Сущность жизни

Вид материала

Содержание

Хромосомная инженерия у растений
Клеточная инженерия
Использование культуы клеток и тканей растений в практике
Получение трансгенных животных
Технология получения моноклониальных антител
Инженерная энзимология
Биосфера и человек
Гидросфера( океаны , моря , реки , озёра )
Окислительно-восстановительная ( биохимическая )
Высотная зональность –
Поток энергии и круговорот веществ в биосфере

Подобный материал:

1 ... 30 31 32 33 34 35 36 37 ... 49

Хромосомная инженерия у растений

Заключается в возможности биотехнологической замены отдельных хромосом в гаметах растений или добавления новых
В клетках каждого диплоидного организма имеются пары гомологичных хромосом ; такие организмы называются дисомиками
При добавлении третьей гомологичной хромосомы возникает организм , в каждой клетке которого будет на одну хромосому больше чем у диплоидного – трисомики
При утрате одной из двух гомологичных хромосом в паре остаётся только одна из них , что при водит к возникновению т. н. моносомика
При утрате в геноме целой пары гомологичных хромосом возникает т . н . нулисомик
Возможна замена одной или обеих гомологичных хромосом у одного сорта пшеницы на ту же пару , но из другого сорта ( тем самым слабый признак у данного сорта – например , качество зерна или устойчивость к болезням – заменяется сильным признвком из другого сорта , приближаясь к созданию « идеально » сорта , у которого все полезные признаки будут максимально выражены )
Существуют методики замены отдельных хромосом одного вида ( например , пшеницы ) на хромосомы другого вида , близкого по происхождению ( например , ржи ) ; полученные таким путём формы называются замещёнными линиями
Применяется методика введения в геном определённого вида или сорта дополнительной пары хромосом другого вида растений , которые определяют развитие признака , отсутствующего у первого вида ; полученные формы называются дополнительными линиями

Клеточная инженерия

Клеточная инженерия – система методов , позволяющая конструировать и клонировать клетки и клеточные системы нового типа с новыми полезными для человека свойствами , на основе их гибридизации и реконструкции

При гибридизаци клеток искусственно объединяют целые соматические клетки с образованием гибридного генома , имеющего хромосомы всех гибридизирующихся клеток
При клеточной реконструкции новая жизнеспособная клетка создаётся из отдельных фрагментов различных клеток ( ядра , цитоплазмы и др . ) ;

Задачи клеточной инженерии – получение новых клеток и клеточных систем с ранее не известными полезными для человека признаками и свойствами
В основе работ по клеточной инженерии лежит метод культуры клеток и тканей на специальных искусственных питательных средах

Метод культуры клеток и тканей

Метод представляет собой выращивание отдельных клеток , кусочков тканей или органов вне организма в искусственных условиях на строго стерильных питательных средах с постоянными физико-химическими условиями , где они размножаются и продуцируют различные ценнейшие вещества – гормоны , ферменты , антитела и другие биологически активные соединения , а сейчас уже и целых животных органов , как материала для трансплантации
Питательная среда для выращивания ( культивирования ) любых изолированных клеток должна приближаться к условиям жизни целого организма и содержать все необходимые для жизнедеятельности клетки вещества ; например для культивирования клеток животных используется питательная среда , в состав которой входят 13 аминокислот ( незаменимых ) , гексоза , витамины группы В , минеральные соли , ионы , гормоны , питательные компоненты
В изолированных от организма клетках и тканях продолжаются клеточные деления , приводящие к образованию массы генетически однородных клеток – клеточных линий , являющихся клонами отдельных клеток
В России и США организованы « банки » клеточных линий , обладающих определёнными генными и хромосомными мутациями или разных раковых клеток , необходимых для моделирования процессов их диагностики и лечения ; клеточные линии используются для изучения стадий митоза , структуры и числа , дифференцировки клеток , изучения повреждающего действия факторов , исследования ферментных систем , производства биологически активных веществ , размножения вирусов с целью получения профилактических сывороток , вопросов ,цитологии , физиологии , гистологии генетики , эмбриологии , медицины
Отдельные растительные клетки ( в отличие от животных клеток ) в искусственных условия особой питательной среды ( селективной ) обладают типотентностью , т . е . способны к регенерации и формированию полноценных растений

