Пояснительная записка. Учебно-практическое пособие

М.С.Малахова

ОРГАНИЗМ И СРЕДА

Учебно-практическое пособие

Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом БГТИ (филиала) ОГУ в качестве учебного пособия для студентов по направлению подготовки 020400.62 - Биология

Бузулук

БГТИ (филиал) ОГУ

УДК 591.3.044

ББК 28.7

М 18

Рецензенты: кандидат биологических наук Г.П.Алёхина,

доктор биологических наук Т.Н.Паршина

Малахова М.С.

М 18 Организм и среда: Учебное пособие./ М.С.Малахова; Бузулукский гуманитарно-технологич. ин-т (филиал) ОГУ – Бузулук: БГТИ (филиал) ОГУ, 2012. – 153с.

Основное содержание: влияние абиотических, биотических и антропогенных факторов среды на разные стадии развития организмов: гаметогенез; оплодотворение; эмбриогенез; жизненные циклы растений и животных.

Учебное пособие по курсу «Организм и среда» предназначено для студентов, обучающихся в БГТИ (ф) ОГУ по направлению подготовки 020400.62 - Биология очной формы обучения в 7 семестре.

УДК 591.3.044

ББК 28.7

М 18

Содержание

	Пояснительная записка …………………………………….…….
	Учение о критических периодах развития ……………….…….
	Молекулярные основы развития ………………………….…....
	Начальные этапы развития ……………………………………....
3.1	Соотношение процессов роста и развития. Дифференцировка..
3.2	Гаметогенез……………... ……………………………………….
3.3	Оплодотворение ……………………………………………….….
	Ранние стадии развития. Дробление, гаструляция, нейруляция и органогенез………………………………..…………………….
	Влияние окружающей среды на организмы ………...……….....
	Эколого-организменные закономерности ………………….…..
	Действие физических факторов на организмы …………….…..
7.1	Влияние температуры на организмы ……………………..…...
7.2	Влияние ионизирующей радиации на онтогенез. Общие закономерности биологического действия ионизирующей радиации ………………………………………………………….
7.3	Действие ультрафиолетовых лучей ……………… …...………..
7.4	Влияние видимого света на жизнедеятельность организмов…
7.5	Влияние звуковых волн на жизнедеятельность организмов….
7.6	Влияние гравитации на жизнедеятельность организмов..……
	Влияние химических факторов ……………………………..…..
8.1	Влияние воды и минеральных солей на жизнедеятельность организмов………………………………………………..……….
8.2	Влияние кислорода и углекислого газа на процессы развития…………………………………………………………….
	Влияние биотических факторов на организмы …………………
	Общие понятия о тератогенах. Уродства и аномалии ……….
	Вопросы экзаменационных билетов по курсу «Организм и среда» ……………………………………………………………...
	Список использованных источников ……………………………

Пояснительная записка

Организм – любое живое существо. Он отличается от неживой природы определенной совокупностью свойств, присущих только живой материи: клеточная организация; обмен веществ при ведущей роли белков и нуклеиновых кислот, обеспечивающий гомеостаз организма – самовозобновление и поддержание постоянства его внутренней среды. Живым организмам присущи движение, раздражимость, рост, развитие, размножение и наследственность, а также приспособляемость к условиям существования – адаптация.

Все части организма (гены, клетки, клеточные ткани, целые органы и их системы) являются компонентами и системами доорганизменного уровня. Изменение одних частей и функций организма неизбежно влечет за собой изменение других его частей и функций. Так, в изменяющихся условиях существования, в результате естественного отбора те или иные органы получают приоритетное развитие. Например, мощная корневая система у растений засушливой зоны (ковыль) или «слепота» в результате редукции глаз у ночных животных, а также у животных, существующих в темноте (крот).

Живые организмы обладают обменом веществ, или метаболизмом, при этом происходит множество химических реакций. Примером таких реакций могут служить дыхание, которое еще Лавуазье и Лаплас считали разновидностью горения, или фотосинтез, посредством которого зеленые растения связывают солнечную энергию, а результаты дальнейших процессов метаболизма используются всем растением, и др.

Обмен веществ в организме происходит только при участии особых макромолекулярных белковых веществ – ферментов, выполняющих роль катализаторов. Каждая биохимическая реакция в процессе жизни организма контролируется особым ферментом, который в свою очередь контролируется единичным геном. Изменение гена, называемое мутацией, приводит к изменению биохимической реакции вследствие изменения фермента, а в случае нехватки последнего, и к выпадению соответствующей ступени метаболической реакции.

