БІОРІЗНОМАНІТТЯ - це розмаїття організмів, видів та їхніх угруповань. Поняття біорізноманіття застосовується з 1988 р., коли відомий американський біолог Е. Вілсон видав книжку «Біорізноманіття». Вивченням закономірностей формування та еволюції біорізноманіття займається диверсикологія.
Основними типами біорізноманіття є: генетичне (різноманітність генів усіх організмів), видове (різноманітність видів клітинних організмів) та екосистемне (різноманітність біотопів й біоценозів у різних ділянках Землі). Всі типи біорізноманіття пов’язані між собою.
Нині внаслідок антропогенного впливу людини біорізноманіття скорочується. Більшість вчених вважають, що в наш час відбувається шосте - найбільше - вимирання видів, спровоковане людським чинником. Вимирання видів - нормальне явище природи, але, за оцінками науковців, його нинішні темпи перевищують природні в 2 - 10 разів. Не менш вразливою є різноманітність природно-кліматичних зон. З метою привернення уваги громадськості до проблем скорочення біорізноманіття Генеральна Асамблея ООН проголосила 22 травня Міжнародним днем біорізноманіття.
Основними чинниками, що загрожують біорізноманіттю, є: 1) скорочення ареалів існування через діяльність людини; 2) надмірна експлуатація біоресурсів (наприклад, рибальство знищило до 80 % рибної біомаси); 3) забруднення середовища (наприклад, тисячі морських птахів і черепах щорічно гинуть через дрібне пластмасове сміття); 4) вторгнення чужорідних видів (наприклад, азійський короп у водоймах Європи).
Яке ж значення біорізноманіття для Землі? Живі організми та їхні угруповання забезпечують: стійкість та розвиток біосфери, біологічний колообіг речовин й потік енергії, регуляцію кліматичних процесів на Землі, потреби людини в біоресурсах (їжі, сировині, ліках) та ін. Біорізноманіття - це величезний генофонд планети, і чим він різноманітніший, тим легше наша Земля адаптується до нових умов. Біорізноманіття сучасного органічного світу - результат історичного розвитку упродовж 3,3-4,2 млрд років.
Отже, генетичне, видове та екосистемне біорізноманіття є основою життя на Землі.
Які основні принципи біологічної систематики?
Біосистематика (від грец. біос - життя і система - упорядкування) - наука про різноманітність організмів. Термін було запропоновано К. Ліннеєм. Сучасна систематика розвивається в тісному зв’язку з еволюційною морфологією, біохімією, екологією, анатомією, молекулярною біологією, генетикою, біогеографією тощо.
Основною метою біосистематики є побудова системи органічного світу.
Загальними принципами біосистематики, що упорядковують й організовують дослідження видового різноманіття, є такі.
• Для визначення місця виду в системі органічного світу використовуються систематичні (таксономічні) категорії: домен, царство, тип (відділ), клас, ряд (порядок), родина, рід і вид (іл. 138).
Іл. 138. Основні таксономічні категорії
• Основною і найменшою одиницею класифікації є вид, а найбільшою одиницею класифікації є домен - категорія, що включає декілька царств.
• Кожен вид слід обов’язково класифікувати - визначити ступінь його подібності й відмінності від інших, порівнявши з ними.
• На основі окремих ознак подібності ґрунтується побудова штучних (формальних) систем (систем організмів, у класифікації яких не враховується історична спорідненість різних таксонів).
• Природні (філогенетичні) системи - це системи організмів, у яких класифікація видів ґрунтується на їх ступені подібності та відображає філогенетичну спорідненість між систематичними групами.
• Для класифікації живих організмів використовується подвійна (бінарна) номенклатура, яку запровадив ще К. Лінней. Бінарна номенклатура - подвійна назва видів, перше слово якої вказує на родову належність, а друге - на видову. Наприклад, пес свійський (Canis familiaris).
• Для зведення правил біологічної номенклатури існують спеціальні номенклатурні кодекси (наприклад, «Міжнародний кодекс ботанічної номенклатури» (ICBN), «Міжнародний кодекс зоологічної номенклатури» (ICZN).
Отже, основними завданнями сучасної біосистематики є опис й упорядковування різноманітних існуючих і вимерлих видів, класифікація та визначення еволюційних зв'язків для створення природної (філогенетичної) системи органічного світу.
Яке значення еволюційної філогенії у дослідженні біорізноманіття?
Еволюційна філогенія (або філогенез) (від. грец. філо - рід і генезіс - породжую) - розділ еволюційної біології, що вивчає шляхи історичного розвитку біорізноманіття Землі. Термін філогенез ввів у науку німецький учений Е. Геккель у 1866 р. Ним він визначав історичний розвиток окремих видів, систематичних груп та органічного світу в цілому. В сучасному розумінні поняття філогенія застосовується і для досліджень еволюції молекул, клітин, органів, систем органів, популяцій, окремих видів, екосистем та біосфери в цілому. Метою еволюційної філогенії є реконструкція походження і послідовності еволюційних перетворень та побудова природної системи органічного світу.