Типотентность – способность одиночных соматических клеток развиваться в целое растение

Кусочек ткани сердца зародыша курицы в питательной среде за пять дней увеличился в 24 раза , нарастание костной тканив в аналогичных условиях происходило ещё быстрее – зона роста надкостницы за шесть дней увеличилась более чем в 60 раз ; многие десятилетия клетки куриного зародыша продолжали жить вне организма и темпы их роста оставались неизменными ( за технику выращивания культуры тканей А . Каррелю – фрнц . была присуждена Нобелевская премия ) ; 1см² кожи , взятый у донора за две недели даёт пласты эпителиальных клеток площадью около 3м² ; этот метод может быть использован для культивирования клеток роговицы глаза , полости рта и носоглотки

Использование культуы клеток и тканей растений в практике

Клониальное микроразмножение растений

Культивирование клеток растений относительно несложно , среды просты и дёшевы , а культура клеток неприхотлива
Метод культуры клеток растений состоит в том , что отдельная клетка или ткань , помещённая в питательную среду начинает размножаться , образуя первоначально недифференцированную ткань –каллус , которая при переносе в более сложную питательную среду ( селективную ) даёт целое жизнеспособное растение , пригодное для посадки ( получаемые зародши растений стерильны , что позволяет при размножении ими культурных растений добиваться увеличения их продуктивности до 30 % , теряемых за счёт поражения традиционного посадочного материала спорами грибов , микроорганизмами вирусами и проч . )

Если необходимо , например , получить солеустойчивые растения , то составляется специальная питательная среда с повышенным содержанием солей в которые высеваются тысячи растительных клеток , большинство из которых гибнет , но отдельные выживают в силу случайных наследственных изменений и из них могут впоследствии регенерировать целые , уже солеустойчивые растения ( это пример селекции на клеточном уровне , когда отбор производится не на целых растениях , а на тысячах отдельных клетках в одной чашке Петри , во много раз повышает возможности отбора )

Вегетативное размножение на искусственных питательных средах позволяет почти бесконечно размножать одно растение из маленьких кусочков вегетативных органов ( овощные , плодовые и декоративные культуры )
Метод культуры тканей даёт возможость получить гаплоидные растения из пыльцевыз зёрен или яйцеклеток ( такие растения не способны образовывать гамет , однако при обработке их колхицином получаются диплоидные плодовитые растения , являющиеся чистыми линиями гомозоготными по всем без исключения генам ; такой способ позволяет получить чистые линии всего за несколько месяцев вместо нескольких лет – более 10 - при традиционном способе путём их инбридинга ) , что является новей шим методом селекции растений
Растения , развивающиеся из одной клетки , генетически не стабильны , что связано с мутациями их хромосом ; генетическая нестабильность даёт разнообразные формы растений в качестве исходного материала для селекции
Целое растение можно получить и из протопластов растительных клеток , под которыми понимают клетки , у которых искусственно с помощью гидролитических ферментов ( пектиназы и целлюлазы ) удалена целлюлозно-пектиновая клеточная стенка , а содержимое клетки остаётся покрытолишь плазматической мембраной ( протопласты получают из клеток листьев , корней , лепестков , пылцы , плодов и др. )

Получение растений из одной клетки или протопласта называют клониальным микроразмножением ; оно позволяет резко сократить сроки размножения многих видов растений и быстро получить одно и то же растение в сотнях тысяч экземпляров в качестве посадочного материала , незаражённого возбудителями болезней ( данный метод позволяет из небольшой части растения - верхушки побегов , листа , стебля – получать до 1 млн. растений в год , что особенно важно при размножении генетически уникальных , редких , лекарственных форм , а также хозяйственно ценных и вновь полученных сортов ; при этом посадочный материал свободен от грибковых , бактериальных и вирусных инфекций )
В искусственных условиях выращиваются клетки лекарственных растений , способные к биосинтезу ценных медицинских веществ ( тонизирующих жень-шеня, антисклеротических , стероидных и др. ) ресурсы дикорастущих растений исчезают или истощаются , а потребность в них увеличивается ; производство веществ на основе культивируемых клеток растений не требует посевных площадей , не зависит от сезонных и климатических факторов , совершенно безвредно для окружающей среды

