Разнообразие живых организмов. Биосфера, экосистема, популяция. Влияние человеческой деятельности на окружающую среду

Разбор темы

Систематика: как классифицируют живое

Систематика распределяет организмы по группам по степени родства. Основа современной системы заложена Карлом Линнеем (XVIII век): он ввёл иерархию категорий и бинарную номенклатуру.

Иерархия: вид → род → семейство → отряд (у растений — порядок) → класс → тип (у растений — отдел) → царство. Над царствами выделяют домены: Бактерии, Археи и Эукариоты.

Пример: волк — вид Canis lupus, род Волки, семейство Псовые, отряд Хищные, класс Млекопитающие, тип Хордовые, царство Животные.

Царства живой природы

Неклеточные формы — вирусы: состоят из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки, размножаются только внутри клеток хозяина.

Прокариоты (бактерии и археи): нет оформленного ядра, ДНК кольцевая, лежит в цитоплазме.

Эукариоты: Грибы (гетеротрофы, клеточная стенка из хитина, запасают гликоген), Растения (автотрофы, хлоропласты, стенка из целлюлозы, запасают крахмал), Животные (гетеротрофы, нет клеточной стенки, запасают гликоген). Одноклеточных эукариот (амёба, инфузория, эвглена, хламидомонада) часто выделяют в группу протистов.

Уровни организации живого

Молекулярный → клеточный → тканевый → органный → организменный → популяционно-видовой → биогеоценотический (экосистемный) → биосферный.

На каждом уровне появляются новые свойства: например, обмен веществ — на клеточном, эволюция — на популяционно-видовом.

Экологические факторы

Абиотические — факторы неживой природы: свет, температура, влажность, солёность, состав почвы.

Биотические — влияние других организмов: хищничество, паразитизм, конкуренция, симбиоз (мутуализм — взаимная польза, комменсализм — польза одному без вреда другому).

Антропогенные — влияние человека: вырубка лесов, распашка, загрязнение, строительство.

Каждый вид имеет диапазон выносливости (толерантности) с оптимумом. Фактор, сильнее всего отклоняющийся от оптимума, становится лимитирующим (закон минимума Либиха).

Популяция

Популяция — элементарная единица эволюции. Её характеристики: численность, плотность, рождаемость, смертность, возрастная и половая структура, тип распределения в пространстве.

Численность колеблется (популяционные волны) из-за запасов пищи, хищников, болезней, погоды. Если ресурсы не ограничены, численность растёт экспоненциально; в реальности рост выходит на плато — ёмкость среды.

Экосистема и цепи питания

Компоненты экосистемы: продуценты, консументы I, II, III порядков и редуценты.

Пастбищная цепь начинается с растений: трава → кузнечик → лягушка → уж → орёл. Детритная цепь начинается с мёртвой органики: листовой опад → дождевой червь → крот.

Правило 10 % (Р. Линдеман): на каждый следующий трофический уровень переходит около 10 % энергии, остальное тратится на дыхание и рассеивается как тепло. Поэтому цепи редко длиннее 4–5 звеньев.

Экологические пирамиды бывают пирамидами чисел, биомассы и энергии. Пирамида энергии всегда сужается кверху.

Сукцессия — закономерная смена сообществ на одной территории: первичная (на голых скалах, начинается с лишайников) и вторичная (после пожара, вырубки).

Биосфера и круговорот веществ

Границы биосферы: нижняя часть атмосферы до озонового слоя (около 20–25 км), вся гидросфера (до глубины около 11 км) и верхняя часть литосферы (несколько километров).

В. И. Вернадский выделил живое, косное, биокосное и биогенное вещество и показал, что живые организмы — главная геологическая сила. Стадию биосферы, преобразованную разумом человека, он назвал ноосферой.

Круговорот углерода: растения связывают CO₂ при фотосинтезе, организмы выделяют его при дыхании, редуценты — при разложении, человек — при сжигании топлива.

Круговорот азота: азотфиксирующие бактерии (клубеньковые у бобовых) переводят N₂ воздуха в соединения, доступные растениям; денитрифицирующие бактерии возвращают азот в атмосферу.

