Все экологические процессы протекают в системах, включающих в свой состав живое вещество, поэтому важно уметь отличать живое вещество от других видов веществ (неорганических, косных, биокосных и др.).
Живое вещество — это то, что образует совокупность тел всех живых организмов независимо от их принадлежности к той или иной систематической группе. Общая масса (в сухом виде) живого вещества на планете Земля составляет (2,4-3,6) * 1012 тонн.
Живое вещество неотделимо от биосферы Земли и является его функцией, а также одной из самых могущественных геологических сил на планете Земля. Оно представляет собой неразрывное молекулярно-биологическое единство, системное целое с характерными признаками, общими для всей эпохи его существования, а также для каждой отдельной геологической эпохи. Уничтожение отдельных компонентов живого вещества может привести к нарушению системы в целом, т. е. к экологической катастрофе и гибели системы живого вещества в целом.
Рассмотрим некоторые наиболее общие признаки живого вещества вне зависимости от геологической эпохи его существования.
1. Система, состоящая из живого вещества (организм), способна к росту, т. е. она увеличивается в размерах.
2. Организм (живой) в течение времени своего существования сохраняет свои наиболее типичные признаки и способен передавать эти признаки по наследству, т. е. является носителем и передатчиком информации.
3. Живой организм в процессе своей жизни способен к развитию, которое делится на два периода — эмбриональное и постэмбриональное.
4. Живое вещество как отдельный организм, способно к размножению, благодаря чему обеспечивается существование данного вида в течение длительного (с исторических позиций) времени.
5. Для живого вещества характерен направленный обмен веществ.
Уровни организации живого вещества
Живое вещество как совокупность всех организмов, живущих на Земле, состоит из нескольких царств (Прокариоты, Животные, Растения, Грибы), которые находятся в сложных взаимоотношениях. Живое вещество имеет сложное строение и разные уровни организации. Рассмотрим некоторые из них в порядке усложнения.
1. Молекулярно-генный (суборганизменный) — особая форма организации живого, присущая всем без исключения организмам, представляющая собой совокупность различных органических и неорганических веществ, связанных между собой определенной структурой и системой биохимических процессов, позволяющих сохранять данную совокупность соединений как целостную систему, способную к росту, развитию, самосохранению и размножению в течение всего времени существования этого организма, т. е. до смерти.
2. Клеточный — все живое (кроме неклеточных форм жизни) образовано особыми структурами — клетками, которые имеют строго определенное строение, присущее как организмам из царства Растения, так и организмам из царств Животные и Грибы; некоторые организмы состоят из одной клетки, поэтому такие организмы при клеточном уровне соответствуют и новому уровню организации — организменному (см. пятый уровень организации).
3. Тканевый — характерен для сложных многоклеточных организмов, у которых произошла специализация клеток по выполняемым функциям, что привело к образованию тканей — совокупности клеток, имеющих одинаковое происхождение, близкое строение и выполняющих одинаковые или близкие по характеру функции; различают растительные и животные ткани так, у растений выделяют покровные, основные, механические, проводящие ткани и меристемы (ткани роста); у животных — покровные, нервные, мышечные и соединительные ткани.
4. Органный — у высокоорганизованных организмов ткани образуют структуры, предназначенные для выполнения определенных функций, которые называются органами, а органы объединяются в системы органов (например, желудок входит в состав пищеварительной системы).
5. Организменный — системы органов объединены в единое целое — организм, при функционировании которого реализуется жизнедеятельность конкретного живого существа; известно, что в природе существует большое число одноклеточных организмов.
6. Популяционно-видовой — особи одного вида образуют особые группировки, живущие на данной конкретной территории и занимающие определенную экологическую нишу, которые называются популяциями, а популяции одинаковых организмов образуют подвиды и виды.
7. Биогеоценотический — этот уровень организации живого вещества связан с тем, что на данной территории проживает определенное количество популяций различных видов (как животных, так и растений, грибов, прокариотов и неклеточных форм жизни), которые взаимосвязаны друг с другом различными связями, в том числе и пищевыми.
8. Биосферный — это высший уровень организации живого на планете Земля, представляющий собой всю совокупность живых существ, живущих на ней, которые взаимосвязаны друг с другом планетарным круговоротом химических элементов и химических соединений; нарушение этого круговорота может привести к глобальной катастрофе и даже к гибели всего живого.
