С. М. Розов Введение. Предмет Естествознания Естествознание

Первым человеком на земле, первым представителем рода Homo, по мнению многих антропологов, был Homo habilis. По современным данным, первая популяция человеческих существ появилась на Земле приблизительно 2,7 млн. лет назад. Homo habilis существовал на Африканском континенте не менее миллиона лет, прежде чем эволюционные процессы привели к возникновению нового вида — Homo erectus — человека прямоходячего. Homo erectus выгодно отличался от своего предка — Homo habilis прежде всего впервые полноценной манерой прямохождения и большим объемом мозга.

С появлением вида Homo erectus связано возникновение совершенно новых процессов в эволюции гоминид: впервые гоминиды, в лице Homo erectus, начали покидать Восточно-Африканский очаг происхождения предков человека и распространяться двумя потоками в Европу и Азию. Началась первая волна миграции гоминид. Приблизительно 400 тыс лет назад практически вся Европа (за исключением самых северных областей) и вся Южная Азия, включая Зондские острова, была заселена архантропами — непосредственными потомками африканского Homo erectus. Западная ветвь архантропов, заселявшая Европу, известна нам сейчас под названием Питекантропов, а восточная, заселявшая Азию — Синантропов. Судя по большому комплексу последних палеоантропологических данных, ни питекантропы, ни синантропы не были нашими предками. Видимо, они вымерли, будучи вытеснены следующей волной мигрантов из Африканского центра — архаических Homo sapiens, или палеоантропов.

То, что Homo erectus как вид был предком современного человека, сейчас почти ни у кого не вызывает сомнений, но Homo sapiens впервые возник не в Европе и не в Азии, а все в той же Восточной Африке. Поэтому ни западная, ни восточная ветви архантропов нашими предками не являются. Homo sapiens сформировался приблизительно 400 тыс лет назад на основе популяций Homo erectus, оставшихся в Африканском центре антропогенеза.

Западная ветвь палеоантропов в процессе миграции и расселения приобрела целый комплекс новых признаков и эволюционировала в хорошо известного всем неандертальца, Homo sapiens neandertalensis, заселявшего Европу в промежутке 200–35 тыс лет назад.

Откуда же появился человек современного типа — Homo sapiens sapiens, или неоантроп? Ни в Европе, ни в материковой Азии нет находок современного человека старше 40 тыс лет. Иное дело в Африке. Здесь в областях южнее Сахары обнаружено много остатков человека современного физического типа, датируемых возрастом в 150–120 тыс лет. Таким образом, современный человек возник, опять-таки, в Африке около 150 тыс лет назад, и оттуда мигрировал двумя потоками в Европу и Азию. Это была третья большая миграционная волна в истории наших предков.

Еще раньше, около 90 тыс лет назад, на основе популяций Homo sapiens sapiens, оставшихся на Африканском континенте, сформировалась раса Негроидов.

Часть восточного ствола мигрантов, двигавшаяся на восток по южным областям Азии, прошла через Зондские острова в Австралию, где около 80 тыс лет назад сформировалась раса Австралоидов. Другая часть восточного ствола распространилась в Центральную Азию, где встретилась с многочисленными популяциями палеоантропов — потомков второй волны миграции. На обширнейшей территории Азии начались процессы метисизации, завершившиеся около 33 тыс лет назад взаимной ассимиляцией потомков двух миграционных волн и образованием расы Монголоидов.

Таким образом, можно заключить, что из четырех больших человеческих рас, две — европеоиды и монголоиды — являются гибридными, то есть представляют из себя метисизированных потомков двух последних волн мигрантов — палеоантропов и неоантропов. Две другие расы — негроиды и австралоиды — не являются гибридными, представляют из себя исключительно потомков неоантропов, и поэтому наиболее близки к исходному африканскому типу Homo sapiens sapiens.

Последняя теория отражает современные естественнонаучные взгляды и поэтому будет рассмотрена подробнее.

Согласно данным современной науки возраст Земли составляет примерно 4,7 млрд. лет. В далеком прошлом условия на Земле коренным образом отличались от современных, что обусловило определенное течение химической эволюции, которая явилась предпосылкой для возникновения жизни. Другими словами, собственно биологической эволюции предшествовала предбиотическая эволюция, связанная с переходом от неорганической материи к органической, а затем к элементарным формам жизни. Это было возможным в определенных условиях, которые имели место на Земле в то время, а именно: высокая температура, атмосфера, состоящая из водяных паров, СО₂, СН₃, NH₃, присутствие сернистых соединений (вулканическая активность), высокая электрическая активность атмосферы, ультрафиолетовое излучение Солнца, которое беспрепятственно достигало нижних слоев атмосферы и поверхности Земли, поскольку озоновый слой еще не сформировался.

Следует подчеркнуть одно из важнейших отличий теории биохимической эволюции от теории самопроизвольного (спонтанного) зарождения,  а именно: согласно этой теории жизнь возникла в условиях, которые для современной биоты непригодны!

Гипотеза Опарина-Холдейна. В 1923 г. появилась знаменитая гипотеза Опарина, сводившаяся к следующему: первые сложные углеводороды могли возникать в океане из более простых соединений, постепенно накапливаться и проводить к возникновению «первичного бульона». Эта гипотеза быстро приобрела вес теории. Надо сказать, что последующие экспериментальные исследования свидетельствовали о правомерности таких предположений. Так в 1953 г. С. Миллер, смоделировав предполагаемые условия древней Земли (высокая температура, ультрафиолетовая радиация, электрические разряды) синтезировал в лабораторных условиях 15 аминокислот, входящих в состав живого, некоторые простые сахара (рибоза). Позднее были синтезированы простые нуклеиновые кислоты. В настоящее время в этих условиях синтезированы все 20 аминокислот, составляющих основу жизни.

Опарин предполагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам. Белки способны образовывать гидрофильные комплексы: молекулы воды образуют вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от водной фазы и образовывать так называемые коацерваты (лат. сгусток, куча) с липидной оболочкой, из которой затем могли образоваться примитивные клетки.