Однако не только ферменты регулируют процессы метаболизма. Им помогают коферменты. Это крупные молекулы, частью которых являются витамины – вещества, необходимые для обмена веществ всех организмов – бактерий, зеленых растений, животных и человека. Отсутствие витаминов ведет к болезням: нарушается обмен веществ.

Наконец, для ряда метаболических процессов необходимы особые химические вещества, называемые гормонами, которые вырабатываются в различных местах (органах) организма и доставляются в другие места кровью или посредством диффузии. Гормоны осуществляют в любом организме общую химическую координацию метаболизма и помогают в этом деле, например нервной системе животных и человека.

На молекулярно-генетическом уровне особенно чувствительно воздействие загрязняющих веществ, ионизирующей и ультрафиолетовой радиации. Они вызывают нарушение генетических систем, структуры клеток и подавляют действие ферментных систем. Все это приводит к болезням человека, животных и растений, угнетению и даже уничтожению видов организмов.

Метаболические процессы протекают с различной интенсивностью на протяжении всей жизни организма, всего пути его индивидуального развития. Этот его путь от зарождения и до конца жизни называется онтогенезом. Онтогенез представляет собой совокупность последовательных морфологических, физиологических и биохимических преобразовании, претерпеваемых организмом за весь период жизни.

Следуя экологическому подходу, можно мысленно вычленить из мира живой природы, всего многообразия живых организмов только одну особь. Эта условно изолированная особь (например, заяц) будет находиться под воздействием только факторов окружающей среды, среди которых основными окажутся климатические. Прежде всего, именно они: температура, влажность, освещенность и др., имеют определяющее значение в распространении тех или иных видов на Земле. Кроме того, для водных организмов особое значение приобретает вода как единственная среда обитания, а для наземных растений огромную роль играют физические и химические свойства почвы. Изучение действия различных природных факторов на отдельный (искусственно изолированный) организм — первое и наиболее простое подразделение экологии – аутэкология или факториальная экология.

Среда с позиции экологии. Организм является начальной, основной единицей обмена веществ. Именно с организма и начинается цепочка взаимоотношений живой материи, ее нельзя прервать ни на одном уровне. Очевидно, что существует глубокая связь между организмом и окружающей средой.

Среда – комплекс природных тел и явлений, с которыми организм находится в прямых или косвенных взаимоотношениях. В широком смысле – это материальные тела, явления, энергия, воздействующие на организм.

В зависимости от степени конкретизации внешняя среда рассматривается как совокупность сил и явлений природы, ее вещество и пространство, любая деятельность человека (организма), находящаяся вне рассматриваемого объекта или субъекта и необязательно непосредственно контактирующая с ним.

Понятие «окружающая среда» – то же, что и среда внешняя, но она находится в непосредственном контакте с объектом или субъектом. Термин, очевидно, требует определяющего дополнения: среда, окружающая кого? что? Поэтому более правильно говорить: «окружающая человека (организм) среда».

Различают также природную среду (сочетание естественных и измененных деятельностью человека факторов живой и неживой природы, которые воздействуют на организм), среду абиотическую (все силы и явления природы, происхождение которых прямо не связано с жизнедеятельностью ныне живущих организмов) и среду биотическую (силы и явления природы, которые обусловлены жизнедеятельностью ныне живущих организмов).

Имеет место и конкретное пространственное понимание среды как непосредственного окружения организма, – это его среда обитания. К ней относят только те элементы, с которыми данный организм вступает в прямые или непрямые отношения, т. е. это все то, среди чего он живет.

В условиях Земли живые организмы освоили четыре основные среды обитания. Первой была водная среда, в которой возникла и распространилась жизнь. В последующем живые организмы овладели наземно-воздушной средой, далее они создали и заселили почву. Четвертой специфической средой жизни стали сами организмы, тела которых использовались паразитами или симбионтами.

Влияние среды на организм. Организм, испытывая потребность в притоке вещества, энергии и информации, полностью зависит от среды. Российский ученый К. Ф. Рулье сформулировал закон: результаты развития (изменений) любого объекта (организма) определяются соотношением его внутренних особенностей и особенностей той среды, в которой он находится. Этот закон, иногда называемый первым экологическим законом жизни, имеет общее значение, так как в равной мере относится к живой и неживой материи, а также социальной сфере.

