Экосистема – основное понятие экологии
Экология рассматривает взаимодействие живых организмов и неживой природы. Это взаимодействие, во-первых, происходит в рамках определенной системы (экологической системы, экосистемы) и, во-вторых, оно не хаотично, а определенным образом организовано, подчинено законам.
Экосистемой называют совокупность продуцентов, консументов и детритофагов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой посредством обмена веществом, энергией и информацией таким образом, что эта единая система сохраняет устойчивость в течение продолжительного времени.
Таким образом, для естественной экосистемы характерны три признака:
экосистема обязательно представляет собой совокупность живых и неживых компонентов;
в рамках экосистемы осуществляется полный цикл, начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические составляющие;
экосистема сохраняет устойчивость в течение некоторого времени, что обеспечивается определенной структурой биотических и абиотических компонентов.
Примерами природных экосистем являются озеро, лес, пустыня, тундра, суша, океан, биосфера.
Как видно из примеров, более простые экосистемы входят в более сложно организованные. При этом реализуется иерархия организации систем, в данном случае экологических.
Важным следствием иерархической организации экосистем является то, что по мере объединения компонентов в более крупные блоки, которые, в свою очередь, объединяются в системы, у этих новых функциональных единиц возникают новые свойства, отсутствовавшие на предыдущем уровне. Такое наличие у системного целого особых свойств, не присущих его подсистемам и блокам, а также сумме элементов, не объединенных системообразующими связями, называют эмерджентностью. Краткое античное определение эмерджентности звучит так: целое больше суммы его частей. Поэтому эмерджентные свойства экологической системы представляют собой не простой переход количества в качество, а являются особой формой интеграции, подчиняющейся иным законам формообразования, функционирования и эволюции. Такие качественно новые, эмерджентные свойства экологического уровня или экологической единицы нельзя предсказать, исходя из свойств компонентов, составляющих этот уровень или единицу. Хотя данные, полученные при изучении какого-либо уровня, помогают при изучении следующего, с их помощью никогда нельзя полностью объяснить явления, происходящие на этом уровне: он должен быть изучен непосредственно.
Принцип эмерджентности имеет важное значение для экологического мышления: одно дерево не может составить леса, разрозненные деревья - тоже; лес возникает лишь при определенных условиях - достаточной густоте древостоя, соответствующей флоре и фауне, сформированных сообществах взаимосвязанных организмов, живущих на данной территории, и при других условиях, то есть эмерджентные свойства возникают в результате изменения природы этих компонентов, а не в результате изменения количества этих компонентов.
Таким образом, устройство природы следует рассматривать как системное целое, состоящее из вложенных одна в другую экосистем, высшей из которых является уникальная глобальная экосистема - биосфера. В ее рамках происходит обмен энергией и веществом между всеми живыми и неживыми составляющими в масштабах планеты. Грозящая всему человечеству катастрофа состоит в том, что нарушен один из признаков, которым должна обладать экосистема: биосфера как экосистема деятельностью человека выведена из состояния устойчивости. В силу своих масштабов и многообразия взаимосвязей она не должна от этого погибнуть, она перейдет в новое устойчивое состояние, изменив при этом свою структуру, прежде всего неживую, а вслед за ней неизбежно и живую. Человек как биологический вид меньше других имеет шанс приспособиться к новым быстро изменяющимся внешним условиям и скорее всего исчезнет первым.
Итак, экосистема является важнейшей структурной единицей устройства окружающего мира. Основу экосистем составляют живое вещество, характеризующееся биотической структурой, и среда обитания, обусловленная совокупностью экологических факторов. Рассмотрим их подробно.
Биотическая структура экосистем
Экосистема основана на единстве живого и неживого вещества. Суть этого единства проявляется в следующем. Из элементов неживой природы, главным образом молекул CO2 и H2O, под воздействием энергии солнца синтезируются органические вещества, составляющие все живое на планете. Процесс создания органического вещества в природе происходит одновременно с противоположным процессом - потреблением и разложением этого вещества вновь на исходные неорганические соединения. Совокупность этих процессов протекает в рамках экосистем различных уровней иерархии. Чтобы эти процессы были уравновешены, природа за миллиарды лет отработала определенную структуру живого вещества системы.