Вихідним методом для досліджень філогенезу був метод «потрійного паралелізму» з використанням знань морфології, ембріології та палеонтології. Сучасна еволюційна філогенія використовує дані генетики, біохімії, молекулярної біології та багатьох інших наук. Важливу інформацію для науковців дають методи молекулярної філогенетики, що досліджують філогенетичні відносини молекул ДНК, РНК і білків різних організмів. Так, було з’ясовано, що для встановлення еволюційних зв’язків між царствами і типами живих організмів найбільше значення має рРНК. Причина криється в тому, що ця молекула виникла на ранніх етапах становлення життя і є в усіх живих організмів.
Для ілюстрації філогенії еволюційних зв’язків між групами організмів застосовують філогенетичні дерева. Це зображення філогенетичних відносин у будь-якій природній групі організмів або в межах всього органічного світу.
Результати досліджень еволюційної філогенії найширше використовуються в біосистематиці для класифікації організмів, в біогеографії - для вивчення поширення, в етології - для дослідження еволюції поведінки, в медицині - для розуміння шляхів виникнення хвороботворних мікроорганізмів та ін.
Отже, предметом досліджень еволюційної філогенії є еволюційні зв'язки між організмами на різних рівнях організації живого та шляхи історичного розвитку біорізноманіття на Землі.
Домашнє завдання: Біологія + Геологія
Перед вами на світлині шматок балтійського бурштину із застиглим грибним комаром, на ніжці якого пилковий мішечок (поліній). За допомогою цієї знахідки науковцям вдалося визначити, що адаптації орхідей до запилення за участі комах вже були у них 45-55 млн років тому. Що таке бурштин? Які склад та властивості цієї смоли, що приносить для палеонтологів такі цінні відомості з давніх геологічних часів?
Еукаріоти є найбільшим за кількістю видів доменом клітинних організмів. їхня систематика досі е предметом дискусій. Деякі дослідники пропонують виділяти серед еукаріотів до 20 царств. Наприклад, одні вчені об’єднують усіх найпростіших в одну групу. У цьому випадку амеби, інфузорії та евглени вважаються представниками одного царства Протисти. А інші вчені поділяють найпростіших на кілька груп. У цьому випадку амеби, інфузорії та евглени будуть представниками різних царств. Пов’язано це з особливостями походження еукаріотів.
У процесі еволюції вони неодноразово включали у свої клітини внутрішньоклітинних симбіонтів. Ці симбіонти і стали такими органелами, як мітохондрії та пластиди. А пластидами могли ставати не тільки різні ціанобактерії, але й різноманітні еукаріотичні водорості. Тому часто досить важко визначитися із систематичною приналежністю деяких груп еукаріотів.
Особливості основних груп еукаріотів
Для порівняння груп еукаріотів використовують такі характеристики, як наявність і склад клітинної стінки, кількість ядер у клітині, наявність пластид, одно- чи багатоклітинність, тип живлення.
Порівняльна характеристика деяких груп еукаріотів
Еукаріоти є найбільшим за кількістю видів доменом клітинних організмів. У процесі еволюції вони неодноразово включали у свої клітини внутрішньоклітинних симбіонтів. Ці симбіонти і стали такими органелами, як мітохондрії та пластиди.
Домашнє завдання: Порівняйте між собою гриби й рослини.
Зв’язки
організмів один з одним та з абіотичними компонентами середовища життя формують
екологічну систему (екосистему). Термін «екосистема» запропонував англійський
еколог А. Тенслі в 1935 р. Під екосистемою розуміють функціональну
систему, яка вбирає в себе угруповання живих організмів разом із середовищем, в
якому вони мешкають. Елементи цієї системи пов'язані між собою обміном речовин
та енергії. Екосистемами є й біосфера в цілому, й окремий ліс, і окрема калюжа,
й поодиноке дерево, тобто як за розмірами, так і за складом екосистеми дуже
різноманітні.
Будь-яка
екосистема складається з абіотичних та біотичних компонентів. До абіотичних
відносяться кліматичний режим, хімічні та фізичні характеристики середовища,
неорганічні та деякі органічні речовини, що формують гумус. Компонентами
біотичної складової є продуценти – виробники органічної
речовини (автотрофні організми, головним чином зелені фото синтезуючі
рослини), консументи – споживачі органічної
речовини (тварини, паразитичні гриби, деякі бактерії), редуценти – бактерії і гриби,
котрі руйнують мертві тіла або відпрацьовану органічну речовину до стану
простих неорганічних сполук.
Класифікація
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.
Заповнення
таблиці разом з учнями
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 зймає 6 % суходолу і вкритий переважно злаками й
багаторічниками. Степ буває субтропічним, саванноподібним 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.
