Угрупування та екосистеми. Склад і структура угрупувань.
РІЗНОМАНІТНІСТЬ ЕКОСИСТЕМ. РОЗВИТОК І ЗМІНИ ЕКОСИСТЕМ
За масштабами екосистеми поділяються на мікроекосистеми, мезоекосистеми і глобальні екосистеми.
У мікроекосистемах невеличкі, тимчасові біоценози, що називаються синузіями, перебувають у обмеженому просторі. До таких екосистем належать трухляві пні, мертві стовбури дерев, мурашники тощо.
У мезоекосистемах або біогеоценозах біоценози займають однотипні ділянки земної поверхні з однаковими фізико-географічними умовами. їх межі, як правило, збігаються з межами відповідних фітоценозів.
Макроекосистеми охоплюють величезні території чи акваторії, що визначаються характерними для них макрокліматами й відповідають цілим природним зонам. Біоценози таких екосистем називаються біомами. До макроекосистем належать екосистеми тундри, тайги, степу, пустелі, саван, листяних і мішаних лісів помірного поясу, субтропічного і тропічного лісів, а також морські екосистеми. Прикладом глобальної екосистеми є біосфера нашої планети.Основні екосистеми світу
Загальна площа поверхні Землі 510 млн. кв. км, з них 70 %, тобто 361 млн. кв. км, припадає на Світовий океан, суходіл — 150 млн. кв. км, у тому числі: гори — 30 %, пустелі — 20 %, савани й рідколісся — 30 %, льодовики — 10 %, і тільки 10 % території суходолу займають сільськогосподарські угіддя. Крім того, сонячна енергія на планеті розподіляється нерівномірно. Її розподіл залежить від географічного положення окремої екосистеми та її висоти над рівнем моря.
Основні екосистеми світу
Тип екосистем
|
Характеристика екосистеми
|
Лісові екосистеми
|
У лісових екосистемах зосереджено 80 % фітомаси Землі, або 1960 млрд. т. Вони займають 4 млрд. га, або 30 % площі суходолу із середнім запасом деревини — 350 млрд. куб. м. Щорічно в процесі фотосинтезу ліс утворює 100 млрд. т органічної речовини.
Ліс — це елемент географічного ландшафту, що складається із сукупності деревних, кущових, трав’яних рослин, тварин і мікроорганізмів, що біологічно взаємопов’язані та впливають один на одного, як і на зовнішнє середовище. Існує шість зональних типів лісу: хвойні, змішані, вологі, екваторіальні, тропічні, ліс сухих областей
|
Екосистеми трав’яних ландшафтів
|
До цих екосистем належать степ і луг, пасовища, сінокоси, агробіогеоценози.
Степ займає 6 % суходолу і вкритий переважно злаками й багаторічниками. Степ буває субтропічним, саванно-подібним різнотрав’ям, чагарниковим, луговим тощо. Агробіоценози (агроекосистема) — поле, штучні пасовища, городи, сади, виноградники, плантації горіха, ягідники, квітники, лісопаркові смуги.
Основа агробіогеоценозу — це штучний фітоценоз, якість якого залежить від умов середовища, ґрунту, вологи, мікроорганізмів. Агробіогеоценоз — це 10 % суходолу (1,2 млрд. га), які дають людині 90 % харчів
|
Водні екосистеми
|
Океан — екосистема, взаємопов’язана і взаємообумовлена геофізичними й геохімічними процесами, явище глобального масштабу. Його вода покриває 3/4 поверхні Землі товщиною переважно понад 4000 м. Солоний (35 г солі на літр води), регулює глобальний обмін тепла, газів, мінеральних і органічних продуктів
|
Сукцесія (від лат. succesio — наступність, спадкування) — послідовна необоротна й закономірна зміна одного біоценозу іншим на певній ділянці середовища. За походженням сукцесії поділяють на первинні та вторинні.
Первинні сукцесії розвиваються паралельно з ґрунтоутворенням під впливом постійного потрапляння ззовні насіння, відмирання нестійких до екстремальних умов сіянців і лише з певного часу — під впливом міжвидової конкуренції.
Вторинна сукцесія розвивається в тому випадку, коли на зайнятій ним території зберігся ґрунт і насіння попереднього біоценозу. Через це із самого початку вторинної сукцесії міжвидова конкуренція відіграє значну роль..
Дати відповіді на питання:
1. Які приклади екосистем вам відомі?
2. Чи можуть екосистеми залишатися незмінними?
3. Які фактори впливають на розвиток екосистем?
4. Що таке сукцесія і в яких умовах вона відбувається?
Кругообіг речовин
Біологічний кругообіг — це багаторазова участь хімічних елементів у процесах, які відбуваються в біосфері. Причина кругообігу — обмеженість елементів, з яких будується тіло організмів.
У біосфері відбувається постійний кругообіг елементів, які переходять від організму до організму, у неживу природу і знову до організму. Елементи, які вивільняються мікроорганізмами під час гниття, надходять у ґрунт і атмосферу, знову включаються в кругообіг речовин біосфери, поглинаючись живими організмами. Весь цей процес і буде біогенною міграцією атомів. Для біогенної міграції характерним є накопичення хімічних елементів у живих організмах, а також їх вивільнення в результаті розкладу мертвих організмів. Біогенна міграція викликається трьома процесами:• обміном речовин в організмах;
• ростом;
• розмноженням.
Визначення біогенної міграції хімічних елементів, яка викликана силами життя, дав В. І. Вернадський (Закон біогенної міграції атомів). Біогенна міграція є частиною загальної міграції хімічних елементів біосфери. Головною геохімічною особливістю живої речовини є те, що вона, пропускаючи через себе атоми хімічних елементів земної кори, гідросфери й атмосфери, здійснює у процесі життєдіяльності їх закономірну диференціацію.
З екологічної точки зору, найважливішими є кругообіги речовин, які є основними компонентами живої речовини:
• кругообіг Оксигену;
• кругообіг Карбону;
• кругообіг Нітрогену;
• кругообіг Сульфуру;
• кругообіг Фосфору;
• кругообіг води.
Кругообіг Оксисену
Оксиген поширений у живих організмах у складі хімічних сполук, а в атмосфері він представлений двома простими речовинами — киснем O2і озоном O3. Кисень потрапляє в атмосферу внаслідок фотосинтезу, коли виділяється як побічний продукт фотохімічної реакції. Озон утворюється у верхніх шарах атмосфери внаслідок поглинання киснем ультрафіолетового випромінювання Сонця. Живі організми використовують кисень у процесі дихання для окиснення органічних сполук до карбон(ІУ) оксиду й води, які потім знову можуть використовуватися у процесі фотосинтезу.
Кругообіг Карбону
Природні сполуки, до складу яких входить Карбон, постійно зазнають змін, унаслідок яких здійснюється кругообіг Карбону. Важлива роль у кругообігу Карбону належить карбон(IV) оксиду, який входить до складу атмосфери. Цей газ надходить в атмосферу внаслідок багатьох процесів —виверження вулканів, горіння палива, розкладання вапняку, дихання живих організмів, процесів бродіння і гниття.
З повітря С O2у значних кількостях поглинається наземними рослинами та фітопланктоном Світового океану. Процес поглинання С O2відбувається тільки на світлі — фотосинтез, унаслідок якого утворюються органічні сполуки, що містять Карбон.
Із рослин, які поїдаються тваринами, Карбон переходить у тваринні організми. Тварини виділяють Карбон у вигляді вуглекислого газу під час дихання. Рослини і тварини з часом відмирають, починають гнити, окислюватись і частково перетворюватися на С O2, що повертається у повітря й знову поглинається рослинами. А частково рослинні та тваринні рештки у ґрунті перетворюються на горючі копалини — кам’яне вугілля, нафту, природний газ. Горючі копалини використовують як паливо, внаслідок згоряння якого С O2знову повертається в атмосферу.
Кругообіг Нітрогену
У природі Нітроген трапляється як у вільному стані, так і у зв’язаному. У вільному стані Нітроген у вигляді азоту входить до складу повітря (об’ємна частка N2становить 78 %, масова — 75,6 %). Оскільки азоту з повітря витрачається мало, його запаси в атмосфері залишаються сталими. У складі неорганічних сполук Нітроген у невеликих кількостях є в ґрунті. Проте у складних органічних сполуках — білках — він входить до складу всіх живих організмів, беручи участь у їх життєдіяльності.