Движущей силой в любой материальной системе служит энергия. В экосистемы она поступает главным образом от Солнца. Растения за счет содержащегося в них пигмента хлорофилла улавливают энергию излучения Солнца и используют ее для синтеза основы любого органического вещества - глюкозы C6H12O6. Это есть процесс фотосинтеза.
Излишек атомов кислорода выделяется в атмосферу в газообразной форме.
Кинетическая энергия солнечного излучения преобразуется, таким образом, в потенциальную энергию, запасенную глюкозой. Из глюкозы вместе с получаемыми из почвы минеральными элементами питания - биогенами - образуются все ткани растительного мира - белки, углеводы, жиры, липиды, ДНК, РНК, то есть органическое вещество планеты.
Кроме растений продуцировать органическое вещество могут некоторые бактерии. Они создают свои ткани, запасая в них, как и растения, потенциальную энергию из углекислого газа без участия солнечной энергии. Вместо нее они используют энергию, которая образуется при окислении неорганических соединений, например, аммиака, железа и особенно серы (в глубоких океанических впадинах, куда не проникает солнечный свет, но где в изобилии скапливается сероводород, обнаружены уникальные экосистемы). Это так называемая энергия химического синтеза, поэтому организмы называются хемосинтетиками.
Таким образом, растения и хемосинтетики создают органическое вещество из неорганических составляющих с помощью энергии окружающей среды. Их называют продуцентами или автотрофами. Высвобождение запасенной продуцентами потенциальной энергии обеспечивает существование всех остальных видов живого на планете. Виды, потребляющие созданную продуцентами органику как источник вещества и энергии для своей жизнедеятельности, называются консументами или гетеротрофами.
Консументы - это самые разнообразные организмы (от микроорганизмов до синих китов): простейшие, насекомые, пресмыкающиеся, рыбы, птицы и, наконец, млекопитающие, включая человека.
Консументы, в свою очередь, подразделяются на ряд подгрупп в соответствии с различиями в источниках их питания.
Животные, питающиеся непосредственно продуцентами, называются первичными консументами или консументами первого порядка. Их самих употребляют в пищу вторичные консументы. Некоторые виды живых организмов соответствуют нескольким таким уровням.
Первичные консументы, питающиеся только растениями, называются растительноядными или фитофагами. Консументы второго и более высоких порядков - плотоядные. Виды, употребляющие в пищу как растения, так и животных, относятся к всеядным, например, человек.
Мертвые растительные и животные остатки, например опавшие листья, трупы животных, продукты систем выделения, называются детритом. Существует множество организмов, специализирующихся на питании детритом. Они называются детритофагами. Различают первичных детритофагов, питающихся непосредственно детритом, вторичных и т. п.
Наконец, значительная часть детрита в экосистеме, в частности опавшие листья, валежная древесина, в своем исходном виде не поедается животными, а гниет и разлагается в процессе питания ими грибов и бактерий.
Поскольку роль грибов и бактерий столь специфична, их обычно выделяют в особую группу детритофагов и называют редуцентами. Редуценты служат на Земле санитарами и замыкают биогеохимический круговорот веществ, разлагая органику на исходные неорганические составляющие - углекислый газ и воду.
Таким образом, несмотря на многообразие экосистем, все они обладают структурным сходством. В каждой из них можно выделить фотосинтезирующие растения - продуценты, различные уровни консументов, детритофагов и редуцентов. Они и составляют биотическую структуру экосистем.
Экологические факторы
Неживая и живая природа, окружающая растения, животных и человека, носит название среды обитания. Множество отдельных компонентов среды, влияющих на организмы, называются экологическими факторами.
По природе происхождения выделяют абиотические, биотические и антропогенные факторы.
Абиотические факторы - это свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы.
Биотические факторы - это все формы воздействия живых организмов друг на друга. Раньше к биотическим факторам относили и воздействие человека на живые организмы, однако в настоящее время выделяют особую категорию факторов, порождаемых человеком.
Антропогенные факторы - это все формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как среды обитания и других видов и непосредственно сказываются на их жизни.
Таким образом, каждый живой организм испытывает влияние неживой природы, организмов других видов, в том числе и человека, и, в свою очередь, оказывает воздействие на каждую из этих составляющих.
