Мерісистема у біології

0 Comments

§ 31. Біосфера як глобальна екосистема

Як вам відомо, екосистеми можуть бути різного розміру, наприклад екосистема річки, озера, острова й усієї біосфери загалом. Усі групи екосистем – це продукт спільного історичного розвитку видів.

Біосфера – це глобальна екологічна система, межі якої визначені життєдіяльністю організмів.

Межі біосфери та оболонки планети Земля. Біосфера охоплює частину атмосфери до висоти озонового шару (20-22 км), частину літосфери (2-3 км нижче від поверхні) та всю гідросферу (рис. 153). Атмосфера – це газувата оболонка, що оточує нашу планету. Суміш газів, що становить атмосферу, називають повітрям. Поширення організмів в атмосфері обмежене озоновим шаром. Максимальна висота, на якій виявлено спори бактерій і грибів, сягає 22 км. Гідросфера – водна оболонка планети, сукупність океанів, морів, вод континентів, льодовикових покривів. Вода є основою існування життя на Землі, у гідросфері організми живуть на будь-яких глибинах. Літосфера – верхня тверда оболонка Землі, що зверху межує з гідросферою та атмосферою, які частково проникають у неї. Углиб літосфери організми можуть проникати на незначні глибини. Ґрунт – верхній шар літосфери, що є місцем перебування більшості організмів суходолу. Найбільшу товщину біосфера має на тропічних широтах – 22 км, найменшу – на полярних – 12 км.

Рис. 153. Межі біосфери

Проаналізуйте рисунок. Дайте відповіді на запитання.

1. На яку глибину проникає життя в літосфері?

2. Яка оболонка Землі повністю входить до складу біосфери?

Хімічні функції живої речовини. Сукупно всі організми утворюють біомасу, або, за висловом Володимира Вернадського, живу речовину планети. За масою вона становить близько 0,001 % маси земної кори. Проте роль організмів у процесах, що відбуваються на планеті, є величезною. Саме діяльністю організмів зумовлені хімічний склад атмосфери; концентрація солей у гідросфері; утворення одних і руйнування інших гірських порід, формування ґрунту – у літосфері. Жива речовина виконує хімічні функції: газову, концентраційну, окисно-відновну й біохімічну.

Газову функцію здійснюють зелені рослини, які під час фотосинтезу виділяють в атмосферу кисень; рослини й тварини, які під час дихання виділяють вуглекислий газ; багато видів бактерій, що відновлюють Нітроген зі сполук.

Концентраційна функція пов’язана з накопиченням у живій речовині хімічних елементів (Карбону, Гідрогену, Нітрогену, Оксигену, Кальцію, Калію, Силіцію, Фосфору тощо). Окремі види організмів є своєрідними концентраторами деяких елементів (рис. 154).

Окисно-відновна функція виявляється в окисненні речовин за допомогою організмів у ґрунті й гідросфері з утворенням солей, оксидів, а також відновленні речовин. З діяльністю бактерій пов’язане формування вапняків, бокситів, а також залізних, марганцевих і мідних руд.

Біохімічна функція здійснюється під час обміну речовин в організмах (живлення, дихання, виділення), руйнування відмерлих організмів і розщеплення продуктів їхньої життєдіяльності. Ці процеси складають колообіг (біогеохімічні цикли) речовин у природі.

Жива речовина значно прискорила й змінила колообіги різних речовин. Також вона активно регулює геохімічну міграцію атомів. Завдяки цьому зберігається стабільність біосфери і здійснюється еволюція як організмів, так і всієї біосфери загалом. Це особливий вид стану рівноваги, що постійно змінюється.

Рис. 154. Накопичення хімічних елементів організмами

Бурі водорості накопичують Йод

Рак синій флоридський

Ракоподібні накопичують Купрум

Молюски накопичують Купрум

Створіть просвітницький проект для учнів та учениць основної школи «Хімічні функції живої речовини в біосфері».

  • 1. Дайте означення поняття біосфера.
  • 2. Які межі та структура біосфери?
  • 3. Що В. Вернадський називав живою речовиною?
  • 4. Які хімічні функції живої речовини?

§ 2. РІВНІ ОРГАНІЗАЦІЇ БІОСИСТЕМ ТА ЇХНІЙ ВЗАЄМОЗВ’ЯЗОК

Основні поняття й ключові терміни: БІОСИСТЕМИ. Рівні організації біосистем.

Пригадайте! Що таке біосистеми?

Знайомтеся!

Карл Людвіг фон Берталанфі (1901—1972) — австрійський біолог, засновник узагальненої системної концепції, що отримала назву «Загальна теорія систем». Основна ідея запропонованої теорії: закони, що керують системами, — єдині для різних систем. Такими закономірностями є принципи зворотного зв’язку, єдності, ієрархії, емерджентності (раптової появи), закон мінімуму та інші.

ЗМІСТ

Якими є основні біосистеми?

Сучасне розуміння організації життя ґрунтується на системному підході, згідно з яким жива природа існує у формі біосистем. Будь-яка із живих природних систем є цілісною сукупністю взаємопов’язаних компонентів, що виконують особливі функції і забезпечують їхню єдність. Усі біосистеми є перервними й відокремленими одна від одної, мають певні розміри й структуру, тривалість існування й специфічні ознаки. Основними типами біосистем є клітина, організм, популяція, вид, екосистема та біосфера.

Клітина — біологічна система з найменшими розмірами й найпростішою структурою. Основними компонентами клітини є поверхневий апарат, цитоплазма і ядро (нуклеоїд), що побудовані із молекул хімічних речовин та їхніх комплексів. Клітини є основними елементами будови й життєдіяльності всіх організмів нашої планети.

Організм — біологічна система, яка побудована із клітин і завдяки системам регуляції та пристосувальним механізмам може відносно самостійно існувати в певному середовищі. Організми поділяють на одноклітинні, колоніальні й багатоклітинні. Саме ці біосистеми є найрізноманітнішими формами живої природи.

Популяція — біологічна система із вільносхрещуваних між собою організмів одного виду, які проживають тривалий час на певній території й відносно ізольовані від інших таких самих груп. Компонентами популяцій є організми, а самі популяції є структурною одиницею видів. На рівні популяцій починаються еволюційні процеси, тому популяції є елементарними одиницями еволюції.

Вид — біологічна система із сукупності популяцій, яким властиві: а) морфофізіологічна подібність; б) вільне внутрішньовидове схрещування; в) утворення плідного потомства; г) несхрещуваність з іншими видами; д) спільна територія існування — ареал; е) пристосованість до умов існування в межах ареалу; є) спільне походження. Вид є основною формою організації життя.

Екосистема — сукупність різних видів та середовища їхнього існування, що пов’язані обміном речовин, енергії та інформації. У межах біосистем цього рангу виокремлюють біотичний (біоценоз) та абіотичний (біотоп) компоненти, що пов’язані між собою кругообігом речовин. Екосистеми існують унаслідок розподілу функцій між продуцентами, консументами й редуцентами.

Біосфера — біосистема найвищого порядку, склад, структура і властивості якої визначаються функціонуванням живих організмів. Це єдина глобальна екосистема Землі. Живий і неживий компоненти біосфери пов’язані між собою кругообігом речовин у вигляді біогеохімічних циклів.

Отже, БІОЛОГІЧНІ СИСТЕМИ (від грец. біо — життя, система — складена із частин) — це сукупність взаємопов’язаних компонентів, діяльність яких визначають їхню єдність та існування в просторі й часі.

У чому проявляється взаємозв’язок рівнів організації біосистем?

Критерієм для виокремлення рівнів організації біосистем є ступінь складності структури (від лат. structure — будова), тобто розташування взаємопов’язаних компонентів. Для характеристики рівнів організації життя застосовують ще й такий критерій, як процес (від лат. processus — переміщення, рух), що означає певні закономірні функціональні зміни й явища. Виокремлювати рівень організації доцільно в тому випадку, якщо на ньому виникають нові (емерджентні) властивості, що їх немає в систем нижчого рівня.

Уявлення про структурні рівні організації склалося в 20-х роках XX ст. (Л. фон Берталанфі, Г. Ч. Браун), а в середині 40-х років ХХ ст. сформувалася теорія рівнів організації (Р. Джерард, А. Емерсон) як конкретне вираження упорядкованості живого.

Іл. 3. Основні рівні організації біосистем

Як ви вже знаєте, розрізняють молекулярний, клітинний, організмовий, популяційно-видовий, екосистемний (біогеоценотичний) та біосферний рівні організації біосистем (іл. 3). За необхідності, що визначається особливостями досліджуваного об’єкта, можна виокремлювати додаткові рівні: тканинний, рівень органів, рівень систем органів, біоценотичний.

Молекулярний рівень життя пов’язаний з організацією специфічних для живих організмів органічних сполук, їхньою взаємодією між собою і з неорганічними речовинами. При цьому відбуваються хімічні реакції й фізичні процеси перетворення енергії, речовин та інформації. На молекулярному рівні організації перебувають неклітинні форми життя (віруси, пріони, віроїди).

Клітинний рівень життя представлений вільноживучими одноклітинними організмами й клітинами багатоклітинних організмів. Компонентами структури клітин є речовини та їхні комплекси. На клітинному рівні відбуваються процеси поділу й передачі інформації, анаболізму й катаболізму.