Безпосередньо з повітря Нітроген у вигляді азоту засвоюють лише деякі бактерії, а всі інші організми здатні засвоювати Нітроген тільки у складі сполук. Рослини засвоюють Нітроген неорганічних сполук, як і у ґрунті, у вигляді іонів NH4i NO3. У рослинах здійснюється синтез білків. Рослини частково поїдаються травоїдними тваринами, і білкові речовини потрапляють до організму тварин. Під час гниття залишків рослин і тварин під впливом спеціальних бактерій відбуваються складні біохімічні процеси, внаслідок яких органічні сполуки, що містять Нітроген, перетворюються на неорганічні сполуки Нітрогену, які повертаються в ґрунт.
Потік енергії в екосистемах, продуктивність екосистем
У біогеоценозі енергія накопичується у вигляді хімічних зв’язків органічних сполук, синтезованих продуцентами з неорганічних речовин. Далі вона проходить через організми консументів і редуцентів, але при цьому на кожному з трофічних рівнів частково розсіюється у вигляді тепла.
Харчовий (трофічний) ланцюг — взаємини між організмами під час перенесення енергії їжі від її джерела (зеленої рослини) через низку організмів, що відбувається шляхом поїдання одних організмів іншими з більш високих трофічних рівнів. У ланцюзі харчування кожен вид займає певну ланку. Зв’язки між видами в харчовому ланцюзі називаються трофічними.
Під час перенесення енергії від ланки до ланки харчового ланцюга переважна її частина (80-90 %) губиться під час виділення теплоти.
Кожен ланцюг живлення складається з певної кількості видів, тобто окремих ланок. При цьому кожен з цих видів займатиме в ланцюзі живлення певне положення, або трофічний рівень. На початку ланцюгів живлення, як правило, перебувають продуценти, тобто автотрофні організми. А трофічний рівень консументів (гетеротрофних організмів) визначають тією кількістю ланок, через яку вони дістають енергію від продуцентів.
Так, рослиноїдні тварини займають трофічний рівень, наступний за продуцентами. Тому їх називають консументами І порядку.
Далі йде рівень хижаків, які живляться рослиноїдними видами (консументи II порядку) тощо. Якщо консументи споживають різні види їжі, то в різних ланцюгах живлення вони можуть займати різні трофічні рівні.
Частина біомаси відмерлих продуцентів (наприклад, листяний опад), яка до цього не була спожита консументами, а також рештки чи продукти життєдіяльності самих консументів (наприклад, трупи, екскременти тварин), є кормовою базою редуцентів. Редуценти дістають необхідну їм енергію, розкладаючи органічні сполуки до неорганічних.
Наприкінці ланцюга живлення енергія, яка зберігається в мертвій органіці, остаточно розсіюється у вигляді тепла під час руйнування її редуцентами.
Енергія в біогеоценозах ніби поділяється на два потоки: один починається з живих організмів — продуцентів, другий — від мертвої органіки. Унаслідок цього в біогеоценозах формуються два типи ланцюгів живлення: пасовищного (ланцюги виїдання) і детритного (детрит (від лат. детритус — подрібнений) — подрібнені рештки організмів) (ланцюги розкладання).
Ланцюги живлення пасовищного типу починаються з продуцентів і включають послідовно ланки консументів I, II та інших порядків і завершуються редуцентами. Ланцюги живлення детритного типу починаються зі споживачів мертвої органіки, далі ведуть до видів, які ними живляться, і завершуються також редуцентами.
У будь-якому біогеоценозі різні ланцюги живлення не існують окремо один від одного, а переплітаються між собою. Це відбувається тому, що організми певного виду можуть бути ланками різних ланцюгів живлення. Наприклад, особини одного виду птахів можуть споживати як рослиноїдні (консументи II порядку), так і хижі види комах (консументи III порядку) тощо. Переплітаючись, різні ланцюги живлення формують трофічну сітку біогеоценозу.
Різні біогеоценози відрізняються за своєю продуктивністю. Ви вже знаєте, що є різні ланцюги живлення. Але всім їм властиві певні співвідношення продукції (тобто біомаси з енергією, що витрачаються й запасаються на кожному з трофічних рівнів). Ці закономірності дістали назву правила екологічної піраміди: на кожному попередньому трофічному рівні кількість біомаси й енергії, які запасаються організмами за одиницю часу, значно більші, ніж на наступному (у середньому в 5-10 разів).
Графічно це правило можна зобразити у вигляді піраміди, складеної з окремих блоків. Кожен блок такої піраміди відповідає продуктивності організмів на кожному з трофічних рівнів певного ланцюга живлення. Отже, екологічна піраміда є графічним зображенням трофічної структури ланцюга живлення.
Загальна характеристика біосфери
Як уже зазначалося, головним компонентом біосфери є її жива речовина (сукупність організмів, зведена до їх ваги, хімічного складу й енергії). Для того, щоб життя підтримувало себе як стійке явище, воно має бути представлено у різних формах. За часів існування життя на Землі у біосфері налічувалося більш ніж мільярд видів. Серед живих істот переважають комахи (їх близько мільйона видів), а серед комах - жуки. Хребетні становлять лише 2 % відомих видів, і щорічно вчені відкривають у середньому 3 нових види птахів та 15 видів ссавців. Відомий нам світ життя більш ніж на 70 % - це тварини, 22 % - це рослини і гриби, 5 % - одноклітинні організми. Просторовий розподіл живої речовини у межах біосфери є дуже нерівномірним: вона утворює "згущення" на межах стику літосфери, гідросфер і атмосфери, тобто у водоймах біля поверхні, на дні морів та океанів, на поверхні суші, у приповерхневому шарі ґрунту. На суші переважають рослини, а в океані - тварини.
Оскільки біосфера є дуже складною за генезисом, історією та будовою глобальною системою, її сутність важко повністю розкрити одним коротким визначенням. Якщо порівняти усі наявні на сьогодні визначення біосфери, то можна зробити висновок, що майже у всіх них відображено погляд В.І. Вернадського. Отже, біосфера - це особлива, охоплена життям оболонка Землі; це поверхня нашої планети, її зовнішня сфера, яка відмежовує її від космічного середовища; це область земної кори, зайнята трансформаторами, котрі перетворюють космічне випромінювання у діяльну земну енергію - електричну, хімічну, механічну, теплову тощо; це верхня оболонка однієї з найбільших концентричних частин планети - земної кори.
Біосфера - це загальнопланетна оболонка, до складу якої входять нижні шари атмосфери, вся гідросфера і верхні шари літосфери, її склад і будова зумовлені нинішньою та попередньою життєдіяльністю всієї сукупності живих організмів (живої речовини). Вона сформувалася внаслідок взаємодії живих і неживих компонентів, акумуляції та перерозподілу в ній величезної кількості енергії, і тому є відкритою, самоорганізованою, саморегульованою, динамічно зрівноваженою, стійкою, мозаїчною глобальною екосистемою.
Відомий еколог Ю. Одум у 1986 р. охарактеризував біосферу як найбільшу і за ознаками "самозабезпечення" найближчу до ідеалу екологічну систему, яка охоплює всі живі організми Землі у взаємодії з фізичним середовищем, що забезпечує її цілісність та єдність. Пізніше Ю. Одум і М. Реймерс ототожнювали біосферу з екосферою, підкреслюючи цим її сучасну екологічну сутність і теперішні екологічні параметри.
В.І. Вернадський виділяв у складі біосфери пласт живої речовини - зону найбільшої концентрації життя, де переважають рослини як головні накопичувачі енергії на планеті. Цей пласт живої речовини охоплює нижній шар тропосфери (10-ЗО м) над рослинним покривом, освітлений шар води у водоймах, верхні шари ґрунту з коріннями рослин, мікроорганізмами і ґрунтовими тваринами. Найбільша концентрація життя у біосфері спостерігається на межах зіткнення земних оболонок: атмосфери і літосфери (поверхня суші), атмосфери і гідросфери (поверхня океану), гідросфери і літосфери (дно океану), і особливо на стику трьох оболонок - атмосфери, літосфери і гідросфери (прибережні зони). Ці місця найбільшої концентрації життя В.І. Вернадський ще називав "плівками життя". Вгору і вниз від цих зон концентрація живої матерії зменшується. На сьогодні за видовим складом на Землі тварини (більше 2 млн видів) переважають над рослинами (0,5 млн), водночас запаси фітомаси становлять 99 % запасів живої біомаси Землі. Біомаса суші в 1000 разів перевищує біомасу океану. На суші біомаса і кількість видів організмів у цілому збільшується у напрямку від полюсів до екватора.