Человек и природа Казахстана

Главные экологические проблемы: парниковый эффект и изменение климата, разрушение озонового слоя, кислотные дожди, загрязнение воды и почвы, опустынивание, сокращение биоразнообразия.

Казахстанские примеры: высыхание Аральского моря из-за забора воды Амударьи и Сырдарьи на орошение; последствия ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне; загрязнение Каспия.

Охрана природы: Красная книга Казахстана (снежный барс, сайгак, джейран, тугайный олень), заповедники (Аксу-Жабаглы — первый в Центральной Азии, 1926 год; Наурзумский; Барсакельмес), национальные парки (Бурабай, Алтын-Эмель, Чарынский каньон).

Растения: от водорослей до цветковых 8 класс

Водоросли — без тканей и органов (слоевище). Мхи — есть стебель и листья, нет корней (ризоиды) и сосудов, в цикле преобладает гаметофит. Папоротники, хвощи, плауны — есть корни и сосуды, размножаются спорами, нужна вода для оплодотворения.

Голосеменные (сосна, ель) — семена лежат открыто на чешуях шишек. Покрытосеменные (цветковые) — есть цветок и плод, семя внутри плода.

Однодольные (злаки, лук, тюльпан): одна семядоля, мочковатая корневая система, дуговое или параллельное жилкование. Двудольные (горох, роза, подсолнечник): две семядоли, стержневой корень, сетчатое жилкование.

Животные: беспозвоночные и позвоночные 7–8 класс

Беспозвоночные: губки, кишечнополостные (гидра — радиальная симметрия, стрекательные клетки), черви (плоские, круглые, кольчатые), моллюски, членистоногие (ракообразные, паукообразные, насекомые — самая многочисленная группа).

Позвоночные: рыбы (жабры, двухкамерное сердце), земноводные (трёхкамерное сердце, кожное дыхание), пресмыкающиеся (сухая кожа с чешуёй, яйца с оболочкой), птицы и млекопитающие — теплокровные, четырёхкамерное сердце.

Дихотомический ключ — определитель из пар противоположных признаков («есть позвоночник / нет позвоночника»): шаг за шагом приводит к названию организма.

Взаимоотношения организмов 8 класс

Хищничество (волк — заяц), паразитизм (аскарида — человек), конкуренция (за пищу, свет, территорию), симбиоз: мутуализм — обоюдная польза (лишайник: гриб + водоросль; клубеньковые бактерии + бобовые), комменсализм — польза одному без вреда другому (рыба-прилипала и акула).

Стратегии выживания: r-стратегия — много потомков без заботы (рыбы, насекомые); K-стратегия — мало потомков с заботой (слоны, человек).

Рост популяций и сукцессии 8–9 класс

Экспоненциальный рост (J-кривая) — при избытке ресурсов; логистический (S-кривая) — численность стабилизируется у ёмкости среды. Колебания численности «хищник — жертва» сдвинуты по времени (рысь и заяц).

Сукцессия — закономерная смена сообществ. Первичная — на голом месте (скалы, застывшая лава: лишайники → мхи → травы → кустарники → лес). Вторичная — после пожара, вырубки, на заброшенном поле; идёт быстрее, так как сохранилась почва.

Экологические пирамиды и круговорот азота 9 класс

Пирамида чисел, биомассы и энергии. Пирамида энергии всегда сужается кверху; пирамиды чисел и биомассы могут быть перевёрнутыми (одно дерево — тысячи насекомых; в океане биомасса зоопланктона больше фитопланктона).

Круговорот азота: азотфиксирующие бактерии (клубеньковые, цианобактерии) переводят $N_2$ воздуха в аммиак → нитрифицирующие бактерии окисляют его до нитратов → растения строят белки → редуценты возвращают аммиак → денитрификаторы возвращают $N_2$ в атмосферу.

Глобальные экологические проблемы 9, 11 класс

Парниковый эффект: $CO_2$ и метан задерживают тепловое излучение Земли → глобальное потепление, таяние ледников. Разрушение озонового слоя (фреоны) → больше ультрафиолета. Пестициды накапливаются по цепям питания (биоаккумуляция).

