Верхний предел жизни биосферы ограничен интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей, а нижний – высокой температурой земных недр. В этих слоях обитают лишь низшие организмы – бактерии. Основная же масса живых существ концентрируется у поверхности суши и океана, так как здесь такие природные характеристики, как температура, влажность, химический состав воздуха и земли являются наиболее благоприятными для жизни. Здесь есть природные образования, настолько насыщенные живыми организмами, что доля минеральной, неживой части составляет немногим более половины всего объема. Это почвы, илы. Их называют биокосными телами. В сущности, вся биосфера тоже биокосное тело, крайне неравномерно насыщенное жизнью: на ледниках ее почти нет, в тропических лесах, почвах, илах она процветает.
В верхних слоях атмосферы, в морских глубинах и недрах литосферы концентрация живых существ намного беднее из-за неблагоприятных для жизни условий (сильной солнечной радиации, отсутствия солнечного света, недостатка кислорода, высокой температуры и др.). Однако жизнь не ограничена исключительно пределами биосферы. Микробы, споры, пыльца растений обнаружены высоко в стратосфере. Не исключено, что они могут покидать Землю и уноситься в космическое пространство. Но это не означает расширения биосферы. Вне ее могут существовать только неактивные формы жизни, находящиеся в состоянии скрытой жизнедеятельности. А в биосфере жизнь не только существует, но и выполняет геологическую работу, участвует в круговороте веществ и энергии.
Вопрос 3. Рассмотреть микропрепарат поперечного среза листа, найти основную ткань, выявить особенности ее строения и черты приспособленности к фотосинтезу
Непосредственно под эпидермой (кожицей листа) находится основная ткань – хлорофиллоносная паренхима (хлоренхима). Различают палисадную (столбчатую) и губчатую паренхиму мякоти листа.
Палисадная паренхима содержит до 80 % всего хлорофилла, поэтому ее основная функция – фотосинтез. Для этого в листе столбчатая ткань всегда располагается в условиях наилучшего освещения. Чаще всего она образует под верхней кожицей 1–2 слоя, плотно примыкающих друг к другу овальных клеток с тонкими оболочками и большим количеством хлоропластов.
Губчатая паренхима образована округлыми зелеными клетками и большими межклетниками, благодаря которым образуется громадная внутренняя поверхность листа, во много раз превышающая наружную. Губчатая паренхима расположена на нижней стороне листа. Она выполняет две основные функции – фотосинтеза и газообмена.
Толщина столбчатой и губчатой паренхимы зависит от условий обитания растений. У светолюбивых растений хорошо развита столбчатая паренхима. Она располагается в несколько слоев. У тенелюбивых растений столбчатая ткань образует один слой клеток, а губчатая – один-два слоя.
Билет № 27
Вопрос 1. Сорта растений и породы животных как искусственные популяции, их сходство и отличия с естественными популяциями. Причины многообразия сортов, пород и естественных популяций
Возникновение селекции как науки связано с необходимостью решения продовольственной проблемы населения. Основной задачей всей селекционной работы является выведение новых и совершенствование уже существующих сортов растений, пород животных, штаммов микроорганизмов. Сортом, породой или штаммом называют устойчивую группу (популяцию) живых организмов, искусственно созданную человеком и имеющую определенные наследственные особенности. Все особи внутри этой группы имеют идентичные наследственно закрепленные морфологические, физиолого-биохимические и хозяйственные признаки и свойства, а также однотипную реакцию на действие факторов внешней среды.
Ч. Дарвин был уверен, что все многообразие сортов растений и пород животных – заслуга человека. В начале он приступил к изучению пород и сортов, и только затем – видов в их естественном состоянии. Он опровергнул теорию сторонников учения о постоянстве и неизменяемости видов, состоящую в том, что каждая порода и каждый сорт произошли от отдельного дикого вида, и доказал, что люди сами изменяли в разных направлениях родоначальные дикие виды. Причем новые породы и сорта появлялись постоянно, а их признаки были более совершенны по сравнению с предыдущими. В большинстве случаев человек при помощи отбора достигал новых свойств, но иногда они появлялись случайно. Часто для получения в потомстве новых комбинаций генов проводили скрещивание и только затем применяли искусственный отбор. Искусственный отбор необходим для совершенствования признаков растений или животных в соответствии с потребностями и интересами человека. Часто выведенные породы или сорта совсем не похожи друг на друга и на дикие виды, от которых произошли. Разница между естественными и искусственными популяциями состоит в том, что при естественном отборе происходит сохранение признаков, наиболее полезных для организма в условиях среды. Поэтому такие особи хорошо приспособлены для выживания, тогда как особи в искусственных популяциях не смогли бы выжить без помощи человека.