Гибридизация соматических клеток ( соматическая гибридизация ) у растений

Протопласты растительных клеток без жёстких клеточных стенок могут сливаться друг с другом , образуя гибридную клетку , обладающую признаками обоих родителей
Даёт возможность получать гибриды между организмами любых видов , родов и даже семейств, которые не возникают естественным путём из-за барьера нескрещиваемости ( так были получены гибриды табака и картофеля, рапса и турнепса , табака и белладонны , картофеля и томата , яблоко-лук )
Полученные гибридные протопласты объединяют ценные признаки растений разных видов и могут обладать ценными качествами ( устойчивостью к заболеваниям и неблагоприятным условиям среды повышенным содержанием ценных веществ , высокой продуктивностью и т. д. и стать основой новых сортов и форм ( решить эту проблему традиционными методами селекции практически невозможно )

Этапы соматической гибридизации :

Получение и слияние протопластов клеток разных видов , родов , семейств
Культивирование гибридных протопластов в селективных питательных средах
Регенерация целых гибридных растений из гибридных протопластов через образование последними каллуса

Протопласты , сливаясь друг с другом захватывают из питательной среды различные молекулы и даже частицы ; это свойство используется для введения в протопласт чужеродной ДНК или клеточных органелл ( ядра , хлоропластов , митохондрий , хромосом ) с целью получения гибридных клеток с другим генетическим материалом ; созданные таким образом клетки можно использовать в других областях биотехнологиии ( генной инженерии , селекции )

Клеточная инженерия у животных

Метод гормональной суперовуляции и трансплантации эмбрионов

Выделение от лучших коров десятков яйцеклеток в год способом гормональной индуктивной полиовуляции ( вызывается одновременное созревание сразу до 20 яйцеклеток ) , которые искусственно оплодотворяются в яйцеводе или in vitro , а получающиеся эмбрионы на 7 день вымываются из матки и трансплантируют в матки другим коровам - приёмным матерям ( коровы , имеющие более низкую племенную ценность ) для дальнейшего развития , которые дают жизнь телятам –-близнецам , что позволяет получить в течение года целые стада племенных животных и повысить продуктивность породы ( предварительно создаются большие запасы замороженной спермы от выдающихся быков производителей , позволяющие получать от них потомство в течение многих лет после их смерти )
Созданы банки замороженных , искусственно оплодотворённых эмбрионов высокопородных животных для дальнейшей пресадки их приёмным матерям

Получение трансгенных животных

Введение в яйцеклетки исходных животных чужих ДНК ( рекомбинантную плазмиду ) ; животные , развившиеся из таких оплодотворённых яйцеклеток будут содержать в одной из своих хромосом копию введённого гена и передавать его по наследству , продуцируя белок , закодированный этим геном ( известен способ передачи гена гормона роста от крыс в яйцеклетки мышей )
Возможно получение трансгенных животных способом комбинирования бластомеров овцы с бластомерами козы , что привело к появлению гибридных животных ( ковец )

Эти эксперименты показывают возможность преодоления видовой несовместимости на самых ранних этапах развития ( в перспективе возможно в течение года получение хозяйственно-ценных гибридов с заданными свойствами , которые невозможно получить путём скрещиваний )

