Рубрика: Биология

ЦАРСТВО ЖИВОТНЫЕЦАРСТВО ЖИВОТНЫЕ

Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
РАЗДЕЛ II. МНОГООБРАЗИЕ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ. 11. Царство ЖИВОТНЫЕ

ВСЕ РАЗДЕЛЫ СПРАВОЧНИКА

11. ЦАРСТВО ЖИВОТНЫЕ

Животные — это эукариотические гетеротрофные организмы. Их описано более 2,0 млн видов. Царству Животные присущ ряд отличительных признаков.

  1. Гетеротрофный тип питания. У большинства голозойное, у некоторых осмотрофное, фаго- и пиноцитоз. Некоторые миксотрофы (эвглена зелёная).
  2. Специфические черты в организации животной клетки: не имеет клеточной стенки (поэтому может принимать различную форму), система вакуолей не развита, имеются центриоли, многие клетки снабжены ресничками или жгутиками, основное запасное вещество — гликоген.
  3. Четыре типа тканей: эпителиальная, соединительная, мышечная и нервная,
  4. В основном подвижный образ жизни, что связано с развитием опорно-двигательной и нервной систем.
  5. Имеются экскреторные органы и выделяются азотсодержащие продукты жизнедеятельности (аммиак, мочевина, мочевая кислота и др.).
  6. Для высших характерны сложные поведенческие реакции. Высокоорганизованные формы способны осуществлять процессы высшей нервной деятельности.
  7. У большинства имеются нервная и гуморальная системы регуляции (у растений только гуморальная).
  8. Имеется защитная (иммунная) система.
  9. Рост диффузный (то есть рост всей поверхности, а не за счёт определённых ростовых точек) и ограниченный.
  10. Жизненные циклы проще, чем у растений. Гаплоидная стадия представлена только гаметами (за исключением споровиков и фораминифер). Редукционное деление осуществляется непосредственно в процессе гаметогенеза.

Систематика.

Царство Животные делят на два подцарства: Одноклеточные и Многоклеточные.

Подцарство Одноклеточные включает типы: Саркомастигофора (классы Саркодовые и Жгутиконосцы), Инфузории (класс Ресничные инфузории), Апикомплекса (класс Споровики).

Подцарство Многоклеточные включает типы: Кишечнополостные (классы Гидроидные, Сцифоидные и Коралловые полипы), Плоские черви (классы Сосальщики, Ленточные черви, Ресничные черви), Круглые черви (класс Собственно круглые черви, или Нематоды), Кольчатые черви (классы Малощетинковые, Многощетинковые и Пиявки), Моллюски (классы Брюхоногие, Двустворчатые, Головоногие), Членистоногие (классы Ракообразные, Паукообразные и Насекомые), Хордовые. ‘Пип Хордовые делят на три подтипа: Оболочники (класс Асцидии), Бесчерепные (класс Ланцетники), Позвоночные (классы Хрящевые рыбы, Костные рыбы, Земноводные (Амфибии), Пресмыкающиеся (Рептилии), Птицы, Млекопитающие).

Многообразие животного мира. Представители царства Животные очень разнообразны. Они отличаются друг от друга особенностями экологии, индивидуального развития, морфологии и физиологии. В зависимости от того или иного признака животных делят на разные группы (табл. 11.1),

ЦАРСТВО ЖИВОТНЫЕ. Многообразие

ЦАРСТВО ЖИВОТНЫЕ. Многообразие животного мира

11.1. ПОДЦАРСТВО ПРОСТЕЙШИЕ (ОДНОКЛЕТОЧНЫЕ)

11.1.1. Общая характеристика

К подцарству Простейшие относят одноклеточные организмы. Известно более 30 тыс. видов простейших. Среды обитания: водная, почвенная, организменная. Простейшие обитают в самых различных средах: пресных и солёных водах, почве, в теле других организмов. Обязательное условие жизни простейших — наличие жидкой среды (вода, влага почвы, кровь, тканевая жидкость). Образ жизни: паразитические и свободноживущие. Некоторые виды способны образовывать колонии, однако клетки в них независимы друг от друга. В процессе эволюции, видимо, колониальные формы были переходным этапом от одноклеточных к многоклеточным.

Систематика. Подцарство Простейшие (Одноклеточные) включает типы: Саркомастигофора (класс Корненожки, или Саркодовые, и класс Жгутиконосцы), Инфузории (класс Ресничные инфузории), Апикомплекса (класс Споровики).

Строение. Тело простейших состоит из одной клетки. Размеры клеток колеблются от 1—2 мкм до 2—3 см. Строение клеток простейших типично для эукариот. Они имеют оболочку, цитоплазму и одно или несколько ядер.

Покровы тела состоят из цитоплазматической мембраны и пелликулы — плотной эластичной оболочки. Некоторые амёбы имеют наружный скелет в виде раковины.

Цитоплазма включает эктоплазму (наружный однородный слой) и эндоплазму (внутренний — зернистый). В эндоплазме содержатся включения и все основные органоиды клетки — органоиды общего назначения (митохондрии, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, рибосомы, лизосомы и т.д.). Кроме того, у простейших имеются органоиды специального назначения: движения (жгутики, ложноножки, реснички); пищеварения (пищеварительная вакуоль, цитостом — клеточный рот, цитофарингс — клеточная глотка, порошица); выделения (сократительная вакуоль, приводящие каналы); защиты (трихоцисты)’, светочувствительные глазки.

Движение одноклеточных происходит несколькими способами. Корненожки передвигаются при помощи ложноножек (псевдоподий) — временных выростов цитоплазмы, в которые перетекает часть цитоплазмы. Жгутиконосцы и инфузории передвигаются благодаря вращению жгутиков и колебательных движений ресничек.

Питание. Большинство простейших имеют гетеротрофный тип питания. Они используют готовые органические вещества. Для некоторых видов (эвглена зелёная) характерен миксотрофный (смешанный) тип питания, поскольку на свету они способны к фотосинтезу, а в темноте питаются готовыми органическими веществами. Гетеротрофный тип питания может осуществляться разными способами. При фагоцитозе и пиноцитозе (захват пищевых частиц или капелек жидкости при помощи ложноножек), а также голозойном способе питания (поступление пищевых частиц через клеточный рот) происходит переваривание пищи в пищеварительных вакуолях. Так питаются корненожки, инфузории и некоторые жгутиконосцы. При осмотическом способе питания происходит всасывание растворённых питательных веществ из воды всей поверхностью тела. Это характерно для жгутиконосцев и споровиков.

Выделение. Жидкие продукты обмена и избыток воды у пресноводных простейших выделяются через сократительные вакуоли. Морские и паразитические одноклеточные обитают в изотонической среде, сократительных вакуолей не имеют, а выделение происходит всей поверхностью клетки.

Дыхание осуществляется всей поверхностью тела. Газообмену способствует постоянный приток в организм простейшего воды, содержащей кислород, и её удаление вместе с углекислым газом через сократительную вакуоль.

Раздражимость проявляется в форме таксисов. Таксис — это движение к раздражителю (положительный таксис) или от него (отрицательный таксис). В зависимости от природы действующего фактора различают фототаксисы (раздражителем является свет), хемотаксисы (раздражителем являются химические вещества) и термотаксисы (раздражителем является температура).

Образование цисты (инцистирование) происходит в неблагоприятных условиях (например, при недостатке влаги). При инцистирова-нии клетка теряет органоиды движения, обезвоживается и покрывается толстой защитной оболочкой.

Размножение осуществляется бесполым путём: деление клетки надвое, шизогония (множественное деление), спорогония (множественное деление, заканчивающееся образованием спор), почкование. Для жизненного цикла многих простейших характерно чередование бесполого размножения и полового процесса (конъюгация или копуляция). При конъюгации между двумя клетками происходит обмен частями генеративного ядра. При копуляции клетки простейших преобразуются в гаметы, после чего происходит их слияние. Половой процесс не сопровождается увеличением численности особей, поэтому не совсем правильно его отождествлять с половым размножением.

Значение. Простейшие участвуют в почвообразовании; обеспечивают биологическую очистку водоёмов; являются пищей для многих водных животных; образуют осадочные породы — источник сырья для промышленности; являются возбудителями паразитарных заболеваний человека и животных.

11.1.2. Тип Саркомастигофоры

11.1.2.1. Класс Корненожки (Саркодовые)

Характерные признаки класса Корненожки: одно ядро; непостоянная форма тела; отсутствие пелликулы; органоиды движения — ложноножки; тип питания — гетеротрофный; способ питания: фагоцитоз и пиноцитоз; размножение бесполое — деление клетки надвое.

Представители класса Корненожки: амёба обыкновенная (пресноводная); фораминиферы и радиолярии (морские); амёба ротовая, амёба кишечная и амёба дизентерийная (паразитические).

Амёба обыкновенная. Обитает в пресных водоёмах. Свободноживущая. Размер около 0,5 мм. Форма тела непостоянна (рис. 11.1).

Строение: цитоплазматическая мембрана, цитоплазма, ядро, пищеварительные вакуоли, сократительная вакуоль. Передвигается с помощью ложноножек (псевдоподий). Питается одноклеточными организмами (бактериями, водорослями, простейшими) путём фаго-и пиноцитоза. При этом образуются пищеварительные вакуоли. Непереваренные остатки выделяются в любой части тела. Продукты метаболизма и избыток воды удаляются через сократительную вакуоль. Дышит растворённым в воде кислородом всей поверхностью тела. Размножается только делением надвое. При неблагоприятных условиях образует цисту.

Фораминиферы имеют известковую раковину до 3 см. Отмирая, они образуют осадочные породы, месторождения известняка. Радиолярии (лучевики) имеют раковину из кремнезёма. Они образуют осадочные породы, которые используются в производстве наждачной бумаги и абразивных кругов.

Амёба ротовая, амёба кишечная, амёба дизентерийная — паразитические амёбы, вызывают заболевания животных и человека.

11.1.2.2. Класс Жгутиконосцы

Характерные признаки класса Жгутиконосцы: одно ядро; постоянная форма тела; пелликула; органоиды движения — жгутики; тип питания: гетеротрофный, миксотрофный; способ питания: осмотический, голозойный; размножение: бесполое (продольное деление клетки надвое) и половой процесс — копуляция.

Представители класса Жгутиконосцы: эвглена зелёная (свободно-живущая), вольвокс и гониум (колониальные), трипаносомы, лейшмании, лямблии (паразитические).

Эвглена зелёная. Обитает в пресных водоёмах со стоячей водой, свободноживущая, размер около 0,06 мм. Форма тела постоянна (рис. 11.2). Строение: веретеновидная клетка, имеет жгутик, цитоплазму, ядро, сократительную вакуоль, светочувствительный глазок (стигму), хлоропласты и бесцветные пластиды. Передвигается с помощью жгутика. Способна к миксотрофному питанию. Размножается продольным делением надвое. При неблагоприятных условиях образует цисту.

Вольвокс состоит из нескольких сотен клеток, погружённых в студенистое вещество. Характерна начальная специализация клеток и разделение их функций.

Трипаносомы вызывают африканскую сонную болезнь, лейшмании вызывают лейшманиоз, лямблии вызывают лямблиоз. Для паразитических жгутиконосцев характерны сложные жизненные циклы с чередованием поколений и сменой хозяев.

11.1.3. Тип Инфузории

11.1.3.1. Класс Ресничные инфузории

Характерные признаки класса Ресничные инфузории: два ядра; органоиды движения — реснички; постоянная форма тела; пелликула; две сократительные вакуоли и приводящие каналы; органоиды защиты — трихоцисты; тип питания — гетеротрофный; способ питания — осмотический или голозойный; размножение — бесполое (поперечное деление клетки надвое), половой процесс (конъюгация); инцистирование.

Представители класса Ресничные инфузории: инфузория-туфелька (свободноживущая), балантидий (паразит).

Инфузория-туфелька. Обитает в пресных водоёмах, свободноживущий организм размером 0,1—0,3 мм. Характерна постоянная форма тела в виде подошвы туфли (рис. 11.3).

Строение: тело покрыто ресничками (обеспечивают движение), имеет плотную наружную оболочку, цитоплазму, сократительные вакуоли (две — с приводящими канальцами), пищеварительные вакуоли, два ядра. Большое ядро (макронуклеус) отвечает за жизнедеятельность клетки, малое ядро (микронуклеус) — за половое размножение. Между ресничками имеются трихоцисты — органоиды защиты и нападения. У инфузории есть клеточный рот (цитостом), ведущий в клеточную глотку (цитофарингс), от которой отшнуровываются пищеварительные вакуоли. Они движутся к постоянному месту удаления остатков непереваренной пищи (порошице). Бесполое размножение осуществляется путём поперечного деления клетки надвое, половой процесс — путём конъюгации.

Балантидий — представитель паразитических инфузорий, является возбудителем балантидиаза.

11.1.4. Тип Апикомплексы

11.1.4.1. Класс Споровики

Характерные признаки класса Споровики: внутриклеточные паразиты; отсутствуют органоиды движения; отсутствуют пищеварительные и сократительные вакуоли; форма тела постоянная; одно ядро; тип питания — гетеротрофный; способ питания — осмотический; размножение: бесполое (спорогония, шизогония), есть половой процесс (копуляция); сложный цикл развития.

Представители класса Споровики: малярийный плазмодий (возбудитель малярии), токсоплазма (возбудитель токсоплазмоза). Все споровики — паразиты животных и человека; вызывают тяжёлые заболевания.

Малярийный плазмодий имеет сложный жизненный цикл со сменой хозяев. Бесполое размножение осуществляется в теле человека, а половой процесс — в малярийном комаре. Шизонты (бесполое поколение) попадают в кровь человека при укусе заражённым комаром, из крови они проникают в клетки печени, где начинают активно расти и размножаться путём шизогонии (множественного деления). После нескольких делений плазмодии возвращаются в кровь и проникают в эритроциты. Здесь они снова размножаются множественным делением. После каждого цикла шизогонии шизонты выходят в кровь, при этом эритроцит лопается, и в кровь выбрасываются токсические вещества — продукты жизнедеятельности плазмодия. Именно эти токсины обусловливают клинические проявления малярии. После нескольких циклов шизогонии в эритроцитах плазмодии перестают делиться. Они преобразуются в гаметоциты (половое поколение), которые позднее образуют гаметы. Гаметоциты попадают в комара во время укуса. В комаре гаметоциты выходят из эритроцитов и превращаются в гаметы. В полости кишечника комара гаметы попарно сливаются, образуя зиготу. Она проникает в гемолимфу комара, где активно питается и делится шизогонией. Образовавшиеся шизонты из гемолимфы мигрируют в слюнные железы комара. Оттуда они снова попадают в кровь человека.

Таким образом, малярийный плазмодий разрушает эритроциты человека, вызывая малярию. Диагноз малярии ставят при нахождении малярийных плазмодиев в крови. Профилактика заключается в уничтожении мест обитания малярийных комаров.

11.2. ТИП КИШЕЧНОПОЛОСТНЫЕ

11.2.1. Общая характеристика

Известно около 9 тыс. видов кишечнополостных. Среда обитания — водная (морские водоёмы — за исключением нескольких пресноводных видов). Образ жизни — свободноживущие: свободноплавающие или прикреплённые формы.

Систематика. Тип Кишечнополостные включает классы: Гидроидные, Сцифоидные и Коралловые полипы.

Строение. Для большинства кишечнополостных характерны две жизненные формы: прикреплённый полип и свободноплавающая медуза. У многих обе формы чередуются в течение жизненного цикла (полипы — бесполое поколение, медузы — половое).

Полип (прикреплённая форма) имеет вид вытянутого мешка, имеющего отверстие — рот, который окружён щупальцами и ведёт в гастральную (кишечную) полость (рис. 11.4).

Задний конец тела (подошва) фиксируется к субстрату. Прикреплённые формы могут быть как одиночные (гидра), так и колониальные (коралловые полипы).

Медуза (плавающая форма) имеет форму колокола, зонтика или блюдца, под сводом которого расположен рот, окружённый ротовыми лопастями. По краю купола располагаются щупальца. Плавающие формы всегда одиночные.

Размеры тела от 1 мм до 2 м. Кишечнополостные имеют лучистый (радиальный) тип симметрии, то есть через тело можно провести несколько плоскостей симметрии. Это двухслойные животные — их развитие происходит из двух зародышевых листков. Тело образовано двумя слоями клеток: наружным — эктодермой и внутренним — энтодермой. Между ними находится слой межклеточного студенистого вещества — мезоглея (у медуз и гидроидных полипов) или опорная пластинка, выполняющая функцию внутреннего скелета (у коралловых полипов). Коралловые полипы и колониальные гидроидные, кроме того, имеют наружный известковый или роговой скелет.

Клетки эктодермы и энтодермы дифференцированы по выполняемым функциям.

Клетки эктодермы. Эктодерма включает эпителиально-мускульные, стрекательные, нервные, промежуточные и половые клетки.

Эпителиально-мускульные клетки формируют покровы тела, содержат мышечные волокна, расположенные параллельно продольной оси тела. Выполняют защитную и двигательную функции.

Стрекательные клетки содержат капсулу с ядовитой жидкостью; внутри капсулы в виде спирали находится стрекательная нить, на поверхности — чувствительный волосок. При раздражении стрекательная нить выбрасывается наружу. Выполняют функцию защиты и нападения.

Нервные клетки располагаются под эпителиально-мускульными, имеют звездчатую форму и отростки. Своими отростками они сообщаются между собой, образуя примитивную нервную систему диффузного типа. Особенно их много на щупальцах у гидроидных и по краю зонтика у медуз.

Промежуточные (интерстициальные) — мелкие недифференцированные клетки, участвующие в бесполом размножении и регенерации. Из них образуются все виды клеток эктодермы.

Половые (у гидроидных) — яйцеклетки и сперматозоиды. Появляются в определённые периоды жизненного цикла из промежуточных клеток и обеспечивают половое размножение.

Клетки энтодермы. Энтодерма включает эпителиально-мускульные, железистые, нервные и половые клетки.

Эпителиально-мускульные клетки выстилают гастральную полость, имеют 2—5 жгутиков, мышечные волокна (располагаются перпендикулярно продольной оси тела), способны образовывать ложноножки. Обеспечивают движение воды в гастральной полости и внутриклеточное пищеварение.

Железистые клетки вырабатывают и выделяют в кишечную полость пищеварительные ферменты, обеспечивая полостное пищеварение.

Нервные клетки аналогичны нервным клеткам эктодермы.

Половые (у сцифомедуз) аналогичны половым клеткам эктодермы.

Движение осуществляется за счёт сокращения мышечных волокон эпителиально-мускульных клеток наружного и внутреннего слоёв тела. Сокращение продольных мышечных волокон клеток эктодермы приводит к укорочению тела и щупалец, сокращение поперечных волокон клеток энтодермы вытягивает тело в длину. У прикреплённых форм наиболее подвижны щупальца. Одиночные полипы (гидра) передвигаются «кувырканием», медузы — реактивным способом.

Раздражимость возможна благодаря примитивной нервной системе диффузного типа и осуществляется в виде элементарных рефлексов. Например, в ответ на укол иглой всё тело гидры сжимается. Прикреплённые формы кишечнополостных не имеют развитых органов чувств, за исключением осязания. У подвижных форм есть органы зрения (глаза) и равновесия (статоцисты — мешочки с камешками из углекислой извести внутри).

Пищеварение. Большинство кишечнополостных активно захватывают пищу щупальцами. Для нападения используют стрекательные клетки, которые парализуют жертву. Пища через рот попадает в пищеварительную (гастральную) полость, где и происходит её переваривание. Различают два вида пищеварения: внутриклеточное и полостное. Внутриклеточное пищеварение осуществляется эпителиально-мускульными клетками энтодермы, захватывающими пищевые частицы путём эндоцитоза. Полостное пищеварение возможно благодаря ферментам, выделяемым в гастральную полость железистыми клетками. Непереваренные остатки из клеток выбрасываются в полость, откуда током воды удаляются через рот.

Дыхание и выделение продуктов обмена осуществляется всей поверхностью тела.

Регенерация — восстановление утраченных или повреждённых частей тела. Возможна благодаря размножению и дифференцировке промежуточных клеток.

Размножение. Большинство раздельнополые. Некоторые гидроидные — гермафродиты — имеют и яичники, и семенники. Характерно чередование бесполого и полового размножения. Бесполое размножение осуществляется путём почкования или стробиляции. Почкование — размножение путём образования на материнском организме почки — выроста, из которого образуется новая особь. Стробиляция — размножение путём множественных поперечных делений полипа на несколько частей. У примитивных гидроидных оплодотворение яйцеклетки происходит на материнском организме. Развитие прямое. У медуз и морских гидроидных половые клетки выделяются в воду, где и происходит оплодотворение. Развитие с метаморфозом, личинка — планула (рис. 11.5).

Происхождение и ароморфозы. К возникновению типа привели следующие ароморфозы: дифференцировка клеток и образование тканей, нервная система диффузного типа, полостное пищеварение.

Значение. Кишечнополостные являются важным звеном в цепях питания морских животных, способствуют очищению воды (биологические фильтраторы). Некоторые виды медуз ядовитые (цианея, крестовичок), некоторых используют в пищу. Коралловые полипы формируют уникальные экологические системы коралловых рифов. В то же время коралловые рифы и острова (атоллы) затрудняют судоходство. Из скелетов коралловых полипов формируются месторождения известняка, используемого в строительстве.

11.2.2. Класс Гидроидные

Жизненные формы — полипная (пресноводная гидра) или полипная и кратковременная медузная (обелия).

Пресноводная гидра. Среда обитания — пресные водоёмы. Свободноживущая, прикреплённая. Длина тела около 1 см. Тело состоит из мешкообразного туловища, подошвы и щупалец. Прикрепляется к субстрату подошвой. Тело двухслойное. Рот окружён щупальцами (5—12), которые служат для захвата пищи. Клетки эктодермы: эпителиально-мускульные, нервные, стрекательные, промежуточные, половые. Клетки энтодермы: эпителиально-мускульные, железистые и нервные. С помощью эпителиально-мускульных клеток организм способен совершать движение. Стрекательные клетки служат для защиты и нападения. Дыхание осуществляется всей поверхностью тела. Нервная система диффузного типа, состоит из разбросанных по всему телу нервных клеток. Развито осязание. Гастральная полость не имеет перегородок и каналов. Бесполое размножение (почкование) происходит летом. Половое размножение происходит осенью. В эктодерме формируются половые железы, где образуются гаметы (сперматозоиды со жгутиками и амёбоидная яйцеклетка), оплодотворение происходит на теле материнской гидры. Медузоидная форма отсутствует. Развитие прямое.

Гидроидные полипы (обелия). Характерно чередование бесполого и полового поколений (метагенез). Бесполое поколение (полипы) образует колонии в виде дерева или кустика. Половое поколение — гидроидные медузы, образуются путём почкования как части колонии, в дальнейшем отделяются от неё и ведут свободный образ жизни. Размножение у гидроидных медуз половое. Осеменение наружное (половые клетки выделяются в воду). Развитие с метаморфозом (личинка — планула).

11.2.3. Класс Сцифоидные

Сцифоидные медузы (корнерот, цианея, гонионема). Обитают только в морях. Стадия медузы преобладает над стадией полипа. Медуза напоминает перевёрнутый и сильно сплющенный полип. Содержимое медузы представлено сильно развитой мезоглеей (содержит до 98 % воды). По краю зонтика имеется скопление нервных клеток в виде ганглиев. Органы чувств: равновесия — статоцисты, зрения — глаза. Кишечная полость представлена системой сообщающихся каналов (4 радиальных и,1 кольцевой). Передвижение медуз в воде осуществляется по реактивному принципу за счёт выталкивания воды из-под купола при сокращении стенок зонтика. Раздельнополы, Характерно чередование поколений. Размножение полипа происходит стробиляцией — упорядоченным поперечным делением полипа на несколько частей. Половые клетки образуются в энтодерме. Из оплодотворённой яйцеклетки развивается личинка. После прикрепления к субстрату из неё развивается полип. Подрастая, полип начинает отпочковывать молодых медуз.

11.2.4. Класс Коралловые полипы

Коралловые полипы (актиния, роговой коралл, красный коралл). Существуют только в виде полипа. Обитают на мелководьях тропических морей. Встречаются одиночные (редко) и колониальные формы. Рот окружён либо восемью щупальцами (восьмилучевые кораллы), либо числом щупальцев, кратным шести (шестилучевые кораллы). Имеют наружный известковый или роговой скелет, образующийся из эктодермы, или внутренний скелет, образующийся в мезоглее. В цикле развития отсутствует медузоидная форма и чередование поколений. Размножение бесполое (почкование) и половое. Раздельнополые, половые клетки образуются в энтодерме. Развитие прямое или с метаморфозом (личинка — планула). Известковые скелеты колониальных форм образуют рифы и океанические острова.

11.3. ТИП ПЛОСКИЕ ЧЕРВИ

11.3.1. Общая характеристика

Известно более 15 тыс. видов плоских червей.

Систематика. Тип Плоские черви включает классы: Ресничные черви, Сосальщики, Ленточные черви.

Среда обитания: водная, почвенная, организменная (морские, пресные водоёмы, влажная почва, организм человека и животных). Образ жизни: ресничные черви — свободноживущие животные (хищники), обитающие в пресных и морских водоёмах; сосальщики и ленточные черви — паразиты, живущие в организме других животных.

Двусторонне-симметричные — единственная плоскость симметрии делит тело на правую и левую половины. Развитие происходит из трёх зародышевых листков: эктодермы, энтодермы и мезодермы. Третий зародышевый листок появляется впервые в эволюции и даёт начало развитию паренхиматозных клеток, заполняющих промежутки между органами, и мышечной системе.

Размеры тела от 2—3 мм до 20 м. Тело плоских червей вытянуто в длину и сплющено в спинно-брюшном направлении; имеет листовидную или лентовидную форму (рис. 11.6). Характерно наличие развитых систем органов: мышечной, пищеварительной (отсутствует у класса Ленточных), выделительной, нервной и половой.

Покровы тела и мышечная система. Клетки эпителия и мускулатуры представляют собой обособленные образования. Кожно-мускульный мешок состоит из однослойного эпителия (у водных форм эпителий имеет реснички) и трёх слоёв гладких мышц: кольцевых, продольных и косых. Некоторые представители имеют также спинно-брюшные мышцы. Движение обеспечивается сокращением мускулатуры (сосальщики и ленточные черви) или ресничками покровного эпителия и сокращением мышц (ресничные черви).

Полость тела отсутствует, а внутренние органы расположены непосредственно в паренхиме, которая имеет мезодермальное происхождение. Она выполняет опорную функцию, является депо запасных питательных веществ и участвует в регенерации.

Пищеварительная система имеет два отдела — передний (рот, глотка) и средний (ветви кишечника). Кишка замкнута слепо, задний, отдел кишечника и анальное отверстие отсутствуют. Непереваренные остатки пищи удаляются через рот. У ленточных червей пищеварительная система отсутствует (представлена отдельными пищеварительными клетками).

Кровеносная и дыхательная системы отсутствуют. Газообмен происходит непосредственно через поверхность тела. У свободноживущих форм аэробное дыхание, у паразитов — анаэробное (гликолиз).

Выделительная система протонефридиального типа, образована системой канальцев, один конец которых начинается в паренхиме звездчатой клеткой с пучком ресничек, а другой впадает в выделительный проток. Протоки объединяются в 1 или 2 общих канала, заканчивающихся выделительными порами.

Нервная система состоит из надглоточных нервных узлов (ганглиев) и продольных нервных стволов, идущих вдоль тела и связанных поперечными нервными перемычками.

Органы чувств — осязания и химического чувства. У свободноживущих имеются органы зрения и равновесия.

Половая система, как правило, гермафродитная. Мужская половая система: семенники, семяпроводы, семяизвергательный канал и копулятивный орган. Женская половая система: яичник, яйцевод, матка, желточники. Для паразитов характерна высокая плодовитость.

Размножение чаще половое. У ресничных червей встречается фрагментация. Развитие с метаморфозом, у паразитов — со сменой хозяев.

Происхождение и ароморфозы. К возникновению типа привели следующие ароморфозы: двусторонняя симметрия тела, третий зародышевый листок — мезодерма, системы органов: пищеварительная, выделительная и половая.

Значение. Пища для более крупных животных. Возбудители паразитарных заболеваний человека и животных.

11.3.2. Класс Ресничные черви

Белая (молочная) планария. Питается водными беспозвоночными. Достигает в длину 25 мм. Тело уплощено, покрыто ресничками, задний конец заострён. На переднем конце имеет небольшие глазки и органы химического чувства. Внутреннее строение такое же, как и у всех представителей плоских червей.

11.3.3. Класс Сосальщики

Печёночный сосальщик. Тело плоское, листовидное. Размеры тела 5—7 см. Реснички отсутствуют. Имеются ротовая и брюшная присоски. Пищеварительная система включает рот, кишечник из двух ветвей, оканчивающихся слепо. Дыхательная система отсутствует. Анаэроб. Мышечная и нервная системы менее развиты, чем у свободноживущих червей. Основной хозяин — травоядные животные (коровы, овцы, козы) (рис. 11.7). Паразитирует в печени, желчных ходах. Питается клетками крови и печени. Промежуточный хозяин — малый прудовик (улитка). Сосальщики — гермафродиты (каждая особь имеет и яичники, и семенники). Яйца с испражнениями основного хозяина попадают во внешнюю среду, где в воде развивается личинка

с ресничками, которая внедряется в тело улитки, там растёт и размножается. Личинки покидают улитку, прикрепляются к водным растениям и превращаются в цисту. Вместе с травой они попадают в кишечник основного хозяина. Заражение человека происходит при питье воды из открытых водоёмов или при употреблении в пищу немытых овощей и зелени, поливаемых из этих водоёмов. После заражения личинка превращается в половозрелую форму, которая вызывает заболевание хозяина.