Признаки, которые выбирались у организмов человеком, не всегда были полезными для них самих, нередко снижали их конкурентоспособность по сравнению с организмами других искусственных групп или их дикими сородичами. Во многих случаях при искусственном отборе с определенной направленностью возрастала гомозиготность генотипов, при этом ряд отрицательных признаков сразу проявлялся в фенотипе особей. Для поддержания нормальной жизнедеятельности таких групп организмов человек должен прилагать постоянные усилия, тогда как их дикие родственные формы успешно функционируют в природе сами. Таким образом, индивидуальный и массовый отбор организмов позволил получить огромное разнообразие сортов растений и пород животных, отвечающих потребностям человеческого общества, но зависимых в природе от человека.
Действие естественного отбора обусловлено изменением условий окружающей среды. Тогда внутри вида начинается процесс расхождения признаков, или дивергенция. Из одного вида происходит образование нескольких новых форм. Те из них, что имеют наибольшие расхождения по признакам с исходными формами, не конкурируют с ними и поэтому имеют больше шансов выжить и оставить после себя потомство. Процесс образования внутривидовых группировок – подвидов – носит название микроэволюции.
Вопрос 2. Биомасса или живое вещество биосферы. Закономерности распространения биомассы в биосфере, тенденция ее изменения под влиянием деятельности человека
Совокупность всех живых организмов, населяющих Землю, составляет живое вещество, или биомассу, планеты. Наибольшей концентрации в биосфере биомасса достигает у поверхности суши и океана, так как в этих местах природные условия, такие как температура и влажность воздуха, наличие кислорода и других химических элементов, являются в высшей степени пригодными для жизни.
В верхних слоях атмосферы с высокой концентрацией ультрафиолетовых лучей, в глубинах океана, куда не проникает дневной свет, и в недрах литосферы, где температура достигает более 100 С, концентрация жизни сравнительно мала. Крайних пределов биосферы достигают лишь низшие организмы – бактерии. Накопление биомассы так же находится в прямой зависимости от наличия зеленой растительности, выделения кислорода и поглощения углекислого газа при фотосинтезе. В биосфере растительная масса намного превосходит животную. Биомасса составляет около 0,01 % массы всей биосферы, но ее значение на Земле огромно.
От полюсов по направлению к экватору количество как растительности, так и биомассы соответственно возрастает. Наибольшим же разнообразием видов (свыше 8000) отличаются влажные тропические леса. Вместе с растительностью к экватору возрастает число животных видов. Наивысшей плотности биомасса достигает при большом разнообразии строения организмов, т. е. при различной приспособленности видов к условиям совместного существования. Такая картина наблюдается в биогеоценозах, где виды связаны между собой цепями питания. Цепи питания образуют сложную сеть передачи химических элементов и энергии от одного звена к другому.
На биомассу суши большое влияние оказывает человек. Его действия направлены на увеличение земли для собственной жизнедеятельности за счет сокращения площадей, производящих биомассу. Часто хозяйственная и промышленная деятельность его приводит к массовой гибели почвенных организмов, играющих важную роль в биосфере.
Более 2/3 поверхности планеты занимает Мировой океан. Поверхность океана глубиной до 100 м занимают микроскопические одноклеточные водоросли, образующие микропланктон. Он является основной пищей животных, населяющих океан. Кроме этого дно океана заселено множеством организмов, которые носят название бентоса. В океане происходит около 1/3 всего фотосинтеза планеты. Однако количество биомассы в Мировом океане в 1000 раз меньше, чем на суше.
Деятельность человека, в частности добыча нефти в морях и ее транспортировка в танкерах, приводит к загрязнению вод Мирового океана. Это крайне губительно сказывается на жителях морских глубин. Для сохранения биомассы Мирового океана необходимо соблюдение мер по защите и охране вод от загрязнения. Несмотря на то, что человечество представляет собой сравнительно небольшую биомассу в биосфере, масштабы его деятельности столь велики, что часто наносят непоправимый ущерб природной среде. Используя природные ресурсы, человек в течение года перемещает более 4 трлн т вещества, создает множество химических соединений, часть которых не включается в круговорот веществ, а накапливается и загрязняют биосферу. Промышленные выбросы загрязняют окружающую среду и вызывают снижение уровня солнечной радиации.
Вопрос 3. Из предложенных гербарных материалов, коллекций, муляжей, чучел составить цепь питания, определить направление движения вещества и энергии в ней. Объяснить, почему в данной цепи начальное звено составляют растения
Рассмотрим пищевую цепь на примере биогеоценозов суши. На суше пищевые цепи обычно состоят из 3–5 звеньев, например: степные злаки → кузнечики → ящерицы → змеи → степной орел. В данной цепи начальное звено составляют зеленые растения, непосредственно преобразующие энергию солнечного света в энергию органических веществ, необходимых для жизнедеятельности всех остальных живых организмов, входящих в пищевую цепь.
Количество растительного вещества, служащего основой цепи питания, в несколько раз больше, чем общая масса растительноядных животных, а масса хищников меньше, чем масса растительноядных. Эта закономерность называется правилом экологической пирамиды.
При переходе на следующий трофический уровень поток энергии уменьшается в направлении от продуцентов (зеленых растений) к консументам (животным), так как большая часть энергии тратится организмами на обмен веществ с окружающей средой и рассеивается в виде тепла.
Билет № 28
Вопрос 1. Многообразие видов в природе, его причины. Влияние деятельности человека на многообразие видов. Биологический прогресс и регресс
Дарвин доказал, что образование новых видов в природе происходит под действием движущих сил эволюции. Если происходит изменение условий существования, внутри вида начинается процесс расхождения признаков, или дивергенция. Из одного вида происходит образование нескольких новых форм. В 30-х гг. XX в. ученые обратили свое внимание на популяцию, как форму существования вида. Многочисленные исследования привели к пониманию начальных этапов эволюционного процесса, или микроэволюции, приводящей к образованию новых внутривидовых группировок – популяций и подвидов. Микроэволюция легко поддается изучению и наблюдению, так как ее развитие происходит в сравнительно небольшом промежутке времени.
Различают два способа видообразования: географический и экологический. Экологическое видообразование действует, когда популяции одного вида остаются в пределах своего ареала, однако условия обитания у них различны.
Географическое видообразование – это процесс расширения ареала исходного вида или его разделение на изолированные части физическими преградами, такими как горы, реки и т. д. В этом случае популяции встречаются с новыми почвенно-климатическими условиями, сообществами растений и животных. Постоянно действующий естественный отбор приводит к изменению генного состава популяции – к микроэволюции. Следовательно, эволюция популяции способна привести к постепенному образованию нового вида.
В процессе борьбы за существование и под действием естественного отбора способностью к выживанию обладают лишь особи с полезными, применительно к данной среде обитания, наследственными изменениями. На протяжении длительного времени различия между популяциями становятся более явственными, постепенно возникает биологическая изоляция – неспособность к скрещиванию особей разных популяций одного вида. На разных этапах микроэволюции экологическое и географическое видообразование могут действовать либо совместно, дополняя друг друга, либо попеременно. Поэтому трудно установить границы каждого из способов видообразования.
Деятельность человека несомненно оказывает мощное влияние на видообразование. К примеру, образование некоторых подвидов растений и животных напрямую связаны со сроками проведения сельскохозяйственных работ.
Известно, что начался процесс распада на две группы вида черных дроздов. Одна группа обитает исключительно в глухих лесах, другая же селится возле жилья человека.
В процессе эволюции развитие живой природы происходило от низших форм к высшим, т. е. носило прогрессивный характер, способами достижения которого являются ароморфозы, идиоадаптация и дегенерация. Ароморфоз представляет собой такие эволюционные изменения, которые способствуют общему подъему организации, влияют на повышение жизнедеятельности. Идиоадаптация – это небольшие эволюционные изменения, помогающие особям приспособиться к определенным условиям среды обитания. Дегенерация – это такие эволюционные изменения, которые ведут к упрощению организации. В природе существует и биологический регресс, характеризующийся чертами, противоположными биологическому прогрессу: уменьшением числа особей, сужением ареала, уменьшением числа видов и популяций. Биологический регресс часто приводит к вымиранию видов.