Законы воздействия экологических факторов на живые организмы
Несмотря на многообразие экологических факторов и различную природу их происхождения, существуют некоторые общие правила и закономерности их воздействия на живые организмы.
Для жизни организмов необходимо определенное сочетание условий. Если все условия среды обитания благоприятны, за исключением одного, то именно это условие становится решающим для жизни рассматриваемого организма. Оно ограничивает (лимитирует) развитие организма, поэтому называется лимитирующим фактором. Первоначально было установлено, что развитие живых организмов ограничивает недостаток какого-либо компонента, например, минеральных солей, влаги, света и т.п. В середине XIX века немецкий химик органик Ю. Либих первым экспериментально доказал, что рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в относительно минимальном количестве. Он назвал это явление законом минимума (закон Либиха).
В современной формулировке закон минимума звучит так: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Однако, как выяснилось позже, лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток фактора, например, гибель урожая из-за дождей, перенасыщение почвы удобрениями и т.п. Понятие о том, что наравне с минимумом лимитирующим фактором может быть и максимум, ввел спустя 70 лет после Либиха американский зоолог В.Шелфорд, сформулировавший закон толерантности. Согласно закону толерантности лимитирующим фактором процветания популяции (организма) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, а диапазон между ними определяет величину выносливости (предел толерантности) или экологическую валентность организма к данному фактору.
Благоприятный диапазон действия экологического фактора называется зоной оптимума (нормальной жизнедеятельности). Чем значительнее отклонение действия фактора от оптимума, тем больше данный фактор угнетает жизнедеятельность популяции. Этот диапазон называется зоной угнетения. Максимально и минимально переносимые значения фактора - это критические точки, за пределами которых существование организма или популяции уже невозможно.
Принцип лимитирующих факторов справедлив для всех типов живых организмов - растений, животных, микроорганизмов и относится как к абиотическим, так и к биотическим факторам.
В соответствии с законом толерантности любой избыток вещества или энергии оказывается загрязняющим среду началом.
Предел толерантности организма изменяется при переходе из одной стадии развития в другую. Часто молодые организмы оказываются более уязвимыми и более требовательными к условиям среды, чем взрослые особи. Наиболее критическим с точки зрения воздействия разных факторов является период размножения: в этот период многие факторы становятся лимитирующими. Экологическая валентность для размножающихся особей, семян, эмбрионов, личинок, яиц обычно уже, чем для взрослых не размножающихся растений или животных того же вида.
До сих пор речь шла о пределе толерантности живого организма по отношению к одному фактору, но в природе все экологические факторы действуют совместно.
Оптимальная зона и пределы выносливости организма по отношению к какому-либо фактору среды могут смещаться в зависимости от того, в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Эта закономерность получила название взаимодействия экологических факторов.
Однако взаимная компенсация имеет определенные пределы и полностью заменить один из факторов другим нельзя. Отсюда следует вывод, что все условия среды, необходимые для поддержания жизни, играют равную роль и любой фактор может ограничивать возможности существования организмов - это закон равнозначности всех условий жизни.
Известно, что каждый фактор неодинаково влияет на разные функции организма. Условия, оптимальные для одних процессов, например для роста организма, могут оказаться зоной угнетения для других, например для размножения, и выходить за пределы толерантности, то есть приводить к гибели, для третьих. Поэтому жизненный цикл, в соответствии с которым организм в определенные периоды осуществляет преимущественно те или иные функции - питание, рост, размножение, расселение, - всегда согласован с сезонными изменениями факторов среды.
Среди законов, определяющих взаимодействие индивида или особи с окружающей его средой, выделим правило соответствия условий среды генетической предопределенности организма. Оно утверждает, что вид организмов может существовать до тех пор и постольку, поскольку окружающая его природная среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям. Каждый вид живого возник в определенной среде, в той или иной степени приспособился к ней и дальнейшее существование вида возможно лишь в данной или близкой к ней среде. Резкое и быстрое изменение среды жизни может привести к тому, что генетические возможности вида окажутся недостаточными для приспособления к новым условиям. На этом, в частности, основана одна из гипотез вымирания крупных пресмыкающихся с резким изменением абиотических условий на планете: крупные организмы менее изменчивы, чем мелкие, поэтому для адаптации им нужно гораздо больше времени. В связи с этим коренные преобразования природы опасны для ныне существующих видов, в том числе и для самого человека.