Казахстан: усыхание Аральского моря, последствия Семипалатинского полигона, загрязнение воздуха в городах, опустынивание. Охрана: заповедники (Аксу-Жабаглы — первый в Центральной Азии, 1926 г.; Наурзумский, Алакольский), национальные парки (Бурабай, Иле-Алатау, Алтын-Эмель), Красная книга (сайгак, снежный барс, джейран, тюльпан Шренка).

Всемирное хранилище семян на Шпицбергене хранит образцы семян культурных растений на случай глобальных катастроф.

Грибы: строение, питание, съедобные и ядовитые 8 класс

Тело большинства грибов — грибница (мицелий): сеть тонких ветвящихся нитей-гиф, которые пронизывают почву, древесину или пищу. Гифы выделяют наружу ферменты и всасывают растворённые вещества всей поверхностью — так грибы питаются (как сапротрофы, паразиты или симбионты). Клеточная стенка у грибов из хитина, запасное вещество — гликоген; размножаются они спорами, кусочками грибницы, а дрожжи — почкованием.

Шляпочные грибы образуют плодовое тело из шляпки и ножки; на нижней стороне шляпки созревают споры. У трубчатых грибов нижний слой шляпки похож на губку (белый гриб, подберёзовик, подосиновик, маслёнок), у пластинчатых состоит из радиальных пластинок (шампиньон, а также ядовитые мухомор и бледная поганка). Многие шляпочные грибы образуют с корнями деревьев микоризу: гриб получает от дерева сахара, дерево от гриба — воду и минеральные соли. Поэтому подберёзовик растёт под берёзой.

Бледная поганка — самый ядовитый гриб: её яд разрушает клетки печени, а признаки отравления появляются через 6–24 часа, когда яд уже всосался. Её признаки: зеленовато-белая шляпка, белые пластинки, плёнчатое кольцо («юбочка») на ножке и «мешочек» (вольва) в основании. Правила: не собирать незнакомые и старые грибы, не брать грибы у дорог и заводов (они накапливают тяжёлые металлы), не давать грибы маленьким детям. Паразитические грибы — трутовик на деревьях, головня и спорынья на злаках; о дрожжах и плесени — в теме 12.

Членистоногие и хордовые: признаки классов 8 класс

Членистоногие — самый многочисленный тип животных: тело и конечности членистые, наружный скелет из хитина (поэтому растут они с линьками), кровеносная система незамкнутая. Ракообразные (речной рак, дафния): головогрудь и брюшко, две пары усиков, пять пар ходильных ног, дышат жабрами. Паукообразные (паук-крестовик, скорпион, клещи): головогрудь и брюшко, усиков нет, четыре пары ног, дышат лёгочными мешками и трахеями. Насекомые: голова, грудь и брюшко, одна пара усиков, три пары ног на груди, обычно две пары крыльев, дышат трахеями.

Развитие насекомых бывает с полным превращением (яйцо → личинка → куколка → взрослое насекомое: бабочки, жуки, мухи, пчёлы) и с неполным (яйцо → личинка, похожая на взрослого, → взрослое: саранча, кузнечики, тараканы, клопы). Ротовой аппарат бывает грызущим (жуки, саранча), колюще-сосущим (комар, клоп), сосущим (хоботок бабочки) и лижущим (муха).

Тип Хордовые объединяет животных, у которых хотя бы у зародыша есть три признака: хорда — упругий осевой тяж на спинной стороне тела, нервная трубка над хордой и жаберные щели в глотке; сердце лежит на брюшной стороне. У ланцетника хорда сохраняется всю жизнь, у позвоночных её заменяет позвоночник. Классы позвоночных легко различать по покровам: рыбы — чешуя, земноводные — голая слизистая кожа, пресмыкающиеся — роговые чешуи, птицы — перья, млекопитающие — шерсть (а также молочные железы и диафрагма).