Домашнє завдання: Обрати,
які з перерахованих компонентів екосистеми відносять до абіотичних:
· Кліматичний режим
· Видове різноманіття
· Вологість
· Рослини
· Режим освітлення
· Тварини
· Неорганічні речовини, що включаються в кругообіг
· Бактерії
Організми підвладні впливу різних чинників середовища — екологічних факторів, які за своєю природою можуть бути абіотичними, біотичними й антропогенними (мал. 49.1). Для того щоб адаптуватися до відповідного середовища існування, живим організмам треба виробляти пристосування, щоб запобігти негативному впливу таких факторів.
Екологічні фактори
Тип факторів | Характеристика факторів |
Абіотичні | Чинники неживої природи — фізичні та хімічні умови середовища. До них належать температура, вологість, світло, рух повітряних мас (вітер), течія й солоність води, опади, сніговий покрив, магнітне поле Землі |
Біотичні | Під біотичними чинниками середовища розуміють взаємний вплив живих організмів одне на одного. Умовно біотичні чинники можна поділити на внутрішньовидові та міжвидові. Внутрішньовидові чинники проявляються у впливі особин певного виду одна на одну й конкуренції за різні ресурси. Проявом цих чинників є боротьба за територію, їжу, статевого партнера. Міжвидові чинники дуже різноманітні. У процесі еволюції сформувалося декілька типів міжвидових взаємовідношень (конкуренція, хижацтво, паразитизм, коменсалізм тощо). Усі вони є міжвидовими біотичними чинниками |
Антропогенні | Це чинники, зумовлені діяльністю людини. До них належать забруднення середовища, необмежене полювання, руйнування середовища існування, занесення нових видів тощо |
Вплив екологічних факторів на живі організми
Відносно будь-якого фактору середовища живі організми мають так званий діапазон сталості (толерантності). Якщо інтенсивність якого-небудь чинника виходить за межі толерантності, живі організми гинуть. Так, якщо слон потрапить у місцевість із температурою повітря -20°С, то він досить швидко загине. Тому організми намагаються жити в умовах, де фактори не виходять за межі толерантності й до яких вони найкраще пристосовані. Такі умови називають біологічним оптимумом для певного виду організмів.
Абіотичний (низькі температури)
Біотичний (хижак)
Антропогенний (забруднення)
Мал. 49.1. Екологічні фактори
Більшість екологічних факторів змінюється незалежно один від одного. І досить важко підібрати місце проживання так, щоб усі фактори були в межах біологічного оптимуму. Тому зазвичай деякі з чинників впливають на живі організми сильніше за інших. Фактор, який найбільше впливає на виживання, називають обмежувальним (лімітуючим). Лімітуючими факторами можуть бути температура, тиск, солоність води, хижаки тощо.
Організми підвладні впливу різних чинників середовища — екологічних факторів, які за своєю природою можуть бути абіотичними, біотичними й антропогенними. Організми намагаються уникати впливу негативних факторів і жити в умовах, до яких вони найкраще пристосовані. Такі умови називають біологічним оптимумом для певного виду організмів.
Домашнє завдання: параграф 50. Питання: На конкретних прикладах поясніть, як на екосистеми впливають антропогенні фактори.
Цілісність і саморегуляція екосистем
Природні екосистеми містять значну кількість видів живих організмів. Ці організми взаємодіють між собою, утворюючи єдину трофічну сітку. Усі організми в екосистемі пов’язані між собою. Хоча часто такий зв’язок є не прямим, а опосередкованим через інші види. Наприклад, дощові черви й непарні шовкопряди між собою напряму не пов’язані, але шовкопряди в разі масового розмноження виїдають листя дерев. Відповідно, листя не падає на ґрунт, що зменшує кормову базу для дощових червів.
Разом усі організми екосистеми утворюють складну цілісну систему, яка перебуває в стані динамічної рівноваги. Тобто через зміну якогось із елементів системи інші елементи компенсують ці зміни й виправляють становище. Так, у разі масового розмноження якогось виду різко зростає чисельність хижаків і паразитів, які ним живляться, і досить швидко чисельність виду зменшується до нормальних величин. Така здатність системи відновлювати свій стан після його порушення називається саморегуляцією.
Взаємозв'язки організмів у екосистемах
Велике значення для підтримки стабільності екосистеми мають різні форми взаємодії живих організмів. У біоценозах спостерігаються різні види симбіозу (форми співіснування двох видів).
Найбільш поширеними формами взаємодії є конкуренція, хижацтво, мутуалізм, паразитизм та коменсалізм. Кожен з видів живих організмів пов’язаний з багатьма іншими видами. Навіть на прикладі людини можна продемонструвати всі можливі варіанти взаємодії. Наприклад, людина конкурує зі шкідниками сільського господарства за харчові ресурси. А міські ластівки по відношенню до людини є коменсалами, бо використовують будинки для розміщення своїх гнізд.
Форми взаємодії живих організмів у екосистемах
Мал. 50.1. Приклади порушення стабільності екосистем під впливом абіогенного (а), антропогенного (б) та біогенного (в) факторів
Причини порушення стабільності екосистем
Здатність до саморегуляції екосистем теж має певні межі. Якщо вплив якогось фактора є надто сильним, динамічна рівновага в екосистемі порушується. Це може призвести до руйнування екосистеми й вимирання багатьох видів (мал. 50.1).