Существенный недостаток гипотезы Опарина – она не опирается на современную молекулярную биологию. Это вполне объяснимо, поскольку механизм передачи наследственных признаков и роль ДНК стали известны сравнительно недавно.

Английский ученый Холдейн (Кембриджский университет) в 1929 г. опубликовал свою гипотезу, согласно которой, живое также появилось на Земле в результате химических процессов в богатой диоксидом углерода атмосфере Земли, и первые живые существа были, возможно, «огромными молекулами». Он не упоминал ни о гидрофильных комплексах, ни о коацерватах, но его имя часто упоминается рядом с именем Опарина, а гипотеза получила название гипотезы Опарина-Холдейна.

 Решающую роль в возникновении жизни впоследствии отводили появлению механизма репликации молекулы ДНК. Действительно, любая сколь угодно сложная комбинация аминокислот и других сложных органических соединений – это еще не жизнь. Ведь важнейшее свойство жизни – ее способность к самовоспроизведению. Проблема здесь в том, что сама по себе ДНК «беспомощна», она может функционировать только при наличии белков-ферментов (например, молекула ДНК-полимеразы, «расплетающая» молекулу ДНК, подготавливая ее к репликации). Остается открытым вопрос, как самопроизвольно могли возникнуть такие сложнейшие «машины» как пра-ДНК и нужный для ее функционирования сложный комплекс белков-ферментов.

В последнее время разрабатывается идея возникновения жизни на основе РНК, т.е. первыми организмами могли быть РНК, которые, как показывают опыты, могут эволюционировать даже в пробирке. Условия для эволюции таких организмов наблюдаются при кристаллизации глины. Эти предположения основаны, в частности, на том, что при кристаллизации глин каждый новый слой кристаллов выстраивается в соответствии с особенностями предыдущего, как бы получая от него информацию о строении. Это напоминает механизм репликации РНК и ДНК. Таким образом, получается, что химическая эволюция началась с неорганических соединений, и первые биополимеры могли быть результатом автокаталитических реакций малых молекул алюмосиликатов глины.

Гиперциклы и зарождение жизни. Концепция самоорганизации может способствовать лучшему пониманию процессов происхождения и эволюции жизни, исходя из гипотезы гиперцикла немецкого физико-химика М. Эйгена. Согласно последней, в «первичном бульоне» идет масса автокаталитических химических реакций, замыкающихся в циклические процессы, в которых происходит преобразование и перенос вещества и энергии. В них приходящая извне энергия расходуется на формирование новых органических соединений. Со временем такие циклы объединяются друг с другом — продукт одного цикла участвует в химических процессах, происходящих в другом цикле. Образуется сложная сеть химических циклических процессов, взаимосвязанных и согласованных друг с другом. Такую сеть Эйген и назвал гиперциклом. Со временем гиперциклы видоизменяются, возникают их разные вариации, среди гиперциклов идет естественный отбор — выживают только варианты гиперцикла, наиболее эффективно трансформирующие энергию.

Согласно гипотезе гиперцикла, процесс возникновения живых клеток тесно связан с взаимодействием нуклеотидов, являющихся материальными носителями информации, и протеинов (полипептидов), служащих катализаторами химических реакций в гиперцикле. В процессе этого взаимодействия нуклеотиды под влиянием протеинов воспроизводят самих себя и передают информацию следующему за ними протеину, так что возникает замкнутая автокаталитическая цепь, воспроизводящая сама себя и размножающаяся. Это и есть примитивная жизнь. В ходе дальнейшей эволюции таких гиперциклов из них и возникают первые живые клетки.

Воспроизведение компонентов гиперциклов, так же как и их объединение в новые гиперциклы, сопровождается усилением метаболизма, связанного с синтезированием высокоэнергетических молекул и выведением как «отбросов» бедных энергией молекул.

Итак, по Эйгену, происходит конкуренция гиперциклов, или циклов химических реакций, которые приводят к образованию белковых молекул. Циклы, которые работают быстрее и эффективнее, чем остальные, «побеждают» в конкурентной борьбе.

Как же возникли такие сложные молекулы, столь согласованно друг с другом работающие, обеспечивающие сопряженные метаболические процессы в клетке? На этот вопрос пока никто не может дать полный ответ. Однако некоторые детали известны. Известен путь, на котором можно найти ответ.

Для нас эта нерешенная задача – происхождение жизни на Земле. Мы видим последнее звено этой цепи – жизнь существует. И по результатам многочисленных исследований мы можем представить себе атмосферу молодой Земли, процессы, которые на ней происходили. Жизни тогда еще не было. То есть, у нас есть первое и последнее звено, но у нас нет промежуточных этапов. Если мы не видим промежуточных звеньев, нам кажется это чудом. Это «чудо» истолковывают по-разному: одни говорят, что жизнь была занесена из Космоса,  другие считают, что жизнь кто-то создал; но мало  кто представляет, что эти звенья можно реконструировать. На данный момент восстановить все эти звенья никто не может, но мы попытаемся представить некоторые из них, показать, каким способом можно реконструировать этапы возникновения жизни на Земле и ее развитие.

ДНК  РНК  БЕЛОК

Эта схема называется догмой молекулярной биологии. Она появилась в 50-60-е годы 20 века, когда стали ясны в общих чертах основные процессы синтеза ДНК, РНК и белка. Считалось, что это закон жизни – на матрице ДНК синтезируется РНК, на матрице РНК синтезируется белок. И функции "молекул жизни" были, казалось бы, ясны: ДНК хранит информацию, РНК ее переносит от ДНК к белку, белок выполняет всю работу в клетке. Но в  1975 г. схема изменилась:

Еще одно открытие, касающееся нашей темы (и тоже удостоенное Нобелевской премии), было сделано в 1989 году Сиднеем Олтменом и Томасом Чеком. Оказалось, что РНК может выполнять ферментативную функцию. Олтмен и Чек установили, что молекула РНК сама способна «откусить» от себя кусочек, и для этого ей не нужны никакие белки. Потом были найдены другие, более сложные формы каталитической активности РНК.  РНК-ферменты были названы рибозимами (по аналогии с белковыми ферментами, энзимами).