Следовательно, 1-5 уровни организации характерны для отдельно взятого организма, а 6-8 — для совокупности организмов. Необходимо помнить, что человек — это составная часть живого вещества на планете Земля, но его деятельность из-за наличия разума значительно отличается от деятельности других организмов, и, тем не менее, он составная часть природы, а не ее «царь».
Краткая характеристика химического состава живого вещества
Живое вещество представляет собой сложную систему биоорганических, органических и неорганических соединений. В составе живого вещества обнаружены практически все устойчивые химические элементы, известные человеку, но в разных количествах. Эти элементы подразделяют на биогенные и небиогенные, исходя из их роли в живых организмах.
Атомы химических элементов входят в состав химических соединений, которые могут быть органическими, биоорганическими и неорганическими.
Важнейшим неорганическим веществом, входящим в состав живых организмов, является вода. Кроме воды организмы могут содержать и другие неорганические вещества — соли, кислоты, основания.
Основу живого вещества составляют биоорганические и органические соединения. К биоорганическим веществам относят белки, нуклеиновые кислоты, витамины, жиры и углеводы. Эти вещества называют биоорганическими потому, что эти соединения вырабатываются в организмах и без этих веществ жизнь принципиально невозможна (особенно это относится к белкам и нуклеиновым кислотам). Примером органических веществ, входящих в состав живого вещества, являются органические кислоты (яблочная, уксусная, молочная и др.), мочевина и другие химические соединения.
Общая характеристика клеточных организмов, их классификация по наличию ядра в клетке
Клеточные организмы преобладают над неклеточными и имеют сложную классификацию. При изучении строения клетки было обнаружено, что большинство клеточных форм организмов в составе клеток обязательно содержит особый органоид — ядро. Однако в клетках некоторых организмов ядро отсутствует. Поэтому клеточные организмы разделяют на две большие группы — ядерные (или эукариоты) и безъядерные (или прокариоты). В данном подразделе рассмотрим прокариоты.
Прокариотами (безъядерными) называют организмы, клетки которых не имеют отдельно сформированного ядра.
К безъядерным организмам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли, которые образуют царство Дробянки, входящее в надцарство Доядерные, или Прокариоты. В практическом отношении наибольшее значение имеют бактерии.
Тело бактерий состоит из одной клетки разной формы, которая имеет оболочку и цитоплазму. Ярко выраженные органоиды отсутствуют; в клетке содержится одна молекула ДНК; она замкнута в кольцо, место ее нахождения в цитоплазме называется нуклеоидом.
По форме клетки бактерии разделяют на кокки (шарообразные), бациллы (палочкообразные), вибрионы (дугообразно изогнутые), спириллы (изогнутые в форме спирали).
Бактерии размножаются обычным делением (в благоприятных условиях каждое деление осуществляется за 20-30 минут). При наступлении неблагоприятных условий клетка бактерии превращается в спору, обладающую высокой устойчивостью к воздействию различных факторов — температуры, влажности, радиации. Попадая в благоприятные условия, споры набухают, их оболочки разрываются и бактериальные клетки становятся жизненно активными.
По отношению к кислороду различают анаэробные (живут в средах, где нет молекулярного кислорода) и аэробные (для их жизни необходим О2), существуют также бактерии, которые могут жить и в аэробной, и в анаэробной среде.
Большинство бактерий относятся к гетеротрофам (для их жизнедеятельности необходимы органические вещества, являющиеся источником и энергии, и материала для синтеза собственных органических веществ). Часть бактерий являются паразитами, а часть — сапрофитами (питаются мертвыми органическими веществами). Бактерии-паразиты являются консументами, а бактерии-сапрофиты — редуцентами. Небольшая часть бактерий относится к автотрофам (они синтезируют органические вещества из неорганических, используя энергию реакций окисления различных неорганических веществ — сероводорода, азота и т. д.). Эти бактерии являются хемосинтетиками, например серобактерии, азотобактерии и др. Есть среди бактерий и фотосинтетики, которые используют солнечную энергию.
