Организм как живая целостная система

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ

 

Экология (от греч. "ойкос" - дом, жилище и "логос" - учение) - наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. Изначально экология развивалась как составная часть биологии, в тесной связи с другими естественными науками - химией, физикой, геологией, географией, а также математикой. Предметом изучения в экологии является совокупность и структура связей между организмами и средой. Главный объект изучения в экологии - экосистемы, т.е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой их обитания. В область компетенции экологии входит также изучение отдельных видов организмов (организменный уровень), их популяций, т.е. совокупностей особей одного вида (популяционно-видовой уровень) и биосферы в целом (биосферный уровень).

Традиционной частью экологии является общая экология, изучающая общие закономерности взаимоотношений любых живых организмов и среды (включая человека как биологический вид). В составе общей экологии выделяют следующие основные разделы:

1. Аутэкологию, исследующую индивидуальные связи отдельного организма (вида, особи) с окружающей средой;

2. Популяционную экологию (демэкологию), изучающую структуру и динамику популяций отдельных видов;

3. Синэкологию (биоценологию), изучающую взаимоотношения популяций, сообществ и экосистем со средой.

Для всех этих направлений главным является изучение выживания живых существ в окружающей среде, т.е. закономерностей адаптации организмов и их сообществ к окружающей среде, саморегуляции, устойчивости экосистем и биосферы и т.д. В таком понимании общую экологию нередко называют биоэкологией.

Кроме того, экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования, например, различают экологию животных, экологию растений, экологию микроорганизмов.

Большое значение в современной экологии уделяется проблемам взаимодействия человека с окружающей природной средой. Это связано с резким усилением взаимного отрицательного влияния человека и среды, возросшей ролью экономических, социальных и нравственных аспектов, в связи с негативными последствиями научно-технического прогресса.

Таким образом, современная экология не ограничивается только рамками биологической науки, она представляет собой междисциплинарную науку, опирающуюся на все естественные науки, а также и на науки социально-экономического цикла. На стыке экологии с другими отраслями знаний развиваются такие новые направления, как инженерная экология, геоэкология, математическая экология и др.

Экологическими проблемами Земли как планеты занимается интенсивно развивающаяся глобальная экология, основным объектом изучения которой является биосфера как глобальная экосистема. Развиваются и такие специальные дисциплины, как социальная экология, изучающая взаимоотношения в системе "человеческое общество-природа" и экология человека (антропоэкология), в которой рассматривается взаимодействие человека как биосоциального существа с окружающим миром.

К задачам экологии относятся:

1. Разработка общей теории устойчивости экосистем;

2. Изучение экологических механизмов адаптации к среде;

3. Исследование регуляции численности популяций;

4. Изучение биоразнообразия и механизмов его поддержания;

5. Исследование продукционных процессов;

6. Исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости;

7. Моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов.

Основными прикладными задачами, решаемыми экологией, являются:

1. Прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий для окружающей природной среды под влиянием деятельности человека;

2. Улучшение качества окружающей природной среды;

3. Сохранение и воспроизводство природных ресурсов, рациональное природопользование;

4. Оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных и других решений для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития, в первую очередь в экологически неблагополучных регионах.

Стратегической задачей экологии считается развитие теории взаимодействия природы и общества на основе нового взгляда, рассматривающего человеческое общество как неотъемлемую часть биосферы.

Экология как совокупность знаний, определяющих взаимоотношения живого с окружающей его органической и неорганической средой, восходит к далекому прошлому. Существенно экологический подход к изучению биосистем появляется в XVIII веке в работах российского ученого С. П. Крашенинникова, французского биолога Ж. Бюффона, шведского естествоиспытателя К. Линнея и др. В этот же период Ж. Б. Ламарк и Т. Мальтус впервые предупреждают человечество о возможных негативных последствиях воздействия человека на природу.