Надо сказать, что рибозимы работают несколько медленнее белков, но, тем не менее, в некоторых ферментах РНК выполняют основную работу, а белки ей помогают, то есть без белков РНК выполняет свою работу гораздо хуже, но тем не менее может работать и без белков. Когда были открыты рибозимы, ученые – биологи стали ставить РНК в центр размышлений о происхождении жизни и о ранних этапах эволюции жизни. Во-первых, РНК – нуклеиновая кислота, которая может образовывать комплементарные связи, то есть ее можно реплицировать. РНК  может выполнять функцию саморепликации, ферментативную также может выполнять, то есть она может работать как РНК-геном и как РНК-фермент.

Гипотеза о том, что РНК могла возникнуть раньше, чем ДНК и белки, была названа РНК-миром. Сейчас это считается общепризнанным фактом, хотя, строго говоря, нельзя исключить другие сценарии развития жизни. Гипотеза объясняет очень многое, гораздо больше, чем другие гипотезы. Гипотеза о том, что белки лежат у истоков жизни менее рациональная, так как надо искать еще и ответ на вопрос, почему белки, которые самореплицировались, утратили потом эту способность?

Следующий появившийся процесс – трансляция. На РНК начали синтезироваться белки и есть множество гипотез, как и почему это произошло и почему это было выгодно. Считают, что последней появилась ДНК. Так как РНК менее стабильна, ДНК стала выполнять функции генома, а РНК сохранила только часть функций, которые имела в РНК-мире. ДНК-копии молекул РНК могли возникнуть в процессе обратной транскрипции. Но для того, чтобы считать информацию с ДНК, должен был появиться процесс ДНК-РНК транскрипции. Правда, совсем без РНК до сих пор обойтись не удается – ДНК-полимеразе для инициации синтеза ДНК требуется РНК-затравка.

Предполагаемый порядок появления функций живого такой: каталитические функции рибозимов и репликация РНК, затем добавляется трансляция, затем добавляется обратная транскрипция, после этого возникает репликация ДНК. Позже всего возникла компактизация ДНК — гистоны, нуклеосомы и суперспирализованный хроматин, но это произошло уже только у эукариот.

Интересно заметить, что все ныне живущие организмы используют один и тот же генетический код, и все основные метаболические процессы у всех организмов сходны. Считается, что все эукариоты произошли от одного общего предка. Общим предком считается сложный эндосимбионт, представлявший объединение нескольких организмов, обладавших разными свойствами и возможностями.

Этот общий предок, имевший все основные системы современных организмов (ДНК, РНК, белок), называется прогенот (прародитель).

Что было до этого, можно строить только гипотезы, но гипотезы эти должны быть обоснованы. Например, есть работы, в которых пытаются реконструировать метаболизм РНК-мира. Как это делают? В начале изучают метаболические процессы современной клетки и пытаются в них найти реликты РНК-мира. То есть если представить, что существовал РНК-мир, то современный метаболизм был «написан» поверх того, который существовал тогда. Например, мы знаем, что АТФ работает как донор фосфора, но донором фосфора могут быть и другие молекулы. Зачем же тогда сохранять молекулу, содержащую рибонуклеиновую часть? Предполагают, что это как раз реликт РНК-мира. Не только АТФ имеет функции, параллельные с другими веществами, но и множество рибонуклеиновых ко-факторов, то есть соединений, участвующих в ферментативных реакциях, служащих посредниками, "помощниками" в работе ферментов. Например, НАДФ – никотинамид динуклеотидфосфат и др. Проделав такой анализ, нашли процессы, которые могли быть представлены в РНК-мире. Интересно, что синтез жирных кислот, предположительно, не был представлен в РНК-мире, ведь для него нужны обязательные белковые компоненты, которых тогда не было.

Основы экологических представлений возникли у людей еще в глубокой древности. Природа представлялась им единым живым, одушевленным организмом. О зависимости растений от внешних условий хорошо знали уже первые земледельцы 10-15 тыс. лет назад. О том, что разные виды животных связаны с определенными условиями, что их численность зависит от урожая семян и плодов, которыми питаются животные, наверняка знали древние охотники уже 100-150 тыс. лет назад. Севооборот применяли в древнем Египте, древнем Китае и древней Индии 5 тысячелетий назад. Сложнейшая и экологически выверенная система земледелия была у индейцев майя в древней Америке.

В средние века в Европе произошел откат человеческой мысли далеко назад, церковь явилась тормозом развития всех естественных наук. Однако великие географические открытия ХV и XVI веков заставили переосмыслить многие религиозные догматы, новая географическая и биологическая информация, полученная в этих экспедициях не умещалась в той системе мира, которую насаждала христианская религия.

Огромную роль в развитии экологических идей сыграл немецкий ученый А. Гумбольдт (1769-1859), который в 1807 г. издал книгу «Идеи географии растений», в которой ввел ряд научных понятий, которые и сегодня используются экологами.

Важной вехой в развитии экологических представлений о природе явился выход знаменитой книги Ч.Дарвина (1809-1882) о происхождении видов путем естественного отбора. Это великое открытие в биологии явилось мощным толчком для развития экологических идей. Не случайно в 1866г., вскоре после выхода в свет учения Ч.Дарвина, Э. Геккель (1834-1919) предложил термин для новой науки - «экология», который впоследствии прижился, и именно его используют современные ученые для обозначения целой системы наук. 1866 г. следует считать годом рождения новой науки, которая через 100 лет превратилась в целое мировоззрение.

Э.Геккель определял экологию как «общую науку об отношениях организмов к окружающей среде, куда мы относим в широком смысле все условия существования. Они частично органической, частично неорганической природы; но как те, так и другие имеют весьма большое значение для форм организмов, так как они принуждают приспосабливаться к себе». По Геккелю, экология представляет собой науку о «домашнем быте» живых организмов, она призвана исследовать «все те запутанные взаимоотношения, которые Дарвин условно обозначил как борьбу за существование».