Причиною таких порушень може бути вплив будь-якого з екологічних факторів — абіотичного, біотичного чи антропогенного. Наприклад, виверження вулкана може просто знищити екосистему окремої території. Так, 1883 року виверження вулкана Кракатау знищило екосистему острова, на якому він розміщується.
Біотичними факторами, які порушують рівновагу в екосистемах, часто ставали нові групи, які виникали в процесі еволюції. Так, виникнення голонасінних рослин призвело до того, що наприкінці палеозойської ери вони заселили значні площі суші, де не могли рости їхні попередники — спорові рослини — через нестачу вологи. Формування рослинного покриву і припинення ерозії призвело до різкого зменшення надходження мінеральних речовин до річок і морів. Це призвело до руйнації водних екосистем і масового вимирання організмів.
Дія антропогенного фактора часто пов’язана із завезенням людиною в екосистему нових видів організмів. Наприклад, у давнину моряки часто залишали на островах кіз, щоб потім мати змогу поповнювати запаси м’яса, коли заходили на острів, але без контролю хижаків кози швидко розмножувалися й виїдали всю рослинність островів. У результаті острови перетворювалися на пустелі.
Природні й штучні екосистеми
Екосистеми, які розглядалися до цього, є природними. Вони виникли й розвивалися без участі людини. Людина й зараз е складовою частиною цих екосистем. Але вона також формує і власні екосистеми — штучні.
Поле кукурудзи
Пасовище корів
Ферма молюсків
Мал. 50.2. Штучні екосистеми
Штучні екосистеми часто розглядають як окремий тип екосистем (агроценози). Вони створюються людиною й використовуються нею для господарських цілей (мал. 50.2).
Існувати без підтримки людини такі екосистеми не можуть. У них переважають організми одного виду, і вони не здатні до саморегуляції. Регуляцію цих систем здійснює людина. Вона також постійно вилучає із систем речовини (коли споживає вирощену в них продукцію). Тому ці речовини доводиться постійно поновлювати (вносити добрива).
Домашнє завдання: параграф 51, впр 4.
БІОСФЕРА - особлива оболонка Землі, населена живими істотами (іл. 165). Перші уявлення про біосферу як «зону життя» дав Ж. Б. Ламарк, термін запропонував австрійський вчений Е. Зюсс (1875), а цілісне вчення про біосферу створив наш видатний співвітчизник В. І. Вернадський («Біосфера», 1926). Дослідженнями біосфери займається біосферологія.
Іл. 165. Біосфера
Які ж особливості біосфери як біологічної системи найвищого рівня організації живої матерії?
1. Біосфера охоплює три геологічні оболонки - літосферу, атмосферу та гідросферу. Межами біосфери є нижні шари атмосфери до висоти близько 11 км, вся гідросфера і верхній шар літосфери до глибини 3-11 км.
БІОСФЕРА | ||
Абіотичний компонент | ← Біогенна міграція елементів → | Біотичний компонент |
Речовина атмо-, гідро- та атмосфери | Жива речовина (продуценти, консументи, редуценти) | |
2. У структурі біосфери виокремлюють абіотичний та біотичний компоненти, що пов’язані переміщенням елементів. Живі організми концентрують, перерозподіляють хімічні елементи, синтезують з них й розкладають хімічні сполуки. У науці ця закономірність називається законом Вернадського, або законом біогенної міграції хімічних елементів: міграція хімічних елементів на земній поверхні та в біосфері в цілому здійснюється або за безпосередньої участі живої речовини, або ж в середовищі, особливості якого зумовлені живою речовиною.
3. Структурними елементами біосфери є 7 типів речовини: 1) жива (сукупність усіх організмів на Землі); 2) біогенна (речовина, утворена й перероблювана організмами: вугілля, нафта, кисень атмосфери тощо); 3) косна (абіотична речовина, утворена без участі живого - лава, попіл вулканів; 4) біокосна (біогенно-абіотична речовина, продукти розкладу і переробки косної речовини організмами - ґрунт); 5) радіоактивна; 6) космічна; 7) розсіяні атоми.
4. Елементарними одиницями біосфери є екосистеми в усій своїй різноманітності, об’єднані біологічним колообігом речовин й перетворенням енергії. Через те біосферу розглядають як єдину глобальну складну екосистему планети Земля.
5. Біосфера існує з часу появи життя на Землі й на сучасному етапі свого розвитку поступово переходить у ноосферу - стан біосфери, за якого визначальними чинниками стає розумова діяльність й праця людини, а характерною рисою - екологізація всіх сфер життя.
Отже, біосфера є найвищою та найскладнішою біологічною системою Землі.
Які функції живої речовини зумовлюють їх значення?
Жива речовина (біота) - вся сукупність живих організмів на планеті. На її частку припадає всього 0,01 % від маси всієї біосфери (97 % - рослини і 3 % - тварини та інші організми), проте саме з нею пов’язані найважливіші процеси, що відбуваються в усіх оболонках Землі. «Можна без перебільшення стверджувати, що стан планети, біосфери цілком перебуває під впливом життя і визначається живими організмами», - писав В. І. Вернадський. Якими ж є функції живої речовини?
• Газова - вплив живих організмів на газовий склад атмосфери (наприклад, утворення кисню під час фотосинтезу, виділення вуглекислого газу під час дихання).
• Концентраційна - поглинання живими організмами певних хімічних елементів і їх накопичення (наприклад, накопичення молюсками у черепашках Кальцію, діатомовими водоростями, хвощами, злаками - сполук Силіцію, морськими водоростями - Йоду);
• Окисно-відновна - живі організми окиснюють та відновлюють певні сполуки (наприклад, залізо-, сіркобактерії перетворюють сполуки Феруму та Сульфуру).
• Біохімічна - синтез і розщеплення білків, ліпідів, вуглеводів, нуклеїнових кислот, яких у природі до появи живого не існувало.
Основними властивостями живої речовини, від яких залежить реалізація цих функцій, є: обмін речовин, ріст, самовідтворення, здатність нагромаджувати і передавати енергію по ланцюгах живлення, зміна абіотичного середовища, адаптивність та ін.
Жива речовина на Землі розподілена нерівномірно. Найбільше скупчення організмів спостерігається на межі трьох оболонок: атмо-, гідро- і літосфери (у тропічних лісах і тропічній літоралі). На суходолі різноманітність життя є вищою, ніж у воді через різноманітніші умови середовища життя та більшу ефективність використання сонячної енергії на суходолі, що становить 0,1 %. У Світовому океані життя має більшу біомасу, але різноманітність його менша через стабільність умов водного середовища та менший ККД використання сонячної енергії в океані (0,04 %).
Отже, саме жива речовина охоплює й перебудовує процеси в біосфері та є найпотужнішою геологічною силою, що зростає з плином часу.
Як відбувається біологічний колообіг й перетворення енергії в біосфері?
Біологічний колообіг речовин - це переміщення, розподіл і концентрація хімічних елементів і речовин у біосфері, що відбуваються за допомогою живих організмів. Біологічний колообіг речовин у природі, на відміну від геологічного, є швидким і розімкненим (частина елементів відкладається у вигляді порід органічного походження). За участі мікроорганізмів, рослин, тварин, грибів й людини колообіг речовин здійснюється через повітря (≈ 98 %) і через воду (≈ 2 %). У загальному біологічний колообіг речовин в біосфері, як і в екосистемах, має циклічний характер.
На сьогодні спостерігаються порушення колообігу речовин у біосфері, балансу між біологічним та геологічним колообігами, головними причинами яких є штучне прискорення вивітрювання порід і прискорені темпи загибелі біоти, а також створення людиною речовин, які надалі не можуть бути використані організмами. Серед найважливіших циклів виокремимо колообіг Н2О, СО2, Оксигену, Нітрогену і Фосфору (іл. 166).
Іл. 166. Колообіг СО2 в біосфері
Біологічне перетворення енергії — це перетворення сонячної енергії у біосфері, що відбуваються за допомогою живих організмів. Біосфера більшу частину енергії одержує у вигляді променистої енергії Сонця, і незначна частка є тепловою енергії процесів у земній корі. Лише 0,1 % сонячної енергії, що потрапляє на Землю, вловлюється продуцентами, використовується в процесі фотосинтезу й запасається у вигляді хімічної енергії вуглеводів. Ця зв’язана енергія далі використовується консументами й редуцентами в ланцюгах живлення, і за її рахунок жива речовина виконує внутрішню роботу - концентрує, трансформує, акумулює й перерозподіляє хімічні елементи в земній корі. У процесі цих перетворень частина енергії втрачається у вигляді теплоти, тому перетворення енергії у біосфері має лінійний характер.
Отже, біосфера є біологічною системою, що поглинає енергію космосу та спрямовує її на внутрішню роботу, яка забезпечує існування та розвиток природи Землі.
Домашнє завдання: Наведіть приклади організмів, які беруть участь у перетворенні оболонок Землі та доведіть планетарну роль живої речовини.
Значення живої речовини для Землі
Значення | Приклади організмів |
Утворення осадових порід | |
Утворення корисних копалин | |
Руйнування гірських порід | |
Утворення ґрунту | |
Утворення кисню й озону | |
Вплив на концентрацію азоту | |
Вплив на концентрацію CO2 | |
Заболочування |
СЕЛЕКЦІЯ (від лат. selectio - добір) - наука про створення нових та поліпшення вже існуючих сортів рослин, порід тварин і штамів мікроорганізмів. Наукові основи селекції закладено Ч. Дарвіном у працях «Походження видів» (1859) та «Зміна домашніх тварин і культурних рослин» (1868), в яких обґрунтовано основи селекційного створення нових форм. Важливим етапом подальшого розвитку селекції стало відкриття законів спадковості й мінливості. Великий внесок у розвиток селекції зробив М. І. Вавилов, автор закону гомологічних рядів й вчення про центри походження культурних рослин. Важливу роль у становленні селекції зіграли українські селекціонери Л. П. Симиренко, І. В. Мічурін, В. М. Ремесло, М. Ф. Іванов, М. М. Гришко та ін.