Во второй половине XIX века экология оформилась как самостоятельная область знаний. К этому периоду относятся работы российского ученого В. В. Докучаева, которого известный современный американский эколог Ю. Одум считает одним из основоположников экологии. В конце 70-х гг. XIX века немецкий гидробиолог К. Мебиус вводит важнейшее понятие о биоценозе как о закономерном сочетании организмов в определенных условиях среды.

Существенный вклад в развитие основ экологии внес Ч. Дарвин, осознавший основные факторы эволюции живых организмов. То, что Дарвин называл "борьбой за существование", с позиций экологии можно трактовать как взаимоотношения живых организмов с абиотической (внешней) средой и с биотической (между собой) средой. Название "экология" берет свое начало в работах немецкого биолога-эволюциониста Э. Геккеля. В своем труде "Всеобщая морфология организмов" он писал: "Под экологией мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы: изучение всей совокупности взаимоотношений животного с окружающей его средой, как органической, так и неорганической, и, прежде всего - его дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми он прямо или косвенно вступает в контакт. Одним словом, экология - это изучение всех сложных взаимоотношений, которые Дарвин назвал "условиями, порождающими борьбу за существование".

Как самостоятельная наука экология окончательно сформировалась в начале XX века, в частности, в работах американского ученого Ч. Адамса и российского - В. И. Вернадского, создавшего учение о биосфере.

В 30-е и 40-е гг. XX века экология поднялась на более высокую ступень развития в работах А. Тенсли, сформулировавшего понятие об экосистеме, и В. Н. Сукачева, обосновавшего близкое этому понятие о биогеоценозе. Во второй половине XX века экология окончательно сформировалась как комплексная наука, включающая в себя науки об охране природной и окружающей человека среды.

 

ПОЖАРЫ

 

Пожары являются своеобразным комплексом физического и химического воздействия на биосферу в наземно-воздушных условиях. Они издавна стали неотъемлемой частью климата, и их надо рассматривать как важный экологический фактор наряду с температурой, атмосферными осадками и почвой. По своему экологическому воздействию пожары делят на верховые и низовые.

Верховые пожары уничтожают всю растительность и большинство животных, так что может пройти несколько десятков лет, прежде чем лес вырастет снова. Низовые пожары обладают избирательностью, стимулируют разлагающую деятельность бактерий и превращение минеральных веществ в форму, доступную для питания растений нового поколения, ослабляют опасность верховых пожаров, способствуют созданию условий для увеличения видового разнообразия сообществ.

 

ПОПУЛЯЦИИ

 

Популяцией называют любую способную к самовоспроизведению совокупность особей одного вида, более или менее изолированную в пространстве и времени от других аналогичных совокупностей одного и того же вида. Популяция - это именно та ячейка биоты, которая является основой ее существования: в ней происходит самовоспроизводство живого вещества, она обеспечивает выживание вида благодаря наследственности адаптационных качеств, она дает начало новым популяциям и процессам видообразования, т.е. является элементарной единицей эволюционного процесса, тогда как вид является качественным этапом эволюции.

 

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ

 

Экология (от греч. "ойкос" - дом, жилище и "логос" - учение) - наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. Изначально экология развивалась как составная часть биологии, в тесной связи с другими естественными науками - химией, физикой, геологией, географией, а также математикой. Предметом изучения в экологии является совокупность и структура связей между организмами и средой. Главный объект изучения в экологии - экосистемы, т.е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой их обитания. В область компетенции экологии входит также изучение отдельных видов организмов (организменный уровень), их популяций, т.е. совокупностей особей одного вида (популяционно-видовой уровень) и биосферы в целом (биосферный уровень).

Традиционной частью экологии является общая экология, изучающая общие закономерности взаимоотношений любых живых организмов и среды (включая человека как биологический вид). В составе общей экологии выделяют следующие основные разделы:

1. Аутэкологию, исследующую индивидуальные связи отдельного организма (вида, особи) с окружающей средой;

2. Популяционную экологию (демэкологию), изучающую структуру и динамику популяций отдельных видов;

3. Синэкологию (биоценологию), изучающую взаимоотношения популяций, сообществ и экосистем со средой.

