Организм как живая целостная система

1. УРОВНИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ
ОРГАНИЗАЦИИ И ЭКОЛОГИЯ.Ген,
клетка, орган, организм, популяция, сообщество (био­ценоз) – главные уровни
организации жизни. Экология изу­чает уровни биологической организации от
организма до эко­систем. В ее основе, как и всей биологии, лежит теория
эволю­ционного развития органического мира Ч. Дарвина, базирую­щаяся на
представлении о естественном отборе. В упрощен­ном виде его можно
представить так: в результате борьбы за существование выживают наиболее
приспособленные организ­мы которые передают выгодные признаки, обеспечивающие
выживание, своему потомству, которое может их развить даль­ше обеспечив стабильное
существование данному типу орга­низмов в данных конкретных условиях среды. Если
условия эти изменятся, то выживают организмы с более благоприят­ными для новых
условий признаками, переданными им по на­следству, и т. д.

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

Экология изучает уровни
биологической организации от орга­низмов до экосистем. В экологии организм рассматривается как целостная система, взаимодействующая
с внешней сре­дой, как абиотической, так и биотической. В этом случае в наше
поле зрения попадает такая совокупность, как биологический вид, состоящий
из сходных особей, которые, тем не менее, как индивидуумы отличаются
друг от друга. Они точно так же не­похожи, как непохож один человек на другого,
тоже относя­щиеся к одному виду. Но всех их объединяет единый для всех генофонд,
обеспечивающий их способность к размножению в пределах вида. Не может
быть потомства от особей различных видов, даже близкородственных, объединенных
в один род, не говоря уже о семействе и более крупных таксонах, объединяю­щих
еще более «далеких родственников».

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

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

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

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

Понятно, что
компоненты биотопа не просто существуют рядом, а активно взаимодействуют между
собой, создавая определенную биологическую систему, которую академик В. Н.
Сукачев назвал биогеоценозом. В этой системе совокуп­ность абиотических
и биотических компонентов имеет «…свою, особую специфику взаимодействий» и
«определенный тип об­мена веществом и энергией их между собой и другими явле­ниями
природы (Сукачев, 1971).

Термин «биогеоценоз» был
предложен В. Н. Сукачевым в конце 30-х гг. Представления Сукачева в дальнейшем
легли в основу биогеоценологии – целого научного направления в био­логии,
занимающегося проблемами взаимодействия живых организмов между собой и с
окружающей их абиотической средой.

Однако
несколько раньше, в 1935 г.,
английским ботани­ком А. Тенсли был введен термин «экосистема». Экосистема, по
А. Тенсли, – «совокупность комплексов организмов с ком­плексом физических
факторов его окружения, т. е. факторов местообитания в широком смысле».
Подобные определения есть и у многих других известных экологов, например, Ю.
Одума, К. Вилли, Р. Уиттекера, К. Уатта.

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

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

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

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

Поскольку организмы
достаточно разнообразны по видам и формам питания, то они вступают между собой
в сложные трофические взаимодействия, тем самым выполняя важней­шие
экологические функции в биотических сообществах. Одни из них производят
продукцию, другие потребляют, третьи – преобразуют ее в неорганическую форму.
Их называют соот­ветственно: продуценты, консументы и редуценты.

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

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

Редуценты (деструкторы) – восстановители. Они воз­вращают
вещества из отмерших организмов снова в нежи­вую природу, разлагая органику до
простых неорганических соединений и элементов (например, на СО₂, N0₂,
и Н₂О). Воз­вращая в почву или в водную среду биогенные элементы,
они, тем самым, завершают биохимический круговорот. Это делают в основном бактерии,
большинство других микроор­ганизмов и грибы. Функционально редуценты – это те
же самые консументы, поэтому их часто называют микроконсументами.

А. Г. Банников (1977)
полагает, что и насекомые также играют важную роль в процессах разложения
мертвой орга­ники и в почвообразовательных процессах.

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

Организм – любое живое существо. Он отличается от неживой
природы определенной совокупностью свойств, при­сущих только живой материи:
клеточная организация; обмен веществ при 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 и системами 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 ночных животных, а также 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 Лавуазье и Лаплас считали разновидностью го­рения, или фотосинтез, посредством
которого зеленые рас­тения связывают солнечную энергию, а результаты дальней­ших
процессов метаболизма используются 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
———————— — С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 6Н₂О,

где С₆Н₁₂О₆ —
богатая энергией молекула глюкозы.

Практически
весь диоксид углерода (СО₂) поступает из ат­мосферы и днем ее
движение направлено вниз, к растениям, где осуществляется фотосинтез и выделяется
кислород. Дыха­ние – процесс обратный, и движение СО₂ ночью
направлено вверх и идет поглощение кислорода.

Некоторые микроорганизмы,
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, и к выпадению соответствующей ступени метаболической
реакции.

Однако не только ферменты
регулируют процессы метабо­лизма. Им помогают коферменты. Это крупные
молекулы, частью которых являются витамины – вещества, необходимые для
обмена веществ всех организмов – бактерий, зеленых рас­тений, животных и
человека. Отсутствие витаминов ведет к болезням: 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) стадию, 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. 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 превратится 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 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 в 1866 г. этот термин ввел Э.
Геккель: 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.

3. СИСТЕМЫ ОРГАНИЗМОВ И БИОТА ЗЕМЛИ.

В настоящее время на Земле насчитывается более 2,2 млн. видов организмов. Систематика их все более усложняется, хо­тя основной ее «скелет» остается почти неизменным со време­ни ее создания выдающимся шведским ученым Карлом Лин­неем в середине XVIII в.

Известно, что
издавна органический мир делился на два царства – животных и растений. Однако в
наше время его уже следует делить на две империи – доклеточных (вирусы и фаги)
и клеточных (все остальные организмы). Империя доклеточ­ных состоит из
единственного царства – вирусов (фаги тоже вирусы-паразиты). Империя клеточных
включает уже два надцарства, четыре царства, и еще семь подцарств.

Оказалось, что на Земле
существуют две большие группы организмов, различия между которыми намного более
глубо­ки, чем между высшими растениями и высшими животными, и, следовательно,
по праву среди клеточных были выделены два надцарства: прокариотов –
низкоорганизованных доядер-ных и эукаритов – высокоорганизованных ядерных.
Прокариоты представлены царством так называемых дробянок, к которым
относятся бактерии и сине-зеленые водорос­ли, в клетках которых
нет ядра и ДНК в них не отделяется от цитоплазмы никакой мембраной. Эукариоты
пред­ставлены тремя царствами: животных, грибов и растений, клетки
которых содержат ядро и ДНК отделена от цитоплазмы ядерной мембраной, поскольку
находится в самом ядре. Гри­бы выделены в отдельное царство, так как оказалось,
что они не только не относятся к растениям, но, вероятно, происходят от
амебоидных двужгутиковых простейших, т. е. имеют более тесную связь с животным
миром.

Однако такое деление
живых организмов на четыре царст­ва еще не легло в основу справочной и учебной
литературы, поэтому при дальнейшем изложении материала мы придер­живаемся
традиционных классификаций, по которым бактерии, сине-зеленые водоросли и грибы
являются отделами низших растений.

Всю совокупность
растительных организмов данной тер­ритории планеты любой детальности (региона,
района и т.д.) называют флорой, а
совокупность животных организмов – фауной.

Флора и фауна данной территории в совокупности
состав­ляют биоту. Но эти
термины имеют и гораздо более широкое применение. Например, говорят: флора
цветковых растений, флора микроорганизмов (микрофлора), микрофлора почв и т. п.
Аналогично используется термин «фауна»: фауна млекопитаю­щих, фауна птиц,
(орнитофауна), микрофауна и т. п. Прокариоты
являются древнейшими организмами в ис­тории Земли, следы их
жизнедеятельности выявлены в отло­жениях протерозоя, образовавшихся около
миллиарда лет на­зад. В настоящее время их известно около 5000 видов.

Самыми распространенными
среди дробянок являются бактерии и в настоящее время это самые
распространенные в биосфере микроорганизмы. Их размеры составляют от деся­тых
долей до двух-трех микрометров.

Некоторые из
бактерий являются автотрофами, например, серобактерии, которые образуют
органическое вещество за счет хемосинтеза на основе серы. Большинство же
бактерий – гетеротрофы, среди которых преобладают сапротрофы, редуцен­ты. Но
есть формы, паразитирующие на других организмах, вызывающие болезни у животных,
растений, человека.

Бактерии распространены
повсеместно, но больше всего их в почвах — сотни миллионов на один грамм почвы,
а в черноземах – более двух миллиардов.

Микрофлора почв весьма
разнообразна. Здесь бактерии вы­полняют различные функции и подразделяются на
следую­щие физиологические группы: бактерии гниения, нитрофицируюшие,
азотофиксирующие, серобактерии и др. Среди них есть аэробные и анаэробные
формы.

В результате эрозии почв
бактерии попадают в водоемы. В прибрежной части их до 300 тыс. в 1 мл, с
удалением от берега и с глубиной их количество снижается до 100-200 осо­бей на
1 мл.

В атмосфере воздуха
бактерий значительно меньше.

Широко распространены
бактерии в литосфере ниже поч­венного горизонта. Под почвенным слоем их всего
на поря­док меньше, чем в почве. Бактерии распространяются на сот­ни метров в
глубину земной коры и даже встречаются на глу­бине двух и более тысяч метров.

Сине-зеленые водоросли сходны по строению с
бактери­альными клетками, являются фотосинтезирующими автотрофами. Обитают
преимущественно в поверхностном слое пре­сноводных водоемов, хотя есть и в
морях. Продуктом их ме­таболизма являются азотистые соединения, способствующие
развитию других планктонных водорослей, что при опреде­ленных условиях может
привести к «цветению» воды и к ее загрязнению, в том числе и в водопроводных
системах.

Эукариоты – это все остальные
организмы Земли. Са­мые распространенные среди них – растения, которых около
300 тыс. видов.

Растения – это практически единственные организмы, которые
создают органическое вещество за счет физических (неживых) ресурсов – солнечной
инсоляции и химических эле­ментов, извлекаемых из почв (комплекс биогенных элемен­тов).
Все остальные питаются уже готовой органической пищей. Поэтому растения как бы
создают, продуцируют пищу для всего остального животного мира, т.е. являются
проду­центами.

Все одноклеточные и
многоклеточные формы растений имеют, как правило, автотрофное питание за счет
процессов фотосинтеза.

Водоросли – это большая группа
растений, живущих в во­де, где они могут либо свободно плавать, либо
прикрепляться к субстрату. Водоросли – это первые на Земле фотосинтезирующие
организмы, которым мы обязаны появлением кисло­рода в ее атмосфере. Кроме того,
они способны усваивать азот, серу, фосфор, калий и другие компоненты
непосредственно из воды, а не из почвы.

Остальные, более высоко
организованные растения – обитатели суши. Они получают из почвы посредством
кор­невой системы питательные элементы, которые транспор­тируются через стебель
в листья, где берут начало процессы фотосинтеза. Лишайники, мхи,
папоротникообразные и цвет­ковые растения являются одним из важнейших элементов
географического ландшафта, доминируют здесь цветковые, которых более 250
тыс. видов. Растительность суши – глав­ный генератор кислорода, поступающего в
атмосферу, и ее бездумное уничтожение оставит животных и человека не только без
пищи, но и без кислорода.

Грибы – низшие организмы, не содержат хлорофилла, размеры
от микроскопических до крупных, типа дождевиков, насчитывается их более 100
тыс. видов. Тело гриба состоит из нитчатых образований, которые формируют
грибницу, или мицелий. Все грибы – гетеротрофные организмы, среди ко­торых
имеются и сапрофиты, и паразиты. Около трех четвер­тей всех грибов – сапрофиты,
питающиеся гниющими рас­тениями, некоторые грибы паразитируют на растениях
и еди­ничные – на животных. Большую пользу растениям прино­сят
грибы-симбиотиты, которые органически связаны с рас­тениями: они помогают
усваивать труднодоступные вещест­ва гумуса, содействуют своими ферментами
обмену веществ, связывают свободный азот, и т. д.

Низшие почвенные грибы
играют основную роль в про­цессах почвообразования.

Животные представлены большим
разнообразием форм и размеров, их более 1,7 млн видов. Все царство животных –
это гетеротрофные организмы, консументы.

Наибольшее количество
видов и наибольшая численность особей у членистоногих. Насекомых,
например, столько, что на каждого человека их приходится более 200 млн. особей.
На втором месте по количеству видов стоит класс моллюсков, но их
численность значительно меньше, чем насекомых. Третье место по числу видов
занимают позвоночные, среди которых млекопитающие составляют примерно
десятую часть, а поло­вина всех видов приходится на рыб.

Значит, большая часть
видов позвоночных формировалась в водных условиях, а насекомые — это сугубо
животные су­ши.