Межі біосфери як глобальної екосистеми (верхня та нижня) визначаються наявністю сприятливих для організмів абіотичних факторів: температури, води, складу газів, елементів мінерального живлення.
Верхню межу біосфери В.І. Вернадський назвав променевою. Тобто верхня межа життя в атмосфері обмежена інтенсивною концентрацією ультрафіолетової радіації, а фізичною межею поширення життя в атмосфері є озоновий екран, який поглинає більшу частину ультрафіолетового випромінювання Сонця, хоча основна частина живих істот концентрується на висоті 1- 1,5 км. Отже, верхню межу біосфери проводять на висоті приблизно 20-25 км від поверхні Землі - саме там вільний кисень під впливом сонячної радіації перетворюється на озон 03, який утворює екран і відображає згубні для живих організмів космічні випромінювання і частково ультрафіолетове випромінювання. На таких висотах ще спостерігається наявність живих організмів: бактерій, спор грибів, найпростіших. Під час запусків геофізичних ракет у стратосферу на висоті 85 км у пробах повітря було виявлено спори мікроорганізмів у латентному (сплячому) стані через надто несприятливі умови існування.
Нижню межу біосфери називають термічною, оскільки вона зумовлена наявністю високих температур. її проводять на суші у середньому на глибині 3-3,5 км від земної поверхні, тобто там, де температура підземних вод та гірських порід у літосфері перевищує 100 °С. Слід зауважити, що деякі автори наводять дещо інші дані щодо глибини проведення нижньої межі біосфери. У цьому підручнику ми користуємося значеннями В.І. Вернадського. Найбільша глибина, на якій у земній корі знайдені бактерії, становить 4 км. У нафтових родовищах на глибині 2-2,5 км бактерії спостерігаються у досить значних кількостях. Нижня межа на суші пов'язана із зонами "минулої біосфери" - так В.І. Вернадський називав залишки біосфери минулих геологічних епох, що збереглися до наших днів (накопичення осадових порід, вугілля, горючих сланців та ін.). "Минула біосфера" слугує доказом тривалої еволюції біосфери Землі.
У гідросфері нижня межа існування активного життя обмежується дном Світового океану - понад 11 км, де температура становить близько 0 °С (рис. 4.1). Більше поширення живих організмів (за наведені межі) обмежено лімітуючими чинниками: проникненню вгору перешкоджає космічне випромінювання, а проникненню углиб - висока температура земних надр.
У межах біосфери немає абсолютно неживих просторів. Навіть у найсуворіших умовах можна знайти бактерії та інші мікроорганізми. В.І. Вернадський висловлював ідею "повсюдності життя". На його думку, жива речовина здатна "розтікатися" поверхнею планети та з величезною швидкістю захоплювати усі незайняті ділянки біосфери, що формує "тиск життя" на неживу природу. Заселеними є найнеймовірніші місця: термальні джерела, температура у яких сягає 100 °С, вікові сніги Гімалаїв, де на висоті 8300 м існують дев'ять видів бактерій, безводні пустелі та надсолоні озера, де вирують ціанобактерії та один із видів креветок. На поверхні Землі у наш час повністю відсутнє життя лише на території значних зледенінь та у кратерах діючих вулканів.
По вертикалі біосфера розділяється на дві чітко відокремлені області: верхню, освітлену, - фотобіосферу, у якій відбувається фотосинтез, і нижню, "темну", - меланобіосферу, у якій фотосинтез неможливий. На суші межа між ними проходить поверхнею Землі. На розвиток життя, а, отже, і на межі біосфери впливають наявність кисню, вуглекислого газу, води у її рідкій фазі тощо. Обмежують зону поширення життя дуже високі або низькі температури, наявність елементів мінерального живлення. Лімітуючим чинником можна вважати і надмірно солоне середовище, наприклад, перевищення концентрації солей у морській воді приблизно у 10 разів. Позбавлені життя також підземні води з концентрацією солей понад 270 г/л.
Рис. 4.1. Біосфера та її оточення (за Назаровим, 1974)
Найбільшу товщину біосфера має у тропічних широтах (приблизно 22-25 км), найменшу - у полярних (приблизно 12- 15 км) (табл. 4.1). Приблизна маса усієї біосфери становить 3 o 10а4 г (0,05 % від маси Землі), а об'єм - 10 o 1024 см3 (0,04 % від об'єму Землі).
Живу речовину біосфери В.І. Вернадський розглядав не просто як сукупність живих істот, що заповнюють простір середовища життя, а як цілісний, дуже значущий для біосфери компо
Таблиця 4.1. Середня потужність біосфери у різних широтних смугах Землі
Широтні пояси
|
Континентальна область, км
|
Океанічна область, км
|
Полярний
|
12
|
15
|
Середні
|
14
|
16
|
Тропічний
|
22
|
25
|
нент, який реалізує безперервний зв'язок різноманітних геологічних та біологічних процесів. Отже, жива речовина - головний, але не єдиний компонент біосфери. Також В.І. Вернадський виділяв у складі біосфери й інші геологічно взаємопов'язані типи речовин: біокосну, біогенну і косну.
Біокосна речовина - те, що створюється і переробляється живими організмами, тобто продукт синтезу живого та неживого (осадові породи, вапняки, крейда, ґрунти та ін.). Біогенна речовина - це органічні й органо-мінеральні продукти, створені живими організмами протягом геологічної історії (кам'яне вугілля, нафта, торф, горючі сланці). І, нарешті, косна речовина - це уся нежива речовина, яка може бути твердою, рідкою і газоподібною. Це сукупність планетарних і геологічних властивостей Землі, у створенні котрих живі організми участі не беруть, наприклад, сонячна радіація, атмосферний тиск, температура, гірські породи неорганічного походження, вода).
На завершення загальної характеристики біосфери як глобальної екосистеми наведемо її головні характерні риси, які відрізняють її від будь-яких екосистем, що територіально входять до біосфери. Отже, порівняно з екосистемами менших розмірів, біосфера має такі специфічні риси:
- o Біосфера є унікальною, незамінною і неповторною біотичною системою. Дрібніших екосистем є безліч, але майже усі вони взаємозамінні.
- o Біосфера відрізняється від інших екосистем практично безмежною тривалістю існування. Час існування менших екосистем обмежений: він визначається тривалістю від кількох місяців до сотень і кількох тисяч і навіть десятків мільйонів років.
- o Біосфера зберігає безмежно великий запас генетичної інформації, який накопичувався мільярди років, внаслідок чого ця інформація є практично невичерпною. Запаси інформації підпорядкованих їй екосистем, звичайно, менші хоча б тому, що пам'ять біосфери - інтегральна пам'ять усіх екосистем планети.
- o Біосфера є найдосконалішою саморегульованою системою з найповнішими механізмами самозахисту від руйнівного впливу зовнішніх космічних та внутрішньопланетних збурень. У процесі еволюції живої речовини в ній сформувався не лише механізм синтезу органічної речовини за рахунок використання сонячної енергії, а й накопичення в атмосфері вільного кисню, формування озонового шару як засобу захисту всього живого. А менші екосистеми, на відміну від біосфери, існують не у ентропійному абіотичному середовищі, а в організованому біотичному середовищі біосфери і захищені від зовнішніх впливів не лише своїми внутрішніми механізмами, а й біосферними.
- o На відміну від малих екосистем, біосфера характеризується величезними запасами вільної енергії, не лише тієї, що накопичена у сучасних підпорядкованих їй екосистемах, а й вільної енергії, накопиченої системами минулих епох.