Для всех этих направлений главным является изучение выживания живых существ в окружающей среде, т.е. закономерностей адаптации организмов и их сообществ к окружающей среде, саморегуляции, устойчивости экосистем и биосферы и т.д. В таком понимании общую экологию нередко называют биоэкологией.

Кроме того, экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования, например, различают экологию животных, экологию растений, экологию микроорганизмов.

Большое значение в современной экологии уделяется проблемам взаимодействия человека с окружающей природной средой. Это связано с резким усилением взаимного отрицательного влияния человека и среды, возросшей ролью экономических, социальных и нравственных аспектов, в связи с негативными последствиями научно-технического прогресса.

Таким образом, современная экология не ограничивается только рамками биологической науки, она представляет собой междисциплинарную науку, опирающуюся на все естественные науки, а также и на науки социально-экономического цикла. На стыке экологии с другими отраслями знаний развиваются такие новые направления, как инженерная экология, геоэкология, математическая экология и др.

Экологическими проблемами Земли как планеты занимается интенсивно развивающаяся глобальная экология, основным объектом изучения которой является биосфера как глобальная экосистема. Развиваются и такие специальные дисциплины, как социальная экология, изучающая взаимоотношения в системе "человеческое общество-природа" и экология человека (антропоэкология), в которой рассматривается взаимодействие человека как биосоциального существа с окружающим миром.

К задачам экологии относятся:

1. Разработка общей теории устойчивости экосистем;

2. Изучение экологических механизмов адаптации к среде;

3. Исследование регуляции численности популяций;

4. Изучение биоразнообразия и механизмов его поддержания;

5. Исследование продукционных процессов;

6. Исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости;

7. Моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов.

Основными прикладными задачами, решаемыми экологией, являются:

1. Прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий для окружающей природной среды под влиянием деятельности человека;

2. Улучшение качества окружающей природной среды;

3. Сохранение и воспроизводство природных ресурсов, рациональное природопользование;

4. Оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных и других решений для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития, в первую очередь в экологически неблагополучных регионах.

Стратегической задачей экологии считается развитие теории взаимодействия природы и общества на основе нового взгляда, рассматривающего человеческое общество как неотъемлемую часть биосферы.

Экология как совокупность знаний, определяющих взаимоотношения живого с окружающей его органической и неорганической средой, восходит к далекому прошлому. Существенно экологический подход к изучению биосистем появляется в XVIII веке в работах российского ученого С. П. Крашенинникова, французского биолога Ж. Бюффона, шведского естествоиспытателя К. Линнея и др. В этот же период Ж. Б. Ламарк и Т. Мальтус впервые предупреждают человечество о возможных негативных последствиях воздействия человека на природу.

Во второй половине XIX века экология оформилась как самостоятельная область знаний. К этому периоду относятся работы российского ученого В. В. Докучаева, которого известный современный американский эколог Ю. Одум считает одним из основоположников экологии. В конце 70-х гг. XIX века немецкий гидробиолог К. Мебиус вводит важнейшее понятие о биоценозе как о закономерном сочетании организмов в определенных условиях среды.

Существенный вклад в развитие основ экологии внес Ч. Дарвин, осознавший основные факторы эволюции живых организмов. То, что Дарвин называл "борьбой за существование", с позиций экологии можно трактовать как взаимоотношения живых организмов с абиотической (внешней) средой и с биотической (между собой) средой. Название "экология" берет свое начало в работах немецкого биолога-эволюциониста Э. Геккеля. В своем труде "Всеобщая морфология организмов" он писал: "Под экологией мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы: изучение всей совокупности взаимоотношений животного с окружающей его средой, как органической, так и неорганической, и, прежде всего - его дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми он прямо или косвенно вступает в контакт. Одним словом, экология - это изучение всех сложных взаимоотношений, которые Дарвин назвал "условиями, порождающими борьбу за существование".

