Автор сообщества Фанерозой, биолог Евгений Будько.
Со второй половины ХХ в мы всё чаще слышим из средств массовой информации выражения «плохая экология», «сохранить экологию», «экология строительных материалов». Но, к сожалению, не многие знают, что такое «экология» на самом деле. Для разгадки тайн экологии нам предстоит окунуться в удивительный мир науки...
Жизнь. Свойства живого. Уровни организации живого. Вирусы.
Планету Земля называют «ЖИВОЙ». Это связано с тем, что на нашей планете существует такое явление как жизнь. Жизнь - основное понятие биологии. Жизнь представляет собой активную форму существования материи, которая в обязательном порядке должна содержать в себе «свойства живого». В науке встречается более ста определений понятия «жизнь», но многие из них могут противоречить друг другу.
Одним из общепринятых является следующее определение жизни данное немецким философом Фридрихом Энгельсом:
Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причём с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка.
Так же в последнее время в науке стало «приживаться» определение жизни, которое было введено в 1994 году Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA):
Жизнь — это самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции (такое определение применяется в задачах поиска жизни во Вселенной).
В современных учебниках биологии можно увидеть следующее определение жизни:
Жизнь – это способ существования открытых коллоидных систем*, обладающих свойствами саморегуляции, воспроизведения и развития на основе геохимического взаимодействия белков, нуклеиновых кислот других соединений вследствие преобразования веществ и энергии из внешней среды. *Золи (коллоидные растворы) — высокодисперсные системы с жидкой дисперсионной средой. Размер частиц дисперсной фазы обычно лежит в пределах 10^-7 – 10^-5 см.
Для всех живых организмов существует ряд свойств, которые помогают исследователям отличать их от неживых систем:
Упорядоченность. Все биологические системы характеризуются высокой степенью упорядоченности, которая может поддерживаться только процессами, происходящими в них.
Клеточное строение. Все живые организмы имеют клеточное строение. Возможным исключением являются вирусы.
Репродукция, или самовоспроизведение. Это свойство характеризует способность живых систем воспроизводить себе подобных.
Метаболизм. Для всех живых организмов характерен обмен веществ с окружающей средой. Живые организмы способны поглощать из окружающей среды вещества, которые необходимы для питания и дыхания, выделяя при этом продукты жизнедеятельности.
Наследственность. Данное свойство характеризует способность всех живых организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение.
Изменчивость. Это способность организмов приобретать отличия от родительских форм, которые обеспечивают разнообразие признаков среди представителей данного вида. Эти изменения могут закрепляться и передаваться по наследству за счёт изменения биологических матриц –молекул ДНК.
Рост и развитие. Рост - это процесс, в ходе которого организм изменяет свои размеры. Это происходит в следствии роста и деления клеток. Развитие – качественные изменения организма, которые происходят в процессе роста.
Приспособленность. Это соответствие между характеристиками биологической системы и свойствами среды, с которой она взаимодействует. Приспособленность обеспечивает размножение особей с определенным генотипом.
Раздражимость. Способность организма избирательно реагировать на внешние или внутренние воздействия по средствам изменения своих физико-химических и физиологических свойств. Реакция многоклеточных животных на раздражители опосредуется через нервную систему и называется рефлексом.
Дискретность. Отдельный организм или другая биологическая система (вид, биоценоз и т.д.) состоит из отдельных, изолированных, т.е. пространственно обособленных и разделенных, но взаимосвязанных и взаимодействующих частей, образующих структурное и функциональное единство.
Авторегуляция. Это способность живых организмов, которые обитают в постоянно меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов –гомеостаз.
Энергозависимость. Живые тела представляют собой системы, которые открыты для поступления энергии. Под «открытыми» системами понимают динамические, т.е. не находящиеся в состоянии покоя системы, которые устойчивы лишь при том условии, что происходит непрерывный доступ к ним энергии и материи извне.
Ритмичность. В биологии ритмичность — это периодические изменения интенсивности физиологических функций и формообразовательных процессов, которые проходят с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до года и столетия).