Гибридизация соматических клеток у животных

Соматические клетки содержат весь объём генетической информации
Соматические клетки для культивирования и последующей гибридизации у человека получают из кожи , костного мозга , клеток крови ( лимфоциты ) , тканей эмбрионов , соединительной ткани
При выращивании двух клеточных линий в одной питательной среде происходит их спонтанное слияние с образованием гибридных клеток , содержащих в общей цитоплазме ядра обеих родительских клеток – гетерокарионов ; гетерокарионы размножаются путём деления ( митоза )
После митоза и последующего разделения цитоплазмы их двухядерного гетерокариона образуются две одноядерные клетки – синкарионы – настоящие гибридные клетки , имеющие хромосомы обоих родительских клеток
При дальнейшем размножении синкарионов происходит постепенная элиминация ( гибель ) хромосом того организма , клетки которого имеют более медленный темп размножения
Гибридизация соматических клеиок производится не только между разными видами , но и типами : человек х мышь , человек х комар , мышь х курица ( например , гибридные клетки человека и мыши имеют 43 пары хромосом : 23 от человека и 20 от мыши )
В эксперименте возможна пересадка ядер соматических клеток в яйцеклетки , искусственно лишённые ядер ; так была открыта способность клеточных ядер обеспечить нормаьное развитие яйцеклеток

Получение моноклониальных антител

В ответ на введение антигена ( бактерии , вирусы , эритроциты и др. ) органимизм продуцирует с помощью В – лимфоцитов специфические антитела , которые представляют собой белки , называемые иммуноглобулинами ,обуславивающие защитные реакции организма по механизму гуморального иммунитета ; однако любое чужеродное тело , попадающее в организм , представляет собой смесь разных антигенов которые возбуждают продукцию разных антител ( для практических потребностей – диагностики и лечения ряда болезней - необходимы моноспецифические сыворотки , содержащие антитела только одного типа – моноклониальные антитела , поражающие определённые антигены )
Антителообразующие клетки ( В – лимфоциты ) не могут расти и размножаться вне организма на питательной среде ; в то же время существуют злокачественные ( раковые ) опухоли костного мозга – миеломы , клетки которых с огромной скоростью размножаются на питательных средах в течение длительного времени ; задача заключается в создании гибридных клеток , совмещающих особенности В-лимфоцитов к образованию специфических антител и раковых клеток – быстро размножающихся в искусственных питательных средах
Созданием искусственных гибридов антител занимается новая ветвь биотехнологии – иммунобиотехнология

Технология получения моноклониальных антител

Иммунизация мышей или крыс , т. е. заражение их желаемым антигеном ( обычно за 5 дней до гибридизации ) , приводящая к началу продукции лимфоцитами специфических антител одного вида ( моноклониальных )
Получение гибридных клеток в результате слияния раковых клеток миеломы с антителообразующими лимфоцитами мышей ( полученный гибрид этих клеток называется гибридома ), способных , как и все опухолевые клетки , бесконечно долго размножаться на искусственных питательных средах, давая многочисленную популяцию гибридом - гибридомный клон ; клетки возникшего клона способны также продуцировать неограниченное количество антител одного типа ( моноклониальных )

Клонирование позволяет вырастить из одной клетки гибридомы жизнеспособную популяцию , которая продуцирует антитела , заданной иммунизацией специфичности ( для сохранения клона его клетки хранят неограниченное время в жидком азоте при – 180^о )
Метод гибридомной технологии широко используется в биологии и медицине для диагностики и лечения ряда болезней , продукции ферментов , вакцин и лечебных сывороток ; в 1984 г . Келлеру и Мильштейну ( англ. ) была присуждена Нобелевская премия
В1980 году получены человеческие гибридомы , продуцирующие моноклониальные антитела к антигенам вируса крови
Возможно слияние трёх или четырёх клеток в единый гибрид с образованием триом или квадром , способных к продукции бифункциональных моноклониальных антител, т. е. к связыванию двух разных антигенов ; такие бифункциональные антитела используют для направленного транспорта : лекарственные препараты , гормоны , ингибиторы роста идут к определёному месту где требуется блокировать антиген

Клеточная инженерия у человека

Открыта и широко используется возможность оплодотворения яйцеклеток человека сперматозоидами в пробирке и дальнейшее развитие образованных таким образом зародышей при имплантации их в матку матери
В 1993 году разработана методика получения монозиготных близнецов человека in vitro , путём разделения эмбрионов на бластомеры и доращивания последних до 32 клеток , после чего они могли быть имплантированы в матку женщины

Экологическая биотехнология

Очистка воды путё создания очистных сооружений , работающих с использованием биологических методов

Окисление сточных вод на биологических фильтрах
Утилизация органических и неорганических загрязнений , остающихся после очисткм воды другими методами с помощью активного ила