Биологическая роль бактерий очень велика. Они обогащают почву азотом (азотфиксирующие бактерии). Бактерии-сапрофиты превращают органические вещества в неорганические, являясь звеном в круговороте веществ в природе. Бактерии-паразиты вызывают заболевания человека и других организмов (холерные вибрионы, дизентерийные палочки и т. д.). В природе эти бактерии вызывают различные эпидемии, что может привести к гибели большого количества людей. Для борьбы с этими бактериями используют методы профилактики, дезинфекции и лечение различными лекарственными препаратами. Большое значение имеет соблюдение правил личной и общественной гигиены.
Вид, его критерии и экологическая характеристика
Живое вещество в природе существует в виде отдельных дискретных таксономических единиц — видов (биологических видов).
Биологический вид (вид) — совокупность особей, обладающих общими морфофизиологическими признаками, биохимическим, генетическим (наследственным) сходством, свободно скрещивающихся друг с другом и дающих плодовитое потомство, приспособленных к сходным условиям существования, занимающих в природе определенный ареал (область распространения), т. е. занимающих одну и ту же экологическую нишу.
Виды образованы популяциями и подвидами (последнее характерно не для всех видов). Биологический вид характеризуется следующими критериями:
1) генетическим, т.е. все особи данного вида обладают одинаковым набором хромосом;
2) биохимическим, т. е. для всех особей этого вида характерны одинаковые химические соединения (белки, нуклеиновые кислоты и др.), которые отличаются от аналогичных соединений других видов;
3) морфофизиологическим, т. е. организмы одного вида имеют общие признаки внешнего и внутреннего строения и характеризуются одинаковыми процессами, обеспечивающими их жизнедеятельность;
4) экологическим, т. е. особи данного вида вступают в одинаковые (отличные от других видов) взаимоотношения с природной средой;
5) историческим — особи данного вида имеют одинаковое происхождение и в процессе внутриутробного развития проходят одинаковый цикл этого развития согласно биогенетическому закону;
6) географическим — особи данного вида проживают на определенной территории и приспособлены к существованию на данной территории.
В науке «экология» широко используют следующие разновидности термина «вид».
1. Вид вредный — наносящий человеку хозяйственный урон или вызывающий заболевания; понятие относительное, так как любой вид, живущий на планете, занимает определенную экологическую нишу и выполняет определенную экологическую роль; например, волк может наносить большой урон хозяйственной деятельности человека, но он является «санитаром» природы, играет большую роль в «отбраковке» нежизнеспособных особей тех видов, которыми он питается.
2. Вымерший вид — это вид, который исчез в результате процессов эволюции, например, птеродактиль.
3. Вымирающий вид — такой вид, свойства которого не соответствуют современным условиям существования и генетические возможности к приспособлению к жизни в новых условиях практически исчерпаны; такие виды могут сохраниться только в результате полного его окультивирования (заносится в Красную книгу).
4. Исчезающий вид — вид организмов, находящихся под угрозой вымирания за счет того, что численность сохранившихся особей недостаточна для воспроизводства вида, но генетически вид имеет благоприятные возможности для приспособления к условиям внешней среды (заносится в Красную книгу как вид, находящийся под угрозой).
5. Охраняемый вид — вид, преднамеренное нанесение вреда особям которого и нарушение среды его обитания запрещено определенными законодательными актами разного ранга (международными, государственными, местными), например соболь и др.
Структура вида состоит в том, что он образован отдельными особями, объединенными в популяции и подвиды. Наличие подвидов характерно только для тех видов, которые имеют большие ареалы, характеризующиеся разнообразными условиями.
Популяция — группа особей данного вида, способных к скрещиванию и производству полноценного потомства, проживающих на данной территории, имеющей естественные границы с другими территориями, что затрудняет скрещивание особей данной популяции с особями другой. Следует помнить, что экологической единицей вида является популяция.
Популяции разных видов, проживающих на данной территории, образуют биоценоз, в котором эти популяции связаны друг с другом различными связями, в том числе и пищевыми.
Неорганические вещества и их роль в живом веществе
Живое вещество, как и любое другое вещество, образовано атомами химических элементов, входящих в состав неорганических и органических соединений, совокупность которых образует живое вещество, качественно отличающееся и от неорганических, и от органических индивидуальных химических соединений.
Неорганическими называют вещества, в составе которых отсутствуют атомы углерода (кроме самого углерода, его оксидов, угольной кислоты, ее солей, родана, родановодорода, роданидов, циана, циановодорода, цианидов).
В состав организмов входят вода, некоторые соли натрия, калия, кальция и других химических элементов.