Вопрос 2. Живое вещество и его роль в круговороте веществ и превращении энергии в биосфере
Совокупность всех живых организмов составляет живое вещество, или биомассу, планеты. Жизнедеятельность биомассы напрямую связана с биологическим круговоротом веществ, оказывает мощное влияние на устойчивость биосферы.
Деятельность живых организмов в биосфере сопровождается извлечением из окружающей среды больших количеств минеральных веществ. После смерти организмов, составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду. Так возникает биогенный круговорот веществ в природе, осуществляемый живыми существами между литосферой, атмосферой и гидросферой. Под круговоротом веществ понимают повторяющийся процесс превращения и перемещения веществ в природе, имеющий более или менее выраженный циклический характер.
Биомасса Земли задействована во всех химических процессах биосферы, где одновременно происходят поступление и потеря энергии. 42 % поступающего на Землю потока энергии Солнца отражается Землей в мировое пространство, а 58 % поглощается атмосферой и почвой. Из них более 20 % излучается, а 10 % используется на испарение воды с поверхности Мирового океана. Солнечная энергия аккумулируется зелеными растениями и используется ими в процессе образования органических веществ и выделения кислорода. Вместе с растениями эта энергия поступает в другие организмы.
Зеленые растения, используя энергию Солнца, превращают неорганические вещества в органические. Органические вещества являются первичной продукцией для животных, грибов и бактерий. Животные перерабатывают ее во вторичную животную продукцию. Грибы и бактерии разлагают обе эти продукции до минеральных веществ.
В каждом биогеоценозе растения и животные, связанные между собой сложными цепями питания и обменом веществ с неживой природой, являются составной частью всех круговоротов воды и химических элементов, происходящих в биосфере.
Процесс образования органических веществ называется эндотермическим, процесс их окисления – экзотермическим. Окисление органических веществ происходит в процессе дыхания, брожения и гниения с выделением теплоты, воды и углекислого газа.
В круговороте веществ биомасса выполняет биогеохимические функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и биохимическую.
Газовая функция выполняется зелеными растениями, в процессе фотосинтеза выделяющими кислород; растениями и животными, выделяющими углекислый газ, а так же бактериями, восстанавливающими сероводород, азот и др.
Благодаря газовой функции сформировался современный состав атмосферы, значительно отличающийся от такового в добиосферный период.
Концентрационная функция представляет собой потребление и накопление биомассой различных химических элементов: кислорода, марганца, азота, кальция, калия и др.
Окислительно-восстановительная функция заключается в окислении и восстановлении веществ организмами, населяющими почву и гидросферу. При этом происходит образование солей, оксидов и других соединений.
Биохимическая функция связана с питанием, дыханием, размножением, разрушением и гниением организмов, т. е. с биогенной миграцией атомов. Функция человеческой деятельности и созданный ею промышленный круговорот химических элементов является отдельным подразделением, так или иначе влияющим на прочие процессы.
Вопрос 3. Рассмотреть под микроскопом лист элодеи, найти хлоропласты в клетках и объяснить их роль в фотосинтезе
Хлоропласты – двухмембранные органоиды клетки линзовидной формы, содержащие пигмент хлорофилл, придающий растениям зеленый цвет, а также принимающий непосредственное участие в процессе фотосинтеза.
Энергия света поглощается хлорофиллом и переводит его в возбужденное состояние. Электрон в составе хлорофилла поглощает квант света определенной длины волны и перемещается на более высокий энергетический уровень этой молекулы, запуская механизмы световой фазы фотосинтеза. Под действием солнечного света в хлоропластах происходит расщепление молекул воды – фотолиз, при этом образуются электроны, которые возмещают потери их хлорофиллом, и кислород, как побочный продукт реакции.
В составе хлоропластов имеется фермент рибулезо-1,5-дифосфаткарбоксилаза, катализирующий соединение молекулы углекислого газа с производным рибозы (1,5-рибулезодифосфатом). Этот фермент обеспечивает реакции темновой фазы фотосинтеза, которые сопровождаются превращением неорганического соединения (углекислого газа) в органические (углеводы), в химических связях которых запасается солнечная энергия.