Чому селекція є наукою? Предметом селекції є вивчення закономірностей формування сортів рослин, порід тварин та штамів мікроорганізмів в створених людиною умовах. Селекція підпорядкована тим самим законам, що й еволюція видів у природі, однак природний добір частково замінений штучним. Теоретичною базою селекції є генетика, еволюційне вчення та екологія. Використовуючи еволюційну теорію, генетичні закони, вчення про чисті лінії й мутації, екологічні закономірності, вчені-селекціонери розробили різноманітні методи виведення сортів, порід і штамів. До основних методів селекції належать добір, гібридизація, методи поліплоїдізації та експериментального мутагенезу. Інтеграція селекції з молекулярною біологією, цитологією, кріобіологією, біохімією відкрили нові перспективи розвитку. Все ширше використовуються можливості й методи біотехнології, молекулярної біології, генетичної інженерії, що значно пришвидшує селекційний процес.
Основними розділами сучасної селекції є селекція рослин, селекція тварин та селекція мікроорганізмів. Їх виокремлюють за особливостями будови й життєдіяльності організмів, що беруть участь в селекційній роботі.
Досягнення селекції застосовуються в рослинництві для вирощування культурних рослин, у тваринництві - для утримання домашніх тварин, в побуті - для естетичної насолоди, позитивних емоцій від хатніх тварин й декоративних рослин, в медицині - для отримання ліків, у біотехнології - для використання у харчовій, легкій, мікробіологічній, деревообробній промисловості та ін.
Отже, селекція - це наука, що має свої предмет, об'єкти і методи досліджень, зв'язки з іншими науками та практичне значення.
Яке значення одомашнення тварин і введення в культуру рослин?
Одомашнення, або доместикація (від лат. domesticus - домашній) - селекційний процес зміни тварин для використання людиною. Більшість видів тварин, що вільно мешкають у природі, не можна одомашнити - на заваді стають їхні спадкові етологічні особливості. Деякі дикі тварини утримуються в неволі як домашні (наприклад, у палацах індійських королів, при дворі Карла Великого жили гепарди, яких використовували на полюванні), проте вони всього лише приручені, а не одомашнені. Такі тварини легко повертаються до життя в дикому середовищі.
Процес одомашнення диких тварин починається з відбору окремих особин для отримання потомства з певними ознаками, що зацікавили людину. У процесі селекції в організмів змінюються генетичні властивості й виникають так звані доместикаційні ознаки (наприклад, форма вух, довга чи коротка шерсть). Домашніх тварин виводять для отримання їжі, сировини, ліків, для естетичної насолоди тощо. Найчастіше домашніми ставали види птахів і ссавців, хоча є домашні тварини і серед безхребетних. Це шовковичний шовкопряд і бджола медоносна. З перспективою одомашнення селекціонери проводять дослідження з лосями, антилопами, оленями, яками, соболями, норками, лисицями та ін. Крім того, учені створюють все нові породи раніше одомашнених тварин.
Культурні рослини - рослини, вирощувані людиною для отримання харчових продуктів, кормів, ліків, сировини. Усі культурні рослини походять від дикорослих видів, які в більшості своїй збереглись до нашого часу. Деякі предкові види вже не трапляються в природі, як наприклад дика кукурудза. За час існування людства в культуру введено близько 3 тисяч культурних рослин, серед яких зернові, зернобобові, плодово-ягідні, цукрові, олійні, овочеві, лікарські, декоративні, тонізуючі та інші рослини. Крім того, введено в культуру близько десятка видів водоростей (наприклад, аквакультури ламінарій, порфіри, філофори, хлорели). Вирощуванням й розведенням культурних рослин займається рослинництво. Використання різних методів селекції дало змогу селекціонерам створювати сорти культурних рослин з підвищеною врожайністю, холодостійкістю, посухостійкістю, стійкістю проти захворювань, новими смаковими якостями тощо (іл. 170).
Іл. 170. Популярні в Україні сорти яблуні домашньої (Malus domestica): 1 - Голден делішес; 2 - Чемпіон; 3 - Ренет Симиренка; 4 - Флоріна
Отже, завдяки селекції відбуваються одомашнення тварин й введення в культуру рослин.
Яке значення має вчення про походження культурних рослин і одомашнення тварин?