Активный ил – сложный комплекс разных мокрорганизмов и водорослей , способные поглощать из загрязнённых вод различные примеси и использоварь их а процессе своей жизнедеятельности

Активный ил на 70% состоит из живых организмов и на 30% из твёрдых частиц неорганической природы , к которым они прикрепляются ; микроорганизмы образуют симбиоз и покрываясь общей слизистой оболочкой способны окислять спирты , жирные кислоты , парафины , углеводы и др .
Для водоочистки на последнем этапе используются также биологические пруды , в которых роль очистителя выполняют микроорганизмы и водоросли ; именно в них происходит полное и окончательное удаление остаточных количеств вредных соединений , после чего вода считается пригодной для возврата во внешние источники ( вода после биоочистки не требует хлорирования ) ; биоочистка значительно дешевле и эффективнее её очистки техническими способами

Биологическая очистка вод океанов от загрязнений их нефтепродуктами ( в воды Мирового океана ежегодно поступает до 10 млн. тонн нефти и её производных , что катастрофически нарушает процессы газообмена и испарения воды и приводит к разрушению водных экосистем и гибели водных организмов )

Выявлены микроорганнизмы , способные использовать нефтепродукты для своей жизнедеятельности

Создаются новые виды микроорганизмов , которые разрушают или аккумулируют строго определёные загрязнители , например , гербициды , хлор , ДДТ , тяжёлые металлы и др.
Очистка навозных стоков крупных животноводческих комплексов и предотвращение загрязнения ими воздуха , водоёмов , почвы , посевов с помощью биогазовых установок
Методами генной инженерии сконструированы штаммы бактерий , являющиеся точными индикаторами мутагенной активности химических загрязнителей , а также штаммы , способные разрушать многие химические соединенния-загрязнители ( нефть и нефтепродукты ) до безвредных продуктов

Биоэнергетика

Биоэнергетика – направление биотехнологии , связанное с получением энергии из биомассы при помощи микроорганизмов

Одним из эффективных методов получения энергии из биомассы является получение биогаза ( например метана ) или этилового спирта ( этанола )
Биомасса – это дешёвый и возобновляемый источник энергии ( быстрорастущие деревья или сельскохозяйственные культуры : злаки , кукуруза , тросник , сахарная свёкла )

в отличие от полезных ископаемых запасы растительной биомассы можно восполнить в необходимом количестве за короткий срок
уже сейчас ресурсы биомассы огромны и оцениваются в 100 млрд. тонн по сухому весу в год
используемая людьми незначительная часть её даёт до 15% потребляемой в мире энергии

Этанол – экологически чистое топливо , дающее при сгорании СО₂ и Н₂О ; его используют как чистом виде ( 99,8% ) в двигателях внутреннего сгорания , либо в виде добавки к бензину ( газохол содержит до 20% этанола
Для получения биогаза (метана ) необходимо сбраживать отходы сельского хозяйства ( навоз ) с помощью специальных штаммов анаэробных метанообразующих бактерий ; при этом образуется до 95% метана , а оставшаяся перебродившая жидкая масса представляет собой ценное органическое удобрение ; одновременно решается проблема утилизации отходов животноводства и соответствующие экологичесике проблемы
Метан возможно получить с помощью солнечного биогенератора – биосоляра , где в качестве источника энергии применяется одноклеточная водоросль хлорелла , которая культивируется в в специальных светосборниках ; КПД биосоляра достигает 80%

Биоконверсия

Биоконверсия – это превращение веществ , образовавшихся в результате обмена веществ , в структурно родственные соединения под действием микроорганизмов

Целью биоконверсии является использование дешёвых источников сырья для получения ценных соединений и кормовых веществ

В качестве источника сырья можно применять природный газ , метанол , отходы лесотехнической и пищевой промышленности , сельского хозяйства