Происхождение жизни и филогенетические деревья 10 класс

Земля образовалась около 4,6 млрд лет назад, а древнейшие следы жизни — строматолиты, слоистые постройки цианобактерий, — имеют возраст около 3,5 млрд лет. По гипотезе А. И. Опарина и Дж. Холдейна (абиогенез), в первичной атмосфере без кислорода под действием молний и ультрафиолета из простых веществ возникали органические молекулы; в «первичном бульоне» они собирались в капли-коацерваты. С. Миллер (1953) пропускал электрические разряды через смесь метана, аммиака, водорода и паров воды и получил аминокислоты — это подтвердило возможность абиогенного синтеза органики.

Последовательность событий: анаэробные прокариоты → фотосинтезирующие цианобактерии (накопление O₂ в атмосфере и образование озонового слоя) → эукариоты (по теории симбиогенеза митохондрии и хлоропласты когда-то были свободноживущими бактериями) → многоклеточные → выход растений и животных на сушу. Все современные организмы произошли от одного предка — последнего универсального общего предка (LUCA). Доказательство — единый генетический код и одинаковые принципы синтеза белка во всех клетках.

Родство групп изображают филогенетическими картами. Филогенетическое дерево показывает происхождение групп во времени; длина его ветвей может отражать время или число изменений. Кладограмма строится только по общим производным признакам («есть позвоночник», «есть яйцо с оболочками», «есть шерсть»): каждый узел — общий предок, и ближе всего родственны те группы, у которых ближайший общий узел. Сегодня деревья строят и по сходству последовательностей ДНК и белков.

Наземные и водные экосистемы, адаптации 8 класс

В водных экосистемах главные продуценты — микроскопические водоросли фитопланктона, поэтому пирамида биомассы в океане может быть перевёрнутой. Жизнь в воде ограничивают свет (он проникает лишь на десятки метров), растворённый кислород и температура, которая меняется медленно. В наземных экосистемах продуценты — в основном крупные растения, а главные ограничения — вода и температура с резкими суточными и сезонными перепадами; воздух не поддерживает тело, поэтому нужны опорные ткани и скелет.

Адаптации — приспособления к условиям среды, возникшие в результате естественного отбора. Морфологические: обтекаемая форма тела рыб, густой мех и слой жира у северных животных, колючки вместо листьев у кактусов, большие уши у ушастого ежа (отдача тепла). Физиологические: спячка суслика, жир в горбе верблюда как источник воды, восковой налёт на листьях. Поведенческие: перелёты птиц, ночной образ жизни пустынных животных, зарывание в песок. Правило Бергмана: у близких теплокровных видов северные формы крупнее (меньше теплоотдача на единицу массы), правило Аллена: у них короче уши, хвост и конечности.

Учёт численности и мониторинг экосистем 9, 11 класс

Численность неподвижных организмов (растений, моллюсков) оценивают методом пробных площадок: на участке случайно раскладывают рамки по 1 м², считают особей в каждой, находят среднее и умножают на площадь участка. Для подвижных животных применяют метод мечения и повторного отлова (индекс Линкольна): $N=\dfrac{M\cdot C}{R}$, где M — число помеченных в первый раз, C — пойманных во второй раз, R — помеченных среди них. Метод работает, если метки не теряются, а помеченные особи равномерно перемешались с остальными.

Чем больше видов и чем равномернее их численность, тем устойчивее экосистема: если исчезнет один вид, его роль возьмут другие, а цепи питания переплетены в сеть. Поэтому лес устойчивее пшеничного поля (агроценоза). Результаты полевых измерений сравнивают статистически: t-критерий Стьюдента показывает, достоверно ли различаются средние двух выборок (например, высота растений на двух участках), критерий χ² (хи-квадрат) — совпадают ли наблюдаемые числа с ожидаемыми.

Для оценки загрязнения используют биоиндикаторы — организмы, чувствительные к состоянию среды: лишайники исчезают при загрязнении воздуха сернистым газом, личинки подёнок живут только в чистой воде. Добыча полезных ископаемых разрушает почву и ландшафт (карьеры, отвалы), загрязняет воду и воздух пылью и тяжёлыми металлами. Стойкие пестициды накапливаются по цепи питания (биоаккумуляция): у хищников их концентрация в тысячи раз выше, чем в воде; так ДДТ вызывал истончение скорлупы яиц у хищных птиц.