Эволюционно возникшее приспособление организмов к условиям среды, выражающееся в изменении их внешних и внутренних особенностей, носит название адаптации.

Способность к адаптациям – одно из основных свойств жизни вообще, поскольку обеспечивает саму возможность ее существования, возможность организмов выживать и размножаться. При этом адаптации способны проявляться на самых разных уровнях: от биохимии клеток и поведения отдельных организмов до строения и функционирования сообществ и экосистем.

В процессе эволюции организмы смогли выработать ряд путей нейтрализации вредного воздействия факторов среды.

Активный путь – развитие сопротивляемости, т. е. регуляторных процессов, которые позволяют осуществить все функции организма, несмотря на неблагоприятные факторы. Так, теплокровные животные – птицы и млекопитающие, обитая в условиях изменчивой температуры, поддерживают внутри себя постоянную температуру, оптимальную для биохимических процессов в клетках тела. Конечно, такое активное сопротивление влиянию внешней среды требует больших затрат энергии, которую им надо постоянно восполнять. Верблюд способен обеспечивать потребности во влаге посредством биохимического окисления собственного жира. Это примеры так называемых физиологических адаптаций.

Примерами поведенческих адаптаций могут служить создание убежищ, передвижение с целью выбора оптимальных температурных условий, особенно в условиях экстремальных (очень высоких или очень низких) температур. Приспособительное поведение может проявляться у хищников в процессе выслеживания и преследования добычи, а у жертв – в определенных ответных реакциях (например, затаивание). Обычный для животных способ приспособления к неблагоприятным периодам – миграция. Так, сайгаки ежегодно уходят на зиму в малоснежные южные полупустыни, где зимние травы в связи с сухостью климата более питательны и доступны. Однако летом травостои полупустынь быстро выгорают, поэтому на период размножения сайгаки переходят в более влажные северные степи.

Активное сопротивление влиянию неблагоприятной среды способствует развитию морфологической адаптации отдельных видов, т. е. приобретению таких особенностей внешнего строения, которые обеспечивают выживание в экстремальных и успешную жизнедеятельность организмов в привычных для них условиях. Так, растения, обитающие в пустыне, лишены листьев, и их строение наилучшим образом приспособлено к минимальным потерям влаги. У китообразных появились приспособления к скоростному плаванию, а у акул возникла особая структура кожи для той же цели.

Морфологический тип приспособления животного или растения, при котором они имеют внешнюю форму, отражающую способ взаимодействия со средой обитания, называют жизненной формой вида. При этом разные виды могут иметь сходную жизненную форму, если ведут близкий образ жизни. Примерами здесь могут быть кит (млекопитающее), пингвин (птица) и акула (рыба).

Пассивный путь связан с подчинением жизненных функций организма изменению факторов среды. Так, при недостатке тепла это приводит к понижению уровня метаболизма (обмена веществ), что способствует экономному использованию энергетических запасов. При резком ухудшении условий среды организмы разных видов могут практически приостанавливать свою жизнедеятельность и переходить в состояние т. н. скрытой жизни. Например, некоторые мелкие организмы способны высыхать на воздухе, а затем возвращаться к активной жизни после пребывания в воде. Переход в состояние глубокого анабиоза, при котором резко замедляется обмен веществ, расширяет возможности выживания организмов в самых экстремальных условиях. Так, высушенные семена и споры растений, а также некоторые мелкие животные (коловратки, нематоды) способны выдержать температуры ниже –200°С. Некоторые бактерии, в т. ч. и болезнетворные, многие годы могут находиться в неактивном состоянии, пока не возникнут благоприятные условия для их «пробуждения» и последующего размножения. Явление временного физиологического покоя в индивидуальном развитии некоторых животных и растений, обусловленного неблагоприятными факторами внешней среды, называется диапаузой.

Каждый организм реагирует на окружающую среду в соответствии со своей генетической конституцией. Правило соответствия условий среды генетической предопределенности организма гласит: до тех пор, пока среда, окружающая определенный вид организмов, соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям, этот вид может существовать. Резкое изменение условий среды обитания может привести к тому, что генетический аппарат вида не сможет приспособиться к новым условиям жизни. Сказанное в полной мере относится и к человеку.