Стратегия развития экосистем
Равновесие и устойчивость экосистем
Каждая экосистема - это динамическая структура из сотен и тысяч видов продуцентов, консументов, детритофагов и редуцентов, которых связывают пищевые сети и не пищевые взаимоотношения. Встает вопрос: почему фитофаги не уничтожают все растения? Что препятствует хищникам истребить все свои жертвы? Почему один вид не может вытеснить все остальные в ходе конкуренции? Иначе говоря, за счет чего поддерживается стабильность, устойчивость экосистем?
Основная причина, позволяющая экосистемам длительное время сохранять постоянный видовой состав, а значит и устойчивость, заключается в том, что популяции, входящие в состав сообщества, находятся в динамическом равновесии.
Таким образом, равновесие экосистемы - это равновесие составляющих ее популяций. Устойчивое увеличение или уменьшение любой популяции приводит к изменению экосистемы в целом.
В главе 3 "Экологические факторы" анализировались воздействия абиотических и биотических факторов на отдельно взятый организм. Для выяснения условий равновесия экосистем необходимо рассмотреть взаимодействие популяций данного вида с другими популяциями, а также реакции популяции в целом на изменение условий окружающей среды. В экологии этими вопросами занимается специальное направление - популяционная экология.
Динамика популяций
Напомним, что популяция - это совокупность организмов одного вида, обитающая в данном месте в данное время. Популяция характеризуется рядом признаков, причем они присущи группе в целом, а не отдельным ее особям. К таким характеристикам относятся плотность - численность популяции, приходящаяся на единицу площади, рождаемость, смертность, возрастная структура, распределение в пространстве, биотический потенциал, кривая роста и т.д.
С практической точки зрения наиболее важным показателем является численность популяции в данное время, а также ее рост, поддержание и уменьшение в зависимости от факторов среды.
Изменение в численности, структуре и распределении популяций как реакция на условия окружающей среды называется динамикой популяции.
Изменение уровня смертности или уровня рождаемости является основной реакцией большинства видов на объем доступных ресурсов или другие изменения окружающей среды.
Благоприятные изменения обычно вызывают увеличение популяции путем превышения рождаемости над смертностью. Неблагоприятные изменения приводят к обратному процессу.
Особи некоторых видов животных могут избежать или уменьшить действие резкого изменения окружающей среды, покидая территорию своего обитания (эмиграция) и мигрируя на другую (иммиграция) с более благоприятными экологическими условиями и лучшей обеспеченностью ресурсами. Таким образом, четыре фактора - рождаемость, смертность, иммиграция и эмиграция определяют скорость изменения числа особей в популяции за определенный промежуток времени. Структура популяции в отношении особей разного возраста и пола может меняться. Старые, очень молодые и слабые члены популяции могут погибнуть в результате резких изменений окружающей среды. Оставшаяся часть популяции приобретает большую устойчивость к таким стрессам, как более суровый климат, увеличение численности хищников или болезнетворных организмов.
Популяции разных видов также различным образом распределены по своим местообитаниям с тем, чтобы иметь больше преимуществ в обеспечении пищей, убежищем и другими ресурсами, избегать или защищать себя от хищников или, наоборот, чтобы найти жертву. Часто члены популяции собираются в маленькие группы по всему ареалу обитания. Одной из причин этого является то, что ресурсы, необходимые для выживания и воспроизводства, редко распространены равномерно, некоторые участки местообитания предоставляют либо лучшую защиту для жертв, либо лучшие условия охоты для хищников. Это распределение популяции часто меняется в зависимости от изменения условий окружающей среды.
Факторы, влияющие на рождаемость. Рождаемость живых организмов определяется несколькими основными характеристиками. Одна из них - соотношение выжившего потомства, вылупившегося или родившегося, к числу самок в конце периода размножения.
Рождаемость видов также зависит от того, сколько раз в году самки проходят через полный цикл размножения и от продолжительности беременности.