Как самостоятельная наука экология окончательно сформировалась в начале XX века, в частности, в работах американского ученого Ч. Адамса и российского - В. И. Вернадского, создавшего учение о биосфере.

В 30-е и 40-е гг. XX века экология поднялась на более высокую ступень развития в работах А. Тенсли, сформулировавшего понятие об экосистеме, и В. Н. Сукачева, обосновавшего близкое этому понятие о биогеоценозе. Во второй половине XX века экология окончательно сформировалась как комплексная наука, включающая в себя науки об охране природной и окружающей человека среды.

 

ОРГАНИЗМ КАК ЖИВАЯ ЦЕЛОСТНАЯ СИСТЕМА

 

Главными уровнями организации жизни являются ген, живая клетка, орган, организм, популяция, сообщество (биоценоз). Экология изучает уровни биологической организации от организма до экосистем. В ее основе, как и всей биологии, лежит теория эволюционного развития органического мира Ч. Дарвина, базирующаяся на представлении о естественном отборе. В результате борьбы за существование выживают наиболее приспособленные организмы, которые передают выгодные признаки, обеспечивающие выживание, своему потомству, которое может их развить дальше, обеспечив стабильное существование данному типу организмов в данных конкретных условиях среды. В случае изменения условий выживают организмы с более благоприятными для новых условий признаками и т.д.

Роль среды, т.е. физических факторов, в эволюции и существовании организмов не вызывает сомнений. Эта среда получила название абиотической, а ее составляющие (вода, воздух и др.) и факторы (температура и пр.) называют абиотическими компонентами, в отличие от биотических компонентов, представляющих собой живое вещество. Взаимодействуя с абиотическими компонентами, биотические компоненты образуют определенные функциональные системы. Так, в результате взаимодействия с веществом и энергией абиотических компонентов гены как биотические компоненты образуют генетические системы, а сообщества соответственно образуют экосистемы (Ю. Одум). Указанные биосистемы (генетические системы, клеточные системы, системы организмов, популяционные системы, экосистемы), представляющие собой целостное объединение биотических и абиотических компонентов, характеризуются различными уровнями биологической организации биологических систем, которые различаются по принципам организации и масштабам явлений. Они отражают иерархию природных систем, при которой меньшие подсистемы составляют большие системы, сами являющиеся подсистемами более крупных систем.

Свойства каждого уровня значительно сложнее и многообразнее предыдущего. Более того, свойства каждого уровня невозможно объяснить, исходя лишь из свойств отдельных компонентов его более низких уровней. Такое наличие у системного целого особых свойств, не присущих его подсистемам и блокам, называют эмерджентностью.

В экологии организм рассматривается как целостная система, взаимодействующая с внешней средой, как биотической, так и абиотической. Биологическим видом называют совокупность сходных особей, которые, тем не менее, как индивидуумы отличаются друг от друга. При этом всех их объединяет единый для всех генофонд, обеспечивающий их способность к размножению в пределах вида. Не может быть потомства от особей различных видов, даже состоящих в близком родстве, т.е. объединенных в один род.

Поскольку каждая отдельная особь имеет свои специфические особенности, то и реакция их на изменение состояния среды различна. Так, часть особей данного вида может не выдержать повышения температуры, и погибнет, но популяция всего вида выживает за счет других, более приспособленных.

Популяция - это совокупность особей одного вида. Генетики в качестве обязательного условия обычно добавляют в определение популяции способность этой совокупности к самовоспроизведению.

Биоценоз - это совокупность совместно обитающих популяций разных видов микроорганизмов, растений и животных. Термин "биоценоз" впервые использовал К. Мебиус (1877). Эта совокупность популяций обычно рассматривается ограниченной некоторым географическим пространством, сочетание абиотических факторов которого (воздух, вода, почвы и подстилающие их горные породы) называют биотопом.