11.3.4. Класс Ленточные черви

Бычий цепень. Размер 4—10 м. Форма тела — лентовидная. Отделы тела — головка, шейка, членики (до 1 тыс. и более). Головка имеет четыре присоски, шейка нерасчленённая, тело длинное лентовидное расчленённое. Пищеварительная система отсутствует. Дыхательная система отсутствует. Анаэроб. Нервная система развита слабо.

Цепни — гермафродиты. В каждом членике имеются один яичник и множество семенников. Из кишечника человека (основной хозяин) выделяются членики, содержащие яйца. Вместе с травой они попадают в желудок коровы (промежуточный хозяин). Из яиц выходят шестикрючные личинки, которые проникают в кровеносные сосуды кишечника и затем в мышцы. Здесь личинки превращаются в финны (пузырёк с головкой цепня внутри). При употреблении непроваренного финнозного мяса человеком головка цепня прикрепляется к стенке и начинает продуцировать членики.

Эхинококк. Взрослая форма длиной до 6 мм. Состоит из 3—4 члеников, на головке имеет присоски и хоботок с венчиком крючьев. Членики не отделяются. Основной хозяин — собаки, волки, лисицы. У них цепень обитает в тонком кишечнике. Промежуточный — овцы, свиньи, козы, крупный рогатый скот, олени, человек. В промежуточном хозяине развивается стадия финны — пузырь с множеством головок. Пузыри развиваются в лёгких, печени, головном мозге, костях и имеют размеры с детскую голову. Заражение человека происходит при проглатывании яиц цепня, попавших на руки после контакта с собаками и дикими животными.

11.4. ТИП КРУГЛЫЕ ЧЕРВИ

11.4.1. Общая характеристика

Тип насчитывает более 500 тыс. видов. Среда обитания — водная, почвенная, организменная (морские и пресные водоёмы, почва, организмы человека, животных и растений). Образ жизни: свободно-живущие и паразиты. Развитие из трёх зародышевых листков. Тип включает пять классов. Наиболее важным и многочисленным классом является класс Собственно круглые черви (Нематоды).

Двустороннесимметричные. Размеры тела от нескольких микрометров (почвенные черви) до нескольких метров (нематода кашалота).

Круглые черви имеют нечленистое тело с плотной кутикулой. Ресничный покров частично или полностью редуцирован. Тело нитевидное, веретеновидное, несегментированное, круглое в поперечном сечении (рис. 11.8).

Полость тела первичная — псевдоцель (не имеет эпителиальной выстилки). Расположена между кожно-мускульным мешком и внутренними органами. В первичной полости помещаются все внутренние органы. Заполнена жидкостью, выполняет опорную, транспортную и защитную функции.

Пищеварительная система образована передней кишкой, средней кишкой и задней кишкой. Передняя кишка дифференцирована на отделы: рот с кутикулярными губами, глотка и пищевод. Средняя кишка и задняя кишка на отделы не разделены. Пищеварительный тракт заканчивается анальным отверстием.

Кровеносная и дыхательная системы отсутствуют.

Выделительная система представлена 1—2 кожными железами (видоизменённые протонефридии). Это крупные клетки, от которых отходят 2 канала по бокам тела. В заднем конце тела каналы заканчиваются слепо, а спереди открываются во внешнюю среду выделительной порой. Жидкие продукты обмена обезвреживаются в полостной жидкости фагоцитарными клетками.

Нервная система лестничного типа. Она представлена головными нервными узлами (ганглиями), окологлоточным нервным кольцом и несколькими нервными стволами (наиболее развиты спинной и брюшной), соединёнными поперечными перемычками.

Органы чувств развиты слабо и представлены органами осязания и органами химического чувства. У морских форм есть светочувствительные рецепторы.

Размножение и развитие. Большинство круглых червей раздельнополы, выражен половой диморфизм (самцы меньше самок, задний конец тела самцов закручен на брюшную сторону). Половые железы имеют вид трубок. У самцов половая система непарная (семенник, семяпровод, семяизвергательный канал, который открывается в заднюю кишку), у самок — парная (яичники, яйцеводы, матки и непарное влагалище). Размножение половое. Развитие с метаморфозом, у паразитов — часто без смены хозяев, личинка развивается в почве.

Происхождение и ароморфозы. К возникновению типа привели следующие ароморфозы: первичная полость тела, раздельнополость и половой диморфизм, наличие заднего отдела кишечника и анального отверстия.

Значение. Участвуют в почвообразовании. Являются пищей для более крупных животных и возбудителями паразитарных заболеваний (нематодозов).

11.4.2. Класс Нематоды {Собственно круглые черви)

Почвенные и растительноядные нематоды: картофельная стеблевая нематода, луковая нематода и др. Имеют колющий ротовой аппарат, которым они повреждают ткани растений, выделяют вещества, растворяющие содержимое клеток, и высасывают жидкую пищу. Растительные нематоды наносят большой вред сельскому хозяйству.

Нематоды — паразиты животных и человека: аскарида человеческая, свиная аскарида, детская острица и др.

Аскарида человеческая. Выражен половой диморфизм: у самцов задний конец тела закручен на брюшную сторону, самцы мельче самок. Размеры самца 15—20 см, самки 35—40 см. Жизненный цикл происходит без смены хозяев. Паразитируют в тонком кишечнике человека, питаясь полупереваренной пищей. Раздельнополы. Высокая плодовитость — по 200 тыс. яиц в день и более. Оплодотворённые яйца из кишечника человека попадают в почву. В них развиваются личинки. Заражение человека происходит при питье воды из открытых водоёмов, употреблении плохо вымытых овощей и фруктов, на которых есть яйца с развившейся личинкой. В организме человека личинка совершает миграцию: попав в кишечник, она пробуравливает его стенки и выходит в ток крови, проходит через печень, правую часть сердца, попадает в малый круг кровообращения, затем в альвеолы, бронхиолы, бронхи, трахею, вторично заглатывается и в кишечнике превращается в половозрелую форму.

Острицы. Длина тела до 1 см. Выражен половой диморфизм. На переднем конце тела имеются органы фиксации. Жизненный цикл без смены хозяев. В организме человека (нижние отделы тонкого кишечника и толстый кишечник) обитают половозрелые формы. Оплодотворённая самка ночью выползает из анального отверстия и откладывает яйца на кожу около анального отверстия, вызывая при этом зуд. Спящий человек (чаще дети) расчёсывает зудящие места, и яйца попадают под ногти, где через 5—6 часов созревает личинка. Заражение происходит при несоблюдении правил личной гигиены. После попадания яиц в кишечник без миграции развивается половозрелая стадия. Характерно самозаражение.

11.5. ТИП КОЛЬЧАТЫЕ ЧЕРВИ

11.5.1. Общая характеристика

Тип насчитывает около 9 тыс. видов. Среда обитания: водная, почвенная (моря, пресные водоёмы, почва). Образ жизни: в основном свободноживущие, реже — паразиты. Развитие происходит из трёх зародышевых листков. Первичноротые животные — первичный рот зародыша (бластопор) преобразуется в ротовое отверстие взрослого организма.

Систематика. Тип Кольчатые черви включает классы: Малощетинковые, Многощетинковые и Пиявки.

Строение. Двусторонняя симметрия тела. Размеры тела от 0,5 мм до 3 м. Тело подразделяется на головную лопасть, туловище и анальную лопасть. У многощетинковых обособлена голова с глазами, щупальцами и усиками. Тело сегментировано (внешняя и внутренняя сегментация). Туловище содержит от 5 до 800 одинаковых сегментов, имеющих форму колец (рис. 11.9).

Сегменты имеют одинаковое внешнее и внутреннее строение (метамерия) и выполняют сходные функции. Метамерное строение тела определяет высокую способность к регенерации.

Стенка тела образована кожно-мускульным мешком, состоящим из однослойного эпителия, покрытого тонкой кутикулой, двух слоёв гладких мышц — наружного кольцевого и внутреннего продольного — и однослойного эпителия вторичной полости тела. При сокращении кольцевых мышц тело червя становится длинным и тонким, при сокращении продольных мышц оно укорачивается и утолщается.

Органы движения — параподии (имеются у многощетинковых). Это выросты кожно-мускульного мешка на каждом сегменте с пучками щетинок. У малощетинковых сохраняются только пучки щетинок.

Полость тела вторичная — целом (имеет эпителиальную выстилку, покрывающую кожно-мускульный мешок изнутри и органы пищеварительной системы снаружи). У большинства представителей полость тела разделена поперечными перегородками соответственно сегментам тела. Полостная жидкость является гидроскелетом и внутренней средой, она участвует в транспорте продуктов обмена, питательных веществ и половых продуктов.

Пищеварительная система состоит из трёх отделов: переднего (рот, мускулистая глотка, пищевод, зоб), среднего (трубчатый желудок и средняя кишка) и заднего (задняя кишка и анальное отверстие). Железы пищевода и средней кишки выделяют ферменты для переваривания пищи. Всасывание питательных веществ происходит в средней кишке.

Кровеносная система замкнутая. Имеется два главных сосуда — спинной и брюшной, — соединённых в каждом сегменте кольцевидными сосудами. По спинному сосуду кровь движется от заднего конца тела к переднему, по брюшному — спереди назад. Движение крови осуществляется благодаря ритмичным сокращениям стенок спинного сосуда и кольцевых сосудов («сердца») в области глотки, имеющих толстые мышечные стенки. Кровь у многих красная.

Дыхание. У большинства кольчатых червей дыхание кожное. У многощетинковых имеются органы дыхания — перистые или листовидные жабры. Это видоизменённые спинные усики параподий или головной лопасти.

Выделительная система метанефридиального типа. Метанефридии имеют вид трубочек с воронками. По две в каждом сегменте. Воронка, окружённая ресничками, и извитые трубочки находятся в одном сегменте, а короткий каналец, открывающийся наружу отверстием — выделительной порой, в соседнем сегменте.

Нервная система представлена надглоточным и подглоточным узлами (ганглиями), окологлоточным нервным кольцом (соединяет надглоточный и подглоточный ганглии) и брюшной нервной цепочкой, состоящей из парных нервных узлов в каждом сегменте, соединённых продольными и поперечными нервными стволами.

Органы чувств. У многощетинковых есть органы равновесия и зрения (2 или 4 глаза). Но у большинства имеются только отдельные обонятельные, осязательные, вкусовые и светочувствительные клетки.

Размножение и развитие. Почвенные и пресноводные формы в основном гермафродиты. Половые железы развиваются только в определённых сегментах. Осеменение внутреннее. Тип развития — прямой. Кроме полового размножения, характерно и бесполое (почкование и фрагментация). Фрагментация осуществляется благодаря регенерации — восстановлению утраченных тканей и частей тела. Морские представители типа раздельнополые. Половые железы у них развиваются во всех или в определённых сегментах тела. Развитие с метаморфозом, личинка — трохофора.

Происхождение и ароморфозы. К возникновению типа привели следующие ароморфозы: органы движения, органы дыхания, замкнутая кровеносная система, вторичная полость тела, сегментация тела.

Значение. Дождевые черви улучшают структуру и повышают плодородие почвы. Океанический червь палоло употребляется в пищу человеком. Медицинские пиявки используются для кровопускания.

11.5.2. Класс Малощетинковые (Олигохеты)

Представители: дождевые черви, трубочники и др. Большинство малощетинковых обитает в почве и пресных водах. Детритофаги питаются полуразложившимися остатками растений и животных. Параподии отсутствуют. Щетинки отходят непосредственно от стенки тела. Головная лопасть выражена слабо. Органы чувств часто отсутствуют, но имеются обонятельные, осязательные, вкусовые, светочувствительные клетки. Гермафродиты. Осеменение внутреннее, перекрёстное. Развитие прямое, проходит в коконе, который после оплодотворения образуется на теле червя в виде пояска, а затем сползает с него.

Огромна роль дождевых червей в почвообразовании. Они способствуют накоплению гумуса и улучшают структуру почвы, тем самым повышая её плодородие.

11.5.3. Класс Многощетинковые (Полихеты)

Представители: нереиды, пескожилы, палоло и др. Обитают главным образом в морях, преимущественно донные формы, ползают или зарываются в грунт. Некоторым свойственно свечение. Среди многощетинковых встречаются свободноживущие и паразитические формы. Многие хищники. Длина тела от 2 мм до 3 м. На каждом сегменте расположена пара параподий с многочисленными щетинками. Хорошо развита головная лопасть, на которой расположены органы зрения. У многих на параподиях расположены жабры. Кровь часто окрашена в красный цвет. Большинство многощетинковых раздельнополы. Осеменение наружное. Развитие с метаморфозом (личинка трохофора).

11.5.4. Класс Пиявки

Пиявки — свободноживущие хищники или эктопаразиты, питающиеся кровью. Параподии и щетинки отсутствуют. Тело снаружи покрыто плотной кутикулой. Наружная кольчатость не соответствует внутренней сегментации. На переднем и заднем концах тела имеются присоски. Головная и анальная лопасти не выражены. Полость тела редуцирована. В ротовой полости есть хитиновые зубцы, разрезающие кожу жертвы при питании пиявки. Слюна содержит гирудин — вещество, препятствующее свертыванию крови. Средняя кишка образует карманы, которые при питании заполняются кровью. Метанефридии находятся лишь в нескольких сегментах. Гермафродиты. Осеменение внутреннее. Развитие прямое.

11.6. ТИП моллюски

11.6.1. Общая характеристика

Описано свыше 130 тыс. видов (рис. 11.10). По числу видов моллюски занимают второе место после членистоногих. Среда обитания: морские и пресные водоёмы, влажные места суши. Большинство моллюсков являются свободноживущими. Первичноротые. Развиваются из трёх зародышевых листков. Ведут малоподвижный образ жизни.

Систематика. Тип Моллюски включает классы; Брюхоногие, Двустворчатые, Головоногие.

Строение. Моллюски (мягкотелые) имеют мягкое несегментированное тело. Большинство двустороннесимметричные, а брюхоногие — асимметричные. Размеры тела от 2—3 мм до 18 м.

Отделы тела. Тело разделено на голову, ногу, туловище (рис. 11.11 и 11.12).

У двустворчатых голова отсутствует. Нога — это мускулистый вырост брюшной стенки тела, который служит для передвижения. Туловище содержит внутренние органы, на голове расположены рот и органы чувств.

Тело моллюска, как правило, покрыто раковиной. Она может быть цельной, двустворчатой, пластинчатой. У некоторых раковина редуцирована (слизни, головоногие). Раковина выполняет защитную функцию и роль наружного скелета. Обычно она состоит из трёх слоёв: наружного — органического (рогового), среднего — известкового, внутреннего — перламутрового (фарфорового). Раковина образуется из веществ, выделяемых мантией. Мантия — складка кожи, полностью или частично покрывающая тело моллюска.

Между мантией и телом моллюска находится мантийная полость. В ней располагаются органы дыхания и химического чувства и открываются пищеварительная, выделительная и половая системы. С внешней средой мантийная полость сообщается сифонами (у водных форм) или дыхательными отверстиями (у наземных).

Полость тела вторичная, редуцированная во взрослом состоянии. Её остатки — околосердечная сумка и полости половых желёз. Промежутки между органами заполнены соединительной тканью — паренхимой.

Пищеварительная система имеет три отдела: передний (ротовая полость, глотка, пищевод), средний (желудок, средняя кишка) и задний (задняя кишка, анальное отверстие). Имеются печень, слюнные железы (у многих). В ротовой полости расположены роговые челюсти. В глотке находится язык {тёрка, или радула), покрытый зубчиками. Задняя кишка открывается в мантийную полость. Моллюски питаются растительной и животной пищей. Они активно её заглатывают или пассивно фильтруют воду.

Кровеносная система незамкнутая. Сердце расположено в околосердечной сумке и имеет 1 желудочек и 1-2 или 4 предсердия. Кровь поступает в сосуды, а затем в промежутки между органами — лакуны. Она омывает органы, затем собирается в сосуды, идущие к органам дыхания, а оттуда — к сердцу. Кровь чаще бесцветная, иногда содержит вещество, близкое по структуре к гемоглобину.

Дыхательная система. У водных форм — кожные жабры (складки мантии), у наземных форм — лёгкое (карман мантии) с дыхательным отверстием.

Органы выделения — почки (видоизменённые метанефридии). Они открываются одним концом в околосердечную сумку, другим — в мантийную полость.

Нервная система диффузно-узлового типа. Она состоит из нервных узлов, находящихся в разных частях тела и соединённых между собой нервными стволами.

Органы чувств представлены органами зрения (глазами), осязания, равновесия и химического чувства.

Размножение и развитие. Встречаются и раздельнополые, и гермафродиты. Размножение половое. Половые железы (семенники и яичники) парные. Осеменение наружное или внутреннее. Развитие прямое (у головоногих и некоторых брюхоногих) или с метаморфозом (у двустворчатых и некоторых брюхоногих). Личинка — парусник (у брюхоногих) или глохидий (у двустворчатых).

Передвигаются моллюски при помощи ноги (волнообразные сокращения мышц) или реактивно (выталкивание воды при резком закрытии раковины или через воронку из мантийной полости).

Происхождение и ароморфозы. Моллюски произошли от кольчатых червей. К возникновению типа привели следующие ароморфозы: разделение тела на отделы; появление сердца, почки, печени.

11.6.2. Класс Брюхоногие

Представители: виноградные улитки, прудовики, катушки, слизни, рапаны и др. Среда обитания водная и наземно-воздушная. Обитают в пресных водоёмах, морях, сырых местах суши.

Характерной чертой является асимметричность строения, обусловленная редукцией органов правой и преимущественным развитием органов левой стороны. Раковина цельная, спирально закрученная или редуцированная (у слизней). Мантия покрывает тело частично, образуя так называемое лёгкое с дыхательным отверстием. Во рту имеется тёрка, образованная роговыми зубчиками. На голове находятся одна или две пары щупалец. У их основания или на концах первой пары располагаются глаза. Встречаются как растительноядные улитки (питаются, соскабливая водоросли или ткани высших растений, — прудовик, катушка, виноградная улитка), таки хищные формы (рапаны поедают мидий, устриц).

Значение. Виноградных улиток человек использует в пищу. Многие брюхоногие являются вредителями сельскохозяйственных растений (слизни, виноградные улитки и др.). Малый прудовик служит промежуточным хозяином печёночного сосальщика. Хищные улитки (рапаны) наносят вред устричным и мидиевым поселениям.

11.6.3. Класс Двустворчатые

Представители: беззубки, перловицы (обитатели пресных водоёмов), мидии, устрицы, жемчужницы, морские гребешки, корабельный червь (обитатели морей). Среда обитания водная.

Раковина состоит из двух створок, соединённых на спинной стороне эластичной связкой. У корабельного червя раковина редуцированная (рудиментарная). Голова отсутствует. Отсутствуют глотка, радула и слюнные железы. Пища поступает в мантийную полость вместе с током воды, который создаётся благодаря ресничкам, имеющимся на жабрах. Вода поступает во вводной сифон, фильтруется и удаляется из выводного сифона. Сифоны образуются краями мантии. Имеются две пары крупных жабр по бокам туловища.

Малоподвижны. Передвигаются при помощи клиновидной ноги (беззубки, перловицы) или реактивным способом (морской гребешок). Некоторые ведут прикреплённый образ жизни (мидии, устрицы). Питание пассивное (планктон, бактерии, детрит) при фильтрации воды.

Развитие с метаморфозом (личинка — глохидий). Оплодотворение яиц происходит в мантийной полости, личинки развиваются в жабрах. Развившиеся личинки «выстреливаются» через сифон из мантийной полости в проплывающих рыб, прикрепляются к их телу и паразитируют на нём 1—2 месяца. Затем они падают на дно и превращаются во взрослых особей. Биологическое значение такого приспособления состоит в расселении моллюсков, ведущих малоподвижный образ жизни во взрослом состоянии.

Значение. Способствуют очистке воды в процессе фильтрации. Многие виды человек использует в пищу и на корм домашним, животным (устрицы, мидии, морские гребешки), разводит для получения перламутра и жемчуга (перловицы и жемчужницы). Корабельный червь (шашень) наносит ущерб, повреждает деревянные части судов, сваи.

11.6.4. Класс Головоногие

Представители: осьминоги, кальмары, каракатицы и др. Высокоорганизованные моллюски. Обитают в основном в тёплых морях и океанах. Все хищники. Характерен реактивный способ движения.

Тело состоит из головы и туловища. Нога преобразована в щупальца (руки), окружающие ротовое отверстие. Раковина внутренняя, часто редуцированная или отсутствует. Имеется хрящевой «череп» и две толстые роговые челюсти (клюв), которыми захватывается и измельчается пища. У головоногих две пары слюнных желёз, выделения одной из них могут быть ядовитыми. Кровеносная система обычно замкнутая. Сердце имеет 1 желудочек и 4 предсердия. В заднюю кишку открывается проток чернильной железы. Мозг имеет сложное строение. Пара крупных глаз очень схожа по строению с глазами млекопитающих. Головоногие раздельнополы, размножаются, как правило, один раз в жизни. Развитие прямое.

Значение. Объект промысла (каракатицы, кальмары, осьминоги). Источник фармацевтического сырья. Из секрета чернильного мешка каракатиц и кальмаров получают китайскую тушь и акварельную краску сепию.

11.7. ТИП ЧЛЕНИСТОНОГИЕ

11.7.1. Общая характеристика

Известно более 1,5 млн видов (рис. 11.13). Членистоногие — самый высокоразвитый тип среди беспозвоночных животных. По числу видов они занимают первое место среди животных. Населяют все среды жизни: наземно-воздушную, почвенную, водную, организменную. Образ жизни: свободноживущие и паразитические. Первичноротые. Развиваются из трёх зародышевых листков.

Систематика. Тип Членистоногие включает классы: Ракообразные, Паукообразные и Насекомые. Класс Трилобиты полностью вымер.

Строение. Двустороннесимметричные. Размеры тела от 0,1 мм до 1 м. Отличительные признаки членистоногих: членистое тело, членистые конечности. Членики (сегменты) тела не однородны, имеют различное строение и выполняют разные функции — гетеромерная сегментация. Сегменты сливаются друг с другом и образуют отделы тела.

Отделы тела: голова, грудь, брюшко у насекомых, головогрудь и брюшко у ракообразных и паукообразных (рис. 11.14). Клещи имеют тело, не разделённое на отделы.

Покровы тела представлены кутикулой и гиподермой. Кожно-мускульный мешок, свойственный предыдущим группам, редуцируется, что связано с наличием плотного наружного покрова. Кутикула образована хитином. Хитин может быть пропитан солями извести (панцирь высших ракообразных) или белками (насекомые). Хитиновый покров выполняет защитную функцию — защищает от высыхания и механических воздействий. Благодаря ему членистоногие первыми из животных заселили сушу. Кроме того, хитиновый покров является наружным скелетом — к его внутренней поверхности прикрепляются пучки поперечно-полосатой мускулатуры. Появление этого типа мускулатуры обеспечило увеличение подвижности. Хитиновый покров нерастяжим, поэтому рост членистоногих сопровождается линькой.

Органы движения. У примитивных членистоногих каждый членик тела имеет пару членистых конечностей. Конечности подвижно соединены с телом суставами. В процессе эволюции часть конечностей была утрачена, другие специализировались для выполнения определённой функции и преобразовались в органы чувств, ротовые органы, ходильные и плавательные конечности, жабры, паутинные бородавки и др.

Полость тела смешанная — миксоцель. Она образуется при слиянии участков первичной и вторичной полости.

Пищеварительная система имеет три отдела — передний (рот, глотка, пищевод, иногда зоб), средний (желудок, средняя кишка) и задний (задняя кишка и анальное отверстие). Передний и задний отделы имеют кутикулярную выстилку. Имеются печень и слюнные железы. Появляется сложноустроенный ротовой аппарат из видоизменённых передних конечностей. Он специализирован к определённому виду пищи (грызущий, лижущий, сосущий, колюще-сосущий и др.).

Кровеносная система незамкнутая. Имеется сердце, расположенное на спинной стороне тела. По сосудам циркулирует гемолимфа. Это бесцветная жидкость, которая имеет двойную природу: частично соответствует крови, частично — полостной жидкости. Из сосудов гемолимфа изливается в полость тела и омывает внутренние органы. Затем она вновь поступает в сосуды и сердце.

Дыхательная система. У первичноводных членистоногих имеются жабры, у наземных — лёгочные мешки и трахеи (хитиновые трубочки, пронизывающие всё тело).

Выделительная система представлена видоизменёнными мета-нефридиями (зелёные и коксальные железы), жировым телом (почка накопления) или мальпигиевыми сосудами (выросты кишечника). У ракообразных присутствуют зелёные железы, у паукообразных — мальпигиевые сосуды и коксальные железы, у насекомых — мальпигиевые сосуды и жировое тело.

Нервная система состоит из надглоточного и подглоточного нервных узлов (ганглиев), соединённых нервными тяжами в окологлоточное кольцо, и брюшной нервной цепочки.

Органы чувств: зрения, вкуса, осязания, обоняния, слуха и равновесия.

Размножение и развитие. Как правило, раздельнополы. Хорошо выражен половой диморфизм. У самки яичники и яйцеводы, у самца семенник, семяпровод и семяизвергательный канал. Размножение только половое, встречаются партеногенез и живорождение. Развитие может быть прямое, с полным или неполным метаморфозом. Рост возможен только при периодической линьке — сбрасывании старой кутикулы и образовании новой.

Происхождение и ароморфозы. Членистоногие произошли от древних морских кольчатых червей. К возникновению типа привели следующие ароморфозы: возникновение наружного скелета, членистых конечностей, поперечно-полосатой мускулатуры.

11.7.2. Класс Ракообразные

Известно около 20 тыс. видов. Это первичноводные животные. Среда обитания: морские и пресные водоёмы, влажные места суши. Образ жизни: свободноживущие, редко паразитические животные. Представители: речные раки, дафнии, циклопы (обитатели пресных водоёмов); крабы, креветки, омары, лангусты (обитатели морей); мокрицы, краб пальмовый вор (обитатели влажных мест суши), карпоеды (паразитируют на жабрах рыб). Длина тела от долей миллиметра до 80 см. Число сегментов груди и брюшка и строение конечностей различно у разных групп ракообразных.

Характерные черты представителей класса Ракообразные: двуветвистые конечности; 2 пары усиков; органы дыхания — жабры; органы выделения — зелёные железы; 5 пар ходильных конечностей.

Систематика. Ракообразных делят на два подкласса: Низшие раки (дафнии, циклопы, жаброноги) и Высшие раки (крабы, креветки, омары, лангусты). Типичный представитель высших раков — речной рак.

Речной рак. Обитает в пресных водоёмах с чистой водой. Может ползать с помощью ног или плавать, подгибая брюшко под головогрудь. Питается разными беспозвоночными, растениями, падалью. Ведёт ночной образ жизни. Размеры тела 10—15 см. Тело членистое, состоит из головогруди и брюшка (рис. 11.15). На головогруди расположены два сложных глаза.

Конечности. Головогрудь и брюшко состоят из неодинаковых сегментов, каждому из которых соответствует пара членистых конечностей, специализированных к выполнению определённой функции. Речной рак имеет следующие конечности (рис. 11.16): сегменты головогруди несут 13 пар конечностей: антеннулы (органы обоняния), антенны (органы осязания), верхние челюсти и 2 пары нижних челюстей (измельчение пищи); 3 пары ногочелюстей (подача пищи в рот) и 5 пар ходильных ног (передвижение), 1-я пара ходильных ног преобразована в клешни (защита и нападение); на брюшке 6 пар конечностей: 5 пар плавательных ног (у самца 1 -я и 2-я пары — совокупительный орган, у самки плавательные ножки удерживают яйца и детёнышей), конечности 6-й пары вместе с 7-м сегментом брюшка образуют хвостовой плавник.

Покровы тела представлены хитинизированной кутикулой и гиподермой. Кутикула пропитана углекислым кальцием и образует плотный панцирь (карапакс).

Пищеварительная система включает ротовое отверстие, пищевод, желудок, среднюю кишку, заднюю кишку и анальное отверстие. Желудок состоит из двух отделов: жевательного (имеет хитиновые зубцы) и цедильного (имеет цедильный аппарат).

Кровеносная система незамкнутая. Пятиугольное сердце и отходящие от него сосуды расположены на спинной стороне тела. Пигмент крови гемоцианин содержит медь, поэтому гемолимфа имеет голубой оттенок.

Дыхательная система представлена жабрами, которые расположены на первых члениках ходильных ног под боковыми складками карапакса. Ток воды через жабры создаётся колебанием ходильных ног.

Выделительная система представлена парой зелёных желез. Они располагаются в переднем конце тела и открываются наружу у основания длинных усиков.

Нервная система состоит из надглоточного и подглоточного нервных ганглиев, окологлоточного кольца и брюшной нервной цепочки.

Органы чувств. Органы зрения — сложные фасеточные глаза. Они состоят из отдельных (до 3 тыс.) глазков, каждый из которых воспринимает небольшую часть окружающего пространства. Органы осязания — антенны, обоняния — антеннулы, равновесия — статоцисты (мешочки с песчинками у основания антеннул).

Размножение и развитие. Раздельнополы. Выражен половой диморфизм. У самки половая система парная (яичники, яйцеводы), у самца — непарная (семенник, семяпровод, семяизвергательный канал). Размножение половое. Развитие прямое. Яйца откладываются зимой, выход молоди из яиц происходит в начале лета. Характерна забота о потомстве. Икру и вышедших из неё рачат самки носят на брюшных ногах.

Значение. Входят в состав планктона (дафнии, циклопы), очищают водоёмы от падали (речные раки), фильтруют воду (дафнии), имеют промысловое значение (речные раки, омары, лангусты, креветки, крабы). Некоторые (циклопы) являются промежуточными хозяевами червей-паразитов человека (широкий лентец).

11.7.3. Класс Паукообразные

Известно около 60 тыс. видов. Среда обитания: наземно-воздушная, водная. Большинство наземные, некоторые вторичноводные (паук-серебрянка, водяные клещи). Образ жизни: свободноживущие и паразиты человека и животных. Из свободноживущих подавляющее большинство хищники, встречаются фитофаги.

Характерные черты представителей класса Паукообразные: отделы тела — головогрудь и брюшко, у клещей тело слитное; отсутствие усиков; 2 пары околоротовых конечностей (хелицеры и педипальпы); 4 пары ходильных ног; органы дыхания — трахеи и лёгочные мешки; органы выделения — мальпигиевы сосуды и коксальные железы; частичное внекишечное пищеварение.

Размеры тела от 0,1 мм (чесоточный клещ) до 15 см (паук-птицеед). Тело покрыто тонкой хитинизированной кутикулой. У большинства представителей 2 отдела тела: головогрудь и брюшко. Головогрудь не имеет разделения на сегменты, несёт 6 пар членистых конечностей: 1-я пара — челюсти (хелицеры) — служит для захвата и умерщвления жертвы (на конце конечностей открываются протоки ядовитых желёз); 2-я пара — ного-щупальцы (педипальпы) — служат для захвата и удержания жертвы; хелицеры и педипальпы образуют ротовой аппарат; 3-6-я пары — ходильные конечности. Брюшные конечности редуцированы. На брюшке имеются паутинные бородавки. В них открываются протоки паутинных желез (до 1000), выделяющих клейкое вещество, образующее несколько видов паутины. Паутина вязкое выделение паутинных желёз, застывающее на воздухе. Из паутины пауки плетут ловчую сеть, гнездо и кокон для откладывания яиц. У некоторых пауков длинные нити служат парашютом при расселении молоди с помощью ветра.

Пищеварительная система имеет передний, средний и задний отделы. Большинство пауков хищники. Чтобы поймать жертву, пауки плетут ловчие сети, устраивают ловушки на земле либо охотятся из засады. Яд содержит пищеварительные ферменты, которые частично переваривают жертву (внекишечное пищеварение). Через некоторое время паук высасывает полужидкую «пищу» и окончательно переваривает её. Функцию насоса при питании выполняет мускулистая глотка и сосательный желудок.

Кровеносная система незамкнутая, трубкообразное сердце расположено на спинной стороне брюшка. Гемолимфа содержит гемоцианин.

Дыхательная система. Органы дыхания расположены в брюшке: в передней его части есть пара лёгочных мешков, а в задней — 2 пучка трахей. Трахеи — ветвящиеся хитиновые трубочки, пронизывающие органы и ткани, открываются на брюшке стигмами (дыхательными отверстиями).

Выделительная система представлена мальпигиевыми сосудами и коксальными железами, открывающимися во внешнюю среду у основания ходильных конечностей.

Нервная система состоит из надглоточного и подглоточного нервных ганглиев, окологлоточного кольца и брюшной нервной цепочки. Надглоточный узел образует головной мозг. Брюшная нервная цепочка содержит крупный головогрудный ганглий.

Органы чувств. Имеются от 2 до 12 простых глаз, органы обоняния и химического чувства, хорошо развиты осязательные волоски.

Размножение. Все паукообразные раздельнополы. Выражен половой диморфизм (самка крупнее самца). Размножение половое. Половые железы парные. Самка паука откладывает яйца в кокон из паутины. Яйца зимуют в коконе под камнями, корягами, и весной из них выходят молодые паучки. Развитие прямое (за исключением клещей). У скорпионов наблюдается живорождение.

Отряд Пауки. Паук-крестовик встречается в Европе. Строит колесовидную вертикальную сеть. Питается насекомыми. Самки откладывают яйца в кокон. Каракурт живёт в степях, пустынях. Самки чёрные, строят гнёзда в земле, а вокруг них — ловчие сети. Тарантул населяет степи, пустыни юга Европы и Средней Азии по долинам рек. За насекомыми охотится ночью. Укус тарантула болезнен, но не опасен, а каракурта — нередко смертелен для человека, крупного рогатого скота и лошадей.

Клещи — сборная группа, объединяющая три отряда. Это мелкие паукообразные, обитают в почве, лесной подстилке, гнёздах и норах животных, паразитируют на человеке, животных и растениях. Многие клещи — вторичноводные животные. У большинства клещей тело слитое, овальной или шаровидной формы. Хелицеры и педипальпы сближены и образуют хоботок. Развитие с метаморфозом: из яйца выходит личинка, она превращается в нимфу, за которой следует стадия взрослого животного — имаго. Обычно в цикле развития происходит смена нескольких хозяев (насосавшись крови, многие клещи покидают хозяина и, претерпев линьку, нападают вновь).

Почвенные клещи питаются гниющими органическими остатками и участвуют в почвообразовании. Амбарный (мучной) клещ поселяется в зерне, муке: зёрна теряют всхожесть, мука становится непригодной в пищу. Красный паутинный клещ — вредитель плодовых деревьев. Чесоточный зудень поселяется на мягких тканях человека (например, между пальцами), прогрызает ходы в коже и вызывает чесотку. Таёжный клещ питается кровью, является переносчиком возбудителя таёжного энцефалита — тяжёлого заболевания центральной нервной системы. Поселковый клещ является переносчиком возбудителя клещевого возвратного тифа. Борьбу с клещами проводят с помощью пестицидов, защиту осуществляют, используя специальные комбинезоны, отпугивающие препараты и др.

Отряд Скорпионы. В России встречается в южных районах. Около рта расположены небольшие хелицеры и крупные клешневидные педипальпы, которые служат для захвата и удержания добычи. Брюшко сегментировано, передняя его часть широкая, задняя — узкая, вытянутая. Последний её членик заканчивается острым жалом, на конце которого открывается проток ядовитой железы. Ударом брюшка скорпион ранит жалом жертву или врага и впускает в рану яд. Пищей служат насекомые и другие членистоногие. Укол скорпиона может быть смертельным и для мелких млекопитающих. Для человека он обычно не опасен, но вызывает болезненное состояние.

Значение. Пауки уничтожают вредных насекомых (паук-крестовик). Укусы многих ядовиты (каракурт, тарантул). Клещи являются паразитами человека и животных, вызывают заболевания и переносят возбудителей болезней.

11.7.4. Класс Насекомые

Насекомые — самый многочисленный класс в животном мире. Описано более 1,4 млн видов. Населяют все среды жизни: наземно–воздушную, почвенную, водную, организменную. Среди насекомых встречаются фитофаги (саранча, медведки), хищники (божья коровка, стрекозы), паразиты (вши, блохи), некрофаги, копрофаги и др.

Характерные черты представителей класса Насекомые: отделы тела — голова, грудь, брюшко; одна пара усиков; три пары ходильных ног; крылья; органы дыхания — трахеи.

Размеры тела от 1—2 мм до 30 см.

Покровы тела представлены трёхслойной хитинизированной кутикулой и гиподермой. Поперечно-полосатая мускулатура среди членистоногих наиболее дифференцирована. Кутикула содержит уплотнённые пластинки (склериты), чередующиеся с тонкими перепончатыми участками. Благодаря такому строению покровов тело насекомых сохраняет гибкость.

Отделы тела. Тело состоит из трёх отделов: голова, грудь и брюшко (рис. 11.17).

Строение. На голове расположены пара усиков, глаза и ротовой аппарат, образованный тремя парами видоизменённых конечностей. Усики бывают нитевидные, булавовидные, пильчатые, перистые, гребенчатые или пластинчатые. Ротовой аппарат может быть грызущий (тараканы, жуки, прямокрылые), лижущий (мухи), сосущий (бабочки), колюще-сосущий (клопы, тли, комары), лижуще-грызущий или лакающий (пчёлы, шмели). Тип ротового аппарата зависит от образа жизни и характера питания.

Грудь образована тремя сегментами, каждый из которых несёт по паре ходильных конечностей (итого 6 ног): бегательные (тараканы, жуки), прыгательные (третья пара ног у кузнечиков, саранчи), плавательные (третья пара ног у жука-плавунца), хватательные (первая пара ног у богомола), копателъные (первая пара ног у медведки) и др. На втором и третьем сегментах груди расположены одна или две пары крыльев — тонкие кутикулярные пластинки, содержащие жилки, в которых проходят трахеи и нервы. У жуков передние крылья хитинизированы (надкрылья), задние крылья тонкие, прозрачные. У двукрылых только одна пара крыльев (вторая пара преобразована в жужжальца), у некоторых паразитов (блохи и вши) крылья отсутствуют.

Брюшко содержит 6— 11 сегментов. Конечностей на брюшке нет. На заднем конце брюшка могут быть придатки в виде яйцеклада или жала.

Пищеварительная система состоит из ротовой полости, глотки, пищевода (может иметь расширение — зоб), мышечного желудка, средней кишки и задней кишки с анальным отверстием. Имеются слюнные железы. Печень отсутствует.

Кровеносная система незамкнутая. Трубчатое сердце расположено на спинной стороне. Единственный сосуд — короткая аорта, идущая от сердца в головной конец тела. Кровеносная система сильно редуцирована ввиду хорошего снабжения кислородом органов и тканей через трахеи. Гемолимфа бесцветная, выполняет функцию доставки питательных веществ и выведения продуктов обмена. В связи с хорошо развитой системой трахей её участие в газообмене незначительно.

Дыхательная система представлена трахеями. Это ветвящиеся хитиновые трубочки, доставляющие кислород ко всем органам и тканям. Трахеи по бокам брюшка открываются наружу дыхальцами (всего около 10 пар). Поступление воздуха в трахейную систему происходит благодаря движениям брюшка.

Выделительная система представлена мальпигиевыми сосудами, открывающимися между средней и задней кишкой, и жировым телом («почка накопления»). Жировое тело выполняет функции накопления и изолирования некоторых вредных веществ (например, кристаллы мочевой кислоты) и запасания питательных веществ.

Нервная система насекомых достигает наибольшего развития среди всех членистоногих. Головной мозг имеет три отдела: передний, средний и задний. Передний отдел содержит грибовидные тела — центры рефлекторной деятельности. Брюшная нервная цепочка характеризуется слиянием нервных узлов. Наиболее крупные — три грудных ганглия, от которых отходят периферические нервы к конечностям и крыльям.

Органы чувств. Органы обоняния и осязания — усики. Орган вкуса — вкусовые рецепторы ротового аппарата. Органы зрения — фасеточные глаза у свободноживущих насекомых или простые — у паразитов. Многие насекомые способны издавать и воспринимать звуки. Органы слуха расположены на ходильных конечностях.

Размножение и развитие. Все насекомые раздельнополые. Выражен половой диморфизм. У самки — 2 яичника, 2 яйцевода, семяприёмник. У самца — 2 семенника, семяпроводы, семяизвергательный канал, копулятивный орган. Размножение половое. Оплодотворение внутреннее. Встречается живорождение и партеногенез.

Типы развития насекомых. Развитие насекомых может быть с полным превращением (метаморфозом) или с неполным превращением (метаморфозом). В первом случае (бабочки, жуки, пчёлы, мухи и др.) из яйца выходит личинка, значительно отличающаяся по строению и образу жизни от взрослой особи. Она интенсивно питается и растёт, а после нескольких линек превращается в неподвижную куколку. Куколка — неподвижная, непитающаяся стадия, внутри которой происходит замена личиночных органов органами взрослого насекомого. Под покровом куколки происходит перестройка органов и тканей личинки, заканчивающаяся выходом взрослого половозрелого насекомого — имаго. При неполном превращении (саранча, кузнечики, тараканы и др.) личинка по строению в основном похожа на взрослое насекомое, но отличается от него малыми размерами, недоразвитием крыльев и половой системы. Личинка растёт, периодически линяет и превращается во взрослое насекомое.

Развитие с полным превращением (метаморфозом) включает следующие стадии: яйцо → личинка → куколка → взрослая особь (имаго).

Развитие с неполным превращением (метаморфозом) включает следующие стадии: яйцо → личинка → взрослая особь (имаго).

Систематика. Отряды насекомых с полным превращением: жесткокрылые (жуки), чешуекрылые (бабочки), блохи, двукрылые, перепончатокрылые и др. Отряды насекомых с неполным превращением: прямокрылые, полужесткокрылые (клопы), таракановые, вши, равнокрылые и др.

Характеристика основных отрядов насекомых представлена в таблице 11.2.

Значение насекомых. Вред человеку наносят: вредители сельскохозяйственных растений (саранча, клоп вредная черепашка, свекловичный долгоносик, колорадский жук, луковая и капустная муха и др.), вредители плодовых деревьев (тля, яблонный цветоед, бабочка яблонная плодожорка и др.), вредители леса (майский жук, непарный шелкопряд, сосновый шелкопряд и др.), переносчики возбудителей болезней человека (комнатная муха, малярийный комар и др.), паразиты сельскохозяйственных животных (слепни, оводы, вши и др.).

Полезны для человека: насекомые, снижающие численность вредителей растений (божьи коровки, жужелицы, рыжие лесные муравьи, наездники, яйцееды и др.), медоносная пчела (используется в пчеловодстве), тутовый шелкопряд (используется в шелководстве).

Охрана насекомых. Меры охраны должны проводиться по следующим направлениям: защита биогеоценозов, являющихся местом обитания насекомых, от разрушения; ограничение химических мер борьбы с вредителями (инсектицидов); разработка биологических способов контроля численности насекомых, основанных на размножении их естественных врагов — насекомоядных птиц и млекопитающих, божьих коровок, наездников и т.д.; включение отдельных видов в Красную книгу.

Сравнительная характеристика основных типов беспозвоночных представлена в таблице 11.3.

11.8. ТИП ХОРДОВЫЕ

Смотрите в отдельном конспекте — ЕГЭ по биологии. Справочник. Тип Хордовые

 


 

ВСЕ РАЗДЕЛЫ СПРАВОЧНИКА

Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
11. Царство ЖИВОТНЫЕ

ЦАРСТВО РАСТЕНИЯЦАРСТВО РАСТЕНИЯ

Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
РАЗДЕЛ II. МНОГООБРАЗИЕ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ. 10. Царство РАСТЕНИЯ

ВСЕ РАЗДЕЛЫ СПРАВОЧНИКА

10. ЦАРСТВО РАСТЕНИЯ

Растения — это эукариотические фотосинтезирующие автотрофные организмы. Царство Растения насчитывает около 500 тыс. видов. Растения являются продуцентами органических веществ и основным источником энергии для других живых организмов. Любые пищевые цепи начинаются с зелёных растений. Они же определяют характер биоценоза, защищают почву от эрозии. Растения служат источником кислорода и оказывают значительное влияние на климат Земли. Человек использует около 1,5 тыс. видов культурных растений как пищевые, технические и лекарственные ресурсы. Продукты питания растительного происхождения обеспечивают организм человека белками, жирами, углеводами и витаминами. Растения вырабатывают фитогормоны (вещества, способные усиливать физиологические процессы) и фитонциды (вещества, способные угнетать рост микроорганизмов или убивать их).

Царству Растения присущ ряд отличительных признаков:

  1. Автотрофный (фототрофный) тип питания. Встречаются также виды с миксотрофным (насекомоядные растения) и гетеротрофным (растения-паразиты) питанием.
  2. Специфические черты в организации растительной клетки: окружена клеточной стенкой, образованной целлюлозой; имеет пластиды; содержит крупные вакуоли; основным запасающим веществом является крахмал.
  3. Неподвижный, в основном прикреплённый, образ жизни. Поэтому растения не имеют костей, мышечной и нервной систем. Движения растений связаны с перемещением их частей тела: ростовые движения корней и стеблей, движение листьев в зависимости от времени суток и освещённости и др.
  4. Рост возможен в течение всей жизни и осуществляется только в определённых участках тела. Тело большинства растений в той или иной степени ветвится.
  5. Чередование гаплоидной (гаметофит) и диплоидной (спорофит) фаз развития.
  6. Практически нет специальных экскреторных органов.
  7. Расселение происходит спорами и семенами, находящимися в состоянии покоя.

Перечисленные отличия растений от животных не являются абсолютными. Черты животной организации часто встречаются у низших растений, которые соответствуют ранним этапам эволюционного развития. Например, способность и к автотрофному, и к гетеротрофному питанию (эвглена зелёная). Более высоко организованные растения достаточно чётко отличаются от животных.

Растения делят на низшие и высшие. У низших растений тело (слоевище, или таллом) не дифференцировано на ткани и органы. К ним относятся Красные водоросли (Багрянки), Настоящие водоросли и Лишайники. У высших растений тело разделено на органы (корень, стебель, лист), образованные дифференцированными тканями. К высшим растениям относятся Моховидные, Плауновидные, Хвощевидные, Папоротниковидные, Голосеменные и Покрытосеменные (Цветковые). Четыре первых отдела расселяются при помощи спор {споровые), два последних — при помощи семян {семенные).

Размножение растений.

Для всех высших растений характерно чередование в жизненном цикле полового и бесполого размножения и связанное с этим чередование поколений (фаз развития) — гаплоидной (n) (гаметофит) и диплоидной (2n) (спорофит). На спорофите возникают мешковидные образования — спорангии (органы бесполого размножения), в которых в результате спорогенеза, сопровождающегося мейотическим делением, формируются таилоидные споры. Из спор развивается гаметофит. На нём формируются особые половые структуры — гаметангии (органы полового размножения), в которых образуются гаметы.

Мужские половые органы, где формируются сперматозоиды, называются антеридиями, женские половые органы, где формируются яйцеклетки, называются архегониями. Если на гаметофите развиваются и архегонии, и антеридии, то он называется обоеполым, если только антеридии, то мужским, если только архегонии, то женским. При слиянии гамет образуется зигота. Из зиготы развивается спорофит.

Эволюция растений шла в направлении увеличения размеров бесполого поколения (спорофита) и редукции полового поколения (гаметофита). У подавляющего большинства высших растений (за исключением моховидных) в жизненном цикле преобладает спорофитная фаза (рис. 10.1).

10.1. ПОДЦАРСТВО НИЗШИЕ РАСТЕНИЯ. ВОДОРОСЛИ

Строение и жизнедеятельность водорослей.

Водоросли — это фотосинтезирующие автотрофные эукариотические организмы. Насчитывается, около 30 тыс. видов различных водорослей. Выделяют отделы Зелёные, Красные, Бурые водоросли и др. Водоросли бывают одноклеточные, многоклеточные и колониальные.

Тело многоклеточных водорослей (таллом) состоит из сходных клеток и не разделено на органы и ткани. Формы таллома очень разнообразны: монадная, амёбоидная, нитчатая, пластинчатая и др. Хлоропласта водорослей называются хроматофорами. У многих подвижных водорослей имеется светочувствительный глазок {стигма), благодаря чему эти водоросли обладают фототаксисом — способностью к движению по направлению к свету.

Водоросли обитают главным образом в воде, однако большое число видов поселяется на суше во влажных местах обитания (на поверхности почвы, камнях, коре деревьев).

Размножение водорослей.

Водоросли могут размножаться бесполым и половым путём. К бесполому относится вегетативное размножение (деление таллома на части у многоклеточных, деление клеток надвое у одноклеточных, распадение колоний у колониальных форм) и спорообразование (образование в спорангиях подвижных или неподвижных спор). Половое размножение заключается в формировании гамет и их последующем слиянии с образованием зиготы, а также просто слиянии двух одноклеточных водорослей друг с другом либо посредством конъюгации. При половом размножении в жизненном цикле зелёных водорослей преобладает гаметофит, бурых — спорофит (рис. 10.2—10.3).

Сравнительная характеристика некоторых отделов водорослей представлена в табл. 10.1.

Значение водорослей.

Водоросли являются важным компонентом водного сообщества. В водах Мирового океана водоросли являются основными продуцентами органических веществ. Кроме того, они выделяют кислород, необходимый для дыхания животным и растениям. Водоросли, обитающие на поверхности почвы, участвуют в почвообразовании. Водоросли сыграли огромную роль в истории Земли, обогатив атмосферу кислородом. Широко используются водоросли и человеком: в пищу и на корм скоту (богаты витаминами, солями йода и брома), для получения агар-агара и других веществ и т. д.

 

10.2. ТКАНИ И ОРГАНЫ ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ

К высшим растениям относятся моховидные, плауновидные, хвощевидные, папоротниковидные, голосеменные и покрытосеменные (цветковые). В процессе эволюции в качестве приспособления к жизни в наземно-воздушной среде у растений произошла дифференциация клеток на ткани и формирование органов.

10.2.1. Ткани

Ткань — совокупность клеток, сходных по строению, происхождению и выполняющих одинаковые функции. У растений различают следующие ткани: образовательные (меристемы), покровные, основные, механические, проводящие, выделительные (табл. 10.2). Ткани растений делят на временные (меристемы) и постоянные (все остальные ткани).

10.2.2. Вегетативные органы

Орган — часть организма, имеющая определённую форму и строение, состоящая из нескольких тканей, занимающая определённое место в организме и выполняющая специфическую функцию или функции. У растений выделяют следующие органы (табл. 10.3, рис. 10.4).

10.2.2.1. Корень

Корень — вегетативный подземный орган растения. Он имеет радиальную симметрию, не несёт на себе листья, обладает способностью ветвиться, характеризуется неограниченным ростом. Функции корня: закрепление растения в почве, поглощение воды и минеральных веществ, синтез гормонов и ферментов, выделение продуктов метаболизма, запасание воды и питательных веществ.

Типы корневых систем. Совокупность всех корней одного растения называют корневой системой. Различают два типа корневых систем (у семенных): стержневую и мочковатую (табл. 10.4, рис. 10.5).

Придаточные корни могут образовываться и у многих двудольных растений на стеблях, засыпанных землёй, на ползучих и подземных стеблях. Эту способность используют для искусственного вегетативного размножения черенками.

Зоны корня. На продольном разрезе различают четыре основные зоны корня: деления, роста (растяжения), всасывания и проведения (табл.10.5, рис.10.6)

Внутреннее строение. На поперечном срезе корня можно выделить ризодерму, первичную кору из клеток паренхимы и центральный цилиндр, который включает эндодерму, перицикл (образовательная ткань, формирующая боковые корни), первичную флоэму, первичную ксилему и сердцевину. При одревеснении (вторичный рост) ризодерма, первичная кора и эндодерма замещаются перидермой, а камбий образует вторичную флоэму (луб) и вторичную ксилему (древесина). Вода поступает в клетки корня пассивно, в силу разности осмотического давления почвенного раствора и клеточного сока, а минеральные вещества — в результате активного всасывания, требующего затрат энергии на преодоление градиента концентрации. Движение раствора вверх по сосудам корня и стебля обеспечивается корневым давлением, создаваемым всасывающей силой всех корневых волосков, и испарением воды с поверхности листьев (транспирацией).

Особенности корня. В связи с изменением функций корня происходит его видоизменение (табл. 10.6). Образование корнеплодов и корневых клубней связано с накоплением в корне запасных веществ и воды.

Корни многих растений образуют с почвенными организмами симбиозы. Микориза (грибокорень) представляет собой симбиоз высшего растения и гриба. Клубеньки на корнях образуются у бобовых растений в результате их симбиоза с азотфиксирующими микроорганизмами, которые способны усваивать молекулярный азот атмосферы.

10.2.2.2. Стебель

Стебель — вегетативный орган растения, несущий листья и почки. Имеет радиальное строение, может ветвиться, характеризуется неограниченным верхушечным ростом. В ряде случаев стебли могут фотосинтезировать. Функции стебля: проводящая, или транспортная (соединяет два полюса питания растения — корни и листья), опорная (выносит листья к свету), запасающая (служит для накопления питательных веществ и воды), является органом вегетативного размножения.

Стебель с листьями и почками, развившийся из почки в течение одного вегетационного периода, называют побегом (рис. 10.7). Побег состоит из повторяющихся элементов — узлов и междоузлий. Узел — участок стебля, от которого отходит лист (листья). Междоузлие — часть стебля между соседними узлами. Пазуха листа — угол между листом и находящимся выше междоузлием.

Почка — зачаточный, ещё не развившийся побег. Выделяют почки разных типов (табл. 10.7, рис. 10.8).

Рост стебля в длину и ветвление осуществляется деятельностью верхушечной и боковых почек. У ряда растений (бамбук, злаковые) наряду с верхушечным ростом долгое время активно растут основания междоузлий побега (вставочный рост). Для увеличения площади соприкосновения со средой главный побег, выросший из почечки зародыша семени, образует новые побеги, обеспечивающие ветвление стебля. У ряда растений тропиков и субтропиков встречаются неветвящиеся побеги. Различают следующие типы ветвления: дихотомическое, моноподиальное и симподиальное (табл. 10.8; рис. 10.9).

Формы побегов. По характеру расположения в пространстве побеги (стебли) делят на прямостоячие (кукуруза), стелющиеся (земляника), вьющиеся (вьюнок), цепляющиеся (горох). В зависимости от степени одревеснения стебли делятся на одревесневшие (деревья и кустарники) и травянистые (травы). Травянистые формы произошли от древесных.

Внутреннее строение. У семенных растений первичное строение (не одревесневшее) стебля таково; снаружи эпидерма, под ней первичная кора, образованная паренхимой, и проводящие пучки, в которых кнаружи располагается флоэма, а ближе к центру — ксилема. Центральная часть (сердцевина) образована паренхимой.

При одревеснении (рис. 10.10) между флоэмой и ксилемой закладывается камбий (образовательная ткань), образующий единое кольцо. В результате его деятельности формируются вторичная флоэма (луб) и вторичная ксилема (древесина), которой всегда больше. Параллельно с этим первичный покров (эпидерма) замещается вторичным — перидермой, состоящей из пробкового камбия, формирующего кнаружи пробку, вовнутрь — пробковую кожицу. В разные времена года клетки растения растут в различной степени. В результате на поперечном срезе стебля можно обнаружить годичные кольца.

Годичное кольцо прироста — слой клеток древесины, образовавшихся в тёплое время года. Мелкие осенние клетки отличаются от крупных весенних клеток следующего года. По числу годовых колец можно определить возраст дерева.

Видоизменения побега могут выполнять различные функции: запасающую и функцию вегетативного размножения (клубни, корневище, луковица), защитную (колючки), служить органом прикрепления (усики) и т.д. (табл. 10.9).

10.2.2.3. Лист

Лист — вегетативный орган растения, располагающийся на стебле. Обладает ограниченным ростом. Функции листьев: фотосинтез, газообмен и транспирация (испарение влаги).

Внешнее строение листа. Лист состоит из листовой пластинки и черешка. Черешок служит для лучшего расположения листа на стебле по отношению к свету. Листья с черешками называют черешковыми, без черешка — сидячими. Нижняя часть листа, соединяющаяся со стеблем, называется основанием листа. У некоторых растений основание листа охватывает стебель в виде трубки, образуя влагалище. У многих растений в основании листа на стебле образуются выросты — прилистники.

Разнообразие листьев. Листья растений разнообразны по размерам, форме и числу листовых пластинок, расположению их на стебле, жилкованию и т. д.

По числу листовых пластинок листья бывают простые и сложные.

Простые листья состоят из одной листовой пластинки и черешка, сложные листья имеют несколько листовых пластинок на одном черешке. Простые листья могут быть цельными и рассечёнными (листовая пластинка рассечена). Сложные листья делятся на тройчато- и пальчатосложные (несколько листовых пластинок прикреплены к одной точке) и парно- и непарноперистосложные (несколько листовых пластинок прикрепляются по всей длине черешка).

По форме листовой пластинки различают листья округлые, ланцетовидные, овальные, игольчатые, стреловидные и др. (рис. 10.12).

По форме края пластинки листья делят на цельнокрайние, зубчатые, выемчатые и др. (рис. 10.13).

Жилкование листа (разветвления проводящей системы) бывает сетчатое, перистое, дуговое, параллельное и др. (рис. 10.14).

Распределение листьев на стебле может быть очередным (в узле от стебля отходит один лист), супротивным (в узле находятся два листа, располагающиеся друг против друга) и мутовчатым (от узла отходят три листа и более) (рис. 10.15).

Листовая пластинка у однодольных обычно цельная, у двудольных — цельная или изрезанная. Жилкование у однодольных в основном дуговое или параллельное, у двудольных — перистое или сетчатое.