Когда плотность популяции, живущей на конкретной территории, падает ниже определенного уровня, особи могут иметь трудности в поиске партнеров и рождаемость может упасть. Аналогичная картина наблюдается и в тех случаях, если плотность популяции становится слишком высокой для достаточного обеспечения пищей, что сказывается на здоровье продуктивных особей. При перенаселенности и стрессовых условиях некоторые виды, такие, как крысы, испытывают резкое падение рождаемости, даже если наблюдается избыток пищи.
Факторы, влияющие на смертность. В основном смертность и возрастная структура видов зависят от того, какие шансы для выживания имеют особи в различных возрастных группах. Наглядную информацию дает кривая выживаемости отдельных видов, полученная путем подсчета процента живых особей в отдельной популяции.
Смертность зависит и от других факторов. Один из них - межвидовая конкуренция: конкуренция между особями двух или более различных видов за питание и другие ресурсы. Другой фактор - это внутривидовая конкуренция: конкуренция между особями одного вида за скудные ресурсы. Смертность может также повыситься из-за наличия хищников, болезней и паразитов, стресса от перенаселенности, потери или ухудшения естественной среды обитания в результате человеческой деятельности и, кроме того, из-за природных катаклизмов, таких, как засухи, землетрясения, ураганы, пожары и наводнения.
Экспоненциальный рост продолжается вплоть до внезапного падения плотности популяции в результате исчерпания ресурсов среды. Такой рост не зависит от плотности, так как его регуляция не связана с плотностью популяции до самого момента катастрофы. Едва ли не каждый организм способен увеличить свою численность до заселения всей Земли при условии достатка пищи, воды, пространства и защиты от врагов. При неограниченных ресурсах такие быстроразмножающиеся виды как бактерии, насекомые, мыши и некоторые рыбы, могут сделать это за короткий отрезок времени. Например, при отсутствии ограничений один вид бактерий полностью заселил бы нашу планету за 30 дней. Почему же этого не происходит? Потому что природные условия не столь идеальны, а ресурсы ограниченны. Такие факторы, как наличие хищников, внутри- и межвидовая конкуренции, недостаток пищи, болезни, неблагоприятные климатические условия, отсутствие подходящих местообитаний, как правило, останавливают рост популяции ниже уровня максимальной рождаемости. Максимальный размер популяции одного вида, который природная экосистема способна поддерживать в определенных экологических условиях неопределенно долго, называется поддерживающей емкостью экосистемы для данного вида или просто емкостью экосистемы.
Модели динамики популяций в природе.
Виды, чья численность находится из года в год на уровне емкости окружающей среды, имеют относительно стабильные популяции. Подобное постоянство в размерах популяции характерно для многих видов дикой природы и встречается, например, в нетронутых тропических дождевых лесах, где среднегодовая температура и количество осадков крайне мало изменяются день ото дня и год от года.
Некоторые виды, такие, как енот, обычно имеют довольно стабильную численность популяции, но иногда их число резко возрастает, или «подскакивает» до наивысшей отметки, а затем стремительно падает до какого-то относительно стабильного низкого уровня. Такие виды относятся к популяциям со скачкообразным ростом численности.
Внезапные увеличения численности происходят тогда, когда временно повышается емкость среды для данной популяции, что может быть связано с улучшением погодных условий и питания или с резким уменьшением численности хищников, врагов и т.п. После того, как численность популяции превысит эту новую, более высокую емкость системы, смертность в популяции резко увеличивается и размеры популяции значительно сокращаются.
Некоторые виды каждые три-четыре года или каждые десять лет, или в иные постоянные временные интервалы резко увеличивают число особей, что затем сопровождается таким же резким падением численности популяции. Данные виды относятся к популяциям с циклическим ростом их численности. Фактор или группа факторов, влияющих на подобную динамику численности, пока еще недостаточно изучены.
Реакция популяций на постепенное изменение условий окружающей среды
Итак, видовое разнообразие сообщества обеспечивает стабильность экосистем. Равновесие экосистемы определяется равновесием составляющих ее популяций. Это динамическое равновесие складывается в процессе длительного взаимодействия популяций и является результатом адаптации популяций друг к другу.
Рассмотрим, как реагирует та или иная популяция на изменение условий окружающей среды.