Центри походження культурних рослин - географічні центри генетичного різноманіття культурних рослин. Дослідження, пов’язані з походженням культурних рослин, здійснював видатний вчений М. І. Вавилов. У праці «Вчення про походження культурних рослин після Дарвіна» (1939) він визначив 7 основних географічних центрів походження культурних рослин, які безпосередньо пов’язані з осередками давніх цивілізацій. Це: 1) Південноазійський (33 %) (огірок, лимон, кокос, чорний перець, чай, апельсин); 2) Східноазіатський (20 %) (рис, просо, яблуня, груша, персик, соя, грецький горіх, хурма); 3) Південно-західноазіатський (4 %) (м’які пшениці, ячмінь, жито, фінік, горох, диня); 4) Середземноморський (11 %) (капуста, буряк, морква, олива, виноград); 5) Абіссінський (4 %) (тверда пшениця, кава, бавовник, кунжут); 6) Центральноамериканський (10 %) (кукурудза, квасоля, соняшник, гарбуз, какао); 7) Андійський (8 %) (картопля, помідор, хінне дерево, ананас, арахіс).
Вчення про центри походження й різноманітності культурних рослин дало змогу встановити географічні осередки генетичного різноманіття культурних рослин.
Питання про центри походження свійських тварин вивчено значно слабше порівняно з культурними рослинами тому, що диких предків багатьох тварин було винищено людиною. Дослідники припускають, що країни Близького Сходу і побережжя Середземного моря були батьківщиною великої рогатої худоби, кіз, овець, свиней, собак, ослів, степові райони Азії і Європи - коней, Єгипет - кішок, Індія - курей, Північна Америка - індиків, Південна Америка - лам та ін.
Отже, центри походження рослин і тварин дають науковцям інформацію про вихідну різноманітність рослин і тварин, що є однією з умов успішного створення сортів і порід.
Домашнє завдання: - Яке значення одомашнення тварин і введення в культуру рослин?
Що таке біотехнологія? Біотехнологія — сукупність промислових методів, у яких використовують живі організми або біологічні процеси. Людина з давніх-давен застосовує біотехнологічні процеси для виробництва різних речовин і харчових продуктів (сирів, молочних продуктів, тіста, пива тощо), але сам термін «біотехнологія» (від грец. біос - життя, технос - мистецтво і логос - учення) запровадили лише в 70-х роках XX століття.
У наш час різні види бактерій і грибів використовують у мікробіологічній промисловості для виробництва антибіотиків, вітамінів, гормонів, ферментів, кормових білків тощо. У харчовій промисловості високопродуктивні штами мікроорганізмів дають змогу збільшити випуск високоякісних продуктів харчування (кисломолочних, сирів, пива), кормів для тварин (силос, кормові дріжджі) тощо.
Біотехнологічні процеси застосовують і для очищення навколишнього середовища, зокрема стічних вод і ґрунту від побутового і промислового забруднення. Методи біологічного очищення ґрунтуються на здатності певних видів бактерій розкладати органічні сполуки, які потрапляють у довкілля. Завдяки селекційній роботі створено штами мікроорганізмів, здатних розкладати ті сполуки, які природні види не можуть мінералізувати. Для очищення стічних вод, природних водойм і ґрунту застосовують властивості деяких організмів накопичувати органічні та неорганічні сполуки або певні хімічні елементи у своїх клітинах (деякі види бактерій, водоростей, найпростіших).
Біотехнологічні процеси враховують і під час розроблення біологічних методів боротьби зі шкідниками сільського і лісового господарств, а також паразитичними і кровосисними видами. Використовуючи штами певних видів мікроорганізмів (бактерій, грибів), виготовляють препарати, які ефективно знижують чисельність шкідливих видів, не забруднюючи при цьому довкілля токсичними сполуками. Необхідною умовою використання біологічних препаратів у біологічному методі боротьби є їхня безпечність для корисних видів організмів.
Останнім часом у розробці біотехнологічних процесів все ширше застосовують методи генетичної і клітинної інженерії, які дають можливість одержати різноманітні сполуки і препарати.
Які завдання генетичної інженерії? Генетична (генна) інженерія - прикладна галузь молекулярної біології, яка розробляє методи перебудови геномів організмів вилученням або введенням окремих генів чи їхніх груп. Генна інженерія здійснює:
- синтез генів поза організмом, видалення з клітин і перебудову окремих генів;
- копіювання і розмноження виділених або синтезованих генів;
- введення генів або їхніх груп у геном інших організмів;
- експериментальне поєднання різних геномів у одній клітині.
Для перенесення синтезованих або виділених генів, крім вірусів, використовують і плазміди (переважно одержані з клітин бактерій). Плазміди - позахромосомні фактори спадковості, найчастіше являють собою кільцеві молекули ДНК прокаріотів (наприклад, генетичний апарат мітохондрій і хлоропластів). Одну з можливих схем перенесення певного гена до клітини бактерії наведено на малюнку 98. З клітин, які містять у своєму геномі певний ген, виділяють молекулу ІРНК, на якій, як на матриці, синтезують комплементарний ланцюг ДНК. Так виникає ДНК-РНК-комплекс, з якого ІРНК вилучають, а на ланцюзі ДНК, що залишився, за принципом комплементарності синтезують другий. Створену таким чином молекулу ДНК вбудовують у молекулу ДНК плазміди, яка слугує переносником. Іншим способом є фрагментація молекули ДНК, яка підлягає перенесенню. Утворені фрагменти молекули ДНК сполучають з молекулою ДНК переносника, яку перед цим переводять у лінійну форму. Крім того, переносять із клітини в клітину еукаріотів метафазні хромосоми. Такі хромосоми звичайно розпадаються на фрагменти, одні з яких втрачаються, а інші вбудовуються у хромосому клітини-хазяїна і там функціонують.