Например , при добыче нефти образуется много сопутствующих газов , которые можно использовать для получения метилового спирта , в свою очередь широкоприменяемый для производстви белково-витаминных концентратов ( БВК ) – ценной кормовой биодобавке
Из соломы и опилок можно производить биомассу , которая содержит до 20% белка ; при переработке 25 млн. тонн соломы получается столько кормового продукта , сколько его содеоржится в 2,5 млн. тонн фуражного зерна
Методами биоконверсии микроорганизмы вырабатывают стероидные гормоны , используемые при гормональной недостаточности , кожных болезнях , аллергиях и воспалениях

Инженерная энзимология

Инженерная энзимология – область биотехнологии , использующая ферменты в производстве заданных веществ

Центральным методом инженерной энзимологии является иммобилизация ферментов и микроорганизмов( клеток )

Ферменты чрезвычайно широко используются в промышленном производстве , медицине , науке ; ферменты чрезвычайно нестойки и подвижны , трудно отделяются от продуктов реакции по окончании процесса и используются лишь однократно поэтому их стоимость велика

В основе метода иммобилизации ферментов лежит присоединение ферментов к поверхности инертной и нерастворимой матрицы-носителя , что позволяет сохранить их катализирующие свойства и продлить срок использования до нескольких месяцев , повысить выход продукта ; иммобилизация переводит ферменты в форму , которую легко можно отделить от химических реактивов , что даёт возможность их многократного использования и удешевить производство в десятки раз

В качестве матрицы-носителя используются активированный уголь , окись алюминия полимерные и другие материалы , которые либо химически связываются с ферментами , либо адсорбируют их

Широко применяется иммобилизация клеток и даже отдельных клеточных органелл ( хлоропластов , митохондрий , лизосом и др. ) , поскольку их выделение и использование является менее затруднительным , чем получение очищенного фермента

Иммобилизованные ферменты обусловили создание и широкое применение искусственной почки , выделение незаменимых аминокислот из смеси органических соединений , утилизации пищевых отходов , стерилизации продуктов питания , получении пищевых углеводов из сахарной свёклы и тростника , лечении закупорок сосудов и сердечно-сосудистых заболеваний и т. д. С помощью иммобилизированных клеток микроорганизмов , например дрожжей , возможно получение спирта из глюкозы причём процесс происходит на протяжении трёх месяцев без подзарядки

Биогеотехнология

Биогеотехнология – использование геохимической деятельности микроорганизмов в горнодобывающей промышленности ( рудной , нефтяной , угольной )

С помощью микроорганизмов в нефтяной промышленности производится :

Повышение нефтеотдачи пластов на 20 –30%
Поиск нефтегазовых месторождений
Очистка стоков предприятий нефтяной промышленности

В рудной промышленности :

выщелачивание металлов из руд и концентратов
биосорбция ( извлечение из руд) металлов
улучшение флотируемости руд
очистка стоков предприятий горнорудной промышленности

в угольной промышленности

Борьба с метаном в угольных шахтах ( поглощение метана метаноокисляющими бактериями )
Удаление серосодержащих соединений из угля ( при сжигании угля образуют в атмосфере серную кислоту , выпадающую в виде сернокислотных дождей – до 300 кг на 1 га земли - , принося огромный ущерб хозяйству , здоровью человека и окружающей среде )
Борьба с агрессивными водами в шахтах
Извлечение из каменного угля сопутствующих металлов – германия , никеля , бериллия , ванадия , золота , меди , кадмия , свинца , цинка , марганца
Очистка стоков предприятий угольной промышленности

Биосфера и человек

Биосфера – область существования и функционирования живых организмов , охватывающая нижнюю часть атмосферы ( аэробиосфера ) , всю гидросферу ( гидробиосфера ) , поверхность суши ( террабиосфера ) и верхние слои литосферы ( литобиосфера )

Термин « биосфера » предложил Э. Зюсс ( австр. ) в 1875 году , но не развил представлений о биосфере и не дал термину определения
Учение о биосфере создал русский учёный-геохимик В. И. Вернадский ( книга « Биосфера » , где излагались основы учения о биосфере вышла в 1926 году )
Биосфера объединяет все современные экосистемы Земли и представляет собой глобальную экологическую систему – экосферу
Биосфера является самым крупным уровнем организации живой материи , в котором элементарной структурной и функциональной единицей являются биогеоценозы