Расположение листьев на растении, их размеры связаны с максимально эффективным использованием солнечных лучей.

Внутреннее строение листа. Сверху лист образован эпидермой верхней поверхности (рис. 10.16). Она покрыта кутикулой — слоем воскоподобного вещества. Под эпидермой располагается столбчатая ассимиляционная паренхима с плотно примыкающими друг к другу клетками; они узкие и длинные, располагаются перпендикулярно поверхности листа. Ниже залегает губчатая ассимиляционная паренхима с беспорядочно расположенными клетками округлой или извилистой формы и большими межклетниками (пространством между клетками). И та и другая паренхима являются фотосинтезирующими. Нижняя поверхность листа представлена эпидермой нижней поверхности и содержит множество устьиц. Жилки листа образованы клетками проводящих тканей ксилемы и флоэмы и механической ткани, придающей листу прочность. В верхней части жилки расположены сосуды ксилемы, в нижней — флоэма.

Испарение воды и газообмен. На нижней поверхности листа располагается множество устьиц, которые обеспечивают транспирацию и газообмен. Каждое устьице (рис. 10.17) состоит из двух замыкающих бобовидных клеток, между которыми находится устьичная щель.

При высоком тургорном давлении замыкающие клетки расправлены и устьице раскрыто, при низком давлении устьице закрывается. Так осуществляется регуляция интенсивности транспирации (испарения воды листом). Транспирация обеспечивает продвижение воды от корня по стеблю к листьям и охлаждение поверхности растения.

Помимо функции испарения воды, устьица обеспечивают поглощение растениями углекислого газа и выделение кислорода при фотосинтезе, а также поглощение кислорода и выделение углекислого газа при дыхании. Замыкающие клетки устьиц содержат хлоропласта, и при освещении в них начинается фотосинтез, продукты которого приводят к повышению осмотического давления. Вследствие притока воды стенки этих клеток растягиваются и устичная щель раскрывается. Так осуществляется регуляция газообмена.

Таким образом, в темноте и в жаркую погоду устьица закрываются.

Видоизменения листьев. В процессе приспособления к условиям окружающей среды листья, помимо основных, приобретают дополнительные функции (табл. 10.10).

Листопад — это приспособление растений к уменьшению испарения воды осенью и зимой. У листопадных растений (липа, берёза и др.) листья живут только один вегетационный сезон, у вечнозелёных (ель, сосна и др.) — дольше и сменяются постепенно. В старых листьях накапливаются не нужные растениям вещества (кремнезём и др.), хлорофилл разрушается.

10.2.3. Генеративные органы растений

10.2.3.1. Цветок

Цветок — орган семенного размножения покрытосеменных растений (рис. 10.18). Цветок представляет собой видоизменённый, укороченный и ограниченный в росте побег. Развитие цветка завершается образованием плода с семенами. Функция цветка — половое размножение.

Строение цветка. Цветок заканчивает собой стебель (главный или боковые). Он соединён со стеблем цветоножкой. Если цветоножка сильно укорочена или отсутствует, цветок называют сидячим. Цветоножка переходит в цветоложе, на котором располагаются все части цветка. В центре цветка находится пестик (или несколько пестиков). Он состоит из рыльца, столбика и завязи. В завязи имеется полость, где находится семяпочка (семязачаток, мегаспорангий). Закрытое положение семяпочки в завязи отличает покрытосеменные растения от голосеменных, у которых семяпочки лежат открыто. Пестик образован одним или несколькими сросшимися плодолистиками (видоизменёнными листьями). Совокупность плодолистиков составляет гинецей (женская часть цветка). Пестик окружён тычинками, в которых различают тычиночную нить и пыльник. Пыльник состоит из двух половинок, каждая из которых включает по два пыльцевых мешка (микроспорангии), в которых образуется пыльца (микроспоры). Совокупность всех тычинок составляет андроцей (мужская часть цветка). Тычинки и пестик окружены околоцветником, который может быть простым и двойным. Простой околоцветник состоит из однородных элементов (цветки тюльпана). Двойной околоцветник состоит из венчика, образованного ярко окрашенными лепестками, и чашечки, образованной зелёными чашелистиками. Кроме того, цветки некоторых растений имеют особые железы — нектарники, которые образуют нектар.

В зависимости от типа симметрии выделяют актиноморфные (лучевая симметрия), зигоморфные (двусторонняя или билатеральная симметрия) и асимметричные цветки.

Обоеполые цветки имеют и тычинки, и пестики. Однополые цветки имеют только тычинки или только пестики. Они образуются в результате редукции андроцея или гинецея. Однодомные (обоеполые) растения — растения, у которых мужские и женские цветы находятся на одной особи (кукуруза, берёза, тыквенные и др.). Двудомные (однополые) растения — растения, у которых мужские и женские цветы находятся на разных особях (тополь, ива, осина и др.).

Соцветия. У одних растений цветки крупные и располагаются одиночно (тюльпан), у других — относительно мелкие и собраны в различные соцветия. Соцветие — часть растения, несущая группировки отдельно расположенных цветков.

Соцветия бывают простые и сложные (табл. 10.11, рис. 10.19). У простых соцветий на главной оси расположены цветки, у сложных — простые соцветия.

Биологическое значение соцветий состоит в повышении вероятности опыления. Мелкие цветки, собранные в соцветие, хорошо заметны для насекомых, что способствует их опылению. У ветроопыляемых растений соцветия находятся обычно на концах стеблей и не прикрыты листьями, что облегчает отдачу и улавливание пыльцы, переносимой воздушными потоками.

10.2.3.2. Опыление и оплодотворение у цветковых

Опыление — процесс переноса пыльцы с тычинок на рыльце пестика. Пыльцевое зерно является мужской спорой, а семязачаток в завязи пестика — женской спорой.

Различают самоопыление и перекрёстное опыление (табл. 10.12).

Оплодотворение. Оплодотворению предшествует образование мужского и женского гаметофитов. Женский гаметофит формируется внутри завязи пестика. В одной из диплоидных клеток семязачатка (мегаспорангия) в результате мейоза образуются четыре гаплоидные мегаспоры. Три из них отмирают, а одна проходит три митотических деления, в результате чего эта клетка содержит восемь гаплоидных ядер. Это и есть женский гаметофит, или зародышевый мешок. В зрелом женском гаметофите образуются яйцеклетка, диплоидная центральная клетка и ряд дополнительных клеток. Мужской гаметофит образуется в пыльниках тычинок. В пыльцевых мешках (микроспорангиях) материнские клетки спор делятся мейозом, в результате чего из каждой образуются четыре гаплоидные микроспоры. Сформировавшаяся микроспора имеет оболочку и ядро. Ядро затем делится митозом с образованием генеративной и вегетативной клеток. Это и есть мужской гаметофит. Генеративная клетка вскоре ещё раз делится митозом и формирует два спермия. Таким образом, пыльцевое зерно содержит вегетативную клетку и два спермия.

После попадания пыльцевого зерна на рыльце пестика оно прорастает (рис. 10.18). Из вегетативной клетки образуется пыльцевая трубка, которая прорастает до зародышевого мешка. По этой трубке в зародышевый мешок проникают два спермия. Один из них сливается с яйцеклеткой, образуя диплоидный зародыш, другой соединяется с диплоидной клеткой, образуя триплоидную клетку, из которой развивается эндосперм. Такой процесс называется двойным оплодотворением. Он был открыт в 1898 г. С. Г. Навашиным.

После этого из завязи образуется плод, а из семязачатков — семя, в котором находится зародыш.

10.2.3.3. Семя

Семя — орган семенного размножения и расселения растений. Оно образуется из семязачатка (семяпочки) в завязи растений. Семя состоит из семенной кожуры, зародыша и запаса питательных веществ (эндосперма) (табл. 10.13, рис. 10.20).

10.2.3.4. Плод

Плод — орган покрытосеменных растений; представляет собой видоизменённый после оплодотворения цветок. Функции плодов — защита и распространение семян. В состав плода входят пестик и другие части цветка: разросшееся цветоложе, сросшиеся основания чашелистиков, лепестков и тычинок. Разросшиеся стенки завязи формируют околоплодник.

Виды плодов. По происхождению, в зависимости от того, из каких элементов цветка образовался плод, различают настоящие и ложные плоды. Настоящие плоды образуются из завязи (слива, томат). Ложные плоды образуются при участии цветоложа (шиповник), околоцветника (яблоко) и др.

Настоящие плоды делят на простые, сложные и соплодия. Простой плод развивается из цветка с одним пестиком (костянка, зерновка, боб), сложный — из цветка, имеющего несколько пестиков (земляника, малина), соплодие — из соцветия со сросшимися цветками (ананас, шелковица).

По консистенции околоплодника (количеству в нём воды) плоды делят на сухие и сочные, по количеству семян — на односемянные и многосемянные (табл. 10.14). Сухие многосемянные плоды имеют механизм вскрытия для разбрасывания семян (раскрывающиеся).

Распространение плодов и семян происходит с помощью ветра, воды, животных и человека, а также саморазбрасыванием (табл. 10.15).

 

10.3. ПОДЦАРСТВО ВЫСШИЕ РАСТЕНИЯ

10.3.1. СПОРОВЫЕ РАСТЕНИЯ

10.3.1.1. Отдел Моховидные

Моховидные произошли от водорослей и представляют собой эволюционный тупик. Отдел Моховидные включает около 25 тыс. видов. Обычные размеры мхов от 1 мм до 60 см. Одни мхи представляют собой таллом, другие имеют стебель и листья. Моховидные не имеют корней. Некоторые из них имеют одно- или многоклеточные ризоиды, которыми они прикрепляются к грунту и поглощают воду и минеральные вещества.

В жизненном цикле мхов гаплоидный гаметофит преобладает над диплоидным спорофитом (рис. 10.21). Это отличает их от остальных высших растений. Гаметофит развивается из гаплоидной споры. У разных видов мхов гаметофит может быть однополым (двудомным) или двуполым (однодомным). На гаметофите в органах полового размножения (гаметангиях) образуются подвижные сперматозоиды и неподвижные яйцеклетки. Мужские половые органы называются антеридии, женские — архегонии. Оплодотворение происходит в присутствии капельно-жидкой влаги. Из оплодотворённой зиготы развивается коробочка со спорами. Таким образом, взрослое растение мха — половое поколение (гаметофит), а коробочка со спорами — бесполое поколение (спорофит). Половое и бесполое поколения не разделены, а представляют одно растение. Также мхам свойственно и вегетативное размножение.

Наиболее крупный класс Моховидных — Листостебельные мхи. Различают зелёные мхи (кукушкин лён) и сфагновые (белые) мхи (сфагнум).

Зелёные мхи. Представитель — кукушкин лён, многолетнее растение высотой до 20 см. Широко распространён в еловых лесах, на болотах. Гаметофиты кукушкиного льна раздельнополы (двудомны), имеют прямостоячие неветвистые стебли с острыми листьями и ризоиды. На верхушках мужских и женских гаметофитов формируются антеридии и архегонии. Во время дождя или росы двужгутиковые сперматозоиды проникают к яйцеклеткам и сливаются с ними. После оплодотворения на женских растениях образуется диплоидный спорофит — коробочка на длинной ножке. Внутри коробочки формируется спорангий с гаплоидными спорами. Попадая в почву, спора прорастает в зелёную ветвящуюся нить -1 протонему, похожую на зелёную водоросль. Часть протонемы углубляется в почву, теряет хлорофилл и превращается в ризоиды; а из наземной части протонемы образуется стебель мха с листьями.

Сфагновые (белые) мхи. Представитель — сфагнум, играет важную роль в формировании и жизни болот. Сфагнум беловато-зелёного цвета, так как содержит большое количество воздухоносных клеток, имеет ветвистые стебельки, усаженные мелкими листьями, и не имеет ризоидов. Поглощение воды осуществляется всей поверхностью. Сфагновые мхи растут верхней частью побегов, а нижняя часть отмирает. В результате образуются залежи торфа. Процесс торфообразования происходит благодаря застойному переувлажнению, отсутствию кислорода и созданию мхами кислой среды.

Значение. Мхам принадлежит важная роль в природе: как накопители влаги они участвуют в регулировании водного баланса лесов и соседних территорий. Человеком торф используется в качестве топлива, как термоизолятор, в сельском хозяйстве в качестве удобрения, в химической промышленности для получения парафина, фенола, аммиака, уксусной кислоты, метанола, красителей и других веществ, в медицине при грязелечении, а также может быть использован как бактерицидный перевязочный материал, поскольку обладает антисептическим действием.

10.3.1.2. Отдел Плауновидные

Плауновидные, хвощевидные и папоротниковидные — древние группы высших растений. Они произошли от псилофитов (риниофитов), которые, в свою очередь, произошли от зелёных водорослей и первыми заселили сушу. Их расцвет пришёлся на каменноугольный период, после чего многие виды вымерли.

Плауновидные — это травянистые многолетние растения, встречающиеся в сыроватых хвойных и смешанных лесах. В настоящее время насчитывается около 1 тыс. видов. Они имеют стелющийся стебель с множеством веток, покрытых мелкими тёмно-зелёными листьями, укреплённый в почве с помощью придаточных корней. Верхушечные побеги заканчиваются спороносными колосками.

Из споры образуются мелкие заростки (2-3 мм), которые развиваются под землёй, через 15—20 лет на них образуются архегонии и антеридии. В них формируются многожгутиковые сперматозоиды, которые в присутствии воды оплодотворяют яйцеклетки, и из диплоидной зиготы развивается новое растение. Кроме того, плауновидные могут размножаться вегетативно (частями стебля).

Значение. Плауны растут очень медленно и подлежат охране. Животными не поедаются. Используются в медицине (некоторые содержат яд, сходный по действию с кураре, другие используются как присыпка, третьи — для лечения алкоголизма).

10.3.1.3. Отдел Хвощевидные

Хвощевидные — это многолетние травянистые растения, обитают на влажной кислой почве в сырых лесах, на болотах, влажных полях и лугах. В настоящее время насчитывается всего около 20 видов. Имеют хорошо развитое корневище с клубнями. Побеги состоят из члеников (междоузлий). В клеточных стенках накапливается кремнезём, который выполняет механическую и защитную роль. На верхушках побегов расположены спороносные колоски.

Весной на корневищах отрастают розоватые спороносные побеги со спороносными колосками, на которых образуются гаплоидные споры. Из них вырастают мужские и женские (более крупные) заростки. Оплодотворение осуществляется в жидкой среде. Из диплоидной зиготы развивается спорофит.

Значение. Хвощи несъедобны для животных, являются сорняками пастбищ и полей. Хвощ полевой применяют в медицине как мочегонное средство.

10.3.1.4. Отдел Папоротниковидные

Папоротники — многолетние, чаще травянистые растения лесов умеренной зоны (орляк), водоёмов (сальвиния), или древовидные, лиановые, эпифитные обитатели влажных тропиков. В настоящее время насчитывается около 10 тыс. видов.

Спорофит папоротников разделён на корень, стебель и лист (рис. 10.22). Корни придаточные, отходящие от корневища. Стебли развиты плохо, и листва по массе и размерам преобладает над стеблем. На нижней части листа развиваются спорангии.

Из споры развивается заросток — небольшая многоклеточная пластинка зелёного цвета и с ризоидами (самостоятельное растение). На заростке формируются антеридии (мужские половые органы) и архегонии (женские половые органы). Заростки одних видов двуполые, других — однополые. В антеридиях образуются сперматозоиды, в архегониях — яйцеклетки. Для их слияния необходимо наличие воды. После оплодотворения из зиготы развивается растение папоротника. Таким образом, заросток — половое поколение (гаметофит), а взрослое растение папоротника — бесполое поколение (спорофит). Половое и бесполое поколения разделены. Также папоротникам свойственно и вегетативное размножение (например, отделением корневища).

Значение. Роль древних папоротников, а также хвощей и плаунов состояла в образовании залежей каменного угля и насыщении атмосферы кислородом. Некоторые виды современных папоротников употребляются в пищу, используются в медицине (глистогонные средства) или как декоративные растения.

В таблице 10.16 представлена сравнительная характеристика отделов высших споровых растений.

10.3.2. Семенные растения

Рассмотренные выше споровые растения имеют два общих свойства:

  • 1) для осуществления полового процесса им необходима капельно-жидкая влага, что ограничивает их распространение;
  • 2) образующиеся споры мелкие, содержат мало питательных веществ и имеют слабую жизнеспособность. Это же относится к развитию из зиготы зародыша споровых растений.

Более прогрессивными с эволюционной точки зрения являются семенные растения. Им для оплодотворения не требуется вода, а семя (единица расселения семенных растений) содержит запас питательных веществ. Семя представляет собой маленький спорофит с корешком, почечкой и зародышевыми листьями — семядолями. В нём содержится запас питательных веществ, необходимый для первоначального этапа развития.

Взрослые семенные растения — спорофиты. Они образуют два типа спор: мужские (микроспоры) и женские (мегаспоры). Микроспоры продуцируются в мужских шишках (у голосеменных) или в пыльниках (у цветковых). Внутри пыльцевого зерна микроспора делится, и возникает мужской гаметофит, в котором образуются мужские гаметы. Мужские гаметы, формирующиеся внутри микроспоры, как правило, лишены жгутиков, не способны активно двигаться и называются спермиями. Мегаспоры образуются в семязачатках женских шишек или завязи. Единственная зрелая женская спора остаётся в семязачатке, здесь из неё развивается женский гаметофит (зародышевый мешок), где и образуется яйцеклетка. Таким образом, гаметофиты у семенных растений крайне редуцированы, весь цикл их развития протекает на спорофите (табл. 10.17).

К семенным растениям относятся голосеменные (размножаются семенами, но не образуют плодов) и покрытосеменные (семена заключены в плоды).

Сравнение высших споровых и семенных растений представлено в таблице 10.18.

10.3.2.1. Отдел Голосеменные

В отделе Голосеменные выделяют 6 классов: Семенные папоротники, Саговниковые, Беннеттитовые, Гнётовые, Гинкговые, Хвойные. Из них Семенные папоротники и Беннеттитовые полностью вымерли. Наиболее широко голосеменные были распространены в конце палеозойской и в мезозойскую эру. Ныне живущих голосеменных около 720 видов. Голосеменные представлены исключительно древесными формами: деревьями, кустарниками, лианами.

И в природе, и в жизни человека второе место после цветковых занимают хвойные. Их насчитывается около 560 видов. К ним относятся сосна, ель, лиственница, пихта, кедр, кипарис, можжевельник и др.

Строение. Хвойные имеют стержневую корневую систему. Часто содержат микоризу. Древесина на 90—95 % образована прочной проводящей тканью. Среди хвойных есть листопадные виды и вечнозелёные. У листопадных видов (лиственница) листья плоские и мягкие. У вечнозелёных (большинство хвойных) листья игольчатой формы и жёсткие. Устьица глубоко погружены в ткань листа, что уменьшает испарение воды. Хвоя содержит витамин С и выделяет фитонциды.

Размножение. Рассмотрим размножение хвойных на примере сосны (рис. 10.23).

Сосна — однодомное (обоеполое растение). На верхушках молодых побегов образуются красноватые женские шишки. Шишка состоит из оси, на которой расположены чешуи, а на каждой чешуе находятся два семязачатка. У основания молодых побегов сосны расположены группы зеленовато-жёлтых мужских шишек. В них формируется пыльца. Каждая пылинка снабжена двумя воздушными мешками. Созревшая пыльца с помощью ветра попадает на семязачатки женских шишек, после чего их чешуи плотно смыкаются и склеиваются смолой. Пылинка остаётся лежать внутри семязачатка до весны следующего года. От опыления до оплодотворения проходит 12—14 месяцев. Пыльца прорастает, из вегетативной клетки развивается пыльцевая трубка, а из генеративной — два спермия. Один сливается с яйцеклеткой, а второй погибает. Из зиготы развивается зародыш с запасом питательных веществ, из покрова семязачатка образуется кожура семени. После созревания семян чешуйки шитики расходятся и семена высыпаются.

Значение. Наиболее широко хвойные распространены в умеренной зоне Северного полушария, где они образуют тайгу. Человек использует хвойные как строительный материал, сырьё для целлюлозно-бумажной промышленности, топливо, как источник получения смол, эфирных масел, лекарственных средств и т.д. Древесина лиственницы отличается устойчивостью к гниению. Секвойя и мамонтово дерево — представители кипарисовых — обладают ценной древесиной («красное дерево»). Некоторые секвойи достигают высоты более 100 м и возраста 3-4 тыс. лет. Представители саговниковых используются человеком в пищу («хлебное дерево»).

10.3.2.2. Отдел Покрытосеменные (Цветковые)

Покрытосеменные — эволюционно наиболее молодая и самая многочисленная группа растений. Отдел включает около 250 тыс. видов. Покрытосеменные произрастают во всех климатических зонах, составляют основную массу растительного вещества биосферы и являются важнейшими производителями (продуцентами) органики на суше.

Доминирующая: роль цветковых обусловлена рядом прогрессивных особенностей:

  1. Появление цветка — органа, совмещающего функции бесполого размножения (образование спор) и полового (формирование семени).
  2. Образование в составе цветка завязи, заключающей в себе семязачатки (семяпочки) и предохраняющей их от неблагоприятных воздействий среды.
  3. Формирование из завязи плода: семена находятся внутри плода, и поэтому защищены (покрыты) околоплодником. Кроме того, плод позволяет использовать различных агентов для распространения семян (насекомых, птиц, летучих мышей, а также потоки воздуха и воды).
  4. Двойное оплодотворение, в результате которого образуются диплоидный зародыш и триплоидный (а не гаплоидный, как у голосеменных) эндосперм.
  5. Максимальная редукция гаметофита (рис. 10.24). Мужской гаметофит — пыльцевое зерно — состоит из двух клеток: вегетативной и генеративной, которая делится, образуя два спермия. Женский гаметофит состоит из восьми клеток зародышевого мешка, одна из которых становится яйцеклеткой.
  6. Размножение и семенами, и вегетативными органами.
  7. Усложнение и высокая степень дифференциации органов и тканей. В частности, наиболее совершенная проводящая система: ксилема представлена сосудами, а не трахеидами, во флоэме ситовидные трубки имеют членистое строение, появляются клетки-спутники.
  8. Быстрое протекание процессов роста и развития у однолетних форм.
  9. Большое разнообразие жизненных форм: деревья, кустарники, кустарнички, полукустарники, многолетние травы, однолетние травы и т.д.
  10. Могут образовывать сложные многоярусные сообщества благодаря большому разнообразию жизненных форм.

Значение. Практически все культурные растения принадлежат к этому отделу. Древесина покрытосеменных используется в промышленности, строительстве, производстве бумаги, мебели и т.д. Многие цветковые растения используются в медицине.

Систематика. Отдел Покрытосеменные (Цветковые) делят на два класса: Двудольные и Однодольные. Однодольные произошли от двудольных и являются менее многочисленными. Двудольные отличают от однодольных по ряду признаков (табл. 10.19). По каждому из признаков существует множество исключений. Единственный абсолютный признак — строение зародыша.

Классы Цветковых делят на семейства главным образом на основании строения цветка и плода. При этом используют формулу цветка (табл. 10.20).

В таблице 10.21 представлена сравнительная характеристика отделов высших растений.


 

ВСЕ РАЗДЕЛЫ СПРАВОЧНИКА

Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
10. Царство РАСТЕНИЯ

Вирусы, бактерии, грибы, лишайникиВирусы, бактерии, грибы, лишайники

Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
РАЗДЕЛ II. МНОГООБРАЗИЕ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ. 9. Вирусы, бактерии, грибы, лишайники.

ВСЕ РАЗДЕЛЫ СПРАВОЧНИКА

РАЗДЕЛ II. МНОГООБРАЗИЕ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ

В настоящее время на Земле описано более 2,5 млн видов живых организмов. Однако реальное число видов на Земле в несколько раз больше, так как многие виды микроорганизмов, насекомых и др. не учтены. Кроме того, считается, что современный видовой состав — это лишь около 5 % от видового разнообразия жизни за период её существования на Земле.

Для упорядочения такого многообразия живых организмов служат систематика, классификация и таксономия.

Систематика — раздел биологии, занимающийся описанием, обозначением и классификацией существующих и вымерших организмов по таксонам.

Классификация — распределение всего множества живых организмов по определённой системе иерархически соподчинённых групп — таксонов.

Таксономия — раздел систематики, разрабатывающий теоретические основы классификации. Таксон — искусственно выделенная человеком группа организмов, связанных той или иной степенью родства, и в то же время достаточно обособленная, чтобы ей можно было присвоить определённую таксономическую категорию того или иного ранга.

В современной классификации существует следующая иерархия таксонов:

  • царство;
  • отдел (тип в систематике животных);
  • класс;
  • порядок (отряд в систематике животных);
  • семейство;
  • род;
  • вид.

Кроме того, выделяют промежуточные таксоны: над- и подцарства, над- и подотделы, над- и подклассы и т.д.

Таблица 9

систематика

 

9. ВИРУСЫ, БАКТЕРИИ, ГРИБЫ, ЛИШАЙНИКИ

9.1. ЦАРСТВО ВИРУСЫ

Вирусы были открыты в 1892 г. русским биологом Д. И. Ивановским, ставшим основоположником вирусологии. Они являются неклеточной формой жизни и занимают пограничное положение между неживой и живой материей (табл. 9.1). Вирусы — внутриклеточные паразиты, которые могут проявлять свойства живых организмов, только попав внутрь клетки.

Таблица 9.1. Отличия вирусов от неживой природы и клеточных организмов

От неживой природы От клеточных организмов
1) способность к размножению;

2) наследственность и изменчивость

1) не имеют клеточного строения;
2) не проявляют обмена веществ и энергии (метаболизма);
3) могут существовать только как внутриклеточные паразиты;
4) не увеличиваются в размерах (не растут);
5) имеют особый способ размножения;
6) имеют только одну нуклеиновую кислоту — либо ДНК, либо РНК

Вирусы существуют в двух формах: покоящейся (внеклеточной), когда их свойства как живых систем не проявляются, и внутриклеточной, когда осуществляется размножение вирусов.

Простые вирусы (например, вирус табачной мозаики) состоят из молекулы нуклеиновой кислоты и белковой оболочки — капсида (рис. 9.1). Некоторые более сложные вирусы (гриппа, герпеса и др.) помимо белков капсида и нуклеиновой кислоты могут содержать липопротеиновую мембрану, углеводы и ряд ферментов. Белки защищают нуклеиновую кислоту и обусловливают ферментативные и антигенные свойства вирусов. Форма капсида может быть палочковидной, нитевидной, сферической, и др.

Строение вирусов

Рис. 9.1. Строение вирусов: а — вирус табачной мозаики; б — аденовирус (вызывает респираторные заболевания человека); в — бактериофаг: 1 — молекула РНК; 2 — молекулы белка; 3 — головка с ДНК; 4 — хвостовые нити

 

В зависимости от присутствующей в вирусе нуклеиновой кислоты различают РНК-содержащие и ДНК-содержащие вирусы. Нуклеиновая кислота содержит генетическую информацию, обычно о строении белков капсида. Она может быть линейная или кольцевидная, в виде одно- или двуцепочечной ДНК, одно- или двуцепочечной РНК (табл. 9.2).

Таблица 9.2. Разнообразие вирусов

Разнообразие вирусов

При проникновении вируса внутрь клетки специальные белки вирусной частицы связываются с белками-рецепторами клеточной оболочки. В животную клетку вирус может проникать при процессах пино- и фагоцитоза, в растительную клетку — при различных повреждениях клеточной стенки. Бактериофаги (вирусы, паразитирующие на бактериях), как правило, не попадают внутрь клетки, так как этому препятствуют толстые клеточные стенки бактерий. Внутрь клетки проникает только нуклеиновая кислота вируса.

Вирус подавляет существующие в клетке процессы транскрипции и трансляции. Он использует их для синтеза собственных нуклеиновой кислоты и белка, из которых собираются новые вирусы. После этого клеточные оболочки разрушаются и новообразованные вирусы покидают клетку, которая при этом погибает (рис. 9.2).

Полагают, что происхождение вирусов связано с эволюцией каких-то клеточных форм, которые в ходе приспособления к паразитическому образу жизни вторично утратили клеточное строение.

Вирусы способны поражать различные живые организмы. Первым открытым вирусом был вирус табачной мозаики, поражающий растения. Вирусную природу имеют такие заболевания животных и человека, как натуральная оспа, бешенство, энцефалиты, лихорадки, инфекционные гепатиты, грипп, корь, бородавки, многие злокачественные опухоли, СПИД и др. Кроме того, вирусы способны вызывать генные мутации.

Вирус, вызывающий заболевание СПИДом (синдром приобретённого иммунодефицита), поражает клетки крови, обеспечивающие иммунитет организма. В результате больной СПИДом может погибнуть от любой инфекции. Вирусы СПИДа имеют возможность проникнуть в организм человека во время половых сношений, во время инъекций или операций при несоблюдении условий стерилизации. Профилактика СПИДа заключается в избегании случайных половых связей, использовании презервативов, применении одноразовых шприцев.

Схема цикла размножения бактериофага

Рис. 9.2. Схема цикла размножения бактериофага: 1 — фаги окружили бактерию; 2 — вирион фага прикрепляется к клетке; 3 — в клетку впрыскивается вирусная ДНК; 4 — капсид фага остаётся снаружи бактерии; 5 — синтезируются новые молекулы ДНК; 6 — образуются белковые оболочки фагов; 7 — происходит сбор новых вирионов; 8 — бактерия разрушается (лизируется), и вирионы фага выходят наружу.

 

9.2. БАКТЕРИИ

  Строение и жизнедеятельность бактерий.

Прокариотические клетки (рис. 3.1) не имеют ядра, область расположения ДНК в цитоплазме называется нуклеоидом, единственная молекула ДНК замкнута в кольцо и не связана с белками, клетки меньше эукариотических, в состав клеточной стенки входит гликопептид — муреин, поверх клеточной стенки располагается слизистый слой, выполняющий защитную функцию, отсутствуют мембранные органоиды (хлоропласты, митохондрии, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи), их функции выполняют впячивания плазматической мембраны (мезосомы), рибосомы мелкие, микротрубочки отсутствуют, поэтому цитоплазма неподвижна, нет центриолей и веретена деления, реснички и жгутики имеют особую структуру. Деление клеток осуществляется путём перетяжки (митоза и мейоза нет). Этому предшествует репликация ДНК, затем две копии расходятся, увлекаемые растущей клеточной мембраной. Различные классификации бактерий представлены в таблицах 9.3-9.6.

Таблица 9.3. Классификация бактерий по строению

Классификация бактерий по строению

 

Таблица 9.4. Классификация бактерий по форме клеток

Группа Форма клетки
Кокки Шаровидные
Бациллы Палочковидные
Вибрионы Дугообразно изогнутые
Спириллы, спирохеты Спиралеобразные
Стрептококки Цепочки из шариков
Стафилококки Гроздь из шариков
Диплококки Две шаровидные бактерии, заключённые в одной слизистой капсуле

 

Таблица 9.5. Классификация бактерий по отношению к кислороду

Группа Характеристика
Аэробы Обязательно нуждаются в кислороде
Анаэробы Погибают в присутствии кислорода
Факультативные формы  Могут существовать как в кислородной, так и в бескислородной среде

 

Таблица 9.6. Классификация бактерий по типам питания

Классификация бактерий по типам питания

Многие бактерии способны к самостоятельному движению за счёт жгутиков или благодаря сокращению клеток.

Бактерии преимущественно одноклеточны, за исключением некоторых цианобактерий и актиномицетов. Некоторые способны образовывать колонии, но клетки в них существуют независимо друг от друга.

В неблагоприятных условиях некоторые бактерии способны образовывать споры за счёт формирования плотной оболочки вокруг молекулы ДНК с участком цитоплазмы. Споры бактерий служат не для размножения, как у растений и грибов, а для защиты организма от воздействия неблагоприятных условий (засухи, нагревания и др.).

  Размножение бактерий.

Бактерии размножаются бесполым путём — делением клетки (у прокариот митоза и мейоза нет) при помощи перетяжек или перегородок, реже почкованием или шизогонией (рис. 9.3). Этим процессам предшествует удвоение кольцевой молекулы ДНК.

Способы деления прокариотической клетки

Рис. 9.3. Способы деления прокариотической клетки: а — деление путём перетяжки, б — деление путём образования поперечной перегородки, в — почкование, г — множественное деление (шизогония), 1 — клеточная стенка, 2 — цитоплазматическая мембрана, 3 — мембранная структура, 4 — нуклеоид, 5 — дополнительный фибриллярный слой клеточной стенки

Кроме того, для бактерий характерен половой процесс — конъюгация. При конъюгации по специальному каналу, образующемуся между двумя клетками, фрагмент ДНК одной клетки передаётся другой клетке, то есть изменяется наследственная информация, содержащаяся в ДНК обеих клеток. Поскольку количество бактерий при этом не увеличивается, для корректности используют понятие «половой процесс», но не «половое размножение».

  Роль бактерий в природе и значение для человека.

Благодаря очень разнообразному метаболизму бактерии могут существовать в самых различных условиях среды: в воде, воздухе, почве, живых организмах. Велика роль бактерий в образовании нефти, каменного угля, торфа, природного газа, в почвообразовании, в круговоротах азота, фосфора, серы и других элементов в природе. Сапротрофные бактерии участвуют в разложении органических останков растений и животных и в их минерализации до СО2, Н2О, H2S, NH3 и других неорганических веществ. Вместе с грибами они являются редуцентами. Клубеньковые бактерии (азотфиксирующие) образуют симбиоз с бобовыми растениями и участвуют в фиксации атмосферного азота в минеральные соединения, доступные растениям. Сами растения такой способностью не обладают.

Человек использует бактерии в микробиологическом синтезе, в очистных сооружениях, для получения ряда лекарств (стрептомицин), в быту и пищевой промышленности (получение кисломолочных продуктов, виноделие).

Однако бактерии приносят не только пользу, но и вред. Бактерии-паразиты разрушают клетки хозяина или выделяют токсические вещества. Они являются возбудителями опасных инфекционных заболеваний, таких как чума, холера, дифтерия, дизентерия, туберкулёз и др. Для борьбы с ними проводят вакцинации населения, дезинфекцию предметов, стерилизацию или пастеризацию воды и продуктов питания.

 

9.3. ЦАРСТВО ГРИБЫ

  Общая характеристика грибов.

Грибы выделяют в особое царство (табл. 9.7), насчитывающее около 100 тыс. видов.

Таблица 9.7. Отличия грибов от растений и животных

От растений От животных
1) Гетеротрофный способ питания; 1) Неограниченный рост;
2) запасное питательное вещество гликоген; 2) поглощение пищи путём всасывания;
3) наличие в клеточных стенках 3) размножение с помощью спор;
4) наличие клеточной стенки хитина;
5) отсутствие способности активно передвигаться

Строение грибов разнообразно — от одноклеточных форм до сложноустроенных шляпочных форм (рис. 9.4).

Строение грибов

Рис. 9.4. Строение грибов: А — мукор; Б — пеницилл; В — дрожжи; Г — шляпочный гриб; 1 — мицелий; 2 — спорангии; 3 — почкующаяся клетка дрожжей; 4 — ножка плодового тела; 5 — шляпка плодового тела

Тело гриба — грибница (или мицелий) — система тонких ветвящихся нитей (гиф). Клетки грибов покрыты клеточной стенкой, в состав которой входит хитин. Грибы делятся на низшие и высшие (табл. 9.8).

Таблица 9.8. Классификация грибов по строению

Группа Характеристика Примеры
Низшие Одноклеточные, тело состоит из одной многоядерной клетки Мукор, фитофтора
Высшие Многоклеточные Шляпочные грибы, дрожжи, чайный гриб, пеницилл, трутовик, спорынья

Грибы являются гетеротрофами. Пищеварение у них наружное — они выделяют гидролитические ферменты, расщепляющие сложные органические вещества, и всасывают продукты гидролиза всей поверхностью тела.

  Размножение грибов.

Большинство грибов способно размножаться как половым, так и бесполым путём. Бесполое размножение осуществляется почкованием, фрагментацией или образованием спор. Споры образуются внутри спорангиев или на концах гиф. При половом размножении происходит слияние мужских и женских гамет. Некоторые грибы большую часть жизненного цикла проводят в гаплоидной фазе (гаплобионты) (мейоз следует сразу после образования зиготы), другие же, наоборот, диплоидны (диплобионты), а редукционное деление предшествует образованию гамет.

  Многообразие грибов.

Шляпочные грибы состоят из грибницы и плодового тела, которое, в свою очередь, образовано пеньком и шляпкой. Шляпка и пенёк состоят из плотно прилегающих друг к другу нитей грибницы. Нижняя сторона шляпки состоит либо из трубок (трубчатые грибы — белый гриб, подосиновик, подберёзовик), либо из пластинок (пластинчатые грибы — рыжик, лисичка, груздь).

Шляпочные грибы бывают съедобными и ядовитыми. Съедобные грибы: белый гриб, подосиновик, подберёзовик, рыжик, лисичка, груздь и др. Ядовитые грибы: мухомор, бледная поганка, ложный опёнок, ложная лисичка и др.

При сборе грибов плодовое тело съедобных грибов следует срезать ножом, чтобы не повредить грибницу.

Употребление в пищу ядовитых грибов приводит к отравлениям, иногда со смертельным исходом. При сборе грибов надо быть очень внимательным. Старые съедобные грибы тоже могут быть ядовитыми.

Плесневые грибы имеют маленькие размеры, большую скорость размножения, они неприхотливы к пище и среде обитания. Широко распространён плесневый гриб мукор (или белая плесень). Это одноклеточный гриб, который размножается спорами. Он образует пушистые плесневые налёты на хлебе, овощах, варенье. Через некоторое время налёт чернеет — это образуются споры.

Многие плесневые грибы наносят большой вред народному хозяйству: портят продукты питания, разрушают лесоматериалы и ткани, вызывают заболевания растений, животных и человека.

Другим представителем плесневых грибов является пеницилл. Это многоклеточный гриб, который размножается спорами. Он образует зелёную плесень на пищевых продуктах. Пеницилл используют для получения пенициллина. Это первый открытый в медицине антибиотик. Пенициллин широко применяют как противовоспалительное средство для подавления жизнедеятельности болезнетворных бактерий.

Дрожжи — одноклеточные грибы, имеют сферическую форму, размножаются почкованием. Они поселяются в средах, богатых сахаром, и сбраживают его в спирт и углекислый газ. Эту способность дрожжей используют в хлебопечении, производстве спирта, виноделии, кондитерской промышленности.

  Симбиоз грибов с растениями.

Грибы часто способны вступать в симбиотические отношения с другими организмами. Симбиоз гриба с водорослью — лишайник. Симбиоз гриба с корнями растений — микориза («грибокорень»). Такой союз выгоден обоим партнёрам: гриб получает готовые органические вещества из растения, а растение более эффективно поглощает питательные вещества из почвы.

  Значение грибов.

Грибы-паразиты вызывают такие заболевания растений, как головня, спорынья, ржавчина, мучнистая роса. Размножающиеся спорами грибы распространяются очень быстро и наносят большой ущерб сельскому хозяйству. Для лесного хозяйства вреден гриб трутовик, вызывающий повреждения и гибель деревьев. Ряд грибов-паразитов вызывает заболевания человека (микозы, стригущий лишай, парша).

Грибы-сапрофиты играют важную роль в круговороте веществ в природе, минерализуя органические остатки отмерших растений и животных. Вместе со многими бактериями они являются редуцентами.

9.4. ЛИШАЙНИКИ

Строение лишайников. Лишайники насчитывают более 20 тыс. видов. Это симбиотические организмы, образованные грибом и водорослью (рис. 9.5). При этом лишайники представляют собой морфологически и физиологически целостный организм. Тело лишайника состоит из переплетённых гиф гриба, между которыми располагаются водоросли (зелёные или сине-зелёные). Водоросли осуществляют синтез органических веществ, а грибы поглощают воду и минеральные соли. В зависимости от строения тела (слоевища) различают три группы лишайников (табл. 9.9). Рост лишайников осуществляется крайне медленно — всего по несколько миллиметров в год.

Строение лишайника

Рис. 9.5. Строение лишайника: А — общий вид кустистого лишайника; Б — разрез через слоевище; 1 — клетки зелёной водоросли; 2 — гифы гриба

Таблица 9.9. Классификация лишайников по строению

Классификация лишайников по строению

Размножение лишайников осуществляется либо половым путём (за счёт грибного компонента), либо бесполым (образование спор или отламывание кусочков слоевища).

Значение лишайников. Благодаря своей двойственной природе лишайники очень выносливы. Это объясняется возможностью как автотрофного, так и гетеротрофного питания, а также способностью впадать в состояние анабиоза, при котором организм сильно обезвоживается. В таком состоянии лишайники могут переносить действие различных неблагоприятных факторов среды (сильный перегрев или переохлаждение, практически полное отсутствие влаги т. п.).

Биологические особенности позволяют лишайникам заселять самые неблагоприятные местообитания. Они часто являются пионерами заселения того или иного участка суши, разрушают горные породы и формируют первичный почвенный слой, который затем осваивают другие организмы.

В то же время лишайники очень чувствительны к загрязнению среды различными химическими веществами, что позволяет использовать их в качестве биоиндикаторов состояния окружающей среды (лихеноиндикация).

Лишайники используют для получения лекарственных препаратов, лакмуса, дубильных и красящих веществ. Ягель (олений мох) является основным кормом для северных оленей. Некоторые народности употребляют лишайники в пищу. Поскольку рост лишайников очень медленный, необходимы меры по их охране: регулирование выпаса оленей, упорядоченное передвижение автотранспорта и др.

 


 

ВСЕ РАЗДЕЛЫ СПРАВОЧНИКА

Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
9. Вирусы, бактерии, грибы, лишайники

Воздействие человека на биосферуВоздействие человека на биосферу

Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
Раздел 8. Экология и учение о биосфере. Глава 8.5. Воздействие человека на биосферу.

ВСЕ РАЗДЕЛЫ СПРАВОЧНИКА

 8.5. Воздействие человека на биосферу

8.5.1. Важнейшие экологические проблемы современности

Загрязнение окружающей среды. Загрязнение — привнесение в окружающую среду или возникновение в ней новых (обычно не характерных для неё) вредных химических, физических, биологических агентов. Загрязнение может возникать в результате естественных причин (природных) или под влиянием деятельности человека (антропогенное загрязнение).

Загрязнение окружающей среды может быть физическим (тепловое, радиоактивное, шумовое, электромагнитное, световое и др.), химическим (тяжёлые металлы, пестициды, синтетические поверхностно активные вещества — СПАВ, пластмассы, аэрозоли, детергенты и др.) и биологическим (патогенные микроорганизмы и др.).

Помимо влияния на круговорот веществ, человек оказывает воздействие на энергетические процессы в биосфере. Наиболее опасным здесь является тепловое загрязнение биосферы, связанное с использованием ядерной и термоядерной энергии. Кроме вещественного и энергетического загрязнения, начинает подниматься вопрос об информационном загрязнении окружающей человека среды.

Парниковый эффект и глобальное потепление климата. Парниковый (тепличный, оранжерейный) эффект — разогрев нижних слоёв атмосферы вследствие способности атмосферы пропускать коротковолновую солнечную радиацию, но задерживать длинноволновое тепловое излучение земной поверхности (рис. 8.23). Водяной пар задерживает около 60 % теплового излучения Земли, углекислый газ — до 18 %. При отсутствии атмосферы средняя температура земной поверхности была бы -23 °С, а в действительности она составляет +15 °С.

Парниковому эффекту способствует поступление в атмосферу антропогенных примесей (диоксида углерода, метана, фреонов, оксида азота и др.). За последние 50 лет содержание углекислого газа в атмосфере возросло с 0,027 до 0,036 %. Это привело к повышению среднегодовой температуры на планете на 0,6 °С. Существуют модели изменения климата, согласно которым, если температура приземного слоя атмосферы поднимется ещё на 0,6 — 0,7 °С, произойдёт интенсивное таяние ледников Антарктиды и Гренландии, что приведёт к повышению уровня воды в океанах и затоплению до 5 млн км2 низменных, наиболее густо заселённых равнин.

Механизм формирования парникового эффекта

Рис. 8.23. Механизм формирования парникового эффекта

Отрицательные для человечества последствия парникового эффекта заключаются в повышении уровня Мирового океана в результате таяния материковых и морских льдов, теплового расширения океана и т. п. Это приведёт к затоплению приморских равнин, усилению абразионных процессов, ухудшению водоснабжения приморских городов, деградации мангровой растительности и т. п. Увеличение сезонного протаивания грунтов в районах с вечной мерзлотой создаст угрозу дорогам, строениям, коммуникациям, активизирует процессы заболачивания, термокарста и т.д.

Положительные для человечества последствия парникового эффекта связаны с улучшением состояния лесных экосистем и сельского хозяйства. Повышение температуры приведёт к увеличению испарения с поверхности океана, это вызовет возрастание влажности климата, что особенно важно для аридных (сухих) зон. Повышение концентрации углекислого газа увеличит интенсивность фотосинтеза, а значит, продуктивность диких и культурных растений.

Разрушение озонового слоя. Озоновый слой (озоносфера) — слой атмосферы с наибольшей концентрацией озона (О3) на высоте 20 — 25 (22 — 24) км. Содержащееся в озоновом слое количество озона невелико: в приземных условиях атмосферы (при давлении 760 мм и температуре +20 °С) он образовал бы слой толщиной всего 3 мм. В атмосфере озон образуется из кислорода под действием ультрафиолетового излучения (рис. 8.24).

Образование озона

Рис. 8.24. Образование озона

 

«Озоновая дыра» — значительное пространство в озоносфере планеты с заметно пониженным (до 50 % и более) содержанием озона. Считается, что основной причиной возникновения «озоновых дыр» является значительное содержание в атмосфере фреонов. Фреоны (хлорфторуглероды) — высоколетучие, химически инертные у земной поверхности вещества, широко применяемые в производстве и быту в качестве хладоагентов (в холодильниках, кондиционерах, рефрижераторах), пенообразователей и распылителей (аэрозольные упаковки). Фреоны, поднимаясь в верхние слои атмосферы, подвергаются фотохимическому разложению с образованием окиси хлора, интенсивно разрушающей озон.

Истощение озонового слоя в атмосфере Земли приводит к увеличению потока ультрафиолетовых лучей на земную поверхность. Ультрафиолетовые лучи в небольших дозах необходимы живым организмам (стимуляция роста и развития клеток, бактерицидное действие, синтез витамина D и т.д.), в больших дозах губительны из-за способности вызывать раковые заболевания и мутации.

Кислотные дожди. Кислотный дождь — дождь или снег, подкисленные до pH < 5,6 из-за растворения в атмосферной влаге антропогенных выбросов (оксиды серы, оксиды азота, хлороводород, сероводород и др.). Отрицательное воздействие кислотных дождей па растительность проявляется как в прямом биоцидном воздействии на растительность, так и в косвенном через снижение pH почв. Выпадение кислотных дождей приводит к ухудшению состояния и гибели целых лесных массивов, а также снижению урожайности многих сельскохозяйственных культур. Кроме того, отрицательное воздействие кислотных дождей проявляется в закислении пресноводных водоёмов. Снижение pH воды вызывает сокращение запасов промысловой рыбы, деградацию многих видов организмов и всей водной экосистемы, а иногда и полную биологическую гибель водоёма. Негативные последствия кислотных дождей зафиксированы в Канаде, США, Европе, России, Украине, Беларуси и других странах.

Эвтрофикация вод. Эвтрофикация (эвтрофирование) вод — повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления биогенных элементов (азота, фосфора, калия и др.) под воздействием естественных и антропогенных факторов. Негативным последствием эвтрофикации является ухудшение физико-химических условий среды обитания рыб и других гидробионтов за счёт массового развития фитопланктона, снижения содержания кислорода в воде, разложения отмерших организмов и токсичности продуктов их распада. Антропогенная эвтрофикация связана с поступлением в водоёмы значительного количества биогенных веществ — азота, фосфора и других элементов в виде удобрений, моющих веществ, отходов животноводства, атмосферных аэрозолей и т. д. Процессам антропогенной эвтрофикации подвержены многие крупные озёра (Великие Американские озёра, Балатон, Ладожское, Женевское и др.), водохранилища, речные экосистемы, в первую очередь малые реки.

Смог. Смог — ядовитая смесь дыма, тумана и пыли. Различают два типа смога: лондонский и лос-анджелесский. Лондонский (зимний) смог образуется зимой в крупных промышленных центрах при неблагоприятных погодных условиях: отсутствии ветра и температурной инверсии. Температурная инверсия проявляется в повышении температуры воздуха с высотой (в слое 300-400 м) вместо обычного понижения. В результате дым и загрязняющие вещества (пыль, оксиды серы и углерода) не могут подняться вверх и рассеяться, а образуют туманную завесу. Лос-анджелесский (летний, фотохимический) смог возникает летом также при отсутствии ветра и температурной инверсии, но обязательно в солнечную погоду. Он образуется при воздействии солнечной радиации на оксиды азота и углеводороды, поступающие в воздух в составе выхлопных газов автомобилей и выбросов предприятий. В результате образуются высокотоксичные загрязнители — фотооксиданты, состоящие из озона, органических пероксидов, пероксида водорода, альдегидов и т. д. Смог вызывает обострение респираторных заболеваний, раздражение глаз, ухудшение физического состояния и т. д. вплоть до летального исхода. В 1952 г. в Лондоне от смога за две недели погибло более 4000 человек, ещё 8000 человек погибло в последующие несколько месяцев. Рассеять смог может только ветер, а бороться с ним можно путём сокращения выбросов загрязнителей в атмосферу.

Деградация почв. Деградация почвы — ухудшение качества почвы в результате снижения плодородия. К явлениям деградации почв относятся дегумификация почв (потеря почвами гумуса); промышленная эрозия почв (отчуждение почв городами, посёлками, дорогами, линиями электропередач и связи, трубопроводами, карьерами, водохранилищами, свалками и т.д.); водная и воздушная эрозия (дефляция) почв (разрушение верхних слоёв почвы под действием воды и ветра); вторичное засоление почв (результат неправильного орошения минерализованными или пресными водами); затопление, разрушение и засоление почв водами водохранилищ (затопление пойменных и надпойменных террас; подъём уровня грунтовых вод и подтопление почв; абразия берегов и засоление дельт); промышленное, сельскохозяйственное, радиоактивное загрязнение почв и др.

Деградация растительного покрова. К деградации растительного покрова ведут следующие антропогенные факторы: прямое уничтожение в ходе использования (рубка лесов, выкашивание, сбор с различными целями, стравливание домашними животными), при создании водохранилищ, в ходе открытых разработок ископаемых, при пожарах, в процессе распашки новых угодий; ухудшение условий жизни растений при орошении, осушении, засолении почв, изменении гидрологии водоёмов, загрязнении среды токсичными химическими веществами и элементами, заносе вредных организмов (возбудителей болезней, конкурентов) и др. Среди редких высших растений России — водяной орех, альдрованда, железное дерево, шёлковая акация, дуб каштанолистный, самшит гирканский, туранга, фисташка, тис, падуб и др.

Деградация животного мира. К сокращению или уничтожению видов животных ведут следующие антропогенные факторы: прямое уничтожение в результате промысла животных, добываемых ради меха, мяса, жира и пр., при применении химических веществ для борьбы с вредителями сельского хозяйства (при этом часто гибнут не только вредители, но и полезные для человека животные); ухудшение условий жизни животных в результате вырубки лесов, распашки степей, осушения болот, сооружения плотин, строительства городов, загрязнения атмосферы, воды, почвы и т. д. К числу вымерших животных относятся тур, тарпан, морская (стеллерова) корова, бескрылая гагарка, очковый (стеллеров) баклан, голубая лошадиная антилопа, зебра кваггу, нелетающий голубь дронт и др.

8.5.2. Охрана природы и рациональное природопользование

Ухудшение состояния окружающей природной среды в процессе взаимодействия человеческого общества и природы вызывает необходимость рационализации природопользования и охраны природы.

Рациональное природопользование — хозяйственная деятельность человека, обеспечивающая экономное использование природных ресурсов и условий, их охрану и воспроизводство с учётом не только настоящих, но и будущих интересов общества.

Охрана природы (окружающей природной среды) — система мероприятий по оптимизации взаимоотношений человеческого общества п природы. В природоохранной деятельности различают охрану атмосферы, вод, недр, почв, растительности, животного мира.

Экологический кризис и экологическая катастрофа. Несбалансированные взаимоотношения общества и природы, то есть нерациональное природопользование, часто приводят к экологическому кризису и даже экологической катастрофе. При этом кризис — обратимое явление, в котором человек выступает активно действующей стороной, катастрофа — необратимое явление, здесь человек уже лишь пассивная, страдающая сторона. Экологический кризис и экологическая катастрофа в зависимости от масштаба могут быть локальными, региональными и глобальными.

Коэволюция общества и природы. Для предотвращения глобальной экологической катастрофы взаимоотношения человеческого общества и природы должны перестроиться в направлении их коэволюции. Коэволюция общества и природы подразумевает их совместную, взаимосвязанную эволюцию. Однако эволюция в природе идёт более медленно, чем социальная и научно-техническая эволюция общества, поэтому природа не успевает приспосабливаться к антропогенным изменениям. Общество должно сознательно ограничить своё воздействие на природу, чтобы сохранить возможность дальнейшей коэволюции. Такое совместное развитие общества и природы, обеспечивающее коэволюцию, называется устойчивым.

Особо охраняемые природные территории (ООПТ) — территории или акватории, в пределах которых запрещено их хозяйственное использование, и естественное состояние которых поддерживается в целях сохранения экологического равновесия, а также в научных, учебно-просветительных, культурно-эстетических целях.

В зависимости от строгости охраны различают: государственные природные заповедники (в том числе биосферные), национальные парки, природные парки, государственные природные заказники, памятники природы, дендрологические парки и ботанические сады.

Мониторинг окружающей среды (экологический мониторинг) — система наблюдения, оценки и прогнозирования состояния окружающей человека природной среды. Конечная цель экологического мониторинга — оптимизация отношений человека с природой, экологическая ориентация хозяйственной деятельности. Выделяют разные виды экологического мониторинга (табл. 8.25).

Таблица 8.25. Виды экологического мониторинга

Виды экологического мониторинга

Экологизация сознания. На рубеже II и III тысячелетий н. э. в мышлении человека и его практической деятельности происходит смена парадигмы — экономические приоритеты заменяются экологическими. Господствовавший вплоть до конца XX столетия экономический императив всё чаще заменяется экологическим. Именно оттого, сможет ли человечество в ближайшее время добиться разумного сочетания экономических и экологических интересов, зависит его будущее.

Тип экологического сознания отражает существующие на данный момент представления о взаимоотношениях человека и природы и определяет поведение людей при их взаимодействии с природой. Можно выделить два основных типа экологического сознания: антропоцентризм и экоцентризм (табл. 8.26).

Таблица 8.26. Типы экологического сознания

Типы экологического сознания

В настоящее время единственный способ не допустить перерастания глобального экологического кризиса в катастрофу— это переход от антропоцентрического типа общественного сознания к эксцентрическому.

 


 

ВСЕ РАЗДЕЛЫ СПРАВОЧНИКА

Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
8.5. Воздействие человека на биосферу

Учение о биосфереУчение о биосфере

Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
Раздел 8. Экология и учение о биосфере. Глава 8.4. Учение о биосфере.

ВСЕ РАЗДЕЛЫ СПРАВОЧНИКА

 8.4. Учение о биосфере

8.4.1. Геосферы Земли

Возраст планеты Земля составляет около 4,6 млрд лет. В течение этого времени на Земле происходили процессы превращения и перемещения материи, в результате чего земной шар расчленился на ряд оболочек, или геологических сфер (геосфер). Выделяют различные сферы Земли:

  • Атмосфера (греч. atmos — пар) — воздушная оболочка Земли.
  • Гидросфера (греч. hydor — вода) — водная оболочка Земли.
  • Литосфера (греч. lithos — камень) — твёрдая оболочка земного шара.
  • Биосфера (греч. bios — жизнь) — оболочка Земли, преобразованная живыми организмами.
  • Ноосфера (греч. noos — разум) — оболочка Земли, преобразованная деятельностью человека.

Слои Земли имеют разный химический состав, что объясняют дифференциацией первичного вещества планеты. В ходе формирования планеты более тяжёлые элементы (железо, никель и др.) «тонули» и образовали ядро, а относительно лёгкие (кремний, алюминий и др.) «всплывали» и сформировали земную кору. Одновременно из расплава выделялись газы, образовавшие атмосферу, и пары воды, которые сформировали гидросферу. В результате на Земле сложились условия, благоприятные для развития жизни. Живые организмы сформировали особую оболочку — биосферу. С возникновением человека биосфера вступает в новую стадию развития — ноосферу.

8.4.2. Структура биосферы

Биосфера (от греч. bios — жизнь и sphaira — шар) — оболочка Земли, состав, структура и свойства которой в той или иной степени определяются настоящей или прошлой деятельностью живых организмов.

Термин биосфера впервые применил Э. Зюсс (1875), понимавший её как тонкую плёнку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую лик Земли. Однако заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит В. И. Вернадскому, так как именно он развил представление о живом веществе как огромной геологической (биогеохимической) силе, преобразующей свою среду обитания.

Границы биосферы. Биосфера имеет определённые границы. Она занимает нижнюю часть атмосферы, верхние слои литосферы и всю гидросферу. Границы биосферы в большой степени условны. Обычно считают, что верхняя граница биосферы находится на высоте 22-24 км от поверхности Земли, где образуется озоновый экран. Здесь свободный кислород под влиянием солнечной радиации превращается в озон (О, -> 03), который образует экран и отражает губительные для живых организмов космические излучения и частично ультрафиолетовые лучи. Нижняя граница биосферы проходит по литосфере на глубине 3—4 км, а по гидросфере — по дну Мирового океана, местами на глубине свыше И км. Более широкое распространение живых организмов ограничено лимитирующими факторами. Так, проникновению вверх препятствует космическое излучение, а проникновению вглубь — высокая температура земных недр.

Вещество биосферы. В. И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил в биосфере ряд типов веществ (табл. 8.23).