Сейчас экология – это наука о взаимоотношениях между организмами и средой их обитания. Такое определение дал классик современной экологии Ю. Одум в 1975 году. Как наука, экология сформировалась как раздел биологии примерно к 1900 г. Чем же занимается экология? Есть очень много подразделений экологии, здесь дана упрощенная схема.

Один из крупных блоков экологии - биоэкология, наука о взаимодействии организмов с окружающей средой. Один из ее подразделов – аут-экология, изучающая взаимодействие видов с окружающей средой. Аут-экология изучает ареал распространения вида, его экологическую нишу, то есть в каких пределах температуры, влажности, живет вид, чем он питается, где размножается, какие есть влияющие на его жизнь экологические факторы – паразиты, хищники, жертвы, какова динамика его популяций, как вид адаптируется к окружающей среде и т.д.

Другой раздел – син-экология, изучающая закономерности образования сообществ организмов, а также взаимодействие этих сообществ с окружающей средой. Синэкология изучает проблемы объединения разных видов в общую экосистему- биогеоценоз, пищевые цепи, как по этим цепям движется энергия, трофические пирамиды (как вещество и энергия движется по цепям), потоки энергии и круговороты веществ в экосистемах.

Второй крупный блок – социоэкология, изучающая взаимодействие человеческого общества с окружающей средой. Она тоже делится на две части. Первая - экология человека, изучающая влияние окружающей среды на здоровье и жизнедеятельность человека как биологического вида. Вторая часть – социо- или гео-экология, изучающая взаимодействие цивилизаций, создаваемых ею систем, с окружающей средой, загрязнение среды, деградацию экосистем, экологические кризисы, проблемы устойчивого развития и т.д.

Третий блок – прикладная экология, занимающаяся созданием техники, технологий и методов для: минимизации воздействия человека на среду, контроля за ее состоянием, управления средой, охраны природы и рационального природопользования, систем жизнеобеспечения и др.

Кроме перечисленных выше направлений есть еще масса псевдоэкологий (экология культуры, мышления, разума, стеклопакетов и т.д. и т.п.). Они прежде всего служат для привлечения денег, клиентов и прочих благ. Экология – «несчастная» наука, стала она несчастной лет 20 назад, когда политики, журналисты и общественные деятели ее очень полюбили и стали использовать этот термин вне всякой связи с его научным содержанием.
Биосфера

Особую роль в становлении и развитии экологии сыграл великий русский ученый В.И. Вернадский - создатель учения о биосфере. Вернадский показал, что жизнь на земле - явление общепланетарное, что биосфера - это вещественно-энергетическая система, обеспечивающая биологический круговорот химических элементов и эволюцию всех живых организмов, включая и человека.

Первые представления о биосфере складывались уже в начале 18 в. Уже Ж.Б. Ламарк (1802) считал, что «все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов». В 1826 г. Гумбольдт ввел понятие «жизненная среда», понимая под этим оболочку Земли, куда включал атмосферные, морские и континентальные процессы и весь органический мир. Так в науке формировалось понятие пространства, охватываемого жизнью и ей же создаваемого. Геолог Э. Зюсс в 1875г. назвал это пространство «биосферой». Впоследствии понятие биосферы разрабатывалось разными исследователями. Наиболее полно концепция биосферы разработана в трудах В.И. Вернадского (1863-1945). В 1926 г. вышла его работа «Биосфера», в которой он изложил свое учение о «живом веществе» и его геологических функциях. Суть его учения заключается в следующем:

биосфера – это целостная организованная система живого вещества;

все явления в ней – часть единого механизма биосферы;

живое вещество – это то звено, которое соединяет историю химических элементов с эволюцией организмов и человека и с эволюцией всей биосферы.

Биосфера сыграла определяющую роль в возникновении атмосферы, гидросферы и литосферы. Биосфера представляет собой единство живого и минеральных элементов, вовлеченных в сферу жизни.

Решающее значение в истории образования биосферы, а также формирования ею литосферы, гидросферы и атмосферы имело появление на Земле растений, которые в процессе фотосинтеза образуют органические вещества из и под действием солнечного света. В результате фотосинтеза ежегодно образуется 100 млрд. тонн органического вещества. Именно благодаря растениям на Земле получили развитие различные виды животных, и осуществляется обмен веществом и энергией между живой и неживой природой.

Органическая жизнь сосредоточена в литосфере (верхняя часть твердой поверхности земной коры), в гидросфере (моря, реки, озера и Мировой океан), а также в тропосфере (нижние слои атмосферы).

Нижняя граница биосферы опускается на 2-3 км на суше и на 1-2 км ниже дна океана, а верхней служит так называемый озоновый экран на высоте 20-25 км, выше которого жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца убивает все живое. Человеческое общество с его производством и созданной им искусственной средой – техносферой также является частью биосферы.

Живое вещество нашей планеты существует в виде огромного множества видов живых организмов разнообразных форм и размеров. В настоящее время общая биота Земли насчитывает до 10 млн. видов, из которых более половины приходится на членистоногих, в основном — насекомых. Земля — это планета членистоногих. Суммарная биомасса живых организмов Земли оценивается примерно в 2,4×10¹² т, причем основная ее часть (99%) образована наземными растениями. Биомасса животных и биомасса живых организмов океана ничтожно мала по сравнению с биомассой наземных растений.

Общая биомасса организмов Земли.

Биосфера, где человек воздействовал на природу незначительно. Возраст человека как биологического вида — приблизительно 1,5 млн. лет.

Биотехносфера. Современная биосфера - это результат длительной эволюции органического мира и неживой природы. Человеческое общество - это один из этапов развития жизни на Земле. Деятельность человека следует рассматривать как составную часть биосферы. Техника - это качественно новый этап ее развития. Возникает вопрос — каким путем пойдет развитие человека и биосферы в будущем , какими средствами избежать необратимых последствий в природе. Предотвратить изменения невозможно. Очевидно, что следует научиться управлять процессами взаимодействия человека и природы так , чтобы они были взаимовыгодны.

Ноосфера — сфера разума. Это понятие ввел Пьер Тийяр де Шарден в 1925г., а обосновал Вернадский в 1944 г. Это высшая стадия развития биосферы, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития. В ноосфере человек становится крупной геологической силой, он перестраивает своим трудом и мыслью область своей жизни. Человек неразрывно связан с биосферой, уйти из нее не может. Его существование есть функция биосферы, которую он неизбежно изменяет.

Основой динамического равновесия и устойчивости биосферы являются кругооборот веществ и превращение энергии. Вернадский выделяет в биосфере несколько глубоко отличных и в то же время генетически связанных частей: Живое вещество - живые организмы. Биогенное вещество - продукты жизнедеятельности живых организмов (каменный уголь, нефть и т.п.). Косное вещество - горные породы (минералы, глины...). Биокосное вещество - продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почвы, ил, природные воды). А также радиоактивные вещества, рассеянные химические элементы и вещество космического происхождения.

Среда, окружающая живые организмы, т.е. материальные тела и явления, с которыми организм находится в прямых или косвенных отношениях, характеризуется огромным разнообразием. Это многообразие элементов, явлений, условий рассматриваются в качестве экологических факторов.

• 
  климатические: солнечный свет, температура, влага, скорость движения воздуха, давление;
  
• 
  химические: газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность и состав почвенных растворов;
  
• 
  эдафогенные, или почвенные: механический состав почв, влагоемкость, плотность, воздухопроницаемость;
  
• 
  орографические (греч. гора): высота над уровнем моря, рельеф, экспозиция склона.
  

• 
  фитогенные: влияние растительных организмов;
  
• 
  зоогенные: влияние животных организмов;
  
• 
  микробиогенные: вирусы, простейшие, бактерии;
  
• 
  антропогенные: деятельность человека.
  

Типы взаимоотношений между живыми организмами весьма разнообразны. Можно назвать некоторые из них.

Конкуренция - это использование ресурсов (пищи, воды, света, пространства) одним организмом, который тем самым уменьшает доступность этого ресурса для другого организма. Конкуренция бывает внутривидовая и межвидовая. Если численность популяции невелика, то внутривидовая конкуренция выражена слабо и ресурсы имеются в изобилии. При высокой плотности популяции интенсивная внутривидовая конкуренция снижает наличие ресурсов до уровня, сдерживающего дальнейший рост, тем самым регулируется численность популяции. Межвидовая конкуренция - взаимодействие между популяциями разных видов, которое неблагоприятно сказывается на их росте и выживаемости. При завозе в Британию из Северной Америки каролинской белки уменьшилась численность обыкновенной белки, т.к. каролинская белка оказалась более конкурентоспособной.

• находятся на поверхности хозяина. Блохи, вши, клещи - животные. Тля, мучнистая роса - растения. У паразита имеются специальные приспособления (крючки, присоски и т.п.)

• внутри хозяина. Вирусы, бактерии, примитивные грибы - растения. Глисты - животные. Высокая плодовитость. Не приводят к гибели хозяина, но угнетают процессы жизнедеятельности

Хищничество - поедание одного организма (жертвы) другим организмом (хищником). Хищники могут поедать травоядных животных, а также слабых хищников. Хищники обладают широким спектром питания, легко переключаются с одной добычи на другую, более доступную. Хищники часто нападают на слабые жертвы. Норка уничтожает больных и старых ондатр, а на взрослых особей не нападает. В экосистемах поддерживается экологическое равновесие между популяциями жертва-хищник.

Симбиоз - сожительство двух организмов разных видов, при котором организмы приносят друг другу пользу. По степени партнерства симбиоз бывает:

Комменсализм - один организм получает пользу за счет другого, не нанося ему вреда. Рак - актиния. Актиния прикрепляется к раковине и питается остатками пищи.

Мутуализм - оба организма получают пользу, при этом они не могут существовать друг без друга. Лишайник - гриб + водоросль. Гриб снабжает водоросль минеральными веществами, а водоросль гриб — органическими.

Жизнь распространена по земной поверхности крайне неравномерно и в различных природных условиях принимает вид относительно независимых комплексов – биогеоценозов или экосистем. Живая часть биогеоценоза носит название биоценоза.

Термин «экосистема» предложен в 1935 году английским экологом Тексли. Самая большая экосистема - биосфера Земли, далее по уменьшению: суша, океан, тундра, тайга, лес, озеро, пень от дерева, горшок с цветами. Все экосистемы взаимосвязаны и взаимозависимы. Люди со своими культурными растениями и домашними животными образуют экосистему человека, которая взаимодействует со всеми другими экосистемами планеты.

Несмотря на громадное разнообразие экосистем — от тропических лесов до пустынь, леса, болота, озера, по мнению экологов им свойственна одинаковая биотическая структура. Все экосистемы включают одни и те же основные категории организмов, взаимодействующих друг с другом, стереотипным образом. Это следующие категории: зелёные растения, консументы, детритофаги.

Экосистема выполняет свои функции благодаря многосторонним трофико-метаболическим (т.е. обменным) связям. Все живые организмы связаны между собой энергетическими отношениями, поскольку являются объектами питания других организмов. Через экосистему постоянно проходят потоки энергии и вещества. Энергия солнца усваивается зелеными растениями и передается по трофическим цепям животным, которые расходуют ее на совершение работы и в конечном итоге рассеивают в виде тепла. Растения извлекают минеральные вещества из почвы, воды и воздуха (углерод в виде СО₂) и используют их для синтеза органических соединений. Далее эти вещества по трофическим цепям передаются другим участникам экосистемы, пока с помощью редуцентов вновь не возвращаются в окружающую среду. Таким образом, в экосистемах постоянно происходит круговорот химических элементов, сопряженный с энергетическими потоками, проходящими через экосистему.