Компоненты биотопа не просто существуют рядом с биоценозом, но активно взаимодействуют между собой и с живыми организмами биоценоза, создавая определенную биологическую систему, названную В. Н. Сукачевым биогеоценозом. В такой системе, по Сукачеву, совокупность абиотических и биотических компонентов имеет "… свою, особую специфику взаимодействий" и "определенный тип обмена веществом и энергией между собой. Представления В. Н. Сукачева в дальнейшем легли в основу биогеоценологии - научного направления в биологии, изучающего проблемы взаимодействия живых организмов между собой и с окружающей их абиотической средой.

Введенное Сукачевым понятие биогеоценоза фактически эквивалентно предложенному в 1935 г. английским ботаником А. Тенсли понятию экосистемы. Экосистема, по Тенсли, - это "совокупность комплексов организмов с комплексом физических факторов окружения, т.е. факторов местообитания в широком смысле". Подобные определения имеют место и у других известных экологов, в частности, у Ю. Одума.

Особое значение для выделения экосистем имеют трофические (пищевые) взаимоотношения организмов. Все организмы делятся на две большие группы - автотрофов и гетеротрофов.

Автотрофные организмы для своего существования используют неорганические вещества, создавая органическую материю из неорганической. К автотрофным относятся фотосинтезирующие зеленые растения суши и водной среды, синезеленые водоросли и др.

Гетеротрофные организмы потребляют только готовые органические вещества. К ним относятся все животные, человек, грибы и др. Гетеротрофы, потребляющие мертвую органику, называются сапротрофами (например, грибы), а способные жить и развиваться в живых организмах за счет живых тканей - паразитами.

Поскольку организмы разнообразны по видам и формам питания, они вступают между собой в сложные трофические взаимоотношения. Одни из них производят продукцию, другие потребляют, третьи - преобразуют ее в неорганическую форму.

Продуцентами называются производители продукции, которой затем питаются все остальные организмы. К продуцентам относятся наземные зеленые растения, микроскопические морские и пресноводные водоросли, производящие органические вещества из неорганических соединений.

Консументы - это потребители органических веществ. К ним относятся как животные, употребляющие только растительную пищу, - травоядные, так и питающиеся только мясом других животных - плотоядные (хищники), а также и всеядные (человек, медведь).

Редуценты (деструкторы) - это восстановители. Они возвращают вещества из отмерших организмов снова в неживую природу, разлагая органику до простых неорганических соединений и элементов (например, на CO ₂ , NO ₂ и H ₂ O). Возвращая в почву или в водную среду биогенные элементы, они, тем самым, завершают биохимический круговорот. Это делают в основном бактерии, большинство других микроорганизмов и грибы. Редуценты функционально являются теми же самыми консументами, поэтому их часто называют микроконсументами.

Микроорганизмы, бактерии и другие более сложные формы в зависимости от среды обитания подразделяют на аэробные, т.е. существующие при наличии кислорода, и анаэробные - живущие в бескислородной среде.

Организм - это любое живое существо. Он отличается от неживой природы определенной совокупностью свойств, присущих только живой материи: клеточная организация, обмен веществ при ведущей роли белков и нуклеиновых кислот, обеспечивающий гомеостаз организма, т.е. самовозобновление и поддержание постоянства его внутренней среды. Живым организмам присущи движение, раздражимость, рост и развитие, размножение и наследственность, а также приспособляемость к условиям существования - адаптация.

Взаимодействуя с абиотической средой, организм выступает как целостная система, включающая в себя все более низкие уровни биологической организации (гены, клетки, органы). Изменение одних частей и функций организма неизбежно влечет за собой изменение других его частей и функций. Так, в изменяющихся условиях существования, в результате естественного отбора, те или иные органы получают приоритетное развитие. Примером может являться мощная корневая система у растений засушливой зоны, чрезвычайная зоркость у ночных хищников или, наоборот, "слепота" в результате редукции глаз у животных, ведущих подземный образ жизни в постоянной темноте.

Живые организмы обладают обменом веществ (метаболизмом), при этом происходит множество химических реакций. Примером таких реакций могут служить дыхание или фотосинтез, посредством которого зеленые растения аккумулируют энергию солнечного излучения. В процессе фотосинтеза за счет солнечной энергии происходит следующая химическая реакция:

,

где - молекула глюкозы.

Некоторые микроорганизмы, бактерии, способны синтезировать органические соединения за счет других компонентов, например, за счет соединений серы. Такие процессы называют хемосинтезом.

Обмен веществ в организме происходит при участии особых макромолекулярных белковых соединений - ферментов, играющих роль катализаторов. Каждая биохимическая реакция в организме контролируется специальным ферментом, содержание которого в свою очередь контролируется определенным геном. Изменение гена, называемое мутацией, приводит к изменению биохимической реакции вследствие изменения фермента, а в случае нехватки последнего и к выпадению соответствующей ступени метаболической реакции.

Процессы метаболизма регулируются не только ферментами, но также и другими макромолекулярными соединениями - коферментами, частным случаем которых являются витамины. Витамины жизненно необходимы для осуществления метаболических реакций всех организмов - бактерий, зеленых растений, животных и человека. Отсутствие витаминов приводит к нарушению обмена веществ и, как следствие, к заболеванию.

Наконец, для ряда метаболических реакций необходимы особые химические вещества, называемые гормонами, которые вырабатываются в различных органах и доставляются в другие места организма кровотоком либо посредством диффузии.

Метаболические процессы протекают с различной интенсивностью на протяжении всей жизни организма, всего процесса его индивидуального развития. Этот процесс индивидуальной эволюции организма от зарождения и до смерти называется онтогенезом. Онтогенез представляет собой совокупность последовательных морфологических, физиологических и биохимических преобразований, претерпеваемых организмом за весь период жизни.

Онтогенез включает рост организма, т.е. увеличение массы и размеров тела, и дифференциацию, т.е. возникновение различий между однородными клетками и тканями, приводящее к их специализации по выполнению различных функций в организме. У организмов с половым размножением онтогенез начинается с оплодотворенной яйцеклетки (зиготы). При бесполом размножении - с образованием нового организма путем деления материнского тела или специализированной клетки, путем почкования, а также от корневища, клубня, луковицы и т.п.

Каждый организм в онтогенезе проходит ряд стадий развития. Для организмов, размножающихся половым путем, различают зародышевую (эмбриональную) и послезародышевую (постэмбриональную) стадии, а также период развития взрослого организма. Зародышевый период заканчивается выходом зародыша из яйца, а у живородящих - рождением. Важное биологическое и экологическое значение для ряда животных имеет первоначальный этап постэмбрионального развития, протекающий либо по типу прямого развития (цыпленок - курица), либо по типу метаморфоза. Во втором случае развитие происходит вначале в форме личинки, которая существует и питается самостоятельно, прежде чем превратиться во взрослую особь (головастик - лягушка). У ряда насекомых личиночная стадия позволяет пережить неблагоприятное время года (низкие температуры, засуху и т.д.).

В онтогенезе растений различают рост, развитие (формирование взрослого организма) и старение (ослабление биосинтеза, всех физиологических функций и смерть). Основной особенностью онтогенеза высших растений и большинства водорослей является чередование бесполого (спорафит) и полового (гематофит) поколений.

Процессы онтогенеза могут быть нарушены на любой стадии действием химического, светового, теплового и др. загрязнений среды, что может привести к появлению уродств или даже к гибели индивида на послеродовой стадии онтогенеза.

Современный онтогенез организмов сложился в течение длительной эволюции, в результате их исторического развития - филогенеза. Последний термин ввел Э. Геккель в 1866 г. Для целей экологии необходима реконструкция эволюции животных, растений и микроорганизмов. Этими вопросами занимается филогенетика.

Взаимосвязь между развитием живого в историко-эволюционном плане и индивидуальным развитием организма задается сформулированным Э. Геккелем биогенетическим законом: онтогенез всякого организма представляет собой краткое и сжатое повторение филогенеза данного вида.