Таблица 8.23. Типы веществ биосферы

Типы веществ биосферы

Распределение жизни в биосфере. Масса живого вещества составляет лишь 0,01 % от массы всей биосферы. Тем не менее живое вещество биосферы — это главнейший её компонент.

Важнейшим свойством живого вещества является способность к воспроизводству и распространению по планете. Живое вещество распространено в биосфере неравномерно: пространства, густо заселённые организмами, чередуются с менее заселёнными территориями.

Наибольшая концентрация жизни в биосфере наблюдается на границах соприкосновения земных оболочек: атмосферы и литосферы (поверхность суши), атмосферы и гидросферы (поверхность океана), гидросферы и литосферы (дно океана), и особенно на границе трёх оболочек — атмосферы, литосферы и гидросферы (прибрежные зоны). Эти места наибольшей концентрации жизни В. И. Вернадский назвал «плёнками жизни». Вверх и вниз от этих поверхностей концентрация живой материи уменьшается.

В настоящее время по видовому составу на Земле животные (более 2,0 млн видов) преобладают над растениями (0,5 млн). В то же время запасы фитомассы составляют 99% запасов живой биомассы Земли. Биомасса суши в 1000 раз превышает биомассу океана. На суше биомасса и количество видов организмов в целом увеличиваются от полюсов к экватору.

8.4.3. Функции живого вещества

Живое вещество обеспечивает биогеохимический круговорот веществ и превращение энергии в биосфере. Выделяют следующие основные геохимические функции живого вещества (табл. 8.24).

Таблица 8.24. Геохимические функции живого вещества

Геохимические функции живого вещества

8.4.4. Круговорот веществ и поток энергии в биосфере

Биосфера — открытая система. Её существование невозможно без поступления энергии извне. Основная доля приходится на энергию Солнца. В отличие от количества солнечной энергии, количество атомов вещества на Земле ограничено. Круговорот веществ обеспечивает неисчерпаемость отдельных атомов химических элементов. При отсутствии круговорота за короткое время был бы исчерпан, например, основной «строительный материал» живого — углерод.

Биосфера Земли характеризуется определённым образом сложившимся круговоротом веществ и потоком энергии. Круговорот веществ — многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли. Круговорот веществ осуществляется при непрерывном потоке солнечной энергии.

В зависимости от движущей силы, с определённой долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить геологический, биологический и антропогенный круговороты. До возникновения человека на Земле осуществлялись только первые два.

Геологический круговорот — круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы. Геологический круговорот веществ осуществляется без участия живых организмов.

Биологический круговорот — круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. С появлением человека возник антропогенный круговорот, или обмен, веществ.

Антропогенный круговорот (обмен) — круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нём можно выделить две составляющие: биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма, и техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей (техногенный круговорот (обмен)).

В отличие от геологического и биологического круговоротов веществ, антропогенный круговорот веществ в большинстве случаев является незамкнутым. Поэтому часто говорят не об антропогенном круговороте, а об антропогенном обмене веществ. Незамкнутость антропогенного круговорота веществ приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды. Именно они и являются основной причиной всех экологических проблем человечества.

Рассмотрим круговороты наиболее значимых для живых организмов веществ и элементов (рис. 8.19-8.22).

Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу относится к большому геологическому круговороту. Вода испаряется с поверхности Мирового океана и либо переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стоков, либо выпадает в виде осадков на поверхность океана. В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды. Круговорот воды в целом играет

основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учётом транспирации воды растениями и поглощения её в биогеохимическом цикле весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн лет.

Круговорот воды в биосфере

Рис. 8.19. Круговорот воды в биосфере

 

Круговорот углерода. Продуценты улавливают углекислый газ из атмосферы и переводят его в органические вещества, консументы поглощают углерод в виде органических веществ с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуценты минерализуют органические вещества и возвращают углерод в атмосферу в виде углекислого газа. В Мировом океане круговорот углерода усложнён тем, что часть углерода, содержащегося в мёртвых организмах, опускается на дно и накапливается в осадочных породах. Эта часть углерода выключается из биологического круговорота и поступает в геологический круговорот веществ.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода (сжигание угля, нефти, газа, дегумификация) приводит к возрастанию содержания СО2 в атмосфере и развитию парникового эффекта.

Круговорот углерода в биосфере

Рис. 8.20. Круговорот углерода в биосфере

 

Скорость круговорота СО2, то есть время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.

Круговорот кислорода. Главным образом круговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. В основном свободный кислород (02) поступает в атмосферу в результате фотосинтеза зелёных растений, а потребляется в процессе дыхания животными, растениями и микроорганизмами и при минерализации органических остатков. Незначительное количество кислорода образуется из воды и озона под воздействием ультрафиолетовой радиации. Большое количество кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при извержении вулканов и т.д. Основная доля кислорода продуцируется растениями суши — почти 3/4, остальная часть — фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Скорость круговорота — около 2 тыс. лет.

Установлено, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23 % кислорода, который образуется в процессе фотосинтеза, и эта цифра постоянно возрастает.

Круговорот кислорода в биосфере

Рис.8.21. Круговорот кислорода в биосфере

 

Круговорот азота. Запас азота (N2) в атмосфере огромен — 78 % от её объёма. Однако растения поглощать свободный азот не могут, только в связанной форме, в основном в виде NH4+ или NО3. Свободный азот из атмосферы связывают азотфиксирующие бактерии и переводят его в доступные растениям формы. В растениях азот закрепляется в органическом веществе (в белках, нуклеиновых кислотах и пр.) и передаётся по цепям питания. После отмирания живых организмов редуценты минерализуют органические вещества и превращают их в аммонийные соединения, нитраты, нитриты, а также в свободный азот, который возвращается в атмосферу.

Нитраты и нитриты хорошо растворимы в воде и могут мигрировать в подземные воды и растения и передаваться по пищевым цепям. Если их количество излишне велико (такое часто наблюдается при неправильном применении азотных удобрений), то происходит загрязнение вод и продуктов питания, что вызывает заболевания человека.

Круговорот азота в биосфере

Рис.8.22. Круговорот азота в биосфере

 

8.4.5. Биологическое разнообразие

Биосфера — система, характеризующаяся большим разнообразием. Это свойство обусловлено следующими причинами: разными средами жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной); разнообразием природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим, почвенным, биотическим и другим свойствам; наличием регионов, различающихся по химическому составу (геохимические провинции); биологическим разнообразием живых организмов.

В настоящее время описано более 2,5 млн видов. Однако реальное число видов на Земле в несколько раз больше, чем описано.

Не учтены многие насекомые и микроорганизмы, особенно в тропических лесах, глубинных частях океанов и в других малоосвоенных местообитаниях. Кроме того, современный видовой состав — это лишь небольшая часть видового разнообразия, которое принимало участие в процессах биосферы за период её существования. Каждый вид имеет определённую продолжительность жизни (10—30 млн лет), поэтому число видов, принимавших участие в эволюции биосферы, исчисляется сотнями миллионов. Считается, что к настоящему времени арену биосферы оставили более 95 % видов.

Разнообразие обеспечивает возможность дублирования, подстраховки, замены одних звеньев другими, степень сложности и прочности пищевых и других связей. Поэтому разнообразие рассматривают как основное условие устойчивости любой экосистемы и биосферы ев целом.

К сожалению, практически вся без исключения деятельность человека подчинена упрощению экосистем любого ранга. Сюда следует отнести и уничтожение отдельных видов или резкое уменьшение их численности, и создание агроценозов на месте сложных природных систем. Например, полностью исчезли с лица земли степи как тип экосистем и ландшафтов, резко уменьшились площади лесов (до появления человека они занимали примерно 70% суши, а сейчас — не более 20%). Идёт дальнейшее, невиданное по масштабам уничтожение лесных экосистем, особенно наиболее ценных и сложных тропических, спрямление русел рек, создание промышленных районов и т. п.

Простые экосистемы с малым разнообразием удобны для эксплуатации, они позволяют в короткое время получить значительный объём нужной продукции (например, с сельскохозяйственных полей), но за это приходится рассчитываться снижением устойчивости экосистем, их распадом и деградацией среды.

8.4.6. Ноосфера

Качественно новый этап развития биосферы наступил в современную эпоху, когда деятельность человека, преобразующая поверхность Земли, по своим масштабам стала соизмеримой с геологическими процессами. Как отмечал В. И. Вернадский, биогеохимическая роль человека за последнее столетие стала значительно превосходить роль других, даже наиболее активных в биогеохимическом отношении организмов. При этом использование природных ресурсов происходит без учёта закономерностей развития и механизмов функционирования биосферы. В результате хозяйственной деятельности из биотического круговорота изымаются или существенно преобразуются большие территории (сведение и насаждение лесов, осушение болот, строительство городов, дорог, плотин, распашка целинных земель, создание водохранилищ и т.д.). Добыча полезных ископаемых, сжигание огромного количества топлива, создание новых, не существовавших ранее в биосфере веществ интенсифицируют круговорот веществ, изменяют состав и структуру слагающих его компонентов. Антропогенные воздействия на биосферу, принявшие глобальный характер (на Земле не осталось ни одного участка суши или моря, где нельзя было бы обнаружить следов деятельности человека), ставят под угрозу устойчивость биосферы.

В 1944 г. В. И. Вернадский развил представление о переходе биосферы в ноосферу, то есть в такое её состояние, когда развитие биосферы будет управляться разумом человека. Сам термин ноосфера предложен Э. Леруа (1927) и П. Тейяром де Шарденом (1930).

Ноосфера — сфера разума, высшая стадия развития биосферы, когда разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором её развития.

По убеждению В. И. Вернадского, биосфера вступает в новую стадию своего развития — стадию ноосферы. На этой стадии человек разумный выступает как геохимическая сила невиданного масштаба. Особенность этой силы — её разумность.

Кроме термина ноосфера, часто употребляют такие термины, как антропосфера, техносфера и др.

Антропосфера — сфера Земли, где живёт и куда временно проникает (с помощью спутников и т.п.) человечество. Термин антропосфера употребляют для характеристики пространственного положения человечества и его хозяйственной деятельности.

Техносфера — часть биосферы (со временем, по-видимому, вся биосфера), преобразованная технической деятельностью человека. Термин техносфера используют, когда хотят подчеркнуть вещественную сторону отношений «человек — природа», а также то, что на настоящем этапе хозяйственная деятельность людей не настолько разумна, чтобы говорить о ноосфере.

Надо отметить, что единства в терминологии по данному вопросу нет. Термин ноосфера является самым общим, а другие используют, когда хотят акцентировать тот или иной аспект.

Можно выделить ряд основных признаков превращения биосферы в ноосферу:

  1. Возрастание количества механически извлекаемого материала земной коры (рост разработки месторождений полезных ископаемых). Геохимическая деятельность человека становится сравнимой по масштабам с биологическими и геологическими процессами. В геологическом круговороте резко возрастает звено денудации.
  2. Массовое потребление (сжигание) продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох (нефти, газа, каменного угля и пр.). Следствием является усиление парникового эффекта и глобальное потепление климата.
  3. Рассеивание энергии, в отличие от её накопления в биосфере до по -явления человека. Основным следствием является энергетическое загрязнение биосферы.
  4. Образование в больших количествах веществ, ранее в биосфере отсутствовавших (чистые металлы, пластмассы и др.). В результате наблюдается химическое загрязнение биосферы — её металлизация, загрязнение промышленными и другими отходами и т. д.
  5. Создание, хотя и в ничтожно малых количествах, трансурановых химических элементов (плутония и др.). Освоение ядерной энергии за счёт деления тяжёлых ядер и (в обозримом будущем) термоядерной энергии за счёт синтеза лёгких ядер. Возникает опасность теплового загрязнения биосферы и загрязнения радиоактивными отходами ядерной энергетики.
  6. Расширение границ ноосферы за пределы Земли в связи с научно-техническим прогрессом. Возникновение космонавтики обеспечило выход человека за пределы родной планеты. Ноосфера в будущем займёт большее пространство, чем биосфера до появления человека. Создаётся принципиальная возможность организации искусственных биосфер на других планетах.

 


 

ВСЕ РАЗДЕЛЫ СПРАВОЧНИКА

Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
8.4. Учение о биосфере

Экология сообществ и экосистемЭкология сообществ и экосистем

Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
Раздел 8. Экология и учение о биосфере. Глава 8.3. Экология сообществ и экосистем.

ВСЕ РАЗДЕЛЫ СПРАВОЧНИКА

 8.3. Экология сообществ и экосистем

8.3.1. Понятие биоценоза, биогеоценоза, экосистемы

Живые организмы находятся между собой и абиотическими условиями среды обитания в определённых отношениях, образуя тем самым так называемые экологические системы.

Биоценоз — совокупность популяций разных видов, обитающих на определённой территории. Растительный компонент биоценоза называется фитоценозом, животный — зооценозом, микробный — микробоценозом. Ведущим компонентом в биоценозе является фитоценоз. Он определяет, каким будет зооценоз и микробоценоз.

Биотоп — определённая территория со свойственными ей абиотическими факторами среды обитания (климат, почва).

Биогеоценоз — совокупность биоценоза и биотопа (рис. 8.12).

Структура биогеоценоза

Рис. 8.12. Структура биогеоценоза

 

Экосистема — система живых организмов и окружающих их неорганических тел, связанных между собой потоком энергии и круговоротом веществ (рис. 8.13).

Термин экосистема был предложен английским учёным А. Тенсли (1935), а термин биогеоценоз — российским учёным В.Н. Сукачёвым (1942). «Экосистема» и «биогеоценоз» — понятия близкие, но не синонимы. Биогеоценоз — это экосистема в границах фитоценоза. Экосистема — понятие более общее. Каждый биогеоценоз — это экосистема, но не каждая экосистема — биогеоценоз. Единая экосистема нашей планеты называется биосферой. Биосфера — экосистема высшего порядка.

Функциональная схема экосистемы

Рис. 8.13. Функциональная схема экосистемы

 

8.3.2. Типы взаимоотношений между организмами

Существуют различные классификации взаимоотношений организмов.

Таблица 8.16. Классификация взаимоотношений организмов

Классификация взаимоотношений организмов

Воздействие одного вида на другой может быть положительным, отрицательным и нейтральным. При этом возможны разные комбинации типов воздействия (табл. 8.17, рис. 8.14—8.22).

Таблица 8.17. Типы отношений между организмами

Типы отношений между организмами

Примечание. (0) — существенное взаимодействие между популяциями отсутствует; (+) — благоприятное действие на рост, выживание или другие характеристики популяции; (-) — ингибирующее действие на рост или другие характеристики популяции. Типы 2-4 можно считать положительными взаимодействиями, 7-8 — отрицательными взаимодействиями, а типы 5 и 6 можно отнести к обеим группам.

 

В современной экологии часто используют понятие эксплуатация, которое включает отношения видов в пищевых цепях: растительноядность (фитофагию), хищничество и паразитизм. Либо все три случая называют хищничеством.

В ходе эволюции и развития экосистем существует тенденция к уменьшению роли отрицательных взаимодействий за счёт положительных, увеличивающих выживание обоих видов. Поэтому в зрелых экосистемах доля сильных отрицательных взаимодействий меньше, чем в молодых.

Протокооперация: рак-отшельник и актиния

Рис. 8.14. Протокооперация: рак-отшельник и актиния

 

8.3.3. Структура и функционирование экосистем

  Структура биоценоза.

Различают видовую, пространственную и экологическую структуры биоценоза.

Видовая структура — число видов, образующих данный биоценоз, и соотношение их численности или массы. То есть видовая структура биоценоза определяется видовым разнообразием и количественным соотношением числа видов или их массы между собой.

Пространственная структура — распределение организмов раз-пых видов в пространстве (по вертикали и по горизонтали). Пространственная структура образуется прежде всего растительной частью биоценоза. Различают ярусность (вертикальная структура биоценоза) и мозаичность (структура биоценоза по горизонтали).

Экологическая структура — соотношение организмов разных экологических групп. Биоценозы со сходной экологической структурой могут иметь разный видовой состав. Это связано с тем, что одни м те же экологические ниши могут быть заняты сходными по экологии, но далеко не родственными видами. Такие виды называются замещающими, или викарирующими.

Любая популяция занимает определённое местообитание и определённую экологическую нишу. Местообитание — это территория, занимаемая популяцией, с комплексом присущих ей экологических факторов. Экологическая ниша — место популяции в природе, включающее не только положение вида в пространстве, но и его функциональную роль в сообществе (например, трофический статус) и его положение относительно абиотических условий существования (температуры, влажности и т. п.). Местообитание — это как бы «адрес» организма, а экологическая ниша — это его «профессия».

  Функциональные группы организмов в экосистеме.

Как правило, и любой экосистеме можно выделить три функциональные группы организмов: продуценты, консументы и редуценты (табл. 8.18).

Таблица 8.18. Функциональные группы организмов в экосистеме

Группа Характеристика Организмы
Продуценты Автотрофные организмы, способные производить органические вещества из неорганических, используя фотосинтез или хемосинтез Растения и автотрофные бактерии
Консументы Гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов Животные, гетеротрофные растения, некоторые микроорганизмы
Редуценты Гетеротрофные организмы, питающиеся органическими остатками и разлагающие их до минеральных веществ Сапротрофные бактерии и грибы

  Пищевые цепи и сети.

Питаясь друг другом, живые организмы образуют цепи питания. Цепь питания — последовательность организмов, по которой передаётся энергия, заключённая в пище, от её первоначального источника. Каждое звено цепи называется трофическим уровнем (табл. 8.19). В пищевой цепи редко бывает больше 4—5 трофических уровней.

Таблица 8.19. Трофические уровни в цепи питания

Уровень Группа организмов Организмы
Первый Продуценты Автотрофные организмы, преимущественно — зелёные растения
Второй Консументы первого порядка Растительноядные животные
Третий Консументы второго порядка Первичные хищники, питающиеся растительноядными животными
Четвёртый Консументы третьего порядка Вторичные хищники, питающиеся плотоядными животными
Последний Редуценты Сапротрофные бактерии и грибы, осуществляющие минерализацию — превращение органических остатков в неорганические вещества

Различают два типа пищевых цепей (рис. 8.15, табл. 8.20).

Y-образная модель потока энергии, показывающая связь между пастбищной и детритной пищевыми цепями

Рис. 8.15. Y-образная модель потока энергии, показывающая связь между пастбищной и детритной пищевыми цепями

 

Таблица 8.20. Типы пищевых цепей

Типы пищевых цепей

Таким образом, поток энергии, проходящий через экосистему, разбивается как бы на два основных направления. Энергия к консументам поступает через живые ткани растений или через запасы мёртвого органического вещества. Цепи выедания преобладают в водных экосистемах, цепи разложения — в экосистемах суши.

В сообществах пищевые цепи сложным образом переплетаются и образуют пищевые сети. В состав пищи каждого вида входит обычно не один, а несколько видов, каждый из которых, в свою очередь, может служить пищей нескольким видам. С одной стороны, каждый трофический уровень представлен многими популяциями разных видов, с другой — многие популяции принадлежат сразу к нескольким трофическим уровням. В результате благодаря сложности пищевых связей выпадение какого-то одного вида часто не нарушает равновесия в экосистеме (рис. 8.16),

Функциональное замещение видов в экосистеме

Рис. 8.16. Функциональное замещение видов в экосистеме: А — исходная структура трофических цепей; Б — структура после выпадения одного из видов

 

  Поток энергии и круговорот веществ в экосистеме.

В экосистеме органические вещества синтезируются автотрофами из неорганических веществ. Затем они потребляются гетеротрофами. Выделенные в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов (как автотрофов, таки гетеротрофов) органические вещества подвергаются минерализации, то есть превращению в неорганические вещества. Эти неорганические вещества могут быть вновь использованы автотрофами для синтеза органических веществ. Так осуществляется биологический круговорот веществ.

В то же время энергия не может циркулировать в пределах экосистемы. Поток энергии (передача энергии), заключённой в пище, в экосистеме осуществляется однонаправленно от автотрофов к гетеротрофам.

При передаче энергии с одного трофического уровня на другой большая часть энергии рассеивается в виде тепла (в соответствии со вторым законом термодинамики) и только около 10 % от первоначального количества передаётся по пищевой цепи.

В результате пищевые цепи можно представить в виде экологических пирамид. Различают три основных типа экологических пирамид (рис. 8.17).

Пирамиды чисел (а), биомасс (б) и энергии (в), представляющие упрощённую экосистему

Рис. 8.17. Пирамиды чисел (а), биомасс (б) и энергии (в), представляющие упрощённую экосистему: люцерна — телята — мальчик 12 лет

 

Пирамида чисел (а) показывает, что если бы мальчик питался в течение одного года только телятиной, то для этого ему потребовалось бы 4,5 телёнка, л для пропитания телят необходимо засеять поле в 4 га люцерной, что составит 2 х 107 растений. В пирамиде биомасс (б) число особей заменено их биомассой. В пирамиде энергии (в) учтена солнечная энергия. Люцерна использует 0,24% солнечной энергии. Для накопления продукции телятами в течение года используется 8 % энергии, аккумулированной люцерной. На развитие и рост ребёнка в течение года используется 0,7 % энергии, аккумулированной телятами. В результате чуть более одной миллионной доли солнечной энергии, падающей на поле в 4 га, используется для пропитания ребёнка в течение одного года.

Пирамида чисел (пирамида Элтона) отражает уменьшение численности организмов от продуцентов к консументам.

Пирамида биомасс показывает изменение биомасс на каждом следующем трофическом уровне: для наземных экосистем пирамида биомасс сужается кверху, для экосистемы океана имеет перевёрнутый характер, что связано с быстрым потреблением фитопланктона консументами.

Пирамида энергии (продукции) имеет универсальный характер и отражает уменьшение количества энергии, содержащейся в продукции, создаваемой на каждом следующем трофическом уровне.

8.3.4. Биологическая продуктивность экосистем

Прирост биомассы в экосистеме, созданной за единицу времени, называется биологической продукцией (продуктивностью). Различают первичную и вторичную продукцию сообщества.

Первичная продукция — биомасса, созданная за единицу времени продуцентами. Она делится на валовую и чистую. Валовая первичная продукция (общая ассимиляция) — это общая биомасса, созданная растениями в ходе фотосинтеза. Часть её расходуется на поддержание жизнедеятельности растений — траты на дыхание (40—70%). Оставшаяся часть составляет чистую первичную продукцию (чистая ассимиляция), которая в дальнейшем используется консументами и редуцентами или накапливается в экосистеме.

Вторичная продукция — биомасса, созданная за единицу времени консументами. Она различна для каждого следующего трофического уровня.

Масса организмов определённой группы (продуцентов, консументов, редуцентов) или сообщества в целом называется биомассой. Самой высокой биомассой и продуктивностью обладают тропические дождевые леса, самой низкой — пустыни и тундры.

Если в экосистеме скорость прироста растений (образования первичной продукции) выше темпов переработки её консументами и редуцентами, то это ведёт к увеличению биомассы продуцентов. Если при этом присутствует недостаточная утилизация продуктов опада в цепях разложения, то происходит накопление мёртвого органического вещества. Это ведёт к заторфовыванию болот, образованию мощной лесной подстилки и т. п. В стабильных экосистемах биомасса остаётся постоянной, так как практически вся продукция расходуется в цепях питания.

8.3.5. Динамика экосистем

Изменения в сообществах могут быть циклическими и поступательными.

Циклические изменения — периодические изменения в биоценозе (суточные, сезонные, многолетние), при которых биоценоз возвращается к исходному состоянию.

Поступательные изменения — изменения в биоценозе, в конечном счёте приводящие к смене этого сообщества другим. Сукцессия — последовательная необратимая и закономерная смена одного биоценоза (экосистемы) другим(-ой) в результате влияния природных факторов (как внешних, так и внутренних) или воздействия человека (рис. 8.18). Последовательность сообществ, сменяющих друг друга в сукцессии, называется сукцессионным рядом, или серией. Каждая предыдущая стадия (сообщество) формирует условия для развития последующего сообщества. К сукцессиям относятся опустынивание степей, зарастание озёр и образование болот и др. (табл. 8.21).

Сукцессия пихтово-кедровой тайги после опустошительного лесного пожара

Рис. 8.18. Сукцессия пихтово-кедровой тайги после опустошительного лесного пожара: числа в прямоугольниках — колебания в длительности прохождения фаз сукцессии (в скобках указан срок их окончания)

 

Таблица 8.21. Типы сукцессий

Типы сукцессий

В своём развитии экосистема стремится к устойчивому состоянию. Сукцессионные изменения происходят до тех пор, пока не сформируется стабильная экосистема, производящая максимальную биомассу на единицу энергетического потока. Сообщество, находящееся в равновесии с окружающей средой, называется климаксным.

8.3.6. Природные и антропогенные экосистемы

Классификация экосистем. Существуют различные классификации экосистем: по источнику энергии, участию человека, размерам и т.д. (табл. 8.22).

Таблица 8.22. Классификация экосистем
по источнику энергии и участию человека

Классификация экосистем по источнику энергии и участию человека

Природные экосистемы. В зависимости от природных и климатических условий можно выделить три группы и ряд типов природных экосистем (биомов). В основе классификации для наземных экосистем лежит тип естественной (исходной) растительности, для водных экосистем — гидрологические и физические особенности.

Наземные экосистемы:

  1. Тундра: арктическая и альпийская.
  2. Бореальные хвойные леса.
  3. Листопадный лес умеренной зоны.
  4. Степь умеренной зоны.
  5. Тропические злаковники и саванна.
  6. Чапараль (районы с дождливой зимой и засушливым летом).
  7. Пустыня: травянистая и кустарниковая.
  8. Полувечнозелёный тропический лес (районы с выраженными влажным и сухим сезонами).
  9. Вечнозелёный тропический дождевой лес.

Пресноводные экосистемы:

  • Лентические (стоячие воды): озёра, пруды, водохранилища и др.
  • Лотические (текучие воды): реки, ручьи, родники и др.
  • Заболоченные угодья: болота, болотистые леса, марши (приморские луга).

Морские экосистемы:

  1. Открытый океан (пелагическая экосистема).
  2. Воды континентального шельфа (прибрежные воды).
  3. Районы апвеллинга (плодородные районы с продуктивным рыболовством).
  4. Эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек, лиманы, солёные марши и др.).
  5. Глубоководные рифтовые зоны.

Помимо основных типов природных экосистем (биомов), различают переходные типы — экотоны. Например, лесотундра, смешанные леса умеренной зоны, лесостепь, полупустыни и др.

Антропогенные экосистемы. Агроэкосистемы (сельскохозяйственные экосистемы, агроценозы) — искусственные экосистемы, возникающие в результате сельскохозяйственной деятельности человека (пашни, сенокосы, пастбища). Агроэкосистемы создаются человеком для получения высокой чистой продукции автотрофов (урожая). В них, так же как в естественных сообществах, имеются продуценты (культурные растения и сорняки), консументы (насекомые, птицы, мыши и т, д.) и редуценты (сапротрофные грибы и бактерии). Обязательным звеном пищевых цепей в агроэкосистемах является человек.

Отличия агроценозов от естественных биоценозов:

  • незначительное видовое разнообразие (агроценоз состоит из небольшого числа видов, имеющих высокую численность);
  • короткие цепи питания;
  • неполный круговорот веществ (часть питательных элементов выносится с урожаем);
  • источником энергии является не только Солнце, но и деятельность человека (мелиорация, орошение, применение удобрений);
  • искусственный отбор (действие естественного отбора ослаблено, отбор осуществляет человек);
  • отсутствие саморегуляции (регуляцию осуществляет человек) и др.

Таким образом, агроценозы являются неустойчивыми системами и способны существовать только при поддержке человека.

Урбосистемы (урбанистические системы) — искусственные системы (экосистемы), возникающие в результате развития городов, и представляющие собой средоточие населения, жилых зданий, промышленных, бытовых, культурных объектов и т.д.


 

ВСЕ РАЗДЕЛЫ СПРАВОЧНИКА

Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
8.3. Экология сообществ и экосистем

Экология популяцийЭкология популяций

Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
Раздел 8. Экология и учение о биосфере. Глава 8.2. Экология популяций.

ВСЕ РАЗДЕЛЫ СПРАВОЧНИКА

 8.2. Экология популяций

8.2.1. Понятие популяции

Вид — совокупность особей, обладающих наследственным сходством морфологических, физиологических и биохимических особенностей, способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства, приспособленных к определённым условиям жизни и занимающих в природе определённую область (ареал). Виды часто занимают большой ареал, в пределах которого особи распределены неравномерно, группами — популяциями. Целостность вида поддерживается связями между популяциями.

Популяция — совокупность особей одного вида, которая длительно существует в определённой части ареала относительно обособленно от других совокупностей того же вида. Контакты между особями одной популяции чаще, чем между особями разных популяций. Например, уровень панмиксии (свободного скрещивания) внутри популяции выше, чем между особями разных популяций. Таким образом, популяция является структурной единицей вида.

Пространство, на котором популяция (или вид в целом) встречается в течение всей своей жизнедеятельности, называется ареалом — областью распространения. Ареал может быть сплошным или разорванным (дизъюнктивным), если между его частями возникают различные преграды (водные, орографические и др.), пространства, не заселённые представителями данного вида. Выделяют различные центры ареалов: геометрический центр; центр возникновения вида и пределах ареала; центр обилия — часть ареала, на которой сосредоточено наибольшее количество особей.