Живые организмы, входящие в состав биоценоза, неодинаковы с точки зрения специфики ассимиляции ими вещества и энергии из окружающей среды. Поскольку растения не нуждаются в других живых посредниках для строительства своего организма, их называют автотрофами (самопитающимися). Поскольку они, используя энергию солнечного света, создают органическое вещество из неорганического, их называют производителями, или продуцентами. Организмы, которые не могут строить собственное вещество из минеральных компонентов, вынуждены использовать созданное автотрофами, употребляя их в пищу, поэтому их называют гетеротрофами или консументами (потребителями).

Травоядные животные — консументы 1-го порядка поедают растения – продуценты, первичные хищники – консументы 2-го порядка поедают травоядных, вторичные хищники – консументы 3-го порядка поедают хищников – консументов 2-го порядка и консументов 1-го порядка. Таким образом, создаются пищевые цепи из продуцентов и консументов. Поскольку один и тот же организм может питаться сразу многими другими видами и в то же время сам служит пищей многим другим, то в экосистеме из отдельных трофических цепей формируются сложные трофические сети. И продуценты и консументы на разных этапах своего жизненного цикла смыкаются с редуцентами, или деструкторами (т.е. разрушителями): микроорганизмами, бактериями, грибами. Редуценты разлагают выделения животных, микроорганизмов, мертвые организмы и минерализуют их до воды, СО₂ и минеральных веществ. Таким образом, в сообществе живых организмов от звена к звену циркулируют питательные вещества и энергия.

Несмотря на многообразие пищевых сетей, они все соответствуют общей схеме: от зелёных растений к первичным консументам, от них к вторичным консументам и т.д. и к детритофагам. На последнем месте всегда стоят детритофаги, они замыкают пищевую цепь.

Трофический уровень — это совокупность организмов, занимающих определённое место в пищевой сети.

I трофический уровень - всегда растения,

II трофический уровень - первичные консументы

III трофический уровень - вторичные консументы и т.д.

Детритофаги могут находиться на II и выше трофическом уровне.

Обычно в экосистеме насчитывается 3-4 трофических уровня. Это объясняется тем, что значительная часть потребляемой пищи тратится на энергию (90 - 99 %), поэтому масса каждого трофического уровня меньше предыдущего. На формирование тела организма идет относительно немного (1–10%).Соотношение между растениями, консументами, детритофагами выражают в виде трофических пирамид.

Очевидно, что существование большего числа трофических уровней невозможно, из-за быстрого приближения биомассы к нулю.

1. Получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках кругооборота всех элементов. Мы видим, как четко взаимодействуют растения, консументы и детритофаги, поглощая и выделяя различные вещества. Органика и кислород, образуемые при фотосинтезе в растениях, нужны консументам для питания и дыхания. А выделяемый консументами СО и минеральные вещества необходимы растениям.

2. Экосистемы существуют за счёт не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

3. Чем больше биомасса популяции, тем ниже занимаемый ею трофический уровень.

Спустя 70 лет американский ученый В.Шелфорд доказал, что не только вещество или какой-либо другой фактор (например, температура, давление и т.п.), присутствующее в минимуме, может определять урожай или жизнеспособность организма, но и избыток какого-то элемента может приводить к нежелательным последствиям. Например, многие животные и растения могут поддерживать жизнедеятельность лишь в некотором узком диапазоне рН. Согласно В.Шелфорду, факторы, присутствующие как в избытке, так и в недостатке по отношению к оптимальным требованиям организма, называются лимитирующими, а соответствующее правило получило название «закона лимитирующего фактора», или «закона толерантности».

Сохранение или рост численности популяции зависит не только от скорости размножения (число новорожденных, отложенных яиц, произведённых семян или спор в единицу времени). Гораздо важнее количество особей потомства, доживших до взрослого, репродуктивного состояния. Высокий коэффициент размножения при высокой ювенильной смертности не может существенно увеличить численность популяции.

Например, рыбы вымётывают тысячи или миллионы икринок, но лишь ничтожно малая часть выживает и превращается во взрослое животное. Растения рассеивают огромное количество семян.

И напротив, размер популяции может расти за счёт увеличения темпов пополнения при малой скорости размножения. Это относится к людям (рождаемость низкая, но детская смертность низкая, поэтому практически все дети доживают до взрослого возраста).

Другим важным фактором, ведущим к росту популяции, относится способность животных мигрировать, а семян рассеиваться на новых территориях, приспосабливаться к новым местам обитания и заселять их. Немаловажна также устойчивость к неблагоприятным условиям среды и болезням.

Биотический потенциал — это совокупность факторов, способствующих увеличению численности вида.

У разных видов составляющие биотического потенциала неодинаковы, но они имеют одно общее свойство - стремительное увеличение численности при благоприятных условиях среды. В естественных условиях такое наблюдается редко. Вероятность того, что все условия окажутся благоприятными, очень низка. Обычно один или несколько факторов (температура, влажность, солёность, хищники, паразиты, нехватка пищи) становятся лимитирующими. Сочетание всех таких «ограничителей» называют сопротивлением среды. Сильнее всего они действуют на молодых особей, а это снижает темпы пополнения. При более суровых условиях гибнет часть взрослых особей.

Следовательно, рост, снижение численности и постоянство популяции зависят от соотношения между биотическим потенциалом и сопротивлением среды.

Изменение численности популяции — это результат нарушения равновесия между биотическим потенциалом и сопротивлением окружающей её среды. Это равновесие является динамическим, т.е. непрерывно регулирующимся, т.к. факторы сопротивления среды редко подолгу остаются неизменными. Например: в один год численность популяции снизилась из-за засухи, а в следующий год полностью восстановилась при обильных дождях. Подобные колебания продолжаются неопределённо долго. Равновесие - понятие относительное. Иногда амплитуда отклонений мала, иногда значительна, но пока сократившаяся популяция способна восстановить прежнюю численность, она существует.

Равновесие в природных системах зависит от плотности популяции, т.е. числа особей на единицу площади. Если плотность популяции растёт - сопротивление среды увеличивается, в связи с чем увеличивается смертность и рост численности прекращается. И наоборот, с уменьшением плотности популяции — сопротивление среды ослабевает и восстанавливается прежняя численность.

Воздействие человека на природу часто приводит к вымиранию популяции, т.к. не зависит от плотности популяции. Разрушение экосистем, загрязнение окружающей среды одинаково влияют на популяции как с низкой, так и высокой плотностью.

Кроме этого, биотический потенциал зависит от критической численности популяции. Если численность популяции (оленей, птиц или рыб) падает ниже этой величины, гарантирующей воспроизводство, биотический потенциал стремится к нулю и вымирание неизбежно.
Динамика экосистем

Гомеостаз - это состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы. Равновесие в экосистемах поддерживается процессами с обратной связью.

Рассмотрим простейшую экосистему типа хищник — жертва (рысь — заяц). Когда численность зайцев невелика, каждый из них может найти достаточно пищи и удобных укрытий для себя и своих детёнышей. Т.е. сопротивление среды невысоко, и численность зайцев увеличивается несмотря на присутствие хищника. Изобилие зайцев облегчает рыси охоту и выкармливание детёнышей. В результате численность хищника также возрастает. В этом проявляется обратная положительная связь. Размножившиеся рыси усиленно поедают зайцев — т.е. сопротивление среды для зайцев усиливается. В результате численность зайцев снижается. Охотиться хищникам становится труднее, они испытывают нехватку пищи и их численность падает. В этом проявляется обратная отрицательная связь, которая компенсирует отклонения и возвращает экосистему в исходное состояние. Подобные колебания происходят периодически вокруг некого среднего уровня, и кривая численности хищника всегда запаздывает по фазе от кривой численности жертвы.

При некоторых условиях обратная связь может быть нарушена. Например, на зайцев стал охотиться другой хищник, или среди зайцев возникла инфекционная болезнь. При этом происходит нарушение сбалансированности системы, которое может быть обратимым или необратимым. Роль помех могут играть и абиотические факторы. Засуха снижает продуктивность растений и ограничивает пищу для зайцев, что немедленно отразиться на хищнике.

При появлении помех в системе «заяц-рысь» станет меньше и зайцев и рысей. Стабильность системы в целом не нарушается, но объём трофических уровней изменится. При этом новый уровень стабильности опять будет обеспечиваться механизмами обратной связи.

Понятно, что давление помех не может быть беспредельным. При массовой гибели зайцев экосистема за счёт обратной отрицательной связи не может компенсировать отклонения. Тогда данная система прекратит своё существование.

Та область, в пределах которой механизмы отрицательной обратной связи способны сохранить устойчивость системы, хотя и в изменённом виде, называют гомеостатическим плато.

Экосистемы тем стабильнее во времени и пространстве, чем они сложнее, т.е. чем больше видов организмов и пищевых связей.

В живой природе не бывает застывших, статичных процессов. В экосисте­мах постоянно происходят те или иные изменения. Одно из основных свойств экосистем - это их динамизм.

Изменения экосистем происходят под воздействием внешних и внутренних факторов. В качестве внешних факторов могут выступать климатические и гео­логические изменения. Это глобальные изменения, которые происходят в течение длительных промежутков времени.

Например, время ледникового и послеледникового периодов изменило характеристики экосистемы Средней Европы. При максимальном развитии ледника Средняя Европа представляла собой тундру с карликовыми ивами, а фауна со­стояла из мамонтов, волосатых носорогов и мелких грызунов, таких как леммин­ги. Наступившее затем потепление вновь изменило облик экосистемы материка.

Кульминацией сукцессии является возникновение стабильной экосистемы, в которой на единицу поступающего потока энергии приходится продуцирование максимальной биомассы и такое количество межвидовых взаимодействий, кото­рое приводит к максимальной трансформации вещества в биотическом кругово­роте. Это состояние называется климаксом экосистемы. В этом состоянии эко­система имеет хорошо сбалансированный набор видов, устойчивые трофические связи и сбалансированный круговорот вещества.

Как правило, такой устойчивый биоценоз образуется в результате последо­вательной смены промежуточных стадий, которые, находясь не в равновесном состоянии быстро сменяют одна другую. Эта цепь сменяющихся биоценозов на­зывается сукцессионным рядом.

Классическим примером таких рядов является образование торфяного бо­лота по мере зарастания озера или появление еловых лесов на месте вырубок или после лесных пожаров. Смена растительных сообществ в экосистеме происходит в этом случае по следующей схеме: травостой - кустарник - лиственный лес - смешанный лес - еловый лес.

Любой живой организм адаптирован к определенным условиям окружающей среды. Требования того или иного организма к факторам среды обуславливают границы его распространения (ареал) и место, занимаемое в экосистеме. Совокупность множества параметров среды, определяющих условия существования того или иного вида и его функциональных характеристик (преобразование им вещества и энергии, обмен информацией со средой и с себе подобными и др.) представляет собой экологическую нишу. Таким образом, экологическая ниша включает не только положение вида в пространстве, но и его функциональную роль в сообществе (например, трофический уровень) и его положение относительно абиотических факторов (температура, влажность и т.п.). Определить экологическую нишу какого-либо вида, по образному выражению, означает сказать: где он живет, как он живет, кого он ест и кто его ест. Ниша — это общая сумма приспособлений вида в целом, характеристика его возможностей при освоении окружающей среды.

На первый взгляд кажется, что животные должны конкурировать друг с другом за пищу и убежища. Однако это происходит редко, т.к. они занимают разные экологические ниши. Например, и мухоловки, и летучие мыши ловят мошек, но в разное время — днём и ночью. Жираф поедает листья с верхушек деревьев и не конкурирует с другими травоядными.

У каждого вида животных своя ниша, что сводит к минимуму конкуренцию с другими видами. Поэтому в сбалансированной экосистеме присутствие одного вида обычно не угрожает другому.

