§ 30. Живое вещество биосферы

СТРАНИЦА 275

Вспомните, какие еще химические элементы входят в состав живых организмов.

Химический состав живых организмов является предметом такой биологической науки как биохимия. Как мы уже знаем, все живые организмы состоят из клеток. Клетки, в свою очередь состоят из химических элементов. Химические элементы, без которых была бы невозможна жизнь на Земле, называются биогенными элементами.

Соответственно, первым и самым главным биогенным веществом является вода.

Основные химические элементы организмов:

- водород;

- кислород;

- фосфор;

- сера;

- азот;

- углерод.

По относительному содержанию элементы, входящие в состав живых организмов, принято делить на три группы:

1. Макроэлементы — О, С, Н, N (в сумме около 98-99%, их еще называют основные), Са, К, Si, Mg, P, S, Na, Cl, Fe (в сумме около 1-2%). Макроэлементы составляют основную массу процентного состава живых организмов.

2. Микроэлементы — Мn, Со, Zn, Cu, В, I, F и др. Их суммарное содержание в живом веществе составляет порядка 0,1 %.

3. Ультрамикроэлементы — Se, U, Hg, Rа, Au, Ag и др. Их содержание в живом веществе очень незначительно (менее 0,01%), а физиологическая роль для большинства из них не раскрыта.

СТРАНИЦА 275

Вспомните основные положения клеточной теории.

клетка — основная единица строения, функционирования и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого, способная к самовоспроизведению, саморегуляции и самообновлению;

клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны (гомологиины) по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ;

размножение клеток происходит путем их деления, каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;

в сложных многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемым ими функциям и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно взаимосвязаны и подчинены нервной и гуморальной регуляциям.

СТРАНИЦА 276

Приведите примеры раздражимости у растений и животных.

Способность организма реагировать на изменения условий окружающей среды. Растения реагируют на: свет, силу тяжести, интенсивность освещения. Направление роста и расположения листовой пластинки в сторону света — гелоитропизм или фототропизм, при снижении уровня освещенности — увеличение количества хлоропластов, направление роста корня точно по направлению к центру Земли — геотропизм(реакция на действие силы тяжести. Животные реагируют на все физические факторы и на химические(запахи или содержание в воде различных веществ(обитатели водной среды). У растений движения осуществляются только вокруг своей оси, животные реагируют движением. Движения у животных называются таксисы: если раздражитель положительный(тепло, пища и т.д. они движутся в сторону раздражителя — положительный таксис, если фактор опасен — движутся от него — отрицательный таксис.

Раздражимость у одноклеточных организмов. Таксисы.

Наиболее простые формы раздражимости наблюдаются у микроорганизмов (бактерий, одноклеточных грибов, водорослей, простейших).

Раздражимость у многоклеточных растений. Тропизмы. Хотя у многоклеточных растений нет органов чувств и нервной системы, тем не менее у них отчетливо проявляются различные формы раздражимости. Они заключаются в изменении направления роста растения или его органов (корня, стебля, листьев). Такие проявления раздражимости у многоклеточных растений называются тропизмами.

Стебель с листьями проявляют положительный фототропизм и растут по направлению к свету, а корень – отрицательный фототропизм. Растения реагируют на гравитационное поле Земли. Обратите внимание на деревья, растущие по склону горы. Хотя поверхность почвы имеет наклон, деревья растут вертикально. Реакция растений на земное притяжение называется геотропизмом. Корешок, который появляется из прорастающего семени, всегда направлен вниз к земле – положительный геотропизм. Побег с листьями, развивающийся из семени, всегда направлен вверх от земли – отрицательный геотропизм.

Раздражимость у многоклеточных животных. Рефлексы. В связи с развитием у многоклеточных животных нервной системы, органов чувств и органов движения формы раздражимости усложняются и зависят от тесного взаимодействия этих органов.

В простейшем виде такое раздражение возникает уже у кишечнополостных. Если уколоть иглой пресноводную гидру, то она сожмется в комочек. Внешнее раздражение воспринимает чувствительная клетка. Возникшее в ней возбуждение передается нервной клетке. Нервная клетка передает возбуждение кожно-мышечной клетке, которая реагирует на раздражение сокращением. Этот процесс называется рефлексом (отражением).

Все животные реагируют на внешнюю среду, т. е. на информацию о ней :как в поисках пищи и особей другого пола, так и при избегании хищников. Большую часть информации они получают с помощью специализированных органов чувств, с помощью рецепторов слуха, зрения, вкуса, обоняния и осязания. Кроме того, есть еще и внутренние рецепторы. Раздражимость и проявляется в виде способности реагировать на информацию об электромеханической (свет) и тепловой (тепло-холод, магнитные и электрические свойства объекта) энергии, о механических силах (звук, сила, вибрация, сила тяжести и др. ) и о химических агентах (вкус, влажность, запах) .