Краткая характеристика роли некоторых оксидов, гидроксидов и солей в живом веществе
Из оксидов в организмах большое значение имеет углекислый газ (углекислота, оксид углерода (IV), диоксид (двуокись) углерода). Это вещество является одним из продуктов дыхания (для всех организмов!). При растворении в воде (например, в цитоплазме, плазме крови и т. д.) углекислый газ образует угольную кислоту, которая при диссоциации распадается на гидрокарбонат-ионы (НСО3) и карбонат-ионы (СО2-3), образующие (совместно) карбонатную буферную систему, стабилизирующую реакцию среды. Избыток СO2 удаляется из организма в результате процессов, протекающих при дыхании (у всех организмов: и у растений, и у животных).
Важнейшими гидроксидами, содержащимися в живом веществе, являются угольная (Н2СO3), фосфорная (Н3РO4) и некоторые другие кислоты. Как указано выше (на примере угольной кислоты), эти гидроксиды способствуют созданию буферных систем в водных растворах, что приводит к стабилизации реакции среды в протоплазме или в других жидких средах, содержащихся в организме. Фосфорная кислота играет огромную роль в образовании различных фосфорсодержащих соединений (например, в образовании АДФ из АМФ или АТФ из АДФ; АТФ — аденозинтрифосфат, АДФ — аденозиндифосфат, АМФ — аденозинмонофосфат; эти вещества играют большую роль в процессах диссимиляции и ассимиляции).
Важна для организмов и хлороводородная (соляная) кислота (НСI). Она содержится в желудочном соке или в растворах, которые способствуют перевариванию пищи (например, желудочный сок в желудке человека).
В организмах соли находятся в диссоциированном состоянии, т. е. в виде ионов. Рассмотрим биологическую роль некоторых анионов (отрицательно заряженных ионов) и катионов (положительно заряженных ионов) в живом веществе.
Краткая характеристика биологической роли катионов
В живом веществе наибольшее значение имеют следующие катионы: К+, Са2+, Na+, Mg2+, Fе2+, Мn2+ и некоторые другие.
1. Катионы натрия (Nа+). Эти ионы создают определенное осмотическое давление (Осмотическое давление возникает в водных растворах и является силой, под воздействием которой осуществляется осмос, т.е. односторонняя диффузия веществ через полупроницаемую мембрану). Кроме того, совместно с катионами калия (К+) за счет различной проницаемости клеточной мембраны, они создают мембранное равновесие, при котором возникает разность биохимических потенциалов, что обеспечивает проводимость клеток и тканей организма; участвуют в водном и ионном обмене организма в целом. В организм (клетку) поступают в виде водного раствора хлорида натрия. У животных и человека в результате потоотделения может теряться большое количество хлорида натрия, что резко снижает их работоспособность. Данные ионы совместно с некоторыми органическими и неорганическими анионами регулируют кислотно-щелочное равновесие (например, с ионами НСO—3, СН3СОО— и др.).
2. Катионы К+. Эти ионы совместно с ионами Nа+ создают мембранное равновесие. Они активизируют ферменты белкового синтеза, а в организмах высших животных и человека влияют на биоритмы сердца. Ионы К+ входят в состав макроудобрений — калийных и существенно влияют на продуктивность сельскохозяйственных растений.
3. Катионы Са2+. Данные ионы являются антагонистами ионов К+ (т. е. проявляют противоположное действие по сравнению с последними). Они входят в состав мембранных структур, образуют пектиновые вещества, которые образуют межклеточное вещество в растительных организмах. Эти ионы в составе солей кальция участвуют в образовании важнейшей соединительной ткани — костной, которая образует скелет позвоночных животных и человека и некоторых др. организмов (например, моллюсков, кишечнополостных и др.). Осуществляют регуляцию процессов образования клеток, участвуют в реализации мышечных сокращений, играют большую роль в свертывании крови и в др. процессах.
4. Катионы Мg2+. Роль этих ионов аналогична (в ряде случаев) роли ионов Са2+ и они содержатся в организмах в определенных соотношениях. Кроме того, ионы Мg2+ входят в состав важнейшего фотосинтезирующего пигмента растений — хлорофилла, активизируют синтез ДНК и участвуют в реализации энергетического обмена.