Об’єктами досліджень генетичної інженерії є переважно прокаріоти, хоча вчені працюють і з генами еукаріотів. Наприклад, у геном бактерій було введено гени пацюка і людини, які відповідають за синтез гормону інсуліну, і бактерії почали синтезувати цей гормон. Методами генетичної інженерії одержані білки-інтерферони, які захищають організм людини і тварин від вірусних інфекцій, гормон росту тощо. Щорічно зростає перелік медичних препаратів, одержаних за допомогою методів генетичної інженерії.
Перед генетичною інженерією, незважаючи на її молодість, відкриваються значні перспективи. Крім розв’язання перелічених вище питань, у майбутньому генетична інженерія буде здатна вирішувати і глобальніші завдання. Серед них: видалення дефектних алелей на найранніших етапах індивідуального розвитку і заміна їх нормальними, поєднання в одному геномі генів різних організмів тощо.
Наприклад, перенесення з клітин азотфіксуючих бактерій генів, які відповідають за фіксацію атмосферного азоту, в клітини вищих рослин, значно скоротило б витрати на виробництво і внесення в ґрунт нітратних добрив.
Результати досліджень генетичної інженерії мають виняткове значення і для теоретичної біології. Завдяки їм зроблено важливі відкриття щодо тонкої будови генів, їхнього функціонування, структури геномів різних організмів. Подальший розвиток генетичної інженерії пов’язаний зі створенням банків генів, тобто колекцій генів різноманітних організмів.
Робота з геномами вищих організмів, крім технічних труднощів, пов’язана і з етичними проблемами. Втручання в генотип хребетних тварин і особливо людини, навіть із найкращими намірами, може спричинити непередбачувані наслідки.
Що таке клітинна (тканинна) інженерія? Клітинна (тканинна) інженерія - галузь біотехнології в якій застосовують методи виділення клітин з організму і перенесення їх на поживні середовища, де вони продовжують жити і розмножуватися. Крім того, клітинна інженерія здійснює гібридизацію соматичних клітин організмів різних видів, родів, родин тощо. Тобто здійснює схрещування організмів, яке неможливо зробити іншим способом (людини і миші, людини і моркви, курки й дріжджів тощо). Гібридизація нестатевих клітин дає змогу створювати препарати, які підвищують стійкість організмів проти різних інфекцій, а також лікують ракові захворювання.
Мал. 98. Схема введення гена в молекулу бактеріальної клітини:
1 - фрагмент ДНК, призначений для перенесення;
2 - плазмідна ДНК; 3 - фрагмент ДНК;
4 - розкрита плазміда; 5 - плазміда з введеним фрагментом ДНК;
6 - клітина бактерії; 7 - бактеріальна ДНК; 8 - плазміда;
9 - покоління бактеріальних клітин з плазмідою; 10- штам клітин бактерій з плазмідами
Мал. 99. Методика клонування організму шпорцевої жаби:
1 - яйцеклітина з видаленим ядром;
2 - клітини епітелію кишечнику пуголовка;
3 - ядро; 4 - зигота;
5 - пуголовок; 6 - доросла жаба
Наприклад, гібридизацією клітин, здатних виробляти певні антитіла, з раковими одержано гібридні клітини. Найпродуктивніші з цих клітин переносили на поживні середовища і вирощували культури, які виробляли антитіла.
Завдяки вирощуванню нестатевих клітин певних видів організмів на поживному середовищі створюють культуру клітин (тканин) для отримання цінних речовин, що значно знижує собівартість лікарських препаратів (наприклад, препарати лікарської рослини женьшеню). Оскільки нестатеві клітини, як правило, містять усю спадкову інформацію про організм, то існує можливість вирощувати з них значну кількість організмів з однаковими спадковими властивостями.
Перспективним напрямом клітинної інженерії є клонування організмів. Клон (від грец. клон - гілка, нащадок) - сукупність клітин або особин, які виникли від спільного предка нестатевим способом. Отже, клон складається з однорідних у генетичному відношенні клітин або організмів.
При клонуванні з незаплідненої яйцеклітини видаляють ядро і пересаджують у неї ядро нестатевої клітини іншої особини. Таку штучну зиготу пересаджують у матку самки, де зародок і розвивається. Ця методика дає можливість одержувати від цінних за своїми якостями плідників необмежену кількість нащадків, які є їхньою точною генетичною копією. Методом клонування вирощують різні організми
Домашнє завдання: - Які завдання генетичної інженерії?
Немає коментарів:
Дописати коментар