Чувствительностью к свету обладают уже одноклеточные организмы, а развитие глаз начинается у многоклеточных — сначала это световые пятна, затем фасеточные у насекомых, и, наконец, с одной линзой (хрусталиком) у позвоночных. Пчелы, рыбы, осьминоги ориентируются в плоскости поляризованного света.

Лицевые ямки у гремучих змей воспринимают инфракрасное излучение.

У рыб имеются электрорецептроры, дающие разряды и воспринимающие информацию в водной среде (электрические рыбы, например, угорь, акулы) .

Летучие мыши ориентируются с помощью высокочастотных звуковых импульсов. То же происходит и у землероек, и у птиц..

Приведите примеры гомеостаза из курса биологии «Человек».

Гомеостазом называется процесс, самостоятельно протекающий в организме и направленный на стабилизацию состояния систем человека при изменении внутренних условий (изменение температуры, давления) или внешних (смена климата, часового пояса).

1) регуляция водного обмена почками. Гормоны гипофиза увеличивают обратное всасывание воды в почечных канальцах;

2) регулция физических нагрузок. При увеличении нагрузок выделяется адреналин, повышается частота сердечных сокращений, дыхание учащается, больше кислорода поступает к мышцам, удаляются продукты обмена (пот), равновесие внутренней среды сохраняется;

3) терморегуляция. При повышении температуры тела теплоотдача увеличивается, при понижении уменьшается

Вспомните, какие виды размножения характерны для живых организмов.

Бесполое размножение. В бесполой форме размножение осуществляется родительской особью самостоятельно, без обмена наследственной информацией с другими особями. Дочерний организм образуется путем отделения от родительской особи одной или нескольких соматических (телесных) клеток и дальнейшего их размножения посредством митоза. Потомство наследует признаки родителя, являясь в генетическом отношении его точной копией. Различают несколько типов бесполого размножения.

Простое деление. Особенно распространено бесполое размножение у бактерий и синезеленых водорослей. Единственная клетка этих безъядерных организмов разделяется пополам или сразу на несколько частей. Каждая часть является целостным функциональным организмом.

Почкование. Этот тип размножения используют как одноклеточные, так и некоторые многоклеточные организмы: дрожжи (низшие грибы), инфузории, коралловые полипы.

Почкование у пресноводных гидр происходит следующим образом. Сначала на стенке гидры образуется вырост, который постепенно удлиняется. На его конце появляются щупальца и ротовое отверстие. Из почки вырастает маленькая гидра, которая отделяется и становится самостоятельным организмом. У других существ почки могут оставаться на теле родителя.

Фрагментация. Ряд плоских и кольчатых червей, иглокожие (морские звезды) могут размножаться посредством расчленения тела на несколько фрагментов, которые затем достраиваются до целостного организма. В основе фрагментации лежит способность многих простых существ к регенерации утраченных органов. Так, если от морской звезды отделить луч, то из него вновь разовьется морская звезда. Гидра способна восстановиться из 1/200 части своего организма. Обычно размножение фрагментацией происходит при повреждениях. Самопроизвольную фрагментацию осуществляют только плесневые грибы и некоторые морские кольчатые черви.

Спорообразование. Родоначальницей нового организма может стать специализированная клетка родительского существа — спора. Такой способ размножения характерен для растений и грибов. Размножаются спорами многоклеточные водоросли, мхи, папоротники, хвощи и плауны.

Споры представляют собой клетки, покрытые прочной оболочкой, защищающей их от чрезмерной потери влаги и устойчивой к температурным и химическим воздействиям. Споры наземных растений пассивно переносятся ветром, водой, живыми существами. Попадая в благоприятные условия, спора раскрывает оболочку и приступает к митозу, образуя новый организм. Водоросли и некоторые грибы, обитающие в воде, размножаются зооспорами, снабженными жгутиками для активного передвижения.

Одноклеточное животное малярийный плазмодий (возбудитель малярии) размножается посредством шизогонии — множественного деления. Сначала в его клетке путем делений формируется большое количество ядер, затем клетка распадается на множество дочерних.

Бесполое, т.е. вегетативное: корневые отпрыски, деление кустов (орган — корень); стеблевые черенки, отводки (Надземные части побегов).

Вегетативное размножение. Этот вид бесполого размножения широко распространен у растений. В отличие от спорообразования, вегетативное размножение осуществляется не особыми специализированными клетками, а практически любыми частями вегетативных органов.

