родина хлопчатника, тыквы;

5) средиземноморский – родина маслин, свеклы, капусты;

6) абиссинский – родина кофе, арбузов, твердой пшеницы;

7) центральноамериканский – родина кукурузы, фасоли, перца; 8) южноамериканский – родина картофеля, табака, арахиса и др.

Большой вклад в селекцию растений внес И. В. Мичурин. Для преодоления барьера нескрещиваемости, усиления доминантности он разработал несколько методов:метод ментора, метод вегетативного сближения тканей, метод посредника, метод опыления смесью пыльцы разных видов.

Достижения селекции – выведено много новых сортов растений, устойчивых к низким температурам, высокоурожайных, устойчивых к возбудителям болезней и т. д. У нас на Алтае в НИИ растениеводства и садоводства им. М. А. Лисавенко выведены многочисленные сорта яблони, сливы, облепихи, смородины и других плодовых и ягодных культур.

 

 

Селекция животных

 

Домашние животные произошли от диких предков. Этот процесс называют одомашниванием (приручением). Давно приручены коза, собака, овца, лошадь, свинья, а совсем недавно – лисицы, норки, соболи.

Общие принципы селекции животных те же, что и при селекции растений. И здесь движущей и направляющей силой служит искусственный отбор, т. е. в основе получения улучшенных и новых пород лежат отбор и наследственная изменчивость, протекающие на фоне условий среды, наиболее благоприятных фенотипическому проявлению желательных признаков. Однако, селекция животных имеет отличия: 1) у домашних животных существует только половое размножение; 2) у животных невозможно провести массовый отбор; 3) важное значение имеет учет экстерьерных признаков (телосложение, соотношение частей тела, форма и др.), так как развитие многих хозяйственно важных признаков (молочной продуктивности, яйценосности у птиц) связано с этими признаками.

Первый этап селекции животных – приручение. Это ослабило действие стабилизирующего отбора и привело к резкому повышению изменчивости, а это на втоpом этапе использовал человек для искусственного отбора нужных (полезных) ему признаков.

Исследования показали, что географические области приручения животных в значительной мере совпадают с центрами многообразия и происхождения культурных растений.

В последние годы в селекцию животных введены новые методы: 1) искусственное осеменение; 2) гормональная суперовуляция и трансплантация (совокупность методов забора десятков зигот от лучших коров и выращивание их в организмах коров с более низкой племенной ценностью); 3) полиэмбриония (деление одной зиготы на ранних стадиях дробления на несколько частей и выращивание из каждой части целого организма).

Получены внушительные успехи в селекции животных – выведены высокопродуктивные степная белая украинская свинья, мясошерстной породы бараны, высокоудойные коровы, пушные звери с разной окраской меха (норки) и др.

 

 

Селекция микроорганизмов

 

Микроорганизмы играют важную роль в жизни человека. Многие из них создают вещества, необходимые для его жизнедеятельности. С древних времен человек использует уксуснокислые бактерии в производстве уксуса, молочнокислые бактерии для приготовления молочнокислых продуктов питания, пропионовокислые бактерии в сыроделии и для получения витаминов. Актиномицеты используются как продуценты антибиотиков, дрожжи незаменимы в виноделии, пивоварении, хлебопечении; нитчатые грибы нужны для получения лимонной, глюконовой и итаковой кислот, а также в производстве пластмасс и т. д.

Использование микроорганизмов и их селекция стали возможны после разработки специальных микробиологических методов. Огромный вклад внес Луи Пастер. Он разработал научные методы селекции бактерий, базирующиеся на применении методического искусственного отбора и использовании естественного отбора, путем создания условий, в которых естественный отбор действует в желательном для человека направлении. Природные штаммы обычно низкопродуктивны. Поэтому основная задача селекции микроорганизмов – получение высокопродуктивных штаммов с помощью отбора и индуцированного мутагенеза. В качестве мутагенов применяют ультрафиолетовые и рентгеновы лучи, химические вещества. Например, удалось повысить в 10000 раз выход пенициллина из плесневого грибка; в 20000 раз – рибофлавина (витаминаВ2) из дрожжевого грибка; в 5000 pаз – витамина В12из бактерий.

Основные направления биотехнологии. Использование человеком биохимических и генетических свойств живых организмов в практических целях обусловило появление нового направления в биологии – биотехнологии. Биотехнология – совокупность промышленных методов, основанных на использовании живых организмов и биологических процессов для производства различных продуктов в целях улучшения свойств экономически ценных видов растений, животных и микроорганизмов. Согласно определению Европейской федерации по биотехнологии «биотехнология – интегрированное использование биохимии, микробиологии и инженерных наук в целях достижения технологического (промышленного) применения способностей микроорганизмов, культуры клеток тканей и их частей».

Выделяют три раздела биотехнологии: 1) микробиологическая промышленность; 2) генная инженерия; 3) клеточная инженерия.

Микробиологическая промышленность появилась в 60-е годы ХХ столетия и решает следующие задачи: обеспечивает животноводство полноценным кормовым белком; получает ферменты (амилазы, протеазы, целлюлазы), антибиотики, незаменимые аминокислоты, источники энергии в виде биогаза, этанола, водорода.

Генная инженерия – это конструирование функционально активных генетических структур и наследственно измененных микроорганизмов. Успехи этого направления базируются на работах Уотсона и Крика. Основной задачей генной инженерии является выделение генов, их клонирование и создание рекомбинативных ДНК (искусственных ДНК с новыми комбинациями генов, а следовательно, новыми признаками организма). На основе генной инженерии можно создать сверхпродуценты – микроорганизмы, с помощью которых наладить производство витаминов, антибиотиков, аминокислот быстрее, больше и дешевле, чем методами обычной селекции и генетики. Для медицины – производство инсулина, интерферона, ферментов, ряда противовирусных вакцин, гормона роста и др.

Клеточная инженерия – метод конструирования клеток нового типа путем культивирования, гибридизации и реконструкции. Значение клеточной инженерии: с ее помощью удалось соединить геномы весьма далеких видов и получить новые клетки с новыми признаками и свойствами. Изучая гибридные клетки, можно выяснить механизмы размножения и дифференцировки на молекулярном уровне. Клеточная инженерия применяется для получения узконаправленного действия антител, для создания новых форм растений с заданными свойствами.

Основы экологии

 

Экология – наука, изучающая взаимоотношения организмов между собой и со средой обитания. Она рассматривает особенности развития, размножения и выживания особей, структуру и динамику численности популяций. Современная экология включает в себя ряд разделов, изучающих разные стороны взаимоотношений организмов между собой и с неживой природой. Так, аутэкология или экология особей изучает адаптации к температуре, влажности, солености; характеристики роста и размножения; особенности обмена веществ у особей разных видов. Популяционная экологи я занимается вопросами пространственной структуры и численности популяций. Экология сообществ исследует видовой состав сообществ, их пространственную структуру, изменения во времени. Выделяют разделы экологии и по другим принципам. Так исторически сложилось деление этой науки на экологию растений и экологию животных. В последнее время бурно развивается экология микроорганизмов. Говорят об экологии рыб, земноводных, насекомых и других типах сообществ. Например, водными экосистемами занимается гидроэкология, лесными – лесоведение. Палеоэкология реконструирует древние сообщества, изучает их эволюцию. Экология тесно связана с эволюционным учением, систематикой, генетикой и другими биологическими дисциплинами.

Предметом экологии являются различные уровни организации живой материи – популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный.

Задачи экологии: 1) исследовать закономерности взаимоотношений различных групп организмов с факторами окружающей среды; их влияние на среду обитания; 2) разрабатывать научные основы рационального использования биологических ресурсов; прогнозировать изменения природы в связи с деятельностью человека; 3) разрабатывать биологические меры борьбы с сорняками и вредителями растений; 4) изучать возможности создания безотходных технологий на промышленных предприятиях; 5) организовывать мероприятия по ликвидации природных очагов инфекций и инвазий.