В зависимости от величины ареала и характера распространения различают космополитов, убиквистов, эндемиков (табл. 8.11).

Таблица 8.11. Классификация организмов
по величине ареала и характеру распространения

Классификация организмов по величине ареала и характеру распространения

В отношении животных также различают трофический и репродуктивный ареалы, между которыми существует связь в виде путей пролёта для птиц или путей миграции для некоторых млекопитающих и рыб.

8.2.2. Статические и динамические показатели популяции

Популяции, будучи групповыми объединениями, обладают рядом специфических свойств, которые не присущи каждой отдельной особи: численность, плотность, рождаемость, смертность, скорость роста и др. Кроме того, популяции свойственна определённая организация: половая, возрастная, генетическая, пространственно-этологическая и другие структуры.

Количественные показатели (характеристики) популяции можно разделить на статические и динамические. Статические показатели характеризуют состояние популяции на данный момент времени. Основные из них: численность, плотность, а также показатели структуры. Динамические показатели популяции отражают процессы, протекающие в популяции за определённый промежуток времени. Основные из них: рождаемость, смертность, скорость роста популяции.

   Статические показатели популяции

Численность — число особей в популяции. Численность популяции может значительно изменяться во времени. Она зависит от биологического потенциала вида и внешних условий.

Плотность — число особей или биомасса популяции, приходящаяся на единицу площади или объёма.

Структурная организация популяции — соотношение групп особей по полу, возрасту, размеру, генотипу, распределение особей по территории и т.д. Выделяют различные структуры популяции: половую, возрастную, размерную, генетическую, пространственно-этологическую и др. Структура популяции формируется, с одной стороны, ни основе общих биологических свойств вида, с другой — под влиянием факторов среды, то есть имеет приспособительный характер.

Половая структура (половой состав) — соотношение особей мужского и женского пола в популяции. Половая структура свойственна только популяциям раздельнополых организмов. Теоретически соотношение полов должно быть одинаковым: 50 % от обшей численности должны составлять мужские особи, а 50% — женские особи. Фактическое соотношение полов зависит от действия различных факторов среды, генетических и физиологических особенностей пища.

Различают первичное, вторичное и третичное соотношения. Первичное соотношение — соотношение, наблюдаемое при формировании половых клеток (гамет). Обычно оно равно 1:1. Такое соотношение обусловлено генетическим механизмом определения пола. Вторичное соотношение — соотношение, наблюдаемое при рождении. Третичное соотношение — соотношение, наблюдаемое у взрослых половозрелых особей.

У человека во вторичном соотношении преобладают мальчики, в третичном — женщины: на 100 девочек рождается 106 мальчиков, к 16-18 годам из-за повышенной мужской смертности это соотношение выравнивается и к 50 годам составляет 85 мужчин на 100 женщин, а к 80 годам — 50 мужчин на 100 женщин.

У некоторых рыб (р. Пецилия) различают три типа половых хромосом: Y, X и W. Из них Y-хромосома несёт гены мужского пола, Х- и W-хромосомы — гены женского пола, но разной степени мощности». Если генотип особи имеет вид YY, то развиваются самцы, если XY — самки, если же WY, то в зависимости от условий среды развиваются половые признаки самца или самки.

В популяциях меченосцев соотношение полов зависит от значения pH среды. При рН=6,2 количество самцов в потомстве составляет 87-100%, а при рН=7,8 — от 0 до 15%.

Возрастная структура (возрастной состав) — соотношение в популяции особей разных возрастных групп. Возрастной состав определяется рядом свойств и особенностей вида: время достижения половой зрелости, продолжительность жизни, длительность периода размножения, смертность и др.

В зависимости от способности особей к размножению различают три группы: предрепродуктивную (особи, ещё не способные размножаться), репродуктивную (особи, способные размножаться) и пострепродуктивную (особи, уже не способные размножаться).

Возрастную структуру популяции иллюстрируют при помощи возрастных пирамид (рис. 8.7). В зависимости от соотношения в популяции количества особей разных возрастных групп различают три основных типа популяций: растущие, стабильные и сокращающиеся популяции.

Типы популяций в зависимости от соотношения в них количества особей разных возрастных групп

Рис. 8.7. Типы популяций в зависимости от соотношения в них количества особей разных возрастных групп: 1 — растущая; 2 — стабильная; 3 — сокращающаяся (различная штриховка — разные возрастные группы)

 

Пространственно-этологическая структура — характер распределения особей в пределах ареала. Она зависит от особенностей окружающей среды и этологии (особенностей поведения) вида.

Различают три основных типа распределения особей в пространстве: равномерное, неравномерное и случайное (табл. 8.12, рис. 8.8).

Таблица 8.12. Типы распределения особей в пространстве

Типы распределения особей в пространстве

Основные типы распределения особей в пространстве

Рис. 8.8. Основные типы распределения особей в пространстве: а — равномерное; б — групповое; в — случайное

 

По типу использования пространства все подвижные животные подразделяются на оседлых и кочевых. Оседлый образ жизни имеет ряд биологических преимуществ, таких как свободная ориентация на знакомой территории при поиске пищи или укрытия, возможность создать запасы пищи (белка, полевая мышь). К его недостаткам относится истощение пищевых ресурсов при излишне высокой плотности популяции.

По форме совместного существования животных выделяют одиночный образ жизни, семейный, колониями, стаями, стадами.

   Динамические показатели популяции

Рождаемость (скорость рождаемости) — число новых особей, появившихся в популяции за единицу времени в результате размножения.

Смертность (скорость смертности) — число особей, погибших в популяции за единицу времени (от хищников, болезней, старости и других причин). Смертность — величина, обратная рождаемости.

Скорость роста популяции — изменение численности популяции в единицу времени. Скорость роста популяции может быть положительной, нулевой и отрицательной. Она зависит от показателей рождаемости, смертности и миграции (вселения — иммиграции и выселения — эмиграции). Увеличение (прибыль) численности происходит в результате рождаемости и иммиграции особей, а уменьшение (убыль) численности — в результате смертности и эмиграции особей.

Скорость роста может быть выражена в виде кривой роста популяции (рис. 8.9). Существуют две основные модели роста популяции: J-образная и S-образная (табл. 8.13).

Кривые роста численности популяций

Рис. 8.9. Кривые роста численности популяций: 1 — J-образная кривая; 2 — S-образная (логистическая) кривая; К — ёмкость среды

Таблица 8.13. Характерные особенности
J- и S-образных моделей роста популяции

Характерные особенности J- и S-образных моделей роста популяции

8.2.3. Экологические стратегии

Выживаемость — абсолютное число особей (или процент от исходного числа особей), сохранившихся в популяции за определённый промежуток времени:

Z = n/N- 100%,

где Z — выживаемость, %; n — число выживших; N — исходная численность популяции.

Выживаемость зависит от возрастного и полового состава популяции, действия тех или иных факторов среды и др. Выживаемость можно выразить в виде кривых выживания. Кривые выживания отражают, как по мере старения снижается численность (побей одного возраста в популяции. Различают три основных типа кривых выживания (табл. 8.14; рис. 8.10).

Кривые выживания

Рис. 8.10. Кривые выживания: I — кривая дрозофилы; II — кривая гидры; III — кривая устрицы

 

Таблица 8.14. Типы кривых выживания

Типы кривых выживания

Комплекс свойств популяции, направленных на повышение вероятности выживания и оставление потомства, называется экологической стратегией выживания. Выделяют два типа экологических стратегий: r-стратегия и К-стратегия (табл. 8.15).

Таблица 8.15. Характерные особенности r- и К-видов

Характерные особенности r- и К-видов

 

8.2.4. Регуляция численности популяции

Гомеостаз популяции — поддержание определённой численности (плотности). Изменение численности зависит от целого ряда факторов среды — абиотических, биотических и антропогенных. Однако всегда можно выделить ключевой фактор, наиболее сильно влияющий на рождаемость, смертность, миграцию особей и т.д.

На рисунке 8.11 показано, как поддерживается гомеостаз популяции, регулируемый доступностью пищевых ресурсов.

Гомеостаз в популяции животных

Рис. 8.11. Гомеостаз в популяции животных, регулируемый доступностью пищевых ресурсов

 

Факторы, регулирующие плотность популяции, делятся на зависимые и независимые от плотности. Зависимые от плотности факторы изменяются вместе с изменением плотности, к ним относятся биотические факторы. Независимые от плотности факторы остаются постоянными с изменением плотности, это абиотические факторы.

Популяции многих видов организмов способны к саморегуляции своей численности. Выделяют три механизма торможения роста численности популяций:

  • при возрастании плотности повышается частота контактов между особями, что вызывает у них стрессовое состояние, уменьшающее рождаемость и повышающее смертность;
  • при возрастании плотности усиливается эмиграция в новые местообитания, краевые зоны, где условия менее благоприятны и смертность увеличивается;
  • при возрастании плотности происходят изменения генетического состава популяции, например, быстро размножающиеся особи заменяются медленно размножающимися.

Понимание механизмов регуляции численности популяций чрезвычайно важно для реализации возможности управления этими процессами. Деятельность человека часто сопровождается сокращением численности популяций многих видов. Причины этого — в чрезмерном истреблении особей, ухудшении условий жизни вследствие загрязнения окружающей среды, беспокойства животных, особенно в период размножения, сокращении ареала и т.д. В природе нет и не может быть «хороших» и «плохих» видов, все они необходимы для её нормального развития. В настоящее время остро стоит вопрос сохранения биологического разнообразия. Сокращение генофонда живой природы может привести к трагическим последствиям. Международный союз охраны природы и природных ресурсов (МСОП) издаёт «Красную книгу», где регистрирует следующие виды: исчезающие, редкие, сокращающиеся, неопределённые. Также там содержится «чёрный список» безвозвратно исчезнувших видов.

В целях сохранения видов человек использует различные способы регулирования численности популяции: правильное ведение охотничьего хозяйства и промыслов (установление сроков и угодий охоты п отлова рыбы), запрещение охоты на некоторые виды животных, регулирование вырубки леса и др.

В то же время деятельность человека создаёт условия для появления новых форм организмов или развития старых видов, к сожалению, часто вредных для человека: болезнетворных микроорганизмов, вредителей сельскохозяйственных культур и т. д.


 

ВСЕ РАЗДЕЛЫ СПРАВОЧНИКА

Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
8.2. Экология популяций

Экология особейЭкология особей

Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
Раздел 8. Экология и учение о биосфере. Глава 8.1. Экология особей.

ВСЕ РАЗДЕЛЫ СПРАВОЧНИКА

 8.1. Экология особей

8.1.1. Среды обитания

Среда обитания (жизни) — это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них определённое воздействие.

На нашей планете живые организмы освоили четыре среды обитания (табл. 8.1):

  • водную;
  • наземно-воздушную;
  • почвенную;
  • организменную.

Первой была освоена водная среда. Затем появились паразиты и симбионты, использующие организменную среду обитания. В дальнейшем, после выхода жизни на сушу, живые организмы населили наземно-воздушную среду, а одновременно с этим создали и заселили почву. Под почвенной средой обитания подразумевают не только собственно почву, но и горные породы поверхностной части литосферы.

Таблица 8.1. Сравнение сред жизни

Сравнение сред жизни

Примечание: ПБП — первичная биологическая продукция; ЭМП — элементы минерального питания.

8.1.2. Экологические факторы

Каждая из сред жизни отличается особенностями воздействия экологических факторов — отдельных элементов среды, которые воздействуют на организмы. Существуют различные классификации экологических факторов (табл. 8.2).

Таблица 8.2. Классификация экологических факторов

Группа

 Характеристика

 Примеры

1. По природе

Абиотические Воздействие компонентов неживой природы Свет, температура, влажность
Биотические Воздействие живых организмов Конкуренция за пищу, нападение хищника

2. По участию человека

Природные Воздействие природных факторов Свет, температура, влажность
Антропогенные  Воздействие человека (в том числе его деятельности) Вырубка леса, охота, загрязнение, разрушение местообитаний

3. По среде возникновения (для абиотических)

Климатические Влияние климатических условий Ветер, атмосферное давление
Геологические Влияние геологических условий Землетрясения, извержения вулканов, движение
ледников, радиоактивное излучение
Орографические, или факторы рельефа Влияние условий рельефа Высота местности над уровнем моря, крутизна местности, экспозиция местности
Эдафические, или почвенно-грунтовые Влияние почвенных условий Гранулометрический состав, химический состав, плотность, структура, pH
Гидрологические Влияние гидрологических условий Течение, солёность, давление

4. По природе (для абиотических)

Физические Влияние физических факторов Температура, давление, плотность
Химические Влияние химических факторов Химический состав, солёность

5. По виду воздействующего организма (для биотических)

Внутривидовые Влияние на организм особей этого же вида Влияние зайца на зайца, сосны на сосну
Межвидовые Влияние на организм особей других видов Влияние волка на зайца, сосны на берёзу

6. По принадлежности к определённому царству (для биотических)

Фитогенные факторы Влияние на организм растений Ель и растения нижнего яруса
Зоогенные факторы Влияние животных Ковыль и травоядные копытные
Микогенные факторы Влияние грибов Берёза и подберёзовик
Микробиогенные факторы Влияние микроорганизмов (вирусов, бактерий, простейших) Человек и вирус гриппа

7. По типу взаимодействия (для биотических)

Нейтрализм Сожительство двух видов на одной территории, не имеющее для них ни положительных, ни отрицательных последствий Белки и лоси
Протокооперация Взаимовыгодное, но не обязательное сосуществование организмов, пользу из которого извлекают оба участника Раки-отшельники и коралловые полипы актинии
Мутуализм Взаимовыгодное сожительство, когда либо один из партнёров, либо оба не могут существовать без сожителя Травоядные копытные и целлюлозоразрушающие бактерии
Комменсализм Взаимоотношения, при которых один из партнёров полу чает пользу от сожительства, а другому присутствие первого безразлично  Крупные хищники и падальщики
Растительноядность Взаимоотношения, при которых один из участников (фитофаг) использует в качестве пищи другого (растение) Зайцы и растения
Хищничество Взаимоотношения, при которых один из участников (хищник) использует в качестве пищи другого (жертва) Волки и зайцы
Паразитизм Взаимоотношения, при которых паразит не убивает своего хозяина, а длительное время использует его как среду обитания и источник пищи Аскарида человеческая и человек
Конкуренция Взаимоотношения, при которых организмы соперничают друг с другом за одни и те же ресурсы внешней среды при недостатке последних Щука и судак
Аллелопатия Взаимоотношения, при которых во внешнюю среду выделяются продукты жизнедеятельности одного организма, отравляя её и делая непригодной для жизни другого Гриб-пеницилл и некоторые сапротрофные бактерии
Аменсализм Взаимоотношения, при которых один организм воздействует на другой и подавляет его жизнедеятельность, а сам не испытывает никаких отрицательных влияний со стороны подавляемого Ель и растения нижнего яруса

8. По характеру воздействия (для антропогенных)

Прямое влияние Оказывают прямое (непосредственное) воздействие на организм Скашивание травы, вырубка леса, отстрел животных, отлов рыбы
Косвенное влияние Оказывают косвенное (опосредованное через другие экологические факторы) воз действие на организм Загрязнение окружающей среды, разрушение местообитаний, беспокойство

9. По последствиям (для антропогенных)

Положительные Улучшают жизнь организмов и увеличивают их численность Разведение и охрана животных, посадка и подкормка растений, охрана окружающей среды
Отрицательные Ухудшают жизнь организмов и снижают их численность Вырубка деревьев, отстрел животных, разрушение местообитаний

10. По изменчивости в пространстве и во времени

Относительно постоянные Относительно постоянны в пространстве и во времени Сила тяготения, солнечная радиация, солёность океана
Очень изменчивые  Очень изменчивы в пространстве и во времени Температура и влажность воздуха, сила ветра

11. По характеру изменения во времени

Регулярно-периодические Меняют свою силу в зависимости от времени суток, сезона года, ритма приливов и отливов Освещённость, температура, длина светового дня
Нерегулярные (непериодические) Не имеют чётко выраженной периодичности Наводнение, ураган, землетрясение, извержение вулкана, нападение хищника
Направленные Действуют на протяжении длительного промежутка времени в одном направлении Похолодание или потепление климата, зарастание водоёма, эрозия почвы

12. По характеру ответной реакции организма на воздействие

Раздражители Вызывают биохимические и физиологические изменения (адаптации) Недостаток кислорода в условиях высокогорья приводит к увеличению содержания гемоглобина в крови животных
Модификаторы Вызывают морфологические и анатомические изменения (адаптации) Недостаток влаги привёл к видоизменению листьев в колючки у кактуса
Ограничители Обусловливают невозможность существования организма в данных условиях и ограничивают ареал его распространения Недостаток воды ограничивает распространение жизни в пустынях
Сигнализаторы Информируют об изменении других факторов Длина светового дня для листопадных растений

13. По расходованию

Ресурсы Потребляются организма ми, то есть их количество в результате взаимодействия с организмом может уменьшаться Пища, вода, солнечная энергия, кислород, углекислый газ
Условия Не потребляются организмами, то есть их количество не уменьшается, но они могут оказывать влияние на организм Температура, влажность, атмосферное давление, гравитационное поле, солёность воды

Действие экологических факторов на организм может быть прямым и косвенным. Косвенное воздействие осуществляется через другие экологические факторы. Например, высокая температура может вызвать ожог (прямое воздействие), а может привести к обезвоживанию организма (косвенное воздействие).

8.1.3. Адаптации

Адаптации — приспособления организмов к среде обитания. Они вырабатываются в процессе эволюции и индивидуального развития организмов. Адаптации развиваются под действием трёх основных факторов: наследственности, изменчивости и естественного (а также искусственного) отбора. Адаптации подразделяют на типы (табл. 8.3).

Таблица 8.3. Типы адаптаций живых организмов

Типы адаптаций живых организмов

Существуют три основных пути приспособления организмов к условиям окружающей среды (табл. 8.4). Обычно приспособление вида к среде осуществляется тем или иным сочетанием всех трёх возможных путей адаптации.

Таблица 8.4. Пути адаптаций живых организмов

Пути адаптаций живых организмов

8.1.4. Закономерности действия экологических факторов

Закон оптимума. Экологические факторы среды имеют количественное выражение. Каждый фактор имеет определённые пределы положительного влияния на организмы (рис. 8.2). Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей.

Зависимость действия экологического фактора от его количества

Рис. 8.2. Зависимость действия экологического фактора от его количества

 

По отношению к каждому фактору можно выделить зону оптимума (зону нормальной жизнедеятельности), зону пессимума (зону угнетения), верхний и нижний пределы выносливости организма.

Зона оптимума — такое количество экологического фактора, при котором интенсивность жизнедеятельности организмов максимальна.

Зона пессимума — такое количество экологического фактора, при котором интенсивность жизнедеятельности организмов угнетена.

Верхний предел выносливости — максимальное количество экологического фактора, при котором возможно существование организма.

Нижний предел выносливости — минимальное количество экологического фактора, при котором возможно существование организма. За пределами выносливости существование организма невозможно.

Значения экологического фактора между верхним и нижним пределами выносливости называются зоной толерантности.

Виды с широкой зоной толерантности называются эврибионтными, с узкой — стенобионтными (рис. 8.3).

Экологическая валентность (пластичность) видов: 1 — эврибионтные; 2 — стенобионтные

Рис. 8.3. Экологическая валентность (пластичность) видов: 1 — эврибионтные; 2 — стенобионтные

 

Организмы, переносящие значительные колебания температуры, называются эвритермными, а приспособленные к узкому интервалу температур — стенотермными. Таким же образом по отношению к давлению различают эври- и стенобатные организмы, по отношению к степени засоления среды — эври- и стеногалинные и т. д.

Явление акклиматизации. Положение оптимума и пределов выносливости может в определённых пределах сдвигаться. Например, человек легче переносит пониженную температуру окружающей среды зимой, чем летом, а повышенную — наоборот. Это явление называется акклиматизацией (или акклимацией). Акклиматизация происходит при смене сезонов года или при попадании на территорию с другим климатом.

Неоднозначность действия фактора на разные функции организма. Одно и то же количество фактора неодинаково влияет на разные функции организма. Оптимум для одних процессов может являться пессимумом для других. Например, у растений максимальная интенсивность фотосинтеза наблюдается при температуре воздуха +25… +35°С, а дыхания +55°С (рис. 8.4).

Схема зависимости фотосинтеза и дыхания растения от температуры

Рис. 8.4. Схема зависимости фотосинтеза и дыхания растения от температуры: tмин, tопт, tмакс — температурный минимум, оптимум и максимум для прироста растений (заштрихованная область)

 

Соответственно, при более низких температурах будет происходить прирост биомассы растений, а при более высоких — потеря биомассы. У холоднокровных животных повышение температуры до +40 °С и более сильно увеличивает скорость обменных процессов в организме, но тормозит двигательную активность, и животные впадают в тепловое оцепенение. У человека семенники вынесены за пределы таза, так как сперматогенез требует более низких температур. Для многих рыб температура воды, оптимальная для созревания гамет, неблагоприятна для икрометания, которое происходит при другой температуре.

Экологическая валентность вида. Экологические валентности отдельных особей не совпадают. Они зависят от наследственных и онтогенетических особенностей отдельных особей: половых, возрастных, морфологических, физиологических и т.д. Поэтому экологическая валентность вида шире экологической валентности каждой отдельной особи. Например, у бабочки мельничной огнёвки — одного из вредителей муки и зерновых продуктов — критическая минимальная температура для гусениц -7 °С, для взрослых форм -22 °С, а для яиц —27 °С. Мороз в —10 °С губит гусениц, но не опасен для имаго и яиц этого вредителя.

Экологический спектр вида. Набор экологических валентностей вида по отношению к разным факторам среды составляет экологический спектр вида. Экологические спектры разных видов отличаются друг от друга. Это позволяет разным видам занимать разные места обитания. Знание экологического спектра вида позволяет успешно проводить интродукцию растений и животных.

Взаимодействие факторов. В природе экологические факторы действуют совместно, то есть комплексно. Зона оптимума и пределы выносливости организмов по отношению к какому-либо фактору среды могут смещаться в зависимости от того, с какой силой и в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Например, высокую температуру труднее переносить при дефиците воды, сильный ветер усиливает действие холода, жару легче переносить в сухом воздухе и т. д. Таким образом, один и тот же фактор в сочетании с другими оказывает неодинаковое экологическое воздействие (рис. 8.5). Соответственно, один и тот же экологический результат может быть получен разными путями. Например, компенсация недостатка влаги может быть осуществлена поливом или снижением температуры. Создаётся эффект частичного взаимозамещения факторов. Однако взаимная компенсация действия факторов среды имеет определённые пределы, и полностью заменить один из них другим нельзя.

Смертность яиц соснового шелкопряда при разных сочетаниях температуры и влажности

Рис. 8.5. Смертность яиц соснового шелкопряда при разных сочетаниях температуры и влажности

 

Таким образом, абсолютное отсутствие какого-либо из обязательных условий жизни заменить другими экологическими факторами невозможно, но недостаток или избыток одних экологических факторов может быть возмещён действием других экологических факторов.

Например, полное (абсолютное) отсутствие воды нельзя компенсировать другими экологическими факторами. Однако если другие экологические факторы находятся в оптимуме, то перенести недостаток воды легче, чем когда и другие факторы находятся в недостатке или избытке.

Закон лимитирующего фактора. Возможности существования организмов в первую очередь ограничивают те факторы среды, которые наиболее удаляются от оптимума. Экологический фактор, количественное значение которого выходит за пределы выносливости вида, называется лимитирующим (ограничивающим) фактором. Такой фактор будет ограничивать существование (распространение) вида даже в том случае, если все остальные факторы будут благоприятными (рис. 8.6).

Лимитирующие факторы определяют географический ареал вида. Например, продвижение вида к полюсам может лимитироваться недостатком тепла, в аридные районы — недостатком влаги или слишком высокими температурами.

Зависимость урожая от лимитирующего фактора

Рис. 8.6. Зависимость урожая от лимитирующего фактора («Бочка Либиха»)

 

Условия жизни и условия существования. Комплекс факторов, под действием которых осуществляются все основные жизненные процессы организмов, включая нормальное развитие и размножение, называется условиями жизни. Условия, в которых размножения не происходит, называются условиями существования.

8.1.5. Характеристика основных экологических факторов

Свет. В спектре солнечного света выделяют области, различные по своему биологическому действию. Ультрафиолетовые лучи в небольших дозах необходимы живым организмам (бактерицидное действие, стимуляция роста и развития клеток, синтез витамина D и т. д.), в больших дозах губительны из-за способности вызывать мутации. Значительная часть ультрафиолетовых лучей отражается озоновым слоем. Видимые лучи — основной источник жизни на Земле, дающий энергию для фотосинтеза. Инфракрасные лучи — основной источник тепловой энергии.

Для растений солнечный свет необходим прежде всего как источник энергии для фотосинтеза. По отношению к условиям освещённости растения подразделяют на экологические группы (табл. 8.5).

Таблица 8.5. Классификация растений по отношению к условиям освещённости

Классификация растений по отношению к условиям освещённости

Для животных свет — это условие ориентации. Животные могут вести дневной, ночной и сумеречный образ жизни.

По отношению к продолжительности дня организмы (в основном растения) делят на короткодневные (обитатели низких широт) и длиннодневные (обитатели умеренных и высоких широт).

Реакция организмов на продолжительность дня называется фотопериодизмом. Это очень важное приспособление, регулирующее сезонные явления у организмов. Изменение длины дня тесно связано с годовым ходом температуры, но в отличие от последней не подвержено случайным колебаниям. Фотопериодизм обусловливает такие сезонные явления, как листопад, перелёты птиц и т. п.

Температура. От температуры окружающей среды зависит температура организмов, а следовательно, скорость всех химических реакций, составляющих обмен веществ. В основном живые организмы способны жить при температуре от 0 до +50 °С, что обусловлено свойствами цитоплазмы клеток. Верхним температурным пределом жизни является + 120…+140°С (близкие к нему значения температуры выдерживают споры, бактерии), нижним —190…273 °С (переносят споры, семена, сперматозоиды).

По отношению к температуре организмы делят на криофилов (обитающих в условиях низких температур) и термофилов (обитающих в условиях высоких температур).

Организмы могут использовать два источника тепловой энергии: внешний (тепловая энергия Солнца или внутреннее тепло Земли) и внутренний (тепло, выделяемое при обмене веществ). В зависимости от того, какой источник преобладает в тепловом балансе, живые организмы делят на пойкилотермных и гомойотермных (табл. 8.6). Если речь идёт только о животных, то их ещё называют холоднокровными и теплокровными соответственно.

Таблица 8.6. Классификация организмов по преобладанию
источника тепла в их тепловом балансе

Классификация организмов по преобладанию источника тепла в их тепловом балансе

У живых организмов различают три механизма терморегуляции (табл. 8.7).

Таблица 8.7. Механизмы терморегуляции

Механизмы терморегуляции

Вода. Вода обеспечивает протекание в организме обмена веществ и нормальное функционирование организма в целом. Одни организмы живут в воде, другие приспособились к постоянному недостатку влаги. Среднее содержание воды в клетках большинства живых организмов составляет около 70 %.

По отношению к воде среди живых организмов выделяют следующие экологические группы: гигрофилы (влаголюбивые), ксерофилы (сухолюбивые) и мезофилы (промежуточная группа).

Из наземных животных к гигрофилам относятся ондатра и бобр, к ксерофилам — суслик и варан, к мезофилам — волк и косуля. Среди растений различают гигрофитов, мезофитов и ксерофитов (табл. 8.8).

Таблица 8.8. Классификация растений по отношению к воде

Классификация растений по отношению к воде

Водные организмы по типу местообитания и образу жизни объединяются в следующие экологические группы (табл. 8.9).

Таблица 8.9. Классификация водных организмов
по типу местообитания и образу жизни

Классификация водных организмов по типу местообитания и образу жизни

8.1.6. Биологические ритмы

Биологические ритмы представляют собой периодически повторяющиеся изменения интенсивности и характера биологических процессов и явлений. Они в той или иной форме присущи всем живым организмам и отмечаются на всех уровнях организации: от внутриклеточных процессов до биосферных. Биологические ритмы наследственно закреплены и являются следствием естественного отбора и адаптации организмов. Ритмы бывают внутрисуточные, суточные, сезонные, годичные, многолетние и многовековые. Биологические ритмы делят на эндогенные и экзогенные (табл. 8.10).

Таблица 8.10. Биологические ритмы

Биологические ритмы


 

ВСЕ РАЗДЕЛЫ СПРАВОЧНИКА

Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
8.1. Экология особей

Происхождение и эволюция человекаПроисхождение и эволюция человека

Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
Раздел 7. Эволюция живых систем. Глава 7.3. Происхождение и эволюция человека.

ВСЕ РАЗДЕЛЫ СПРАВОЧНИКА

 7.3. Происхождение и эволюция человека

   7.3.1. Происхождение человека

К. Линней, основатель первой классификации живых организмов, поместил человека в отряд Приматы вместе с обезьянами и полуобезьянами. Ж. Б. Ламарк, автор первой теории эволюции, предположил, что человек произошёл от древних обезьян, перешедших к прямохождению.

Ч. Дарвин в книге «Происхождение человека и половой отбор» (1871) проанализировал обширные данные сравнительной анатомии, эмбриологии и систематики и распространил на человека основные положения эволюционной теории. В результате он обосновал идею родства человека и человекообразных обезьян, имевших общего предка, т. е. идею происхождения человека от «нижестоящей животной формы».

Человек занимает следующее положение в современной систематике живых организмов: тип Хордовые, подтип Позвоночные, класс Млекопитающие, подкласс Плацентарные, отряд Приматы, семейство Люди, род Человек, вид Человек разумный (табл. 7.11).

Таблица 7.11. Систематика вида Человек разумный

Систематика вида Человек разумный

Таблица 7.12. Рудименты и атавизмы человека

Рудименты и атавизмы человека

Появление атавизмов свидетельствует о том, что гены, ответственные заданный признак, сохраняются в процессе эволюции в генофонде, но их действие при нормальном онтогенезе блокировано. Рудименты встречаются практически у всех особей данного вида, а атавизмы являются отклонением от нормы.

Доказательствами происхождения человека от «нижестоящей животной формы» являются пять групп фактов:

  • 1) общие черты строения человека и животных;
  • 2) сходство эмбрионального развития;
  • 3) наличие у человека рудиментов и атавизмов;
  • 4) сходство человека и человекообразных обезьян;
  • 5) обнаруженные ископаемые предки человека.
рудименты у человека

Рис. 7.22. Рудименты у человека: а — третье веко: 1 — человека, 2 — птицы; б — ушная раковина: 3 — шестимесячного зародыша человека, 4 — взрослого человека, 5 — обезьяны; в — слепая кишка с червеобразным отростком: 6 — человека, 7 — копытного


атавизмы у человека

Рис. 7.23. Атавизмы у человека: а — волосатый человек; б — многососковость у человека; в — хвостатый мальчик

   7.3.2. Эволюция человека

Филогенетическое дерево человека разумного построено ещё только в общих чертах. Основные стадии эволюции человека охарактеризованы в таблице 7.13 и на рисунке 7.24.

Таблица 7.13. Основные этапы эволюции человека

Основные этапы эволюции человека

По современным данным палеонтологии, предшественниками человека являются древние примитивные насекомоядные млекопитающие, давшие начало парапитекам.

Основные этапы эволюции человека

Рис. 7.24. Основные этапы эволюции человека: а — австралопитеки; б — архантропы; в — палеоантропы; г — неоантропы


Парапитеки появились около 35 млн лет тому назад. Это были древесные обезьяны, от которых произошли современные гиббоны, орангутаны и дриопитеки.

Дриопитеки возникли около 18 млн лет назад. Это были полудревесно-полуназемные обезьяны, которые дали начало современным гориллам, шимпанзе и австралопитекам.

Австралопитеки появились около 5 млн лет назад в безлесных степях Африки. Это были высокоразвитые обезьяны, которые передвигались на двух ногах в полувыпрямленном положении. Их рост составлял 120-150 см, масса тела — 20—50 кг, объём мозга — около 600 см3. Освободившимися передними конечностями они могли брать палки, камни, другие предметы и использовать их для охоты и защиты от врагов. Изготовление орудий труда австралопитеками не установлено. Жили группами, употребляли как растительную, так и животную пищу. Австралопитеки, возможно, дали начало человеку умелому. Этот вопрос остаётся дискуссионным.

Человек умелый сформировался 2—3 млн лет назад. Морфологически он мало отличался от австралопитеков, но именно на этой стадии произошло превращение обезьяны в человека, поскольку человек умелый изготовил первые примитивные орудия труда. С этого момента изменились условия существования предков человека, в результате чего преимущества в выживании получили особи с признаками, благоприятствующими прямохождению, способности к трудовой деятельности, совершенствованию верхних конечностей и познавательной активности мозга. Человека умелого считают предком архантропов.

Древнейшие люди (архантропы). К ним относят, в частности, питекантропа и синантропа, принадлежащих к одному виду — Человек прямоходящий. Останки питекантропа были обнаружены в 1891 г. на острове Ява; останки синантропа — в 1927 г. в пещере близ Пекина. Питекантропы и синантропы были более схожи с австралопитеками, чем с современными людьми. Они имели рост до 160 см, объём мозга — 700-1200 см3. Они жили 2 млн — 200 тыс. лет назад, преимущественно в пещерах, и вели стадный образ жизни. Изготавливаемые ими орудия труда были более разнообразны и совершенны, чем у человека умелого. Считают, что у них существовали зачатки речи. Они пользовались огнём, что делало пищу легко усвояемой, защищало от хищников и холода, способствовало расширению ареала.

Древние люди (палеоантропы). К ним относят неандертальцев. Впервые их останки найдены в долине р. Неандерталь в Германии в 1856 г. Неандертальцы были широко расселены в Европе, Африке и Азии в ледниковую эпоху 250—35 тыс. лет назад. Объём их мозга достигал 1400 см3. У них ещё сохранились надбровные валики, относительно низкий лоб, массивная нижняя челюсть с зачатком подбородочного выступа. Они жили в пещерах группами по 50-100 человек, умели добывать и поддерживать огонь, питались растительной и животной пищей, изготавливали разнообразные каменные, костяные и деревянные орудия труда (ножи, скребки, рубила, палки и т. п.). У них существовало разделение труда: мужчины охотились, изготавливали орудия труда, женщины обрабатывали туши животных, собирали съедобные растения.

Современные люди (неоантропы). Неандертальцев сменили люди современного физического типа — кроманьонцы — первые представители вида Человек разумный. Они появились около 50—40 тыс. лет тому назад. Некоторое время палеоантропы и неоантропы существовали совместно, но затем неандертальцы были вытеснены кроманьонцами. Кроманьонцы обладали всеми физическими особенностями ныне живущих людей: высоким ростом (до 180 см), большим объёмом головного мозга (около 1400 см3), высоким лбом, сглаженными надбровными валиками, развитым подбородочным выступом. Последний указывает на развитую членораздельную речь. Кроманьонцы строили жилища, делали одежды из шкур, сшитых костяными иглами, изготавливали изделия из рога, кости, кремня и украшали их резьбой. Кроманьонцы научились шлифовать, сверлить, знали гончарное дело. Они жили родовым обществом, начали приручать животных, заниматься земледелием. У них появились зачатки религии и культуры.

   7.3.3. Факторы антропогенеза

Антропогенез — происхождение человека, становление его как вида. Антропогенез неразрывно связан с социогенезом — формированием общества. Поэтому движущими силами антропогенеза являются не только биологические, но и социальные факторы.

Биологические факторы по Дарвину — это наследственность, изменчивость, борьба за существование и естественный отбор; согласно синтетической теории эволюции — мутационный процесс, популяционные волны, дрейф генов, изоляция, естественный отбор.

Социальные факторы — трудовая деятельность, общественный образ жизни, речь и мышление.

Биологические факторы антропогенеза были вскрыты Ч. Дарвины м и его последователями, социальные факторы — Ф. Энгельсом в работе «Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека» (1876).

Предками человека были древние человекообразные обезьяны, жившие в лесах.» В результате уменьшения площади лесов они перешли к наземному образу жизни. На открытых пространствах они вставали на задние конечности, чтобы лучше обозревать местность. Со временем такое положение тела из случайного перешло в необходимое. Прямохождение привело к высвобождению передних конечностей от функции передвижения. Постепенно они совершенствовались и обеспечили возможность осуществления человеком трудовой деятельности.

Стадный образ жизни, трудовая деятельность, совместная охота и защита от врагов потребовали согласованных действий. Возникла необходимость общения. Неразвитая гортань и ротовой аппарат обезьян в результате наследственной изменчивости и естественного отбора постепенно преобразовались в органы членораздельной речи человека.

Использование огня для согревания позволило человеку расселиться в областях с более холодным климатом. Термическая обработка пищи способствовала её лучшему усвоению. Употребление термически обработанной животной пищи привело к изменению жевательного аппарата, уменьшению лицевого черепа и одновременно к увеличению головного мозга. Изготовление орудий труда, совместный труд и охота привели к развитию головного мозга, мышления и сознания, совершенствованию труда и речи.

Роль биологических и социальных факторов на разных этапах антропогенеза была неодинаковой. На начальных этапах становления человека (древнейшие и древние люди) основную роль играли биологические факторы. Под действием естественного отбора формировались морфологические особенности человека: сложное строение головного мозга и кисти, вертикальное положение тела. В дальнейшем, овладев культурой изготовления орудий труда, воспроизводством пищи, устройством жилищ, человек изолировал себя от неблагоприятных природных факторов настолько, что вышел из-под жёсткого контроля естественного отбора. О снижении роли биологических факторов свидетельствует общность морфологических признаков ископаемых людей современного типа и ныне живущих.

В то же время человек в значительной степени стал зависеть от социальных условий и воспитания. Вне человеческого общества само формирование человека стало невозможным. То есть человек занимает особое положение в природе, являясь одновременно и биологическим, и социальным существом. Дальнейшая эволюция человека, видимо, будет определяться в основном социальными факторами.

Что касается биологических факторов эволюции, то в современном обществе их действие претерпело значительные изменения. Естественный отбор, хотя и замедлил своё действие, идёт на всех стадиях онтогенеза. Но при этом он теряет свою ведущую роль как фактор видообразования и в известной мере выполняет лишь стабилизирующую функцию. Изоляция также теряет своё значение. Наблюдается смешивание генофондов популяций разных регионов, народов, рас. Популяционные волны фактически не оказывают эволюционного действия, поскольку численность человечества не подвержена значительным колебаниям. Мутационный процесс сохранил своё значение. В некоторых районах нашей планеты частота мутаций даже увеличилась из-за загрязнения природы мутагенами. Ослабление действия отбора может привести к накоплению вредных мутаций, ведущих к снижению жизнеспособности особей.

   7.3.4. Расы современного человека

Человеческие расы — это исторически сложившиеся группы людей, объединённые общностью происхождения и сходством некоторых второстепенных морфологических признаков.

Вид Человек разумный (Homo sapiens) в настоящее время разделён на 3 или 5 больших рас. В первом случае это европеоидная (евразийская), монголоидная (азиатско-американская) и австрало-негроидная (экваториальная) расы (рис. 7.25). Во втором — европеоидная, монголоидная, американская, австралоидная и негроидная расы.

Внутри каждой из рас выделяют малые расы или подрасы. Расы появились в результате расселения и географической изоляции, видимо, популяций неоантропов, живших в разных природно-климатических условиях. С формированием социальных взаимоотношений и ослаблением действия биологических факторов темпы эволюции человека как вида резко снизились, и ни одна из рас не достигла видового обособления.

расы человека

Рис. 7.25. Расы человека: а — европеоидная (евразийская); б — монголоидная (азиатско-американская); в — австрало-негроидная (экваториальная)


Различия между расами заключаются в морфологических особенностях (табл. 7.14).

Таблица 7.14. Расы человека

расы человека таблица

Различия между расами, скорее всего, связаны с адаптацией к условиям окружающей среды. Основными факторами расогенеза являются биологические: наследственная изменчивость, естественный отбор и изоляция.

О единстве вида Homo sapiens свидетельствует то, что все расы человека равноценны в биологическом отношении и находятся на одном и том же уровне эволюционного развития. Отличительные признаки рас являются второстепенными и не затрагивают видовых признаков Человека разумного. Представители всех рас в пределах нормы реакции способны к достижению одинаковых высот в развитии культуры и цивилизации. Также о видовом единстве свидетельствуют неограниченные возможности скрещиваний с образованием плодовитого потомства.

Существуют теории расизма и социального дарвинизма (табл. 7.15).

Таблица 7.15. Теории расизма и социального дарвинизма

 

ВСЕ РАЗДЕЛЫ СПРАВОЧНИКА

Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
7.3. Происхождение и эволюция человека

Эволюция органического мираЭволюция органического мира

Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
Раздел 7. Эволюция живых систем. Глава 7.2. Эволюция органического мира.

ВСЕ РАЗДЕЛЫ СПРАВОЧНИКА

 7.2. Эволюция органического мира

7.2.1. Доказательства эволюции органического мира

Доказательства эволюции — свидетельства общности происхождения всех организмов от единых предков, изменяемости видов и возникновения одних видов от других. Доказательства эволюции подразделяют на группы (табл. 7.9).

Таблица 7.9. Доказательства эволюции

Сходство начальных стадий эмбрионального развития позвоночных

Рис. 7.8. Сходство начальных стадий эмбрионального развития позвоночных

 

Примеры вымерших переходных форм

Рис. 7.9. Примеры вымерших переходных форм: а — стегоцефал (переходная форма от рыб к земноводным); б — археоптерикс (переходная форма от пресмыкающихся к птицам); в — звероподобная рептилия (переходная форма от пресмыкающихся к млекопитающим)

 

Филогенетический ряд лошади

Рис. 7.10. Филогенетический ряд лошади: а — эогиппус; б — меригиппус; в — гиппарион; г — современная лошадь

 

Реликтовые формы, живущие в настоящее время

Рис. 7.11. Реликтовые формы, живущие в настоящее время: а — кистепёрая рыба латимерия (потомок переходной формы между рыбами и земноводными); б — гаттерия (потомок переходной формы между земноводными и пресмыкающимися)

 

7.2.2. Происхождение жизни

   Развитие взглядов на происхождение жизни.

С глубокой древности и по сей день человечество ищет ответ на вопрос о происхождении жизни. Ранее считали, что возможно самозарождение жизни из неживой материи. По мнению учёных Средневековья, рыбы могли зарождаться из ила, черви — из почвы, мыши — из грязных тряпок, мухи — из гнилого мяса. В XVII в. итальянский учёный Ф. Реди провёл оригинальный эксперимент: он поместил кусочки мяса в стеклянные сосуды, часть из них он оставил открытыми, а часть прикрыл кисеёй. Личинки мух появились только в открытых сосудах (рис. 7.12).

Эксперимент Ф. Реди

Рис. 7.12. Эксперимент Ф. Реди: а — банки открыты; б — банки закрыты от мух, но пропускают воздух

 

В середине XIX в. французский микробиолог Л. Пастер поместил простерилизованный бульон в колбу с длинным узким горлышком S-образной формы. Бактерии и другие находящиеся в воздухе организмы оседали под действием силы тяжести в нижней изогнутой части горлышка и не достигали бульона, тогда как воздух поступал в саму колбу (рис. 7.13).

Эксперимент Л. Пастера

Рис. 7.13. Эксперимент Л. Пастера: а — кипячение бульона; б — сосуд оставлен на один год; в — микроорганизмов нет; г — удалено S-образное горлышко; д — появление микроорганизмов

 

Эти и другие сходные опыты убедительно показывали, что в современную эпоху живые организмы происходят только от других живых организмов. Невозможность самозарождения жизни из неживого назвали принципом Реди. В результате закономерен вопрос о происхождении первых живых организмов.

   Многообразие подходов к вопросу о происхождении жизни.

По вопросу о происхождении жизни, так же как и по вопросу о сущности жизни, среди учёных нет единого мнения. Существует несколько подходов к решению вопроса о происхождении жизни, которые тесно переплетаются между собой. Классифицировать их можно следующим образом.

  1. По принципу: идея, разум первичны, а материя вторична (идеалистические гипотезы) или материя первична, а идея, разум вторичны (материалистические гипотезы).
  2. По принципу: жизнь существовала всегда и будет существовать вечно (гипотезы стационарного состояния) или жизнь возникает на определённом этапе развития мира.
  3. По принципу: живое только от живого (гипотезы биогенеза) или возможно самозарождение живого из неживого (гипотезы абиогенеза).
  4. По принципу: возникла жизнь на Земле или была занесена из космоса (гипотезы панспермии).

Рассмотрим наиболее значимые из гипотез.

Креационизм. Согласно этой гипотезе, жизнь была создана Творцом. Творец — это Бог, Идея, Высший разум и т. п.

Гипотеза стационарного состояния. Жизнь, как и сама Вселенная, существовала всегда и будет существовать вечно, ибо не имеющее начала не имеет и конца. Вместе с тем существование отдельных тел и образований (звёзд, планет, организмов) ограничено во времени, они возникают, рождаются и погибают. В настоящее время эта гипотеза имеет в основном историческое значение, так как общепризнанной теорией образования Вселенной является «теория Большого взрыва», согласно которой Вселенная существует ограниченное время, она образовалась из одной точки около 15 млрд лет назад.

Гипотеза панспермии. Жизнь на Землю была занесена из космоса и прижилась здесь после того, как на Земле сложились благоприятные для этого условия. Это предположение высказал немецкий учёный I Рихтер в 1865 г., а окончательно сформулировал шведский учёный С. Аррениус в 1895 г. С метеоритами и космической пылью на Землю могли попасть споры бактерий, которые в значительной степени устойчивы к радиации, вакууму, низким температурам. Решение вопроса о том, как возникла жизнь в космосе, в силу объективных трудностей его решения отодвигается на неопределённое время. Она могла быть создана Творцом, существовать всегда или возникнуть из неживой материи. В последнее время среди учёных появляется всё больше сторонников гипотезы панспермии.

Гипотеза абиогенеза (самозарождения живого из неживого и последующей биохимической эволюции). Жизнь зародилась на Земле из неживой материи.

В 1924 г. русский биохимик А. И. Опарин, а позднее в 1929 г. английский учёный Дж. Холдейн высказали предположение, что живое возникло на Земле из неживой материи в результате химической эволюции — сложных химических преобразований молекул. Этому событию благоприятствовали сложившиеся в то время на Земле условия.

Согласно этой гипотезе в процессе становления жизни можно выделить 4 этапа: 1) синтез низкомолекулярных органических соединений из газов первичной атмосферы; 2) полимеризация мономеров с образованием цепей белков и нуклеиновых кислот; 3) образование фазовообособленных систем органических веществ, отделённых от внешней среды мембранами; 4) возникновение простейших клеток, обладающих свойствами живого, в том числе репродуктивным аппаратом, осуществляющим передачу дочерним клеткам всех химических и метаболических свойств родительских клеток. Первые три этапа относят к периоду химической эволюции, с четвёртого начинается биологическая эволюция.

Представления о возможности химической эволюции вещества подтверждены рядом модельных экспериментов. В 1953 г. американский химик С. Миллер и физик Г. Юри в лабораторных условиях имитировали состав первичной атмосферы Земли, состоявшей из метана, аммиака и паров воды, и, воздействуя на неё искровым разрядом, получили простые органические вещества — аминокислоты глицин, аланин и др. (рис. 7.14). Тем самым была доказана принципиальная возможность абиогенного синтеза органических соединений (но не живых организмов) из неорганических веществ.

Аппарат Миллера

Рис. 7.14. Аппарат Миллера

 

Таким образом, органические вещества могли создаваться в первичном океане из простых неорганических соединений. В результате накопления в океане органических веществ образовался так называемый первичный бульон. Затем, объединяясь, белки и другие органические молекулы образовали капли коацерватов, которые служили прообразом клеток. Капли коацерватов подвергались естественному отбору и эволюционировали. Первые организмы были гетеротрофными. По мере исчерпания запасов первичного бульона возникли автотрофы.

Следует отметить, что с точки зрения теории вероятности вероятность синтеза сверхсложных биомолекул при условии случайных соединений их составных частей крайне низка.

   В.И. Вернадский о происхождении и сущности жизни и биосферы.

В. И. Вернадский изложил свои взгляды на происхождение жизни в следующих тезисах:

  1. Начала жизни в том космосе, который мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала этого космоса. Жизнь вечна, поскольку вечен космос, и всегда передавалась путём биогенеза.
  2. Жизнь, извечно присущая Вселенной, явилась новой на Земле, её зародыши приносились извне постоянно, но укрепились на Земле лишь при благоприятных для этого возможностях.
  3. Жизнь на Земле была всегда. Время существования планеты — это лишь время существования на ней жизни. Жизнь геологически (планетарно) вечна. Возраст планеты неопределим.
  4. Жизнь никогда не была чем-то случайным, ютящимся в каких-то отдельных оазисах. Она была распространена всюду, и всегда живое вещество существовало в образе биосферы.
  5. Древнейшие формы жизни — прокариоты — способны выполнять все функции в биосфере. Значит, возможна биосфера, состоящая из одних прокариот. Вероятно, что такова она и была в прошлом.
  6. Живое вещество не могло произойти от косного. Между этими двумя состояниями материи нет никаких промежуточных ступеней. Напротив, в результате воздействия жизни происходила эволюция земной коры.

Рис. 7.15. Филогенез основных групп организмов

Таким образом, необходимо признать, что к настоящему времени ни одна из существующих гипотез о происхождении жизни прямыми доказательствами не располагает, у современной науки нет однозначного ответа на вопрос о происхождении жизни.

7.2.3. Краткая история эволюции органического мира

Возраст Земли около 4,6 млрд лет. Жизнь на Земле возникла в океане более 3,5 млрд лет назад.

Краткая история развития органического мира представлена в таблицах ниже. Филогенез основных групп организмов отражён на рисунке 7.15. Органический мир былых эпох воссоздан на рисунках 7.16— 7.21.

Историю развития жизни на Земле изучают по ископаемым останкам организмов или следам их жизнедеятельности. Они встречаются в горных породах разного возраста.

Геохронологическая шкала истории Земли разделена на эры и периоды. Выделяют следующие эры: архей — эра древнейшей жизни, протерозой — эра первичной жизни, палеозой — эра древней жизни, мезозой — эра средней жизни, кайнозой — эра новой жизни. Названия периодов образованы либо от названий местностей, где впервые были найдены соответствующие отложения (город Пермь, графство Девон), либо от происходивших в то время процессов (в угольный период — карбон — происходила закладка отложений каменного угля, в меловой — мела и т.д.).

   Архейская эра

Архейская эра — эра древнейшей жизни: 3500 (3800) — 2600 млн лет назад.

Первые живые организмы на Земле появились по разным данным 3,8—3,2 млрд лет назад. Это были прокариотические гетеротрофные анаэробы (доядерные, питающиеся готовыми органическими веществами, не нуждающиеся в кислороде). Они жили в первичном океане п питались растворёнными в его воде органическими веществами, созданными абиогенно из неорганических веществ под действием энергии ультрафиолетовых лучей Солнца и грозовых разрядов.

Атмосфера Земли состояла преимущественно из СО2, СО, Н2, N2, водяных паров, небольших количеств NH3, H2S, СН4 и почти не содержала свободного кислорода О2. Отсутствие свободного кислорода обеспечило возможность накопления в океане абиогенно созданных органических веществ, в противном случае они сразу же расщеплялись бы кислородом.

Первые гетеротрофы осуществляли окисление органических веществ анаэробно — без участия кислорода, путём брожения. При брожении органические вещества расщепляются не полностью и энергии образуется немного. По этой причине эволюция на ранних этапах развития жизни шла очень медленно.

С течением времени гетеротрофы сильно размножились, и им стало не хватать абиогенно созданного органического вещества. Тогда возникли автотрофные прокариотические анаэробы. Они могли синтезировать органические вещества из неорганических самостоятельно сначала посредством хемосинтеза, а затем — фотосинтеза.

Первый фотосинтез был анаэробным и не сопровождался выделением кислорода:

Затем появился аэробный фотосинтез:

Аэробный фотосинтез был характерен для существ, похожих на современные цианобактерии.

Выделяющийся при фотосинтезе свободный кислород стал окислять растворённые в воде океана двухвалентное железо, соединения серы и марганца. Эти вещества превращались в нерастворимые формы и оседали на дне океана, где образовали залежи железных, серных и марганцевых руд, которые в настоящее время использует человек.

Окисление растворённых в океане веществ происходило в течение сотен миллионов лет, и только когда их запасы в океане были исчерпаны, кислород стал накапливаться в воде и диффундировать в атмосферу.

Необходимо отметить, что обязательным условием накопления в океане и атмосфере кислорода было погребение некоторой части синтезированного организмами органического вещества на дне океана. В противном случае, если бы вся органика расщеплялась с участием кислорода, его излишков не оставалось бы и кислород не смог бы накапливаться. Неразложившиеся тела организмов оседали на дне океана, где образовали залежи ископаемого топлива — нефти и газа.

Накопление в океане свободного кислорода сделало возможным появление аэробов (и автотрофных, и гетеротрофных). Это произошло, когда концентрация О2 в атмосфере достигла 1 % от современного уровня (а он равен 21 %).

При аэробном окислении (дыхании) органические вещества расщепляются до конечных продуктов — СО2 и Н2О, и образуется в 18 раз больше энергии, чем при бескислородном окислении (брожении):

Поскольку при аэробных процессах стало выделяться намного больше энергии, эволюция организмов значительно ускорилась. В результате симбиоза различных прокариотических клеток появились первые эукариоты (ядерные).

В результате эволюции эукариот возник половой процесс — обмен организмов генетическим материалом — ДНК. Благодаря половому процессу эволюция пошла ещё быстрее, поскольку к мутационной изменчивости добавилась комбинативная.

Сначала эукариоты были одноклеточными, а затем появились первые многоклеточные организмы. Переход к многоклеточности у растений, животных и грибов осуществился независимо друг от друга.

Многоклеточные организмы получили ряд преимуществ по сравнению с одноклеточными:

  • большую длительность онтогенеза, так как в ходе индивидуального развития организма происходит замещение одних клеток другими;
  • большее количество потомства, поскольку для размножения организм может выделить больше клеток;
  • большие размеры и разнообразное строение тела, что обеспечивает большую устойчивость к внешним факторам среды за счёт стабильности внутренней среды организма.

У учёных нет единого мнения по вопросу о том, когда возникли половой процесс и многоклеточность — в архейскую или протерозойскую эру.

   Протерозойская эра

Протерозойская эра — эра первичной жизни: 2600—570 млн лет назад.

Появление многоклеточных ещё более ускорило эволюцию, и за относительно короткий период (в геологическом масштабе времени) появились различные виды живых организмов, приспособленные к разным условиям существования. Новые формы жизни занимали и формировали всё новые экологические ниши в разных областях и глубинах океана. В породах возрастом 580 млн лет уже имеются отпечатки существ с твёрдыми скелетами, и поэтому изучать эволюцию с этого периода гораздо легче. Твёрдые скелеты служат опорой для тел организмов и способствуют увеличению их размеров.

К концу протерозойской эры (570 млн лет назад) сложилась система «продуценты — консументы» и сформировался кислородно-углеродный биогеохимический круговорот веществ.

   Палеозойская эра

Палеозойская эра — эра древней жизни, 570—240 млн лет назад.

В первый период палеозойской эры — кембрийский (570-505 млн лет назад) — произошёл так называемый эволюционный взрыв: за короткое время образовались почти все известные в настоящее время типы животных. Всё предшествующее этому периоду эволюционное время получило название докембрий, или криптозой («эра скрытой жизни»), — это 7/8 истории Земли. Время после кембрия назвали фанерозоем («эрой явной жизни»).

Так как кислорода образовывалось всё больше, атмосфера постепенно приобретала окислительные свойства. Когда концентрация О2 в атмосфере достигла 10% от современного уровня (на границе силура и девона), на высоте 20—25 км в атмосфере начал образовываться озоновый слой. Он формируется из молекул О2 под действием энергии ультрафиолетовых лучей Солнца:

Молекулы озона (О3) обладают способностью отражать ультрафиолетовые лучи. В результате озоновый экран стал защитой живых организмов от губительных для них в больших дозах ультрафиолетовых лучей. До этого защитой служила вода. Теперь жизнь получила возможность выйти из океана на сушу.

Выход живых существ на сушу начался в кембрийском периоде: первыми на неё вышли бактерии, а затем — грибы и низшие растения. В результате на суше образовалась почва, и в силурийский период (435—400 млн лет назад) на суше появились первые сосудистые растения — псилофиты. Выход на сушу способствовал появлению у растений тканей (покровных, проводящих, механических и др.) и органов (корня, стебля, листьев). В результате появились высшие растения. Первыми сухопутными животными стали членистоногие, произошедшие от морских ракоскорпионов.

В это время в морской среде эволюционировали хордовые: от беспозвоночных хордовых произошли позвоночные рыбы, а в девоне от кистепёрых рыб — амфибии. Они господствовали на суше 75 млн лет и были представлены очень крупными формами. В пермский период, когда климат стал холодней и засушливей, превосходство над амфибиями получили рептилии. В триасе появились крокодилы и черепахи, а от зверозубых рептилий произошёл класс Млекопитающие.

   Мезозойская эра

Мезозойская эра — эра средней жизни, 240—66 млн лет назад.

В мезозойскую эру рептилии достигли своего расцвета — «эра динозавров» (образовались их многочисленные формы) — и упадка. В течение всей мезозойской эры млекопитающие были мелкими и не получили широкого распространения. В конце мелового периода наступило похолодание и произошло массовое вымирание рептилий, окончательные причины которого до конца не выяснены. В меловом периоде появились покрытосеменные (цветковые).

   Кайнозойская эра

Кайнозойская эра — эра новой жизни, 66 млн лет назад — настоящее время.

В кайнозойскую эру широко распространились млекопитающие, птицы, членистоногие, цветковые растения. Появился человек. В настоящее время деятельность человека стала важным фактором развития биосферы.


 

ВСЕ РАЗДЕЛЫ СПРАВОЧНИКА

Материалы для подготовки к ЕГЭ. Онлайн-Справочник по биологии.
7.2. Эволюция органического мира