Главные уровни организации жизни и экология

Ген, клетка, орган, организм, популяция, сообщество (биоце­ноз) – главные уровни организации жизни. 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 представлениях о естествен­ном отборе. В упрощенном виде его можно представить так: 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. Если условия эти изменятся, то выживают организмы с более благоприятными для новых условий признаками, переданными им по наследству и т. д.

Материалистические представления о происхождении жизни и эволюционную теорию Ч. Дарвина можно объяснить лишь с пози­ций экологической науки. Поэтому не случайно, что вслед за откры­тием Дарвина (1859) появился термин «экология» Э. Геккеля (1866). Роль среды, т. е. физических факторов, в эволюции и существовании организмов не вызывает сомнений. Эта среда была названа абиотиче­ской, а составляющие ее отдельные части (воздух, вода и др.) и факто­ры (температура и др.) называют абиотическими компонентами, в отличие от биотических компонентов, представленных живым вещест­вом. Взаимодействуя с абиотической средой, т.е. с абиотическими компонентами, они образуют определенные функциональные систе­мы, где живые компоненты и среда – «единый цельный организм».

На рис. 1.1 указанные выше компоненты представлены в виде уровней биологической организации биологических систем, которыеразличаются 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 отдельного уровня значительно сложнее и мно­гообразнее предыдущего. Но объяснить это можно лишь частично на основе данных о свойствах предшествующего уровня. Иными слова­ми, нельзя предсказать свойства каждого последующего биологиче­ского уровня исходя из свойств отдельных составляющих его более низких уровней, подобно тому, как нельзя предсказать свойства во­ды исходя из свойств кислорода и водорода. Такое явление называют эмерджентностью –наличием у системного целого особых свойств, не присущих его подсистемам и блокам, а также сумме других эле­ментов, не объединенных системообразующими связями.

Экология изучает правую часть «спектра», изображенного на рис. 1.1, т. е. уровни биологической организации от организмов до экосистем.

В экологии организм рассматривается как целостная систе­ма,взаимодействующая с внешней средой, как абиотической, так и биотической. В этом случае в наше поле зрения попадает такая со­вокупность, как биологический вид,состоящий из сходных особей, ко­торые, тем не менее, как индивидуумы отличаются друг от друга. Они точно так же непохожи, как непохож один человек на другого, тоже относящиеся к одному виду. Но всех их объединяет единый для всех генофонд, обеспечивающий их способность к размножению в пределах вида. Поскольку каждый отдельный индивид (особь) имеет свои специ­фические особенности, то и отношение их к состоянию среды, к воз­действию ее факторов различное. Например, повышение температу­ры часть особей может не выдержать и погибнуть, но популяция всего вида выживает за счет других особей, более приспособленных к повы­шенным температурам.

Популяция,в самом общем виде, это совокупность особей одного вида. Генетики обычно добавляют как обязательный момент – спо­собность этой совокупности к самовоспроизводству.Экологи же, учи­тываяобе эти особенности, подчеркивают некую изолированность в пространстве и во времени аналогичных совокупностей одного и того же вида (Гиляров, 1990).

Изолированность в пространстве и во времени аналогичных по­пуляций отражает реальную природную структуру биоты (т.е. живого вещества). В реальной природной среде многие виды рассеяны на огромных пространствах, поэтому изучать приходится некую видовую группировку в пределах определенной территории. Некоторые из группировок достаточно хорошо приспосабливаются к местным условиям, образуя так назы­ваемый экотип. Эта даже небольшая группа особей, связанных между собой генетически, может дать начало большой популяции, причем весьма устойчивой достаточно длительное время. Этому способству­ют адаптивность особей к абиотической среде, внутривидовая конку­ренция и др.

Однако настоящих одновидовых группировок и поселений в при­роде не существует, и мы обычно имеем дело с группировками, со­стоящими из многих видов. Такие группировки называются биологи­ческими сообществами, или биоценозами.

Биоценоз– совокупность совместно обитающих популяций раз­ных видов микроорганизмов, растений и животных. Термин «биоце­ноз» впервые применил Мебиус (1877), изучая группу организмов устричной банки, т. е. с самого начала это сообщество организмов было ограничено неким «географическим» пространством, в дан­ном случае границами отмели. В дальнейшем это пространство было названо биотопом, под которым понимаются условия окружающей среды на определенной территории: воздух, вода, почвы и подсти­лающие их горные породы. Именно в этой окружающей среде существуют растительность, животный мир и микроорганизмы, состав­ляющие биоценоз.

Понятно, что компоненты биотопа не просто существуют рядом, а активно взаимодействуют между собой, создавая определенную биологическую систему, которую академик В. Н. Сукачев назвал био­геоценозомв конце 30-х гг.

Представления Сукачева в дальнейшем легли в основу биогеоценологии –целого научного направления в биологии, занимающего­ся проблемами взаимодействия живых организмов между собой и с окружающей их абиотической средой.

Однако несколько ранее, в 1935 г., английским ботаником А. Тенсли был введен термин «экосистема». Экосистема,по А. Тенсли, – «со­вокупность комплексов организмов с комплексом физических фак­торов его окружения, т. е. факторов местообитания в широком смыс­ле». Ряд сторонников экосистемного подхода на Западе считают тер­мины «биогеоценоз» и «экосистема» – синонимами, в частности Ю.Одум (1975, 1986).

Особое значение для выделения экосистем имеют трофические, т. е. пищевые взаимоотношения организмов, регулирующие всю энергетику биотических сообществ и всей экосистемы в целом.

Прежде всего, все организмы делятся на две большие группы – автотрофов и гетеротрофов.

Автотрофные организмы используют неорганические источники для своего существования, тем самым создавая органическую мате­рию из неорганической. К таким организмам относятся фотосинтезирующие зеленые растения суши и водной среды, синезеленые во­доросли, некоторые бактерии за счет хемосинтеза и др.

Гетеротрофные организмы потребляют только готовые органиче­ские вещества. К ним относятся все животные и 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 (например, клещи). Поскольку организмы достаточно разнообразны по видам и фор­мам питания, то они вступают между собой в сложные трофические (т.е. пищевые) взаимодействия, тем самым выполняя важнейшие экологические функции в биотических сообществах. Одни из них производят про­дукцию, другие потребляют, третьи преобразуют ее в неорганическую форму. Их называют соответственно: продуценты, консументы и ре­дуценты.

Продуценты– производители продукции, которой потом пита­ются все остальные организмы – это наземные зеленые растения, микроскопические морские и пресноводные водоросли, производя­щие органические вещества из неорганических соединений.

Консументы– это потребители органических веществ. Среди них: есть животные, употребляющие только растительную пищу – травоядные (корова) или питающиеся только мясом других животных – Плотоядные (хищники), а также употребляющие и то и другое – «всеядные» (человек, медведь).

Редуценты (деструкторы)– восстановители. Они возвращают вещества из отмерших организмов снова в неживую природу, разлагая органику до простых неорганических соединений и элементов (на­пример, на СО₂, NO₂ и Н₂О). 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, а также насекомые. (Функционально редуценты – это те же консументы, поэтому их часто называют микроконсутентами).

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