Організмовий рівень життя визначається клітинами в одноклітинних і колоніальних організмів, тканинами, органами й системами органів – у багатоклітинних організмів. Елементарною одиницею рівня є окремі клітинні організми з певними особливостями будови, життєдіяльності (живлення, дихання, виділення, розмноження тощо) та поведінки.

Популяційно-видовий рівень життя представлений популяціями й видами, що є надорганізмовими біологічними системами. Структурними компонентами є групи споріднених особин, об’єднаних певним генофондом і специфічною взаємодією з навколишнім середовищем. На цьому рівні формуються мікроеволюційні процеси адаптаціогенезу, регуляції чисельності популяцій, видоутворення тощо.

Екосистемний (біогеоценотичний) рівень життя представлений різноманітністю природних і штучних екосистем. Компонентами є живі угруповання (біоценози) й умови середовища існування. На цьому рівні здійснюються взаємодія організмів різних популяцій між собою, а також вплив екологічних чинників, що визначають їх чисельність, видовий склад і продуктивність.

Біосферний рівень життя об’єднує усі екосистеми Землі. На цьому рівні відбуваються біогенна міграція живої речовини, біологічний кругообіг речовин та перетворення енергії.

Основою взаємозв’язку всіх рівнів організації біосистем є потоки речовин, енергії та інформації й принцип структурної ієрархії систем, згідно з яким будь-яка біосистема є компонентом біосистеми вищого рангу, і, в свою чергу, складається з підпорядкованих їй біосистем нижчого рангу.

Отже, рівні організації біосистем — це певний тип взаємодії структурних й функціональних складників біологічних систем.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Самостійна робота з ілюстраціями. Характеристика біосистем

Розпізнайте на малюнках біосистеми різних рівнів організації. Назвіть їх компоненти та наведіть приклади процесів, характерних для зображених біосистем. Заповніть у робочому зошиті таблицю «Характеристика основних типів біосистем» і сформулюйте висновок про подібність та відмінності різних біосистем.

Біологія + Екологія. Характеристика рівня організації біосистем

Риба-клоун (Amphiprion ocellaris) досить часто вступає у взаємовигідні взаємовідносини з актиніями (наприклад, Heteractis magnifica). Щупальця цих тварин містять небезпечні жалкі клітини і захищають риб та їхню ікру від хижаків. У свою чергу, риби-клоуни очищають актинію від сміття і відганяють від неї хижаків, наприклад крабів і риб-метеликів, які не проти поласувати щупальцями цих істот. Назвіть і охарактеризуйте рівень організації цих взаємовідносин.

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Біорізноманіття. Опис окремих біосистем

З-поміж представників класу Ссавці здатність продукувати отруйний секрет мають яйцекладні ссавці та окремі представники комахоїдних. І лише один відомий вид є серед приматів. Це малий товстий лорі (Nycticebus pygmaeus), поширений у лісах В’єтнаму, Лаосу й Камбоджі. На внутрішньому боці ліктьового суглоба в цієї тварини є залози, секрети яких, змішуючись із слиною, перетворюються на сильну отруту. Опишіть цей організм як біосистему.

РЕЗУЛЬТАТ

Завдання для самоконтролю

1. Що таке біосистеми? 2. Назвіть основні типи біосистем. 3. Наведіть приклади біосистем різних рівнів. 4. Що таке рівні організації біосистем? 5. Назвіть основні рівні організації біосистем. 6. Назвіть критерії, за якими характеризують біосистеми.

7. Якими є основні біосистеми? 8. В чому виявляється взаємозв’язок рівнів організації біосистем? 9. Чим біосистеми різняться між собою?

10. У чому полягають подібність та відмінності різних біосистем?

1. Основні властивості біологічних систем

Біологічна система — це жива відкрита система, яка підтримує свою складну структуру за умов постійного обміну речовин з навколишнім середовищем.

Основні властивості біологічних систем:

  • особливий хімічний склад — наявні кількісні співвідношення хімічних елементів у біологічних системах суттєво відрізняються від співвідношень тих самих елементів у складі земної кори;
  • багаторівневість організації — існує декілька рівнів організації біологічних систем: молекулярний, клітинний, тканинний, органний, системний, організмовий;
  • наявність обміну речовин — усі біологічні системи можуть повноцінно існувати і підтримувати власну складну структуру лише за умови постійного обміну речовин з оточуючим середовищем;
  • здатність до саморегуляції (самоконтроль процесів) — повна життєдіяльність біологічних систем можлива лише за умови саморегуляції всіх процесів, що у них відбуваються;
  • реагування на подразнення — біологічні системи можуть реагувати на зовнішні впливи;
  • здатність до розмноження — самовідтворення собі подібних;
  • здатність до розвитку — біологічні системи здатні змінюватися у часі — у них відбуваються якісні та кількісні зміни.