- o Біосфера відрізняється величезним різноманіттям життєвих форм, видів, внутрішньовидових структур, просторовою і функціональною асиметрією, потужними механізмами самозбереження, постійним зростанням організованості, внаслідок чого її можна вважати практично незнищуваною. Припустімо, що жива речовина має один біологічний вид. Але в основі життя, як відомо, лежить обмін речовин, а якщо є лише один вид, то через деякий час він вилучить із середовища все, що йому потрібно, виділить відходи своєї діяльності, і на цьому все закінчиться. Можна припустити, що ґрунт або дно моря буде усіяне трупами істот цього єдиного виду, котрі не розкладаються, бо зробити це нікому. Отже, життя як стійке планетарне явище можливе лише у тому випадку, коли воно різноякісне.
Можна оцінити роль живої речовини у формуванні довколишнього світу, розглянувши її функції.
Роль живих організмів у біосфері. Біомаса. Збереження біорізноманіття
Навіщо нам біорізноманіття та як його зберегти
28 груд. 2017
Біорізноманіття планети вже давно знаходиться під загрозою збіднення та зникнення. Всупереч поширеній думці, ця проблема актуальна не лише у далеких тропіках, а й у нашій країні. Втрати його можуть призвести до незворотних наслідків не тільки для екосистем, а і для самих нас. Але що ж таке «біорізноманіття»? Це різноманітність живих організмів з усіх джерел, включаючи, серед іншого, наземні, морські та інші водні екосистеми і екологічні комплекси, частиною яких вони є, а також різноманіття в рамках виду, між видами і різноманіття екосистем.
Станом на 2011 рік, за підрахунками вчених, у світі нараховується 8,7 млн видів, з них 6,5 млн є наземними, а 2,2 млн – морськими видами. Ці цифри і справді вражають, важко навіть уявити собі таке різноманіття. Може здаватися, що втрата кількох десятків чи сотень видів серед кількох мільйонів не буде відчутною для планети, але на справді все не зовсім так.
Стійкість екосистем, планети Земля і нашого з вами життя залежить саме від кількості видів. Чим їх більше, тим вища стійкість. Це означає, що у разі втрати якогось одного виду, є велика імовірність того, що якийсь інший вид візьме на себе його функції. Якщо ж видів буде недостатньо, не буде кому зайняти цю вільну екологічну нішу, і екосистема втратить одну свою ланку, в результаті чого виникне дисбаланс. Він ростиме дедалі більше із втратою наступних видів. У кінці-кінців екосистема може повністю зруйнуватися та викликати загибель всього, що її населяло, в тому числі й людей.
Прикладом того, що одна зміна не є ізольованою, а тягне за собою іншу, може також слугувати один експеримент у 70-ті роки ХХ століття - спроба боротися з малярією на острові Калімантан в Індонезії. Для того, щоб позбутися комарів – переносників малярії, було здійснено обробку місцевості пестицидом ДДТ, після цього на острові почали коїтися загадкові події. Спершу дахи будинків місцевих жителів почали обвалюватися, потім спостерігалася масова загибель котів, і в кінці-кінців на острів прийшла чума. Чому так сталося? А тому, що окрім комарів ДДТ з’їли також і таргани. Вони не загинули, але стали більш повільними і ящірки стали поїдати їх в значних кількостях. Концентруючись в організмах ящірок, ДДТ викликав нервові розлади та послаблення рефлексів, тому вони частіше, ніж зазвичай ставали жертвами котів. Масове знищення ящірок дозволило розмножитися гусені, які поїдали дахи будинків, зроблені з тростини, спричиняючи обвали. Окрім того, почалася масова загибель кішок, що отруїлися ДДТ. Зникли кішки і не було кому регулювати чисельність пацюків, які заполонили острів. Пацюки живуть у симбіозі з блохами, що є носіями чумної палички. Замість малярії жителі острова отримали іншу, більш страшну хворобу – чуму. Цей приклад є хрестоматійним і добре ілюструє, як все у довкіллі пов’язане між собою.
Тож зберігати біорізноманіття є дуже важливим сьогоденним завданням сучасного світу на шляху до збереження природи та людства. Щоб зупинити глобальні втрати біорізноманіття, у 1992 році 168 країн підписали Конвенцію ООН про охорону біорізноманіття та закликали світову спільноту згуртуватися навколо фундаментальної загрози, що нависає над людством – втратою середовища існування самої людини.
У 2010 році, занепокоєні недостатнім успіхом у зупиненні втрати біорізноманіття відповідно до попередніх цілей, Сторони Конвенції ухвалили Стратегічний план у сфері збереження та сталого використання біорізноманіття на 2011-2020 роки. Структура плану розрахована на 10 років, він передбачав, що всі країни та суб’єкти діяльності будуть вживати заходів для збереження біорізноманіття та забезпечуваних ними вигод для людей.
Діяльність людини серйозно порушила стан довкілля, в тому числі безпрецедентно скоротила частку територій, зайнятих природними екосистемами, що є середовищем існування більшості біологічних видів. Втрата біологічного різноманіття є однією з глобальних екологічних проблем. За даними Міжнародної спілки охорони природи (IUCN), від 10 до 50% добре вивчених вищих таксономічних груп знаходяться під загрозою зникнення, зокрема 23% видів ссавців, 12% - птахів, 25% - хвойних дерев. Ще гострішою є ця проблема для Європи — 43% європейських птахів мають несприятливий охоронний статус, 12% метеликів — дуже рідкісні або значно скоротили свою чисельність, 45% рептилій та 52% прісноводних видів риб знаходяться під загрозою зникнення. Значною є кількість видів, які ще не знаходяться під загрозою, але тим не менше чисельність яких скорочується і які можуть досить стрімко опинитися на межі вимирання. За оцінками фахівців, за останні декілька століть внаслідок людської діяльності темпи зникнення видів зросли майже в 1000 разів, порівняно зі звичайними темпами, характерними для різних етапів історії Землі. Головними факторами впливу людини на біорізномаінття є знищення і трансформація природних екосистем, надмірна експлуатація природних ресурсів, забруднення довкілля. Потужним фактором зміни довкілля стали глобальні зміни клімату, що відбуваються внаслідок дії антропогенних чинників. Такі зміни можуть негативно впливати на економіку держав: наприклад, через падіння родючості ґрунтів — на сільське господарство, через зменшення рибних запасів — на рибне господарство, через зміни температур та кількості опадів — на туристичну галузь тощо.
Не дивлячись на те, що Україна займає 5,7% площі Європи, на її території представлено не менше 35% європейського біорізноманіття (понад 70 тис. видів тварин і рослин). На жаль, значна частина природних та напівприродних ландшафтів України стрімко деградує під вливом діяльності людини. Так, землі сільськогосподарського призначення складають близько 71,2% території країни, а орні землі — близько 53,8%. У низці південних областей країни сільськогосподарські землі складають майже 90% їхньої території. Для природи лишається лише кілька відсотків площі, в яку потрапили ділянки, непридатні для оранки. Наприклад, площа степових ділянок, не залежно від того, наскільки вони деградовані, зменшилася до 3-4% від початкових значень. Жодна з екосистем не має спеціально виділеної категорії земель.
Внаслідок дії негативних антропогенних факторів все більша кількість видів тварин і рослин в Україні опиняються під загрозою зникнення. До першого видання Червоної книги України (1980) було занесено 151 вид рослин і 85 видів тварин. До другого видання (тваринний світ — 1994 р., рослинний світ — 1996 р.) внесено вже 541 вид рослин і грибів та 382 види тварин. Останнє видання Червоної книги України (2009) містить 826 видів флори і 542 види фауни.
Однією із основних проблем збереження біорізноманіття в Україні є те, що практичні заходи, програми і часто навіть законодавство не направлені на мінімізацію реальних причин, які призводять до втрат біорізноманіття (втрата місць існування, фрагментація екосистем, поширення видів-інтродуцентів, забруднення довкілля, глобальні зміни клімату, промислове використання біологічних ресурсів (полювання та рибальство, в т. ч. спортивне). Доцільно будувати плани реалізації КБР, скеровуючи їх на вирішення кожної з зазначених причин втрат біорізноманіття.
Історичний розвиток органічного світу
Основи еволюційного вчення
Природний добір. Вид, видоутворення
Порівняння штучного і природного добору.
Штучний
|
Природний
| |
Схожість
|
Діє три фактори: мінливість,
Від їх спільної дії утворюють-
породи і сорти
|
спадковість, добір.