Существуют два принципиально разных типа изменений условий окружающей среды: медленное, постепенное, не приводящее к нарушению равновесия в экосистеме, и стрессовое, вызывающее нарушение равновесия вплоть до разрушения и уничтожения экосистемы.
Рассмотрим сначала реакцию популяций на изменения первого типа. Она может быть двоякой: либо происходит биологическая эволюция данного вида, либо из данного вида образуются два или более новых. В основе того и другого процессов эволюции и видообразования лежит естественный отбор.
Естественный отбор и эволюция. Популяции многих видов приспосабливаются к изменению условий окружающей среды путем изменения своего генетического состава. У разных особей одного вида гены не идентичны. Эти генетические разнообразия помогают приспособиться и сохраниться многим видам.
Процесс, посредством которого определенные гены и комбинации генов в популяциях воспроизводятся чаще других, называется естественным отбором. Чарльз Дарвин, впервые выдвинувший эту идею в 1858 году, определил естественный отбор как выживание наиболее приспособленных. Это означает, что выживают особи с наиболее приспособленными к существующим условиям окружающей среды генетическими свойствами, в среднем дающие большее потомство в следующем поколении.
Виды, которые часто дают многочисленное мелкое потомство с короткой продолжительностью жизни, могут приспособиться к изменениям условий окружающей среды путем естественного отбора за очень короткий срок, как это делают сорные травы, насекомые, грызуны, бактерии.
Другие виды, такие, как слоны, тигры, акулы, человек, имеют длительный период воспроизводства и малочисленное потомство. У таких видов адаптация к изменениям окружающей среды занимает обычно тысячи и миллионы лет.
Окончательные изменения в генетической структуре популяции, вызванные переменой условий окружающей среды и происшедшие в силу разной способности к размножению и естественного отбора, называются биологической эволюцией или просто эволюцией. Рассмотрим механизм эволюции.
До сих пор строгого, точного и однозначного ответа на вопрос: «что такое жизнь?» никто дать не может. Однако всякое живое вещество всегда и везде обладает по крайней мере тремя свойствами:
воспроизводимостью, то есть способностью порождать себе подобное;
наследственностью - способностью передавать родительские черты детям;
изменчивостью, то есть способностью к изменению - мутации.
Роль этих факторов в живой природе неоценима. Без воспроизведения жизнь перестала бы существовать. Без наследственности не было бы преемственности между поколениями и, значит, видовые особенности родителей не передавались бы детям. Наконец, без мутации не было бы изменчивости и развитие жизни не пошло бы дальше ее первоначальных форм.
Причины природной мутации могут быть самые разные: тепловые колебания молекул, радиация, температура, химические воздействия и просто случайные помехи в процессе удвоения хромосом. Когда «мутированная» хромосома удваивается, она повторяет структуру, полученную в результате мутации. Следовательно, наследство мутированной хромосомы также мутировано. А далее действует принцип усиления. По мере развития организма происходят многократные деления клеток и в итоге ген мутант оказывается продублированным примерно 1015 раз. Таким образом, в процессе становления живого организма случайные изменения генетической наследственной программы оказываются многократно усиленными. Тем самым случайные изменения на атомно-молекулярном уровне переходят на макро уровень - фенотип. Фенотип - это совокупность внутренних и внешних признаков организма: анатомических, физиологических, психологических, поведенческих и т.п. На этом уровне вступает в действие механизм естественного отбора живых организмов. Закон естественного отбора действует в природе очень жестко: уничтожает те организмы, которые в результате случайной мутации оказались неприспособленными, а из тех, которые оказались в той или иной мере приспособленными к условиям обитания, отдает предпочтение более приспособленным, а менее приспособленных, как правило, также уничтожает. Природа ни о ком и ни о чем не заботится. Все дело в жестком принципе отбора наиболее приспособленных; иной мудрости, иной стратегии у природы нет.
Таким образом, если мутации обеспечивают случайное отклонение организма от исходного состояния, то естественный отбор как бы оценивает результат этого отклонения. Случайные мутации в сочетании с естественным отбором представляют собой движущую силу эволюции.
С точки зрения эволюции мутации, безусловно, полезны. Более того, они необходимы. Огромное разнообразие генов у каждого вида, а также многообразие существующих на Земле видов - все это следствие многочисленных мутаций, которые происходили на протяжении многих миллионов лет и происходят поныне.
С точки зрения отдельных организмов мутации, как правило, вредны, в отдельных случаях даже смертельны. Причина этого заключается в том, что каждый организм есть результат длительной эволюции, он чрезвычайно тонко приспособлен к окружающей среде и далеко не каждое изменение его структуры, вызванное мутацией, идет ему впрок. Скорее наоборот. Для улучшения высокоорганизованного организма нужны мутации специального характера, которые встречаются крайне редко, и может пройти много времени, прежде чем нужная с точки зрения приспосабливаемости новая мутация будет найдена. Может случиться так, что за время, пока она произойдет, организмы этого вида вымрут, причем не столько из-за отсутствия нужной мутации, сколько из-за избытка ненужных и вредных, воздействующих на жизненно важные органы и функции организма и снижающих или даже разрушающих его приспособленность, имеющуюся ранее.
Таким образом, случайные мутации столь же вредны, как и необходимы. Вид, у которого мутации возникают слишком часто, например в результате радиоактивного заражения или химического загрязнения среды обитания, может исчезнуть потому, что многие его представители-мутанты станут неприспособленными к окружающей среде. Если, напротив, у данного вида мутации происходят слишком редко, то при каком-нибудь значительном изменении внешних условий у вида не окажется необходимого запаса изменчивости, он не сможет быстро приспособиться и также погибнет. По одной из гипотез так, по-видимому, относительно недавно вымерли мамонты, не сумевшие приспособиться к быстрым изменениям климата на Земле во время ледникового периода.
Видообразование. Сейчас на Земле существуют около 5 млн. видов живых организмов, около 1,5 млн. из них известны ученым и описаны. Виды возникли в результате взаимодействия на протяжении миллиардов лет двух процессов. Один из них - образование видов. При изменении условий окружающей среды в результате внутреннего отбора возникают новые виды, хорошо приспособленные к этим условиям. Другой процесс - вымирание. В изменившихся условиях природной среды многие виды, не сумевшие генетически к ним адаптироваться и нормально размножаться, перестают существовать.
Биологи считают, что примерно 94 - 99 % когда-либо существовавших на Земле видов вымерли. Однако тот факт, что сейчас на Земле насчитывается около 5 млн. видов (по другим оценкам около 30 млн.) расценивается как преобладание процесса образования видов над вымиранием.
Видообразование может происходить несколькими путями:
1) в результате изменения в одной генетической линии;
2) путем постепенного расхождения линий потомков на два и более видов в ответ на изменение условий среды. Такой путь видообразования характерен для тех случаев, когда популяции одних и тех же видов распространились по ареалам с различным климатом, источниками питания, почвами и т.п. и остались там на длительное время, обычно время жизни от 1000 до 100000 поколений, например, в результате геологического раскола одного участка суши на два раздельных острова, изменения русла реки, поднятия горного массива;
3) в результате миграции части группы, например, в поисках пищи.
Со временем изолированные группы популяций, находясь в различных условиях местообитания, начинают вследствие естественного отбора генетически сильно отличаться. При достаточно длительной изоляции в совершенно разных условиях особи двух разных популяций, даже если займут один и тот же ареал, уже не будут способны к скрещиванию. Таким образом, из одного вида образовались два разных вида. У многих быстро размножающихся организмов видообразование может занять тысячи или даже сотни лет, однако в большинстве случаев на это требуется от десятков тысяч до миллионов лет.
Биологическое разнообразие. В результате естественного отбора за миллиарды лет появился самый ценный «ресурс» планеты - биологическое разнообразие (биоразнообразие). Оно включает в себя два взаимосвязанных понятия: генетическое разнообразие и видовое разнообразие. Генетическое разнообразие - это многообразие генетических свойств у особей одного вида. Видовое разнообразие - это число различных видов внутри какого-либо сообщества организмов.
Невероятное генетическое разнообразие на нашей планете позволяет видам непрерывно изменяться. Каждый ныне существующий вид представляет собой накопленную генетическую информацию, которая позволяет ему приспособиться к определенным изменениям окружающей среды. Биоразнообразие - это «страховая политика» природы против катастроф. Сохранение генофонда планеты, а значит и биоразнообразия, одна из важнейших задач человечества.