Влияние живых организмов на среду. Организмы способны существенно воздействовать на среду. Так, их жизнедеятельность значительно влияет на газовый состав атмосферы. Это связано, в частности, с тем, что в результате фотосинтеза зеленых растений в атмосферу поступает кислород. Диоксид углерода, напротив, извлекается из атмосферного воздуха растениями и вновь поступает туда в процессе разложения остатков погибших организмов.

На предел воздействия организмов на среду обитания указывает другой экологический закон жизни (Куражковский Ю. Н.): каждый вид организмов, потребляя из окружающей среды необходимые ему вещества и выделяя в нее продукты своей жизнедеятельности, изменяет ее таким образом, что среда обитания становится непригодной для его существования.

Таким образом, организмы испытывают воздействие постоянно меняющихся условий среды, но и сами способны изменять эти условия.

Экологический фактор – это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное влияние на живой организм хотя бы на протяжении одной из фаз его индивидуального развития.

Экологические факторы весьма разнообразны, имеют разную природу и специфику действия, они могут быть необходимы для организмов или, наоборот, вредны для них, способствовать или препятствовать выживанию и размножению. Их подразделяют на абиотические, биотические и антропические (антропогенные).

Простейшая классификация факторов приводится Г.А. Новиковым в следующем виде:

А Физико-химические (абиотические) факторы:

1 Климатические, или атмосферные:

а) свет и лучистая энергия;

б) температура;

в) влажность воздуха, осадки;

г) снежный покров;

д) атмосферное давление, газовый состав и движение воздуха;

е) атмосферное электричество.

2 Почвенно-грунтовые (эдафические).

3 Орографические (геоморфологические).

4 Гидрологические.

Б Биотические факторы:

1 Микроорганизмы.

2 Растения и растительные группировки.

3 Животные.

В Антропогенные факторы:

1 Прямое влияние на организмы и их группировки.

2 Косвенное влияние посредством изменения среды обитания.

Существуют и другие подходы к классификации экологических факторов:

1) по очередности (первичный и вторичный);

2) по времени (эволюционный и исторический);

3) по происхождению (космический, абиотический, биогенный, биотический, биологический, природно-антропогенный, антропический);

4) по среде возникновения (геоморфологический, атмосферный, водный, эдафогенный, физиологический, генетический, популяционный, биоценотический, экосистемный, биосферный);

5) по степени воздействия (летальный, приводящий живой организм к гибели; экстремальный; лимитирующий; беспокоящий; мутагенный; тератогенный, приводящий к уродствам в ходе индивидуального развития).

Один и тот же фактор среды имеет различное значение в жизни совместно обитающих организмов разных видов. Так, крупным животным, особенно обитающим открыто (лоси), сложно найти укрытие от сильного зимнего ветра, тогда как мелкие животные могут укрыться от сильного ветра в норах или под снегом.

Некоторые свойства среды остаются относительно постоянными на протяжении длительных периодов времени: сила тяготения, солнечная постоянная, солевой состав океана, свойства атмосферы. Другие экологические факторы (температура, влажность, ветер, хищники, паразиты и т. д.) изменчивы во времени и пространстве. При этом особенности среды обитания определяют, как уже указывалось, степень и характер изменчивости каждого из факторов. Так, например, на дне океана или в глубине пещер температура среды практически постоянна, а на поверхности суши существенно меняется.

Можно выделять первичные и вторичные периодические факторы, а также непериодические факторы.

К первичным периодическим факторам относят явления, связанные в основном с вращением Земли: суточная смена освещенности, смена времен года. Эти факторы, которым свойственна правильная периодичность, действовали задолго до появления жизни на Земле, и возникающие организмы должны были адаптироваться к ним.

Вторичные периодические факторы – следствие первичных периодических: например, влажность, температура, осадки, динамика растительной пищи (для животных), содержание растворенных газов в воде.

К непериодическим факторам относятся факторы, не имеющие правильной периодичности, цикличности. Таковы почвенно-грунтовые факторы, разного рода стихийные явления.

Несмотря на многообразие влияния экологических факторов, можно выявить общий характер их воздействия на организм. При небольших значениях или при чрезмерном воздействии фактора жизненная активность организма заметно угнетается. Наиболее эффективно действие фактора не при его минимаксных значениях, а при некотором его значении, оптимальном для данного организма. Диапазон действия, или зона толерантности (выносливости) экологического фактора, ограничен соответствующими крайними пороговыми значениями (точки минимума и максимума) данного фактора, при которых возможно существование организма.