Целостность. Вся живая материя определенным образом организована и подчиняется ряду специфических законов, характерных для неё.
К 1960-м гг. в биологической науке формируется представление об уровнях организации живого. Они являются конкретным выражением усложняющейся упорядоченности органического мира.
Молекулярный уровень. Любая живая система от самых простых до самых сложных сложно организована и состоит из биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и других важных органических и ряда неорганических веществ*.
* Понимание роли некоторых молекул в организме животных и человека может быть применено для диагностики различных заболеваний и контроля их лечения.
2. Субклеточный и клеточный уровни. Сложные органические и ряд неорганических молекул могут образовывать органоиды (органеллы) — специализированные постоянные структуры клетки, выполняющие различные жизненно необходимые функции. К таким структурам относятся:
1. Одномембранные органоиды
1.1 Эндоплазматический ретикулум
1.2 Комплекс Гольджи
1.3 Лизосомы
2. Рибосома
3. Цитоскелет
4. Митохондрии
5. Пластиды и др.
Клетка - это структурно-функциональная единица и единица развития всех живых организмов, населяющих Землю. Единственным исключением из этого является вирусы. На клеточном уровне передача информации и преобразование материи и энергии взаимосвязаны.
3. Тканевой уровень. Совокупность сходных по происхождению, строению и функциям клеток и межклеточных веществ образует ткань.
4. Органный уровень. Органным уровнем считается совокупность тканей, имеющих общее происхождение в многоклеточном организме и выполняющая определённую функцию в пределах этого организма. В науке не принято думать о целостном организме, как об органе! Основной единицей на этом уровне считается орган.
5. Организменный уровень. Элементарной единицей организменного уровня служит особь, которая рассматривается в развитии –от момента зарождения до прекращения существования –как живая система. На этом уровне возникают системы органов, специализированных для выполнения различных функций. В качестве особей могут рассматриваться от бактерий и инфузорий, до бабочек, голубей и т.д.
6. Популяционно-видовой уровень. Совокупность организмов одного вида, которые объединяются общей средой обитания, формируют надорганизменную систему - популяцию. В этой системе происходят элементарные эволюционные преобразования - процесс микроэволюции*. Популяции характеризуются разной степенью генетического разнообразия особей. Совокупность генов, которые имеются у конкретной популяции, называются генофондом. В видео ниже вы можете посмотреть заснятую мной на видео популяцию гольяна обыкновенного (Phoxinus phoxinus) в ручье памятника природы местного значения «Пешчанка», г Сенно, Беларусь.
*Микроэволюция — процесс распространение в популяции малых изменений в частотах аллелей на протяжении нескольких поколений; эволюционные изменения на внутривидовом уровне.
7. Биогеоценотический (Экосистемный) уровень. Биогеоценоз – совокупность организмов разных видов и различной сложности организации с факторами среды их обитания. В 1940-х годах учение о биогеоценозе было разработано в СССР самим В. Н. Сукачёвым. Интересно, что определение экосистемы звучит как взаимосвязанное сообщество биоценоза и биотопа и в некоторой степени является синонимом по отношению к биогеоценозу *. Сам же термин «экосистема» был предложен в 1933 г. английским экологом А. Тэнсли.
*О различиях и сходствах понятий «Биогеоценоз» и «Экосистема» мы ещё поговорим в данной статье. А на данный момент надо бы привести пример экосистемного уровня. Для этого я заснял на видео луг на берегу пруда «Мошканы», Республика Беларусь.
8. Биосферный уровень. Глобальная экосистема является самой большой и единственной экосистемой на всей планете, и она состоит из совокупности всех живых организмов Планета Земля и среды их обитания. Глобальная экосистема Земли известна как биосфера (пример самая первая картинка).
Вирусы – это мельчайшие инфекционные агенты, имеющие молекулярную (неклеточную) организацию. Вирусы обладают только одним типом нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК). Вирусы являются облигатными (строгими) внутриклеточными паразитами.
В науке существует два противоположных взгляда на вирусы. Так сторонники Нобелевского лауреата А. Львова, не считают вирусы живыми. В свою очередь сторонники другого лауреата Нобелевской премии С. Лурия, наоборот, утверждают, что вирусы живые и представляют собой «Сверхорганизмы». Лично я придерживаюсь точки зрения сторонников Нобелевского лауреата С. Лурии.
Вирусы были открыты 1892 году и описаны в статье Дмитрием Ивановским, который изучал новую болезнь растений табака. С тех пор было обнаружено и описано ещё множество вирусов, в том числе и возбудителей инфекционных болезней человека.
Для вирусов, как и для других живых организмов можно строить филогенетические деревья.
Вопросы о происхождении и месте вирусов в живом мире остаются открытыми в науке. Но однозначно можно говорить о огромной роли вирусов в биосфере. Так в организме человека помимо мкробиома , который представляет собой совокупность всех микробов, населяющих организм человека, выделяют ещё и виром. Например, виром кишечника человека состоит в основном из бактериофагов, инфицирующих бактерии и археи, и эукариотических вирусов, способных реплицироваться в клетках человека. Так ученые из Австралии и США предположили, что вирусы-бактериофаги, поражающие некоторые бактерии, способны проникать сквозь оболочки внутренних органов человеческого тела. Этот факт позволил выдвинуть гипотезу, что бактериофаги могут быть связаны с работой иммунной системы.
Биология и её большая семья.
Мы познакомились с таким явлением, как жизнь. Если есть объект, то и есть наука, которая её изучает. Жизнь на Земле изучает биология — комплексная наука о живых существах и их взаимодействии со средой обитания. Биология изучает все аспекты жизни, в том числе: структуру, функционирование, рост, происхождение, эволюцию и распределение живых организмов на Земле.
Сегодня биология является является одной из самых бурно развивающихся наук. Её иногда называют «Физикой ХХI в.» Ежегодно публикуется более миллиона статей и книг по биологии, медицине, биомедицине и биоинженерии
Life Sciences. Биология является комплексной наукой т.е. её можно «разделить» на более узкие направления. Ниже представлена структура биологических наук*:
*Конечно мы не можем перечислить все науки, которые составляют комплекс биологических наук.
И как мы видим, в ряду биологических наук оказалась и экология.
Экология, как наука
Как мы видим, на самом деле термин «Экология» (нем. Ökologie), который в 1866 году предложил немецкий биолог Э. Г. Геккель в книге «Общая морфология организмов», обозначает биологическую науку, которая изучает взаимодействия живых организмов между собой и с их средой обитания. Экология — наука, которая изучает организацию и функционирование биосистем различных уровней, но главным образом надорганизменных (Популяции, биотические сообщества, экосистемы, биосфера).
Основными разделами экологии являются:
аутэкология, или экология особей, занимающаяся исследованием индивидуальных связей отдельного организма (вида, особи) с его природной средой,
демэкология, или популяционная экология, изучающая динамику и структуру популяций отдельных видов.
синэкология, или экология сообществ, которая изучает взаимодействие популяций, сообществ и экосистем с окружающей средой.
Иногда выделяют ещё учение Вернадского о биосфере — оболочке Земли, сформированная живыми организмами.
Аутэкология. По мнению некоторых учёных этот раздел экологии изучает взаимоотношения отдельного организма (особи) с окружающей средой. Они полагают, что в отличии от дем- и синэкологии аутэкология изучает индивидуальные организмы на стыке с физиологией. Другие же экологи считают, что аутэкология изучает взаимоотношение не конкретных особей, а целого вида со средой его обитания, которая включает другие организмы и абиотические факторы. В таком контексте аутэкология изучает условия, при которых может существовать тот или иной вид. Основными понятиями аутэкологии являются: Особь (индивид) — самостоятельно существующий организм, элементарная единица жизни. Среда обитания — определенный набор условий - как биотических (живые организмы и связь между ними), так и абиотических (тех, которые неживая природа создает для живых организмов), оказывающих на человека и других существ прямое или же косвенное воздействие. Данные условия называют факторами среды — свойства среды обитания, которые определяют метаболизм организма.
Демэкология. Это раздел общей экологии, объектами изучения которого являются изменение численности популяций, отношения групп внутри них.
Структура популяции — это соотношение особей по какому-либо признаку или по характеру их распределения в среде обитания. Различают пространственную, половую, возрастную и этологическую (поведенческую) структуры популяций. Рассмотрим особенности пространственной и половой структур популяций. Пространственная структура - это способ распределения особей популяции по территории. В природе популяции характеризуются тремя типами пространственного распределения особей: случайным, однородным и групповым. Они формируются в зависимости от степени гетерогенности среды обитания, биологических особенностей вида и поведения особей. Половая структура - это соотношение особей разного пола в популяции. Половая структура свойственна только популяциям раздельнополых организмов. Теоретически, соотношение полов должно быть примерно одинаковым: 50% всего населения составляют мужчины и 50% - женщины. Фактическое соотношение полов зависит от роли различных факторов окружающей среды, генетических и физиологических особенностей вида.
Синэкология. Это раздел экологии, изучающий многовидовые сообщества организмов — биоценозы. Синэкология — это раздел экологической науки, который изучает закономерности развития и существования сообществ живых организмов (биоценозов) в конкретных изменяющихся условиях среды обитания. В последние годы активно развивается такая отрасль экологии, как биогеоценология. Активизация научных поисков в рамках этого направления связана с выявленными значительными влияниями биогеоценотических факторов на особенности развития человеческих сообществ.
Экосистемы и биогеоценозы.
Как мы видим, экология является сложной биологической наукой. Одними из основных объектов изучения экологии являются экосистемы. В советской литературе можно встретить понятие «Биогеоценоз», которое в некотором смысле может выступать синонимом термина «Экосистема». Но всё же существуют и определённые различия. В чём же состоят различия этих понятий? Биогеоценоз отличается от экосистемы территориальной ограниченностью. Его границы определяются наземным растительным покровом (фитоценозом). Изменение растительности свидетельствует об изменении условий в биотопе и о границе с соседним биогеоценозом. Например, переход от древесной растительности к травянистой свидетельствует о границе между лесным и луговым биогеоценозами. Сам В. Н. Сукачёв выделял биогеоценозы только на суше, так как считал, что обязательным их компонентом является почва. В 1967 году Л. А. Зенкевич предложил использовать это понятие и при изучении морских экосистем. А уже в 1978 чехословацкими географами был введён термин «биогидроценоз».
Экология и охрана окружающей среды.
Состояние окружающей среды в настоящее время является одним из основополагающих вопросов в обществе. Сегодня очень сильно обострились проблемы деградации окружающей среды. Эти проблемы пробудили волну общественного движения в защиту окружающей среды. Это привело к возникновению энвайронментологии (от англ. энвайронмент – окружающая среда) — комплексной науки об окружающей человека среде, главным образом природной, её качестве и охране (Реймерс, 1990). В русскоязычной научной литературе чаще всего встречается понятие «охрана окружающей среды», что не совсем отражает содержание науки энвайронментология.
В средствах массовой информации и разговорной речи нередко встречается отождествление понятий «экология» и «охрана окружающей среды», что в корне является неверным. Как мы выяснили выше, экология — это биологическая наука со своими целями и задачами, со своей методологией. Такая путаница пришла и в образовательную среду. В связи с этим из ВУЗов стали выходить множество специалистов, которые не имея достаточной биологической подготовки, стали называть себя «экологами». Ещё большую неразбериху внесло появление специальности «инженерная экология», которую справедливости ради стоит называть «инженерная охрана окружающей среды», что означает набор эффективных технических систем охраны окружающей среды, которые позволяют реально контролировать воздействие на окружающую среду и управлять ими.
К счастью современная наука приходит к решению этой лингвистической неразберихи в терминах и понятиях. Но всё же ещё можно встретить интересные терминологические казусы, например, такие:
Но справедливости ради нужно сказать, что некоторые направления экологии могут являться теоретической основой для охраны окружающей среды. Охрана окружающей среды связана с изучением и сохранением биологического разнообразия — разнообразия всего живого на Земле — от генов до экосистем. В его основе лежит видовое разнообразие. Оно включает миллионы видов животных, растений, микроорганизмов, живущих на нашей планете. Биологическое разнообразие — основа стабильности биосферы.
Так же в основе охраны окружающей среды может лежать ботаническое ресурсоведение — научное направление на стыке экологии и ботаники, задачами которого является поиск, определение биомассы, охрана растительных ресурсов и разработка технологий их сбережений.
Ресурсоведческие исследования осуществляются во всем мире, но их направленность и характер определенным образом различаются в разных странах. Эти различия связаны с особенностями экономики страны, демографическими характеристиками, богатством растительных ресурсов, доступностью, освоенностью и величиной территории.
В задачи ботанического ресурсоведения так же входит и охрана этих ресурсов.
Так, например, мероприятия по охране растительности включают:
законодательные мероприятия;
охрану растительности на особо охраняемых природных территориях;
создание коллекций редких и исчезающих видов в ботанических садах и других учреждениях;
создание «генных банков»;
регулирование торговли редкими и исчезающими видами.
Так же экология является основой для создания в целях восстановления и охраны естественной растительности и животного мира заповедников, заказников, национальных парков и резерватов. Эти территории носят названия «Особо охраняемые природные территории (ООПТ)». Особо охраняемые природные территории – участки земли (включая атмосферный воздух над ними и недра) с уникальными, эталонными или иными ценными природными комплексами и объектами, имеющими особое экологическое, научное, историко-культурное, эстетическое и иное значение, изъятые полностью или частично из хозяйственного оборота, в отношении которых установлен особый режим охраны и использования. К примеру в настоящее время на территории Беларуси располагаются 2 заповедника (Березинский биосферный и Полесский радиационно-экологический), 4 национальных парка (Беловежская пуща, Браславские озера, Притятский, Нарочанский), 84 заказник республиканского значения, 349 заказников местного значения, 305 памятников природы республиканского значения и 556 памятников природы местного значения. Общая площадь особо охраняемых природных территорий Беларуси составляет 1574,1 тыс. га или 7,6% от территории республики ( В видео памятник природы местного значения «ПЯШЧАНКА»).
Так же актуальным сегодня становится применения биоиндикации и биотестирования при разработке мер по охране окружающей среды. Биомониторинг – это система наблюдений, оценки и прогноза различных изменений в биоте, вызванных факторами антропогенного происхождения. Биоиндикация – это определение наличия в среде того или иного загрязнителя, а также биологически значимых нагрузок по наличию или состоянию наиболее чувствительных к изменению экологической обстановки организмов и сообществ, населяющих данную экосистему. Проведение биомониторинга и биотестирования невозможно без глубокого понимания экологии.
Так же экология является основой для изучения и применения активного ила - биоценоза зоогенных скоплений (колоний) бактерий и простейших организмов, которые участвуют в очистке сточных вод. Биологическая очистка сточных вод осуществляется с целью удаления из них органических веществ, в том числе соединений азота и фосфора.
Заключение.
Как мы видим, экология является сложной биологической наукой, которая играет важное значение в современном мире. В тоже время, понимание роли и места экологии в структуре естественных наук способствует более бурному её развитию. Из данной статьи мы поняли, что хоть понятия «экология» и «охрана окружающей среды» не тождественны, всё же эта наука может лежать, в качестве теоретической основы для некоторых направлений этой области деятельности.
Источники
Федотова Ю.О. Общая биология.: Учебное пособие. – СПБ.: Университет ИТМО; 2017. – 63 с.
Медицинская вирусология: учебное пособие Н.В. Железняк, В.К. Окулич, А.В. Фролова, И.В. Зубарева, С.А. Сенькович, В.Е. Шилин, А.Г. Денисенко, А.Г. Генералова. Под ред. И.И. Генералова. - Витебск, ВГМУ, 2017.- 307 с.
Рациональное использование и охрана растительных ресурсов : учебно-методический комплекс / Л.Б. Дмитрук, В.В. Ивановский. – Витебск : ВГУ имени П.М. Машерова, 2013. – 82 с.
Экология. Федорук А.Т. Минск: 2010. - 462 с.