Многолетние дикорастущие травы размножаются корневищами (осот дает до 1800 особей/м2 почвы), земляника — усами, а виноград, смородина и слива — отводками. Картофель и георгины используют для размножения клубни — видоизмененные подземные участки корня. Тюльпаны и лук размножаются луковицами. У деревьев и кустарников укореняются с образованием нового растения побеги — черенки, а у бегонии роль черенков способны выполнять листья. Черенками размножают малину, сливу, вишню и розы. На корнях и пнях деревьев образуется поросль, которая затем превращается в самостоятельные растения.

Половое размножение. В половом размножении, в отличие от бесполого, участвует пара особей. Их половые клетки (гаметы) несут гаплоидные наборы хромосом. В процессе оплодотворения гаметы сливаются и образуют диплоидную оплодотворенную яйцеклетку (зиготу), которая дает начало новому организму.

Одна из гомологичных хромосом соматической клетки достается от "мамы", а другая — от "папы". В результате части генетического материала родительских особей объединяются, и в потомстве появляются новые комбинации генов. Разнообразие генетического материала позволяет потомству успешнее приспосабливаться к изменяющимся внешним условиям. В обогащении наследственной информации состоит главное преимущество полового размножения, его основное биологическое значение.

У обоеполых растений имеется ряд особенностей, исключающих самооплодотворение. Тычинки и пестики обоеполых цветков созревают не одновременно, поэтому происходит именно перекрестное опыление разных особей. Конопля имеет раздельно мужские пестичные и женские тычиночные цветки на разных особях.

Вспомните виды изменчивости. Какое эволюционное значение имеет каждый из них?

Изменчивость организмов — важный фактор протекания эволюционного процесса.

Мутационная изменчивость — изменчивость, вызванная действием на организм мутагенов, вследствие чего возникают мутации (реорганизация репродуктивных структур клетки).

Комбинативная изменчивость — это следствие перекреста гомологичных хромосом, их случайного расхождения в мейозе и случайного сочетания гамет при оплодотворении. Комбинативная изменчивость ведет к появлению бесконечно большого разнообразия генотипов и фенотипов. Она служит неиссякаемым источником наследственного разнообразия видов и основой для естественного отбора.

Мутационная изменчивость играет роль главного поставщика наследственных изменений. Именно она является первичным материалом всех эволюционных преобразований.

В последнее время благодаря успехам молекулярной генетики и генетики развития все более ясным становится, какую огромную роль играют в эволюции мутации, возникающие не в самих структурных (кодирующих белки) генах, а в регуляторных участках этих генов. Они могут модифицировать уровень транскрипции структурных генов, время и место их включения и выключения, создавая огромное разнообразие форм и функций организмов.

Комбинативная изменчивость имеет колоссальное значение для эволюционных процессов:

Она постоянно изменяет признаки.

При взаимодействии неаллельных генов создает новые признаки.

Повышает жизнеспособность потомства.

Снижает и нейтрализует вредное действие мутаций. Громадное генотипическое и, следовательно, фенотипическое разнообразие в природных популяциях является тем исходным эволюционным материалом, с которым оперирует естественный отбор.

Вспомните биогенетический закон. Объясните причины изменений в онтогенезе амфибий, в эмбриональном развитии млекопитающих.

Основной биогенетический закон гласит: каждое живое существо в своем индивидуальном развитии (онтогенез) повторяет в известной степени формы, пройденные его предками или его видом (филогенез).

Суть его заключается в том, что эмбрионы особей, относящихся к одному биологическому типу, имеют множество схожих элементов анатомического строения. У человека, например, на определенной стадии развития у зародыша имеются жаберные щели и хвост. Характерные отличительные черты в морфологии видов возникают только в ходе дальнейшего онтогенеза. Закон зародышевого сходства во многом определил биогенетический закон: раз эмбрионы различных организмов повторяют стадии развития других особей, они повторяют стадии развития всего типа вообще.

Многие амфибии в ходе эволюции независимо друг от друга утратили личиночную стадию и перешли к прямому развитию. Этот переход осуществлялся в разных группах сходными путями. Предрасположенность к утрате личиночной стадии наблюдается у форм с примитивным онтогенезом

Индивидуальное развитие (онтогенез) большинства земноводных включает стадию водной личинки, которая затем претерпевает метаморфоз, то есть превращается в наземное взрослое животное. Такой двухфазный жизненный цикл считается исходным для амфибий. Однако некоторые земноводные в ходе эволюции перешли к более простому однофазному циклу (прямому развитию), когда на свет появляется сразу миниатюрная копия взрослого животного.

В эмбриональном периоде выделяют три основных этапа: дробление, гаструляцию и первичный органогенез. Эмбриональный, или зародышевый, период онтогенеза начинается с момента оплодотворения и продолжается до выхода зародыша из яйцевых оболочек. У большинства позвоночных он включает стадии (фазы) дробления, гаструляции, гисто- и органогенеза

Дробление – это последовательное многократное деление зиготы. Образующиеся в результате дробления клетки — бластомеры не увеличиваются в размерах, а с каждым последующим митозом становятся всё мельче и мельче. В результате дробления зиготы зародыш становится многоклеточным.

Бластула представляет собой полый шар, стенка которого (бластодерма) образована одним слоем клеток (бластомеров). Внутри бластулы имеется полость, заполненная жидкостью – бластоцель.

На стадии гаструлы зародыш образован двумя слоями клеток – двумя зародышевыми листками. Наружный зародышевый листок называется эктодермой, внутренний – энтодермой. Внутренняя полость гаструлы, называемая первичной кишкой, сообщается с внешней средой отверстием – первичным ртом.

На стадии нейрулы эмбрион образован тремя зародышевыми листками (от первичной кишки обособилась мезодерма, находящимися между эктодермой и энтодермой), осуществляется закладка и формирование осевого комплекса органов – нервной трубки, хорды и кишечной (пищеварительной) трубки. Сформированная нервная трубка проходит под эктодермой вдоль спинной стороны зародыша, под ней лежит хорда, а под хордой вдоль брюшной стороны зародыша проходит кишечная трубка.

На этапе первичного органогенеза у позвоночных животных происходит образование комплекса осевых органов. В разных группах животных этот процесс характеризуется своими особенностями. Например, у хордовых на этом этапе происходит закладка нервной трубки, хорды и кишечной трубки.

СТРАНИЦА 276

На конкретном примере докажите, что живой организм является биосистемой.

Тигр, карась, яблоня, человек — является биосистемой.

Любой организм — это определённый, дискретный представитель живой природы, живое существо со своими индивидуальными процессами жизнедеятельности, которое выступает как самостоятельная открытая биологическая система, находящаяся в тесных взаимосвязях с внешними условиями и с другими биосистемами иных уровней жизни. Живой организм является определенной организацией живой материи. Он является биосистемой, которая, как и любая другая система, включает в себя взаимосвязанные между собой элементы, например молекулы, клетки, ткани, органы. Все в этом мире из чего-то состоит, определенная иерархичность свойственна и живому организму. Это означает, что из молекул состоят клетки, из клеток — ткани, из тканей — органы, из органов — системы органов. Свойства биосистем также включают эмерджентность, что означает появление качественно новых характеристик, присутствующих при объединении элементов и отсутствующих на предыдущих уровнях.

СТРАНИЦА 278

Вспомните из курса биологии «Растения», какую роль играют клубеньковые бактерии. Как ещё они называются? Какой вид биотических взаимоотношений связывает их с бобовыми растениями?

Клубеньковые бактерии обладают свойством фиксировать азот из атмосферного воздуха и синтезировать органические азотсодержащие соединения. Эти микроорганизмы образуют на корнях некоторых бобовых растений клубеньки, вступая в симбиоз. Данные бактерии переводят азот в соединения, легко доступные для усвоения растениями, а цветковые растения, в свою очередь, являются источниками питательных веществ для клубеньковых бактерий. Также данный вид бактерий является важным звеном в процессе обогащения почвы азотом.

Клубеньковые бактерии живут с бобовыми растениями в симбиозе, т. е. приносят друг другу взаимную пользу: бактерии усваивают азот из атмосферы и переводят его в соединения, которые могут быть использованы растениями, а они, в свою очередь, снабжают бактерии веществами, содержащими углерод, который ранения усваивают из воздуха в виде углекислого газа.

Мутуализм (от лат. mutuus — взаимный) — высшая форма симбиоза, взаимовыгодное сожительство разных видов. При этом отношения между партнерами не только характеризуются взаимовыгодностью, но и ни один из них не может существовать без другого.

Запишите схему преобразования веществ в трофических цепях.

Заполните таблицу по предложенному образцу.

Характеристика функций живого вещества

1. Выполните задания, ответьте на вопросы.

• Перечислите свойства живых систем.

Живые организмы на всех уровнях организации имеют общие черты, отличающие их от неживой материи. Давайте их перечислим, назовем и попытаемся на основе этого сформулировать достаточно емкое определение живого организма.

1.Единство химического состава. В состав живых организмов входят те же элементы, что и в объекты неживой природы. Однако соотношение их различно. Неживая материя состоит в основном из кислорода, кремния, железа, алюминия и т.д., живая на 98% (по химическому составу) состоит из C, O, H, N (биогенные элементы).

2. Обмен веществ и энергии. Существует 2 вида обмена веществ и энергии:

а) Ассимиляция,или пластический обмен, или анаболизм; от лат.assimilatio – уподобление, т.е. из простых веществ – сложные, подобные телу.

б) Диссимиляция, или энергетический обмен, или катаболизм; от лат.dissimilatio – разуподобление, когда сложные вещества распадаются с образованием простых, одновременно выделяется энергия, необходимая для выполнения работы.

3. Самовоспроизведение (репродукция) – способность организмов воспроизводить себе подобных. В основе лежитматричный принцип, т.е. образование новых молекул на основе информации, заложенной в структуре нуклеиновых кислот. Репродукция существует на всех уровнях живого – организменном, клеточном, субклеточном (органеллы), молекулярном (удвоение ДНК).

4. Наследственность – способность организмов передавать свои признаки из поколения в поколение неизменными.

5. Изменчивость (противоположна наследственности) – способность организмов приобретать новые признаки (свойства) в ходе жизни или существовать в виде разных форм (вариантов)

6. Рост и развитие. Рост – это просто увеличение массы клеток и их количества, а вот развитие – это направленное необратимое изменение объектов природы, при котором возникает новое качественное состояние, меняется состав или структура объекта, происходит (как правило усложнение уровня организации).

7. Раздражимость – способность организмов реагировать на внешние воздействия. Она избирательная, т.е. организм реагирует не на все воздействия, а только на "важные" для жизнедеятельности, т.е. организм способен фильтровать поступающую извне информацию.

Реакция многоклеточного животного на внешние воздействия осуществляется через посредство нервной системы и называется рефлексом.

8. Дискретность (лат.discretus – прерывный, разделенный) и целостность(непрерывность) – это всеобщее свойство материи, в том числе и живой. На любом уровне организации жизнь одновременно и целостна, и дискретна, т.е. состоит из отдельных частей.

9. Саморегуляция – способность живых организмов в непрерывно меняющихся условиях внешней среды поддерживать постоянство своей структуры и функций. На уровне организма регуляция осуществляется через деятельность нервной и эндокринной систем. На молекулярном уровне существуют механизмы позитивного и негативного контроля синтеза белков и активности ферментов.

10. Ритмичность – периодические изменения интенсивности физиологических функций живых организмов (суточные ритмы сна и бодрствования, сезонные ритмы активности и спячки у некоторых животных и т.д.). Биологический смысл – согласование, координация функций организма с состоянием внешней среды, которая на Земле также подвержена ритмическим колебаниям (вращение Земли вокруг Солнца).

• Расскажите о газовой функции живого вещества в биосфере.

Газовая функция заключается в выделении и поглощении газов живыми организмами. Благодаря их деятельности около 2 млрд лет назад в атмосфере Земли началось накопление свободного кислорода. Затем в верхних слоях тропосферы под влиянием ультрафиолетового излучения из кислорода сформировался озоновый экран. Все живые организмы выделяют в окружающую среду углекислый газ. Зелёные растения поддерживают современный газовый состав атмосферы в ходе процессов фотосинтеза. При гниении органических веществ в атмосферу выделяются аммиак и сероводород. Определённые группы бактерий перерабатывают эти вредные для других организмов газы и переводят их в соединения, которые усваиваются растениями.

• Какова роль окислительно-восстановительной функции живого вещества в круговоротах веществ?

Окислительно-восстановительная функция живого вещества тесно связана с газовой. Процессы фотосинтеза, хемосинтеза, дыхания представляют собой цепочки окислительно-восстановительных реакций, лежащих в основе превращения веществ и энергии в живых организмах. Образование органических веществ у автотрофов и их разложение в процессе дыхания непосредственно замыкаются на газообмен между организмами и окружающей средой. То же самое относится к обмену веществ и у гетеротрофных организмов.

• В чём заключается концентрационная функция живого вещества? Приведите примеры.

Концентрирующая функция живого вещества биосферы проявляется в способности живых организмов накапливать различные химические элементы. Например, в таких растениях-накопителях, как осоки, хвощи, содержится много кремния, в морской капусте и щавеле — йода и кальция. В скелетах позвоночных животных содержится большое количество фосфора, кальция, магния. Благодаря концентрирующей функции живых организмов образовались залежи мела, известняка, торфа, углей, нефти, серы, железные, марганцевые руды.

2. Заполните таблицу по предложенному образцу.

Основные свойства живого вещества