Онтогенез включает рост организма, т. е. увеличение массы и размеров тела, и дифференциацию, т.е. возникновение различий между однородными клетками и тканями, приводящее их к специализации по выполнению различных функций в организме. У организмов с половым размножением онтогенез начинается с оплодотворенной клетки (зиготы). При бесполом размножении – с образованием нового организма путем деления материнского тела или специализированной клетки, путем почкования, а также от корневища, клубня, луковицы и т. п.

Каждый организм в онтогенезе проходит ряд стадий развития. Для организмов, размножающихся половым путем, различают зародышевую (эмбриональную) стадию, послезародышевую (постэмбриональную) и период развития взрослого организма. Зародышевый период заканчивается выходом зародыша из яйцевых оболочек, а у живородящих – рождением. Важное экологическое значение для животных имеет первоначальный этап послезародышевого развития – протекающий по типу прямого развития или по типу метаморфоза. В первом случае идет постепенное развитие во взрослую форму (цыпленок – курица, и т. д.), во втором – развитие происходит вначале в виде личинки, которая существует и питается самостоятельно, прежде чем превратится во взрослую особь (головастик – лягушка). У ряда насекомых личиночная стадия позволяет пережить неблагоприятное время года (низкие температуры, засуху и т. д.).

В онтогенезе растений различают рост, развитие (формируется взрослый организм) и старение (ослабление биосинтеза всех физиологических функций и смерть). Основной особенностью онтогенеза высших растений и большинства водорослей является чередование бесполого (спорофит) и полового (гаметофит) поколений.

Процессы и явления, проходящие на онтогенетическом уровне, т. е. на уровне индивида (особи), – это необходимое и весьма существенное звено функционирования всего живого. Процессы онтогенеза могут быть нарушены на любой стадии действием химического, светового и теплового загрязнения среды и привести к появлению уродов или даже к гибели индивидов на послеродовой стадии онтогенеза.

Современный онтогенез организмов сложился в течение длительной эволюции, в результате их исторического развития – филогенеза. Не случайно в 1866 г. этот термин ввел Э. Геккель: для целей экологии необходима реконструкция эволюционных преобразований животных, растений и микроорганизмов. Этим занимается наука филогенетика, которая базируется на данных трех наук – морфологии, эмбриологии и палеонтологии.

Взаимосвязь между развитием живого в историко-эволюционном плане и индивидуальным развитием организма сформулирована Э. Геккелем в виде биогенетического закона: онтогенез всякого организма есть краткое и сжатое повторение филогенеза данного вида.

Рост и развитие обычно употребляются как понятия тождественные, неразрывно связанные между собой. Между тем, биологическая природа этих процессов различна, различны их механизмы и последствия.

Рост – это количественное увеличение биомассы организма, за счёт увеличения геометрических размеров и массы отдельных его клеток или увеличение числа клеток благодаря их делению.

Развитие– это направленные, необратимые изменения организма или другой биологической системы, качественные преобразования в многоклеточном организме, которые протекают за счёт дифференцировочных процессов (увеличение разнообразия клеточных структур) и приводят к качественным и количественным изменениям функций организма.

Взаимосвязь роста и развития проявляются, в частности, в том, что определённые стадии развития могут наступать только при достижении определённых размеров тела.

На процессы роста и развития существенное воздействие оказывают факторы окружающей среды, которые могут стимулировать либо тормозить эти процессы, поэтому необходимо изучать основные закономерности взаимодействия системы «организм – среда». Изучение таких закономерностей и является целью данного курса.

Вопросы для самоконтроля

1 Дайте определение организму.

2 Назовите основные свойства организма.

3 Дайте определение онтогенезу и филогенезу.

4 Дайте определение росту и развитию организмов.

5 Дайте определение среды. Какие основные среды обитания освоили живые организмы?

6 Приведите примеры взаимного влияния организмов и среды обитания.

7 Что такое адаптация? Какие существуют виды адаптаций? Приведите примеры.

8 Сформулируйте и поясните смысл первого и второго экологических законов жизни.

9 Дайте классификацию экологических факторов среды. Что такое лимитирующий фактор?

10 Каковы пути приспособления организмов к неблагоприятным условиям среды?

11 Что такое жизненная форма вида?