Адаптация к разным нишам связана с действием закона лимитирующего фактора. Пытаясь использовать ресурсы за пределами своей ниши животное сталкивается со стрессом, т.е. с ростом сопротивления среды. Иными словами, в собственной нише его конкурентоспособность велика, а вне её значительно ослабевает или пропадает вовсе.

Адаптация животных к определённым нишам заняла миллионы лет и протекала в каждой экосистеме по-своему. Ввезённые из других экосистем виды могут вызвать вымирание местных именно в результате успешной конкуренции за их ниши.

Человек появился в ходе эволюции биосферы. Он – ее элемент. Все необходимое для жизни человек получает из биосферы. Туда же он сбрасывает бытовые и промышленные отходы. Долгое время биосфера справлялась с теми нарушениями, которые человек вносил в ее деятельность и восстанавливала равновесие. В настоящее время вмешательство человека в биосферу перевалило за критическую отметку, и природа уже неспособна выдерживать напор преобразующей деятельности человека. Это приводит к формированию глобального экологического кризиса, сопровождающегося обострением так называемых глобальных экологических проблем, к которым относятся проблема народонаселения («демографический взрыв»), изменение состава атмосферы и климата, изменение состояния водных систем, истощение природных ресурсов. Рассмотрим эти проблемы подробнее.

Истощение грозит и водным ресурсам планеты. Потребление воды постоянно растет, однако использование и охрана водных ресурсов далеки от оптимальных решений. Так, большой отбор воды на орошение из рек Средней Азии привел к катастрофе Аральского моря. Соль со дна высохшего моря разносится ветром на сотни километров, вызывая засоление почв. За последние годы высохли сотни естественных водоемов Приаралья. Подобные проблемы существуют и на других территориях. Беспокойство вызывает загрязнение водоемов сточными водами – отходами промышленных предприятий. Из-за аварий танкеров и нефтепроводов в окружающую среду ежегодно попадает более 5 млн. тонн нефти. Нефтяные пленки, кроме прямого вреда, замедляют газоообмен между гидросферой и атмосферой, что приводит к гибели жизни в океане.

Несовершенство сельскохозяйственной технологии ведет к сокращению площадей плодородных земель. Распашка обширных степных земель в СССР и США стала причиной пыльных бурь и гибели миллионов гектаров плодородных земель.
В этих условиях биосфера уже практически утратила свои компенсационные свойства и в глобальном масштабе уже не успевает восстанавливать равновесие: пропадают регулирующие ее обратные связи, разрываются биосферные круговороты веществ. Выход из экологического кризиса видится в эволюционной реализации понятия «ноосфера», введенного В.И. Вернадским для обозначения биосферы, преобразованной трудом человека и измененной научной мыслью. Главные компоненты ноосферы – это человечество, производство и Природа, составляющие единую систему, так как человечество не может отказаться от научно-технического прогресса и вернуться в первобытное состояние. Рано или поздно в формирующейся ноосфере должны возникнуть новые регулирующие ее обратные связи, способные стабилизировать всю глобальную систему на новом уровне. Общий подход к решению современных экологических проблем – достижение сбалансированного развития человечества путем реализации программ по предотвращению экологических катастроф. К таким программам прежде всего относится глобальное сдерживание роста населения, развитие новых малоотходных технологий производства, переход на новые, более «чистые» источники энергии и т.п.

Сохранение биосферы - условие абсолютно необходимое, но уже, на данном этапе развития кризиса, недостаточное. Преодоление глобального экологического кризиса чисто технологическими и техническими средствами уже невозможно. Малоотходные технологии необходимы, но их тоже уже недостаточно. И нужно отдавать себе отчет, что достаточных условий человечество пока не знает! Вероятнее всего, что в условиях нынешних технологий и цивилизационных норм, мы их сформулировать просто не можем. В ближайшем будущем человечество столкнется с выбором: либо сознательно и разумно ограничить свой прирост и резко сократить производство с полным переходом на возобновимые «чистые» источники энергии (энергия солнца, не трансформированная биосферой, как, например, уголь и нефть) и сохранить цивилизацию, либо продолжать свою стратегию на потребление остатков невозобновимых ресурсов, что неизбежно ведет к скорой глобальной катастрофе и гибели цивилизации. Сегодняшняя глобальная задача человечества - сохранить себя в биосфере. Если это удастся и человечество вместе с биосферой войдет в новый этап ее эволюции, тогда достаточные условия, обеспечивающие коэволюцию человека и природы, возникнут сами и будут познаны. Чтобы это произошло, человечеству предстоит глубокий пересмотр всех своих жизненных принципов и полная смена жизненной стратегии. С уверенностью можно сказать лишь одно — это будет уже другое человечество, и биосфера тоже будет уже другой — она стабилизируется на новом уровне.

Новая обширная область междисциплинарных исследований, которую принято именовать нелинейной наукой, включает нелинейную термодинамику, теорию катастроф, теорию динамического хаоса, теорию самоорганизации и фрактальную математику.

В сумме эти междисциплинарные направления исследований нередко именуется синергетикой (от греч. – «согласованное действие») – такое краткое и удачное название дано в конце 60-х годов прошлого века немецким физиком Германом Хакеном.

Синергетику определяют также как науку о самоорганизации, т.е. самопроизвольном возникновении пространственной и временной упорядоченности в открытых нелинейных системах (открытыми называются системы, обменивающиеся энергией и веществом с окружающей средой, т.е. существующие и развивающиеся в потоке энергии; нелинейное поведение системы математически описывается нелинейными уравнениями).

Возникновение упорядоченных в пространстве и времени структур в открытых нелинейных системах - спонтанное возникновение порядка из хаоса - изучалось в Бельгии физиком и философом русского происхождения Ильей Пригожиным; его работы по исследованию упорядоченных, «диссипативных» структур, возникающих в неравновесных системах в результате нелинейных процессов, были удостоены в 1977 г. Нобелевской премии по физике.