5. Ионы Fе2+. Играют большую роль в жизни многих животных, так как входят в состав важнейшего дыхательного пигмента — гемоглобина, участвующего в процессе дыхания. Они входят в состав мышечного белка — миоглобина, принимают участие в синтезе хлорофилла, т.е. ионы Fе2+ являются основой соединений, посредством которых реализуются многие окислительно-восстановительные процессы.
6. Ионы Си2+, Мn2+, Сг3+ и ряд других ионов также принимают участие в окислительно-восстановительных процессах, реализующихся в различных организмах (эти ионы входят в состав сложных металлоорганических соединений).
Краткая характеристика биологической роли некоторых анионов
Наибольшее значение имеют анионы Н2РО—4, НРО2-4, Сl—, I—, РО3-4, Вг—, F—, НСО—3, NO—3, SО2-4 и ряд др. Кратко рассмотрим роль некоторых из этих ионов в различных организмах.
1. Нитрат- и нитрит-ионы (NO—3, NO—2, соответственно).
Ионы, содержащие азот, играют большую роль в организмах растений, так как в своем составе содержат связанный азот и используются (наряду с катионами аммония — NH+4) для синтеза азотсодержащих «веществ жизни» — белков и нуклеиновых кислот. При поступлении избытка этих ионов в организм растения они накапливаются в них и, попадая (в составе пищи) в организм человека и животных, могут вызывать нарушения в обмене веществ этих организмов («нитратное и нитритное отравление»). Это делает необходимым оптимальное использование азотных удобрений при их внесении в почву.
2. Гидро- и дигидрофосфат-ионы (НРО2-4, Н2РО4 — соответственно).
Эти ионы участвуют в обмене веществ и являются необходимыми при синтезе нуклеиновых кислот, моно-, ди- и триаденозин-фосфатов, играющих большую роль в энергетическом обмене и синтезе органических веществ в различных организмах (растительных, животных и др.). Данные ионы участвуют в поддержании кислотно-основного равновесия, сохраняя в определенных пределах постоянство реакции среды.
3. Сульфат-ионы (SO24) — источник серы, необходимый для синтеза серосодержащих природных альфа-аминокислот, используемых при получении белков. Необходимы для процессов синтеза некоторых витаминов, ферментов (в организмах растений). В организмах животных сульфат-ионы являются продуктом реакций обезвреживания химических соединений, образующихся в печени.
4. Галогенид-ионы (Сl— — хлорид-ионы, Вг — бромид-ионы, I— — иодид-ионы, F— — фторид-ионы). Они являются противоионами для катионов (особенно Сl—), то есть создают нейтральную систему с катионами. Система ионов (катионов и анионов) создает вместе с водой осмотическое давление и тургор; хлорид-ионы относятся к макроэлементам для животных, а остальные галогенид-ионы являются микроэлементами, т.е. необходимы любым организмам в небольших (микро-) количествах. Значение иодид-ионов состоит в том, что они входят в состав важнейшего гормона — тироксина, а избыток и недостаток этих ионов приводит к появлению различных заболеваний у человека (миксидема и базедова болезнь). Фторид-ионы влияют на обмен в костной ткани зубов, бромид-ионы входят в состав химических соединений, содержащихся в гипофизе.
Общая характеристика и классификация органических соединений, входящих в состав живого вещества, и их экологическая роль
Вещества, в состав которых входят атомы углерода (исключая углерод, его оксиды, угольную кислоту, ее соли, родан, родано-водород, роданиды, циан, циановодород, цианиды, карбонилы и карбиды), называются органическими.
Органические вещества имеют очень сложную классификацию. Некоторые из этих веществ не содержатся в организмах (ни в живых, ни в мертвых). Они были получены искусственным путем и в природе не встречаются. Ряд органических соединений не «усваивается» организмами, т.е. не разлагается в природе под воздействием редуцентов и детритофагов. К таким соединениям относят полиэтилен, СМС (синтетические моющие средства), некоторые ядохимикаты и др. Поэтому при использовании органических веществ, полученных человеком химическим путем, необходимо учитывать их способность подвергаться различным превращениям в природных условиях, т. е. «усвоение» этих веществ биосферой.
Органические вещества, содержащиеся в организме, имеют большое экологическое значение, недостаток, избыток или отсутствие того или иного вещества приводят либо к различным заболеваниям, либо к гибели данного организма. Наибольшее значение имеют белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры и витамины.