-ся:
види |
Відмінність
|
Зберігає лише корисні для людини ознаки.
Людина добирає за видимими ознаками.
Діє на користь людини.
Відбувається з часів первісної людини.
|
Зберігає будь-які життєво важливі ознаки.
Добирає за помітними і непомітними ознаками.
Діє на користь організму, популяції, виду.
Відбувається протягом геологічних епох; в ряді випадків його дія виявляється за короткий час.
|
Мікроеволюція
1. Визначення "виду".
Вид - це сукупність особин, що займають певну територію (ареал), здатні схрещуватись між собою і давати плідне потомство.
2. Структура виду.
Вид підвищ популяція.
Популяція - сукупність особин одного виду, які мешкають на одній території і вільно схрещуються між собою, але так чи інакше ізольовані від особин інших популяцій того самого виду.
Підвид - сукупність подібних між собою популяцій, які відрізняються від інших популяцій того самого виду однією або кількома станами ознак.
Наприклад: вид "тигр" має сім підвидів.
Вид "білий гриб" - 20 підвидів.
Біологічна концепція виду (розроблена на основі синтетичної гіпотези еволюції).
Вид - це сукупність популяцій особин, подібних між собою за будовою, функціями, місцем у біогеоценозі, що населяють певну частину біосфери (ареал), вільно схрещуються між собою в природі, дають плідне потомство і не схрещуються з іншими видами.
5. Критерії виду - це мірило для визначення виду.
а) морфологічний - подібність зовнішньої і внутрішньої будови;
б) генетичний - характерний набір хромосом за кількістю, формою, розміром;
в) фізіологічний - подібність процесів життєдіяльності організмів виду (здатність до парування і народження плідного потомства або репродукційна ізоляція);
г) біохімічний - хімічний склад клітин, тканин (білки, нуклеїнові кислоти);
д) екологічний - існування виду при певній сукупності факторів зовнішнього середовища;
е) географічний - певний ареал, що його займає вид у природі.
6. Мікроеволюція - один з видів еволюційного процесу за синтетичною гіпотезою еволюції.
Мікроеволюція - це сукупність еволюційних процесів, які відбуваються в популяціях одного виду.
На зміни у популяціях впливають:
а) хвилі життя - це коливання чисельності особин у популяції;
б) ізоляція - неможливість схрещування між особинами одного виду;
Ізоляція є: географічна (річка, гори, ліс);
екологічна - коли в середині популяції виникають раси (форм з різними вимогами до умов довкілля в межах ареалу);
в) дрейф генів - перерозподіл генів і зміна їх частоти зустріваності внаслідок випадкових схрещувань.
При малій чисельності особин у популяції зростає можливість при схрещуванні переходу рецесивних генів у гомозиготний стан, що веде до загибелі особин з рецесивними генами і до зміни генофонду популяції.
Природний добір
Природний добір - це переважаюче виживання і розмноження найпристосованіших до умов існування організмів певного виду.
Пиродний добір - процес внаслідок якого виживають і лишають після себе потомство особини з корисними в даних умовах спадковими змінами.
Природний добір буває:
а) рушійний - дія відбору спрямована в певний бік.
Це приводить до змини фенотипу.
Наприклад: у різних тварин, що ведуть риючий спосіб життя (вовчок, жук-гнойовик, кріт) виникають копальні кінцівки.
Відбуваються при змінах довкілля.
б) стабілізуючий - підтримує сталість певного фенотипу, що відповідає навколишньому середовищу.
Відбувається у постійних умовах довкілля.
Природний добір є рушійною силою еволюції бо сприяє пристосуванню організмів до умов середовища.
Наслідок дії природного добору - виникнення пристосувань (адаптації).
Природний добір приводить до утворення нових популяцій, а потім підвидів, видів.
Видоутворення
Видоутворення - це один з видів еволюційного процесу за синтетичною гіпотезою еволюційної теорії.
Видоутворення - це еволюційний процес виникнення нових видів, внаслідок мікроеволюції за певної ізоляції чи стостосуванні до нових умов довкілля.
Воно має необоротний характер на відміну від мікроеволюції.
Видоутворення відбувається:
а) дивергенцією - коли з вихідної форми утворюється два чи більше нових видів;
б) перетворенням виду-попередника на новий вид у процесі його історичного розвитку завдяки адаптаціям до змін довкілля.
Видоутворення за допомогою дивергенції є наслідком ізоляції.
Тому відповідно до типів ізоляції розрізняють типи видоутворення:
а) географічне - коли внаслідок географічної ізоляції популяції дивергують в різні види;
Наприклад: бобер євразійський і американський (Берінгова протока роз'єднала материки);
б) екологічне - при появі екологічної ізоляції;
Коли групи популяцій потрапляють у різні екологічні умови в межах ареалу;
в) поліплоїдне - у рослин внаслідок кратного збільшення кількості хромосом;
г) схрещуванням особин споріднених видів: коли гібридні нащадки схрещуються між собою і утворюють нові плідні покоління.
Макроеволюція
1. Макроеволюція і її фактори.
Макреоволюція - це еволюційні процеси, що приводять до виникнення надвидових таксонів (одиниць): родів, родин і аж до царств.
В природі реально існують лише види. Надвидові категорії ввела людина на підставі ступеня споріднених видів.
Тому: окремих механізмів макроеволюції не існує.
Різноманітність видів виникає внаслідок пристосувань їхніх предків до різних умов довкілля.
Це явище називається адаптивною радіацією, що вібувається у формі дивергенції - явище розходження ознак у нащадків як наслідок пристосувань особин предкового виду до різних умов довкілля.
2. Напрямки макроеволюції:
а) біологічний прогрес - збільшення чисельності популяцій, розширення ареалу, утворенння нових підвидів і видів в межах певної групи;
Наприклад: комахи, молюски, птахи, ссавці, покритонасінні.
б) біологічний регрес - зниження пристосованості, чисельності, скорочення ареалу, вимирання певної групи.
Наприклад: із хоботних лишились лише два види: африканський та індійський слон.
Ці поняття не мають реального відображення в природі, а є узагальнюючими термінами, які показують ступінь видової різноманітності певної групи в певний геологічний час.
3. Докази макроеволюції:
а) порівняльно-аналітичні:
1) аналогічні органи - подібни за будовою органи видів різного походження, що виконують однакові функції;
2) гомологічні органи - однакові за будовою органи різних видів, що мають спільне походження (корінь та його видозміни; передні кінцівки - нога, крило, рука у хребетних тощо);
3) рудименти - недорозвинені чи спрощені органи у видів порівняно з предками (очі у крота, апендикс та хвостові хребці у людини);
4) атавізми - поява в окремих представників виду рис, властивих предкам (поява хвоста, волосся по всьому тілу, додаткові молочні залози).
б) палеонтологічні - викопні рештки живих істот; відбитки, окам'янілості;
в) ембріологічні - біогенетичний закон:
"Онтогенез є коротке повторення філогенезу" (Ф.Мюллер і Е.Геккель).
4. Шляхи реалізації еволюції.
а) ароморфози - зміни, що підвищують організацію організмів; стрибки в розвитку;
Через них виникають класи, типи (поява щелеп у хребетних; квітки у покритонасінних).
б) ідіоадаптації - зміни, які не підвищують рівень організації, а пристосовують вид до даних умов життя;
Наприклад: різні ротові органи комах, різна будова квіток покритонасінних.
в) загальна дегенерація - зміни, які пов'язані із спрощенням організації, але вони сприяють кращій пристосованості. Ці спрощення приводять до біологічного прогресу виду;
Наприклад: а) у вірусів (як паразитів) втрата клітинної структури;
б) у стіжкових червів втрата травної системи.
Історичний розвиток і різноманітність органічного світу
Гіпотези винекнення життя на землі
Поняття часу
Людина часто схильна звертатися до минулого, так-як в ньому заховані його таємниці. Звернення до історії завжди пов'язане з уявленням про невловимий хід часу, однак небагато хто мають ясну уяву про багаторіччя світу, в якому ми живемо.