Границы биосферы

Опредаляются комплексом факторов ; к общим условиям существования живых организмов относяися :

наличие жидкой воды
наличие ряда биогенных элементов ( макро- и микроэлементы )
поступление солнечной энергии ( радиации )
Диапазон температур от – 50 до + 50

Границами биосферы являются пределы распространения живой материи на планете

Атмосфера

Имеет мощность 3 тыс. км.
Область биосферы охватывает лишь нижний приземный её слой – тропосферу : интесивно – до высоты 400 м , в латентном функционально неактивном состоянии ( споры грибов , цисты микроорганизмов ) – до высоты озонового экрана ( 16 – 25 км ) ; споры и цисты выявлены в тропосфере на высоте до 40 км
Лимитирующими физическими факторами являются : гравитация , уменьшение плотности атмосферы , усиление космического излучения , очень малое количество воды , углекислого газа , большие дозы УФ лучей ( всё живое , поднимающееся выше озонового слоя гибнет )

Гидросфера( океаны , моря , реки , озёра )

Живые организмы населяют всю толщу Мирового океана до максимальных глубин ( на дне Марианской впадины – 11034 м ) ; наибольшее количество организмов сосредоточено в поверхностном слое ( куда проникает длинноволновая часть солнечного спектра – видимый свет – 50 – 200 м ) и прибрежной области
Лимитирующие факторы : ослабление и прекращения солнечной радиации , повышение давления , снижение температуры до О⁰С , количества кислорода и СО₂

Литосфера ( верхняя часть поверхности земной коры )

Область биосферы достигает глубины 4,5 км ( анаэробные бактерии нефтеносных песчаников )
Максимальная плотность живого вещества – в гумусовом горизонте ( почве ) от 2 до 30 см ( в основном корни растений и безпозвоночные , микроорганизмы , грибы )
Лимитирующие факторы : повышение температуры горных пород ( на глубине 1,5 км она может достигать выше 100^оС ) , уменьшением Н₂О , О₂ и СО₂

Наибольшая концентрация живого вещества сосредоточена в зонах контакта и активного взаимодействия всех трёхоблочек Земли ( почвы , воды , воздуха )

Выносливость жизни в целом к отдельным факторам среды шире диапазонов тех условий , которые существуют в современной биосфере
Крайние пределы температур , которые выносят некоторые формы жизни ( в латентном состоянии ) – от практически абсолютного нуля до +180⁰С ; давление , при котором существует жизнь – от долей атмосферы на большой высоте до тысячи и более атмосфер на больших глубинах ; семеа , споры растений и мелкие животные в анабиозе сохраняют жизнеспособность в полном вакууме ; живые организмы способны существовать в бескислородной среде ; уксусные нематоды обитают в чанах с бродящим уксусом , ряд микроорганизмов живётв концентрированных растворах солей ( медного купороса , фторида натрия , насыщенном растворе поваренной соли ) ; серные бактерии выдерживают концентрированные растворы серно кислоты ; некоторые формы бактерий могут существовать при действии ионизирующей радиации в 3 млн. раз превоходящее естественный радиоактивный фон , а некоторые бактерии обнаружены в котлах ядерных реакторов

Жизнь обладает значительным « запасом прочности » , устойчивости к экстремальному воздействию среды и потенциальной способностью к ещё большему распространению

Структура биосферы ( по В. И. Вернадскому )

В биосфере выделяют следующие основные структурные компоненты :

Живое вещество – совокупность всех живых организмов планеты ( численно выражается суммарной биомассой , элементарным химическим составом и мерами энергии )
Косное вещество – совокупность веществ биосферы , в образовантт которых живые организмы не участвуют ( горные и вулканические породы , минералы )
Биогенное вещество – вещество , которое создаётся и перерабатывается живыми организмами (каменный уголь , нефть , торф , гумус , известняки , битумы , природный газ и другие биогенные полезные ископаемые )
Биокосное вещество – вещество , создающееся в биосфере одновременно живыми организмами и физическими косными процессами , находящимися в динамическом равновесии ( почва , кора выветривания , приземный слой атмосферы , все природные воды , толщи осадочных пород )

Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль , именно от них зависят его физико-химичесике свойства

Различают два основных типа биосферы :континентальный и океаничесикий

Живое вещество

Представляет собой совокупность всех живых организмов ( биомассы ) Земли

Представляет собой открытую систему , для которой характерны рост , размножение , обмен веществ и энергии с внешней средой , накопление энергии и передача её в цепях питания , распространение
Живое вещество обладает следующими специфическими свойствами :

Свойства живого вещества

Содержат огромный запас энергии , способной производить работу
Скорость протекания химических реакции в живом веществе в миллионы раз быстрее обычных благодаря участию ферментов
Белки и нуклеиновые кислоты структурированы , устойчивы и функционально активны только в живых организмах
Живому веществу присуща подвижность

В. И. Вернадский выделил две специфические её формы :

пассивная – создаётся ростом и размножением организмов
пассивная – осуществляется за счёт направленного перемещения организмов ( характерно для животных и в меньшей степени протист и бактерий )

Благодаря разным формам движения живое вещество способно заполнить собой всё возможное пространство – этот процесс назван давлением жизни

Живое вещество имеет значительно большее морфологическое и химическое разнообразие , чем неживое ( известно 2 млн органических веществ и всего 2 тыс. природных соединений – минералов )
Живое вещество представлено в биосфере в виде дискретных тел – индивидуальных организмов
Живое вещество представлено на Земле всегда биоценозами , составленными из популяций разных организмов , связанных разнообразными взаимодействиями ( пищевыми и др. )
Живое вещество существует на Земле в форме непрерывного чередования поколений , что способствует его обновлению
Живое вещество способно к эволюционному процессу , адаптациогенезу на основе наследственной изменчивости и естественного отбора при изменении условий существования
Живое вещество постоянно производит геологическую работу по переработке массы материи ( масса вещества , переработанного живыми организмами , намного превышает их собственную массу )

Живое вещество – постояннодействующий , самый активный и мощный геологический фактор , преобразующий земную кору

Функции живого вещества

Выполнятся живой материей в процессе осуществления жизнедеятельности и биохимических превращений веществ в реакциях метаболизма

Энергетическая – трансформация и усвоение живым веществом солнечной ( световой ) энергии и передача её по трофической цепи ( цепям питания )

В основе лежит фотосинтетическая деятельность зелёных растений , образующих 98% первичной продукции планеты - около 200 млрд т сухого органического вещества в год

Газовая – трансформация ( превращение) газов в биосфере

Осуществляется на основе постоянного газообмена а процессе дыхания , фотосинтетической деятельности зелёных растений , процессов гниения , азотофиксации и денитификации
Привела к формированию и поддержанию относительного постоянства газового состава современной ( вторичной , окислительной ) атмосферы
Контролирует содержание в атмосфере О₂ , СО₂ , N₂ , сероводорода , метана , аммиака и т. д

Концентрационная – извлечение и избирательное накопление ( концентрация ) живыми организмами определённых химических элементов окружающей среды

Прежде всего это группа основных органогенных элементов ( С , Н , N, О ) , а также микроэлементов – Fe , Mn , Са , Nа , К , Cl , Сu , Р , S , J , Al - , необходимых для структурно-функциональной организации живой материи (
В результате произошло накопление залежей органогенных полезных ископаемых – железных и железомарганцевых руд , каменного угля , торфа , туфа , нефти , природного газа , известняка , серы , фосфоритов и др.
Растения концентрируют минеральные вещества в виде солей ( азотных , калийных , фосфорных ) , необходимых для фотосинтеза , в количествах . сопоставимых с их запасами в литосфере , накопленные за миллионы лет геологической истории

Окислительно-восстановительная ( биохимическая ) – химическое превращение веществ , содержащих атомы с переменной степенью окисления

Окислительно-восстановительные реакции лежат в основе выполнения всех функций живого вещества , любого вида клеточного метаболизма , процессов ассимиляции и диссимиляции ( реакциях синтеза веществ и процессах энергетического обмена ) ; в масштабе биосферы эти процