Развитие организма как живой целостной системы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Редуценты (деструкторы) - это восстановители. Они возвращают вещества из отмерших организмов снова в неживую природу, разлагая органику до простых неорганических соединений и элементов (например, на CO2 , NO2 и H2O). Возвращая в почву или в водную среду биогенные элементы, они, тем самым, завершают биохимический круговорот. Это делают в основном бактерии, большинство других микроорганизмов и грибы. Редуценты функционально являются теми же самыми консументами, поэтому их часто называют микроконсументами.

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

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

Взаимодействуя с абиотической средой, организм выступает как целостная  система, включающая в себя все более  низкие уровни биологической организации. Все эти части организма (гены, клетки, клеточные ткани, целые органы и их системы) являются компонентами доорганизменного уровня. Изменение одних частей и функций организма неизбежно влечет за собой изменение других его частей и функций. Так, в изменяющихся условиях существования, в результате естественного отбора те или иные органы получают приоритетное развитие. Например, мощная корневая система у растений засушливой зоны (ковыль) или «слепота» в результате редукции глаз у животных, существующих в темноте (крот).

Живые организмы обладают обменом веществ, или метаболизмом, при этом происходит множество химических реакций. Примером таких реакций  могут служить дыхание, которое  еще Лавуазе и Лаплас считали разновидностью горения, или фотосинтез, посредством которого зелеными растениями связывается солнечная энергия, а в результате дальнейших процессов метаболизма используется всем растением, и др.

Как известно, в процессе фотосинтеза, кроме солнечной энергии, используются диоксид углерода и  вода. . Суммарно химическое уравнение фотосинтеза выглядит так:

солнечная энергия

6С02 + 12Н20~- С6Н1206+602+ 6Н20,

где С6Н1206 — богатая энергией молекула глюкозы.

Практически весь диоксид  углерода (CO2) поступает из атмосферы  и днем его движение направлено вниз, к растениям, где осуществляется фотосинтез и выделяется кислород. Дыхание - процесс обратный, движение CO2 ночью направлено вверх и идет поглощение кислорода.

Некоторые организмы, бактерии, способны создавать органические соединения и за счет других компонентов, например, за счет соединений серы. Такие процессы называются хемосинтезом.

Обмен веществ в организме  происходит только при участии особых макромолекулярных белковых веществ - ферментов, выполняющих роль катализаторов. Каждая биохимическая реакция в  процессе жизни организма контролируется особым ферментом, который в свою очередь контролируется единичным  геном. Изменение гена, называемое мутацией, приводит к изменению биохимической  реакции вследствие изменения фермента, а в случае нехватки последнего, то и к выпадению соответствующей  ступени метаболической реакции.

Однако не только ферменты регулируют процессы метаболизма. Им помогают коферменты - крупные молекулы, частью которых являются витамины. Витамины - особые вещества, которые необходимы для обмена веществ всех организмов - бактерий, зеленых растений, животных и человека. Отсутствие витаминов ведет к болезням, так как не формируются необходимые коферменты и нарушается обмен веществ.

Наконец, для ряда метаболических процессов необходимы особые химические вещества, называемые гормонами, которые  вырабатываются в различных местах (органах) организма и доставляются в другие места кровью или посредством  диффузии. Гормоны осуществляют в  любом организме общую химическую координацию метаболизма и помогают в этом деле, например, нервной системе  животных и человека.

На молекулярно-генетическом уровне особенно чувствительно воздействие  загрязняющих веществ, ионизирующей и  ультрафиолетовой радиации. Они вызывают нарушение генетических систем, структуры  клеток и подавляют действие ферментных систем. Все это приводит к болезням человека, животных и растений, угнетению  и даже уничтожению видов организмов.

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

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

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

В онтогенезе растений различают  рост, развитие (формируется взрослый организм) и старение (ослабление биосинтеза всех физиологических функций и  смерть). Основной особенностью онтогенеза высших растений и большинства водорослей является чередование бесполого (спорофит) и полового (гематофит) поколений.

Процессы и явления, проходящие на онтогенетическом уровне, т. е. на уровне индивида (особи), - это необходимое и весьма существенное звено функционирования всего живого. Процессы онтогенеза могут быть нарушены на любой стадии действием химического, светового и теплового загрязнения среды и могут привести к появлению уродов или даже к гибели индивидов на послеродовой стадии онтогенеза. Современный онтогенез организмов сложился в течение длительной эволюции, в результате их исторического развития - филогенеза. Не случайно этот термин ввел Э. Геккель в 1866 г., так как для целей экологии необходима реконструкция эволюционных преобразований животных, растений и микроорганизмов. Этим занимается наука - филогенетика, которая базируется на данных трех наук - морфологии, эмбриологии и палеонтологии.

Взаимосвязь между развитием  живого в историко-эволюционном плане  и индивидуальным развитием организма  сформулирована Э. Геккелем в виде биогенетического закона: онтогенез всякого организма  есть краткое и сжатое повторение филогенеза данного вида. Иными словами, вначале в утробе матери (у млекопитающих  и др.), а затем, появившись на свет, индивид в своем развитии повторяет  в сокращенном виде историческое развитие своего вида.