Скільки не існувало людство – питання про те, як і коли утворилась Земля, цікавило всіх. Питання, як і з чого зародилось життя, було одним з перших питань, з яким первісна людина звернулась до себе, ледве змогла і озирнутись в жорсткій боротьбі за існування.
Гіпотези виникнення життя на Землі
Є що-небудь більш загадкове, ніж час? З глибокої давнини людство намагається проникнути в його сутність, виразити словами, числами, міфами. Саме в стародавніх міфах вперше з'являються поняття "день" і "рік", котрі являються більш конкретними, ніж поняття "час". Вони мають початок і кінець. Згідно з Біблією, Земля виникла декілька тисяч років назад. В інших культурах, наприклад, по китайській міфології, вік Землі оцінюється в 130 тисяч років. Давньоіндійські філософи вважають Землю такою старою, що навіть більш старою, ніж визначають сучасні вчені.
Перший імпульс до поняття категорії часу дали, очевидно, давньогрецькі вчені-атомісти. Але лише в епоху Відродження (15-16ст.) наука починає звільнюватися від всезагального впливу міфології і всесильної влади церкви. Починається епоха Великих географічних відкриттів, доведена кулеподібна форма Землі. Корали – яскравий приклад геологічного годинника, але вони можуть служити тільки в періоді, не старше 440 млн. років.
Природний результат еволюції матерії. З незапам'ятного часу походження життя було загадкою для всього людства. Але здатність задати собі питання: "Звідки ми?" – людина отримує порівняно недавно, 7-8 тисяч років тому, на початку нового кам'яного віку (неоліту). Разом з тим з’являється віра в те, що навколишня природа – тварини і рослини, річки і моря, гори і рівнини – також одушевлені.
Ідея самозародження життя з води, мулу чи гниючої матерії також йде від давніх міфів. В різноманітних варіантах ця ідея дожила до початку 20 століття. Більшість сучасних спеціалістів переконані в тому, що виникнення життя в умовах первинної Землі, є природний результат еволюції матерії. Це переконання засноване на доведеній єдності хімічної основи життя, побудованій з декількох простих і самих розповсюджених у Всесвіті атомів. Ні один серйозний вчений сьогодні не вважає, що життя на Землі - виключно, явище у Всесвіті. Не дивлячись на те, що проведено і проводяться безліч ціленаправлених дослідів, але до сих пір не з’ясовано ніяких фактів, котрі показали б, що істоти принесені на Землю метеоритами або з космічним пилом.
Біогенез і абіогенез. В розвитку вчення про походження життя важливе місце займає гіпотеза, яка затверджує, що все живе походить тільки від живого – теорія біогенезу. Цю теорію в середині 19 в. протиставляли ненаучним уявам про самозародження організмів. Однак як теорія походження життя, біогенез неупорядкований, оскільки принципов протиставляється живе неживому, підтверджує відкинуту наукою ідею вічності життя.
Абіогенез – ідея про походження живого з неживого – вихідна гіпотеза сучасної теорії походження життя. Важливо підкреслити, що зараз життя на Землі не може виникнути абіогенним шляхом. Життя виникло на Землі абіогенним шляхом. В теперішній час живе походить тільки від живого (біогенне походження). Можливість повторного виникнення життя на Землі вилучене.
Данні, отримані при дослідженні метеоритів. Однак, аж до самого останнього часу ми могли оперувати тільки методом логічної реконструкції. Але ось зовсім недавно ми отримали в руки зовсім неоцінимий матеріал: вдалось виявити надзвичайно давні з’єднання, які містять Вуглець, при чому ці з’єднання були виявлені не на Землі, де б вони зазнали за її багатовікову історію надто великі зміни, а в занесених до нас із космосу метеоритах. В метеоритах були виявлені складні з’єднання Вуглецю.
Деякі з них можна розглядати як попередники складних біологічних молекул, але утворились вони щонайменше 4,5 млрд. років назад і не на Землі, а на якійсь іншій планеті. Виявлення цих з’єднань свідчить про те, що Земля зовсім не є єдиним місцем, з котрим пов’язані процеси виникнення життя: ці процеси можуть проходити і в інших ділянках Всесвіту, хоча подальша еволюція могла проходити зовсім різними шляхами.
Ці знахідки слугують матеріальним підтвердженням повсюдності процесів зародження життя: ми зараз можемо говорити не тільки про виникнення життя на Землі, але про виникнення життя взагалі. Ми починаємо усвідомлювати, що процес еволюції життя є процес всезагальний і необхідний.
Енергетичний баланс життя. Процес виникнення життя розпадається логічно на декілька стадій. Перша – це формування простих біогенних молекул – процес, якому, очевидно, передували поглинання і фіксація вільної енергії. Джерелом вільної енергії при цьому могли бути деякі форми випромінювання – або безпосередньо сонячна радіація, або сонячний вітер (потік плазми, складена в основному з ядер Водню і електронів, розповсюджуваних з великою швидкістю від Сонця в результаті безперервного розширення сонячної корони), або енергія радіоактивного розпаду.
Таким чином, в "первинному бульйоні" в процесі його формування накопичувалась вільна енергія. Перша стадія еволюції життя в цьому бульйоні представляє собою поперед усього перетворення більш простих з’єднань за рахунок накопиченої вільної енергії в більш складні молекулярні структури. За цим в якийсь момент (який саме, невідомо) під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця з’являється нове джерело енергії, достатнє – але і не тільки – для підтримання життя.
Однак життя не могло існувати на цьому принципі нескінченно. Виникали різні поглинаючі ультрафіолет форми, які, однак, безслідно зникли. Саме тут і діяв процес природного відбору на молекулярному рівні. На сьогодні ми бачимо тільки ті, що виграли в цьому змаганні.
Гіпотеза панспермії. Панспермія – гіпотеза про повсюдність поширення в Всесвіті зародків живих істот. Згідно панспермії, в світовому просторі розсіяні зародки життя (наприклад, спори мікроорганізмів), які рухаються під тиском світових променів, а потрапивши в сферу притягання планети, осідають на її поверхні і закладають на цій планеті початок живого. Ця гіпотеза була видвинута шведським вченим Ареніусом в 1907 р.
Перші теорії Опаріна і Холдейна
Накопичення фактів, говорячих о хімічній і генетичній єдності життя,неминуче повинно було рано чи піздно навести на певні роздуми про виникнення життя. Першою спробою в цьому роді стала книга Опаріна "Виникнення життя", видана ним в 1924 р.
Ідеї, виказані в цій невиликій за об’ємом книзі, лягли в основу майже всіх сучасних теорій виникнення життя. Опарін висказав припущення, що при міцних електричних розрядах в земній атмосфері, яка 4-4,5 млрд. р. назад складалась із аміаку, метану, вуглекислого газу і пари води, могли виникнути найпростіші органічні з’єднання, необхідні для виникнення життя. П’ять років пізніше ті ж самі в сутності положення, але незалежно від Опаріна, були в значно коротшій формі виказані Холдейном.
Обидві ці роботи представляють собою спробу використати нові знання відносно циклів біохімічної реакції окислення і бродіння, для того щоб пояснити виникнення життя через виникнення її важливіших біохімічних властивостей в умовах, які, як припускається, існували на первісній Землі; особливу увагу при цьому приділяють процесам, відбуваючимся в океані, або гідросфері, а також на зміні в примітивній атмосфері Землі.
В 1897 році Бухнеру вдалось ізолювати "неживий" фермент із дріждживих клітин, досліджувані Пастером в 1855 р. Ця робота поклала початок хімічному вивченню процесу бродіння. Цим самим були закладені основи для поняття природи і функціонування ферментів – органічних молекул, здатних в багато разів прискорювати звичайні хімічні реакції надзвичайно специфічні в своїй діяльності. Іншими словами, ферменти є ніщо інше, як органічні каталізатори. Опаріну було зрозуміло, що їх виникнення виявилось необхідною ланкою процесу виникнення життя.
Він намагався відповісти на заперечення – заперечення доволі вагомі, - висовуванні проти старих теорій виникнення життя на Землі, і усунути протиріччя, народженні успіхом досвіду Пастера, експериментально довівшого неможливість спонтанного самозародження. Пастер довів, що живе виникає тільки із зародків, вже присутніх в середовищі. Якщо погодитись з таким висновком, то життя слідує вважати таким же вічним, як і сама матерія, - а численні вчені саме так і вважали. Але це положення в сутності лежало на гіпотезі Аристотеля про незмінювання світотворення і заперечувало новій, доведеній теорії еволюції організмів. Відмова ж від цієї ідеї відкривала шлях для нової гіпотези, складеній в тому, що умови, в яких виникло життя, відрізняється від умов, в яких життя існує зараз. Ця відмінність стосувалась головним чином складу атмосфери.
Основні етапи виникнення життя
Ознаки діяльності живих організмів виявлені багатократно в докембрійських породах, розсіяних по всій земній кулі. В Пд. Африці (м. Фігтри) знайдені породи зі слідами діяльності мікроорганізмів, вік яких більше 3,5 млрд. років.
Процеси, які передували виникненню життя на Землі, безперечно, здійснювались на основі тих же фізичних і хімічних законів, які діють на Землі і досі. Фізичні і хімічні властивості різних атомів і молекул робили обов’язковим взаємодію між ними. Говорячи про виникнення життя шляхом складних хімічних перетворень молекул, важливо мати на увазі, що ці процеси не мали єдиного і неповторюваного характеру, а могли протікати і, очевидно, протікали в неоднакових умовах і на різних ділянках поверхні Землі.
Передбачуєма історія виникнення життя викладена в трьох основних частинах:
- від атома до молекули;
- від молекули до полімеру;
- від полімеру до організму.
Хімічна еволюція живого
Із Водню, Азоту і Вуглецю при наявності вільної енергії на Землі повинні були виникати спочатку прості молекули: аміак, метан і подібні з’єднання. Далі ці нескладні молекули в первинному океані могли вступати в нові зв’язки між собою і з іншими речовинами.
З особливим успіхом, очевидно, протікали процеси росту молекул при наявності групи –N=C=N –. Ця група приховує в собі великі хімічні можливості до росту як за рахунок приєднання до атому Вуглецю атома Водню, так і шляхом реагування з азотистою основою.
З визначеного етапу хімічної еволюції, участь кисню в цьому процесі стала необхідною. В атмосфері Землі кисень міг накопичуватись в результаті розкладу води і водяної пари під впливом ультрафіолетових променів Сонця (існують припущення про наявність кисню до зародження життя).
Для перетворення відновленої атмосфери первинної Землі в окислену витратилось не менше 1-1,2 млрд. р. З накопиченням в атмосфері кисню відновлені з’єднання почали окислюватись, а саме: NH₃ – до NO₃, CH₄ – до CO₂, H₂S – до SO₃. В ряді випадків при окислені CH₄ утворились метиловий спирт, формальдегід, мурашина кислота і т. д., які разом з дощовою попадали в первинний океан. Ці речовини, вступаючи в реакції з аміаком і ціанистим воднем, дали початок амінокислотам і з’єднанням типу аденіну.
В ході таких і аналогічних їм реакцій води первинного океану насичувались різноманітними речовинами, утворюючи первинний бульйон. Шляхом реакції полімеризації з простих молекул могли бути утворені і більш складні молекули – білки, ліпіди, нуклеїнові кислоти і їх спричинені. Однією з найбільш важливих ланок початкової стадії хімічної еволюції слідує визнати з’єднані здібності до самовідтворення полінуклеотидів з каталітичною активністю поліпептидів. При виникненні життя необхідна була участь як полінуклеотидів, так і поліпептидів.
Надалі ускладнення обміну речовин в таких системах значну роль повинні були відіграти каталізатори (різні органічні і неорганічні речовини) і просторово-часові роззносини (тобто, закінчити зв’язок) початкових і кінцевих продуктів реакції. Все це не могло з’явитись до появи мембран. Утворення мембранної структури вважається самим важким етапом хімічної еволюції життя. Біологічні мембрани, як відомо, складають агрегати білків і ліпідів, здатні розмежувати речовини від середовища і надати упаковці молекул міцності.
Початкові етапи біологічного обміну
Вважають, що в початкових етапах передбіологічної еволюції коацервати, в яких виникла концентрація певного набору металів і простих органічних речовин, стали основою для переходу до біогенних синтезів. Навіть перші живі організми могли получити АТФ із оточуючого середовища.
З іншого боку, каталітична активність коацерватов могла бути підсилена і при виникненні комплексів між металами і органічними з’єднаннями.
До виникнення дійсної живої істоти здібність до самовідтворення не обов’язково могла бути зв’язана з точною редуплікацією нуклеїнових кислот, так як вона здійснювалась дуже повільно. Самоподвоєння їх могло б бути результатом постійності співвідношення швидкостей різних реакцій обміну речовин, йдучих із участю коферментов – каталізаторів небілкової природи. Надалі, очевидно, шов передбіологічний відбір коацерватов і по здібності накопичення спеціальних білковоподібних полімерів, відповідальних за прискорення хімічних реакцій. Всі ці зміни привели до виникнення циклічного обміну речовин, характерного для живих створінь.
В системі коацерватов не виключений і відбір самих нуклеїнових кислот, тобто відбір по генам. Система з успішною працюючою послідовністю нуклеотидів в нуклеїновій кислоті має право називатись живою.
Хіральна чистота живого
В питанні про походження життя одним із загадкових залишається факт наявності абсолютної хіральної чистоти (від греч. cheir – рука): у живих істот – зміст в молекулах білків тільки "лівих" амінокислот, а в нуклеїнових кислотах – "правих" цукрів. Подібне явище могло виникнути тільки внаслідок утрати передбіологічного середовища первинної дзеркальної симетрії (однаковий зміст правих і лівих ізомерів амінокислот і цукрів). Неживій природі присутня тенденція установлення дзеркальної симетрії (рацемації).
Досвіди останніх років показали, що тільки в хірально чистих розчинах практично могло виникнути біологічно вагоме видовження ланцюга полінуклеотидів і процес самореплікації. Живі системи організовані так, що тРНК із правих цукрів приєднує до себе тільки ліві амінокислоти. Ось чому виникнення життя, очевидно, виключалось до руйнування дзеркальної симетрії передбіологічного середовища і появи саморепліцируючих систем.
Усі живі організми піддтримують свою хіральну чистоту, і еволюція не надала їм засобів для мешкання в рацимічному середовищі.
Всі викладені – не більш як правдоподібні гіпотези можливих шляхів виникнення життя, і тут можна очікувати нових цікавих відкриттів. Так, за останні роки показано, що давно відомі бактерії, проживаючі в гарячих джерелах, на дні океанів, в шлунку деяких жуйних тваринах, поглинаючи вуглекислий газ, водень і виділяючи метан (метаноутворюючі бактерії), мало відрізняються від організмів, які жили на Землі першими.
В проблемі виникнення біологічного обміну на Землі ще є багато нез’ясованого. Занесене життя на землю чи воно тут виникло? Прошов біологічний обмін через коацерватний стан чи первісно виникає генетичний код? Але науково вірогідною залишається можливість виникнення життя з неорганічних речовин за допомогою діяння фізичних факторів середовища і діяння передбіологічного відбору.
Прискорення еволюції
Прискорення (акселірація) – відміна риса еволюції: вперше це підкреслив академік Опарін. Після виникнення життя на Землі її еволюція характеризується тенденцією до поступового прискорення.
Від виникнення перших живих істот (біля 3,5 млрд. р. назад) до першого масового розвитку багатоклітинних в вендську епоху пройшло більш 2,5 млрд. р. Для досягнення величезного різноманіття тварин і рослин було необхідно біля 400 млн. р., для розвитку ссавців і птах – біля 100 млн. р., приматів – біля 60 млн. р., гомінід – біля 16 млн. р., для роду чоловіка – 6 млн. р., для Homo sapiens – 60 тис. р.
Древній кам’яний вік (палеоліт) продовжувався стільки ж, скільки наступні неоліт, бронзовий і залізний віки. Сучасна наука зародилась біля 300 р. назад. Увесь хід розвитку свідчить про прискорення.
Швейцарський інженер і філософ Ейхельберг досить образно описує темпи прогресу людства:
"Припускається, що вік людства 600 тис. р. Уявляємо собі рух людства як марафонський біг на 60 км.
Більша частина 60-кілометрової відстані проходить по дуже складному шляху – через незаймані ліси. Ми мало знаємо цю частину, так як лише в кінці, на 58-59-м кілометрі бігу, зустрічаємо разом з первісною зброєю малюнки печерних людей як перші ознаки культури і ледве лише на останньому кілометрі шляху з’являється все більше ознак землеробства.
За 200 м до фінішу дорога вже покрита кам’яними плитами, ми проминаємо римські фортеці.
За 100 м до фінішу наш бігун пробігає через середньовікові міста.
До фінішу залишається ще 50 метрів; там стоїть людина, яка розумними очами слідкує за бігуном, - це Леонардо да Вінчі.
Залишається тільки 10 метрів! Вони починаються при світлі факелів і при світлі масляних світильників.
Але при стрімкому пориві на останніх 5 метрах трапляється диво: світло заливає нічну дорогу, машини шумлять на землі і в повітрі і здивований бігун осліплений прожекторами фото- і телекореспондентів".
Ейхельберга турбує цей стрімкий біг. Він питає – невже стрімкий рух людства до науково-технічного прогресу може виявитись рухом до його загибелі?
Безперечно, що розвиток людства визначається іншими законами, відмінними від законів біологічної еволюції. Але еволюція життя і неживої природи в геологічному минулому – процес діалектичний, котрому теперішнє зобов’язане своїм існуванням. На довгому шляху життя крізь глибини часу можна виявити вражаючий зв’язок між мешканцями Землі і спадкоємністю розвитку клімату і ландшафту, періодами небувалого розквіту і епохами згубних випробувань. Сучасне середовище, в якому ми живемо, змінюється з дивовижною швидкістю; зараз за десятиріччя проходять зміни, які в минулому проходили за мільйони років.
Прискорення є спільною закономірністю в розвитку. Але з ним зв’язана і цефалізація, сучасним досягненням якої є людський мозок. Прискорення веде не до загибелі, а до прогресу. В цьому закономірність еволюції.
Поява основних груп організмів на Землі та формування екосистем.
Основні події в історії органічного світу
| Ери та періоди геохронологічної шкали | Тривалість (млн. років тому) | Основні події |
| Архейська ера | 3900-2500 | Поява життя, еволюція прокаріотів та екосистем. |
| Протерозойська ера | 2500-550 | Зміна атмосфери на кисневу завдяки діяльності фотосинтезуючих організмів. Виникнення еукаріотів (1600 млн. років тому), багатоклітинних організмів. Поява основних груп водоростей і найпростіших, предків грибів і тварин. |
| Палеозойска ера, Кембрийский період | 550-490 | Поява членистоногих, молюсків, червів, кишковопорожнинних, перших хордових. Поширення форм, які мають твердий скелет. |
| Ордовікський період | 490-443 | Поширення зелених і червоних водоростей, голкошкірих, членистоногих, молюсків, кишковопорожнинних. |
| Силурійський період | 443-416 | Поява круглоротих і риб, поширення губок, вихід на суходіл перших судинних рослин |
| Девонський період | 416-360 | Виникнення плаунів, хвощів, папоротів і перших голонасінних рослин, вихід на суходіл перших земноводних, виникнення павуків, кліщів, комах. |
| Кам’яновугільний період | 360-299 | Поява рептилій і хвойних голонасінних рослин, розквіт амфібій і вищих спорових рослин. |
| Пермський період | 299-251 | Наприкінці періоду відбувається найбільше вимирання в історії фанерозою Зникло 90% водних видів і 70% наземних. |
| Мезозойська ера, Тріасовий період | 251-199 | Поява перших яйцекладних ссавців, динозаврів, літаючих рептилій, крокодилів і предкових форм птахів. З’являються двокрилі, прямокрилі й перетинчастокрилі комахи. |
| Юрський період | 199-145 | Розквіт динозаврів, морських і літаючих рептилій |
| Крейдяний період | 145-65 | Поява й поширення покритонасінних рослин, виникнення змій та основних рядів ссавців. Наприкінці періоду-масове вимирання. Зникло 70% водних видів і до 50% наземних. |
| Кайнозойська ера, Палеогеновий період | 65-25 | Розквіт і поширення ссавців, птахів, комах, молюсків, покритонасінних рослин, поява рукокрилих |
| Неогеновий період | 25-2 | Поява людиноподібних мавп і родини Люди. |
| Четвертинний період (антропогенний) | 2-наш час | Поява людини. |
- Розповідь вчителя з елементами бесіди. Що таке екосистема? Система?
Живі організми завжди існували не поодинці. Вони були складовими екосистем, виникнення нових форм часто призводило до значних змін в екосистемах. Перша екологічна катастрофа пов’язана з діяльністю фотосинтетичних організмів, з накопиченням кисню, що привело до вимирання величезної кількості видів. В пермському періоду відбулася різка зміна екосистем: голонасінні зайняли всі водороздільні місцевості, на яких не могли до того часу рости вищі спорові рослини через дефіцит вологи. Це призвело до різкого зменшення стоку мінералів і поживних речовин у водні екосистеми внаслідок ерозії. А материки утворили єдиний материк Панею, що значно скоротило довжину берегової лінії. Аналогічна ситуація спостерігалася і в крейдяному періоді. Масове вимирання в першу чергу водних організмів пов’язано з поширенням покритонасінних рослин і утворення ними дернових покривів на поверхні ґрунту, що знову суттєво знизило потік мінералів і поживних речовин у водні системи. Наземні екосистеми постраждали значно менше. Завдяки постійній температурі тіла ссавці змогли еволюціонувати у дрібних травоїдних. Відповідно, з’явилися і дрібні хижаки, які ефективно на них полювали. Але не менш ефективно вони могли полювати й на молодих динозаврів.
Система органічного світу як відображення його історичного розвитку
https://pidruchniki.com/77530/prirodoznavstvo/istorichniy_rozvitok_riznomanitnist_organichnogo_svitu
У складі сучасної біосфери налічують близько 3 млн видів живих істот, з них тварин - понад 2 млн, рослин - близько 600 тис., решта - це гриби, прокаріоти та віруси. Життя на Землі існує близько 3,8 млрд років. Учені підрахували, що у викопному стані збереглося не більш як 0,1-1% вимерлих видів, з яких нині відомо близько мільйона. Тому реальна кількість видів, які живуть тепер чи існували в минулому на нашій планеті, становить від 100 мільйонів до мільярда.
Які систематичні категорії встановили учені? Ви вже знаєте, що вчені-систематики визначають приналежність організмів до того чи іншого виду. Різні види об"єднують у групи (таксони) вищих рангів (категорій). Основні систематичні категорії, кожна з яких має індивідуальну наукову (латинську) назву-це вид, рід, родина, ряд (у ботаніці - порядок), клас, тип (у ботаніці - відділ), царство. Кожен вид повинен обов"язково бути класифікований, тобто віднесений до кожної з вказаних категорій. Наприклад: собака домашній має таку систематичну приналежність:
Вид Собака домашній - Canis familiaris
Рід Собака - Сапів
Родина Собачі - Canidae
Ряд Хижі - Carnivora
Клас Ссавці - Mammalia
Тип Хордові - Chordata
Царство Тварини - Аnimalia
Крім основних, у систематиці деяких груп застосовують і допоміжні (необов"язкові) категорії. Найуживаніші з них - підвид, підродина, надродина, підряд, надряд, підклас, надклас, підтип, надтип, підцарство. Наприклад, собака належить до підтипу Хребетні (Vertebrata) та підцарства Багатоклітинні (Metazoa).
Системи живих організмів бувають штучні та природні.
Що таке штучна система живих організмів? Основний критерій для створення штучної (формаль ної) системи - це ступінь подібності класифікованих об"єктів без будь-якого врахування їхнього історичного споріднення. Такі штучні системи створюють через брак даних про особливості будови та онтогенезу певних груп організмів, викопних форм та ін. Наприклад, тривалий час до штучного типу Черви відносили плоских, круглих і кільчастих червів та деяких інших червоподібних тварин, а до відділу Папоротеподібні - папороті, плауни і хвощі.
Отже, ступінь подібності видів є наслідком їхнього історичного походження і тим менший, чим більше розійшлись ознаки порівнюваних видів у процесі історичного розвитку.
..
ОтветитьУдалить