Методы экологии: 1) полевые – выясняют характер влияния на популяцию факторов среды, общую картину жизнедеятельности вида в конкретных условиях; 2) экологический эксперимент – устанавливает особенности влияния отдельных факторов на развитие организма (в аквариуме или мелком водоеме); 3) математическое моделирование – предсказывает жизнеспособность экосистем в зависимости от климатических условий и антропогенных нагрузок.

Значение экологических знаний в жизни человеческого общества всегда было велико. В период охоты и собирательства, когда еще не было письменности, знания об образе жизни и повадках животных, распространении и свойствах растений передавались устно из поколения в поколение. Когда возникло сельское хозяйство стали накапливаться знания об оптимальных сроках посева и сбора урожая, о свойствах почв и удобрений, о влиянии растений и животных друг на друга и т. п. Но эти знания еще не были научными. Когда экология сформировалась как наука, ее роль резко возросла. Появилась возможность предсказывать последствия хозяйственной деятельности человека, давать рекомендации как вести хозяйство, промысел, развивать промышленность, не истощая ресурсов среды и не разрушая природных сообществ. Важность таких научных прогнозов особенно велика в наши дни, когда из-за технического прогресса человечество стало заметно воздействовать на биосферу в целом, т. е. на свою среду обитания.

Среда в понимании эколога – все, что окружает особь и воздействует на нее. Сюда входят все живые существа, любые неживые объекты, физические и химические процессы и явления.

У каждого вида своя среда обитания. Для дерева – почва и рядом растущие растения. Для аскариды – организм человека, для волка – разные территории в десятки квадратных километров.

С внешней средой живые организмы постоянно обмениваются веществом и энергией. Такие системы называют открытыми. Растения и некоторые виды бактерий получают энергию в виде солнечного света, остальные организмы – в виде различных веществ, при окислении которых высвобождается энергия химических связей. Запасенная в виде АТФ энергия расходуется организмами на совершение различных видов работ: синтез органических соединений, транспорт веществ, движение. Часть энергии при этом рассеивается в виде тепла. Вещества, поступающие в организм извне, либо преобразуются и включаются в состав тела, либо расходуются на химические реакции.

Испытывая потребность в притоке веществ и энергии, организмы полностью зависят от среды. Как только обмен со средой прекращается, активная жизнедеятельность становится невозможной. Но организмы и сами активно влияют на среду обитания. От жизнедеятельности организмов зависит газовый состав атмосферы. Кислород поступает в результате фотосинтеза растений и расходуется организмами – аэробами при дыхании. Углекислый газ извлекается из атмосферы растениями и вновь поступает туда при разложении остатков погибших организмов. Азот извлекается из атмосферы азотфиксирующими бактериями и возвращается в нее вследствие деятельности других бактерий. Разлагая тела погибших организмов, бактерии, грибы и животные участвуют в образовании почвы. От деятельности животных и растений зависит содержание растворенного органического вещества и минеральных солей в природных водах.

Организмы могут менять не только химический состав среды, но и ее физические свойства. Например, роющие животные рыхлят почву, перемешивают ее слои и тем самым меняют механический состав.

Итак, организмы постоянно испытывают воздействие меняющихся условий среды и сами изменяют эти условия.

Экологические факторы – это любые воздействия среды, на которые организм реагирует приспособительными реакциями. Выделяют три группы таких факторов: 1) абиотические, 2) биотические, 3) антропогенные.

Абиотические факторы – это совокупность условий неорганической природы (температура, свет, влажность, химический состав почвы, воздуха; различные виды излучения и т. д.).

Температура. От температуры окружающей среды эависит температура тела большинства организмов, а следовательно, скорость всех химических реакций. Нормальное строение и функционирование белков, от которых зависит само существование жизни, возможно в пределах от 0 до 50 °С. Температурные границы жизни гораздо шире. Некоторые виды бактерий и водорослей обитают в горячих источниках при температуре +80 ° – 88 °С. Во льдах Антарктиды температура может опускаться до – 88 °С. Таким образом, диапазон колебаний температуры на разных территориях Земли, где встречается жизнь, достигает 176 °С. Даже в одном местообитании температура может значительно колебаться в течение суток. Например, в пустыне Сахара суточные колебания могут быть до 50 °С Разница между минимальной температурой зимой и максимальной летом может составлять более 80 °С. Но ни одно живое существо в мире не способно в активном состоянии переносить весь диапазон температур. Поэтому распространение любого вида растений или животных ограничено тем местообитанием, к температуре которого он приспособлен.

По отношению к температуре живые организмы делят на две группы: пойкилотермные, температура тела которых зависит от окружающей среды и получающих теплоту от внешних источников, и гомойотермные, поддерживающих температуру тела самостоятельно, независимо от ее колебаний во внешней среде. В процессе эволюции все организмы выработали механизмы терморегуляции.

Приспособления против переохлаждения: морфологические адаптации (карликовость, образование стелющих форм); физиологические (снижение точки замерзания клеточного сока, повышение концентрации углеводов, накопление глицерина и некоторых спиртов у зимующих насекомых); поведенческие приспособления (поиски укрытия в почве, коре деревьев, строениях). Крайней формой адаптации служит анабиоз – это состояние организма, когда все процессы жизнедеятельности настолько снижены, что отсутствуют все видимые признаки жизни. Для многих видов животных характерна зимняя спячка, во время которой уровень обменных процессов снижается, но не достигает той степени угнетения, как при анабиозе.

Приспособления против перегрева: густое опушение листьев у растений, свертывание листовых пластинок или их уменьшение, превращение в колючки; развитая корневая система, запасание воды. У пойкилотермных животных основные способы регуляции температуры поведенческие: изменение позы тела, рытье нор, смена места обитания, ночной образ жизни и др. Гораздо меньше зависят от температуры окружающей среды гомойотермные животные. У них произошли ароморфозные изменения в строении кровеносной системы (полное разделение сердца на 4 камеры и токов артериальной и венозной крови) и нервной системы (головной мозг обеспечивает совершенную регуляцию обмена веществ, дыхания, кровообращения). Кроме того, они имеют много мелких частных приспособлений, обеспечивающих постоянную температуру тела (толстый слой жировой клетчатки, перья, волосяной покров).

Свет. Излучение Солнца выполняет по отношению к живым организмам двоякую роль. Во-первых, это источник тепла, а во-вторых, свет является сигналом, определяющим активность процессов жизнедеятельности. Для живых организмов большое значение имеет длина волны излучения, его продолжительность и интенсивность. Ультрафиолетовые лучи (УФЛ) составляют 10% всей лучистой энергии. Они невидимы для человека, но под их воздействием в организме образуется витамин Д. Органы зрения насекомых воспринимают УФЛ и с их помощью ориентируются в пространстве в пасмурную погоду.

Наибольшее значение имеет видимый или белый свет, он составляет 45% общего количества лучистой энергии, падающей на Землю. Энергия видимого света используется для фотосинтеза. У растений с повышением освещенности возрастает интенсивность фотосинтеза до известного предела, называемого уровнем светового насыщения. Дальнейшее усиление светового потока не сопровождается увеличением фотосинтеза, а затем даже угнетается.

По отношению к свету различают три группы растений: светолюбивые, тенелюбивые и теневыносливые.

В регуляции активности живых организмов и их развитии большое значение имеет продолжительность освещения (фотопериод). Изменение фотопериода служит сигналом к изменению процессов жизнедеятельности. Весной, с удлинением фотопериода начинается рост и цветение у растений, размножение у птиц и млекопитающих. Укорочение фотопериода осенью служит сигналом растениям сбрасывать листву, животным – накапливать жир, готовиться к зимней спячке. Реакция организмов на сезонные изменения длительности дня носит название фотопериодизма. У растений под влиянием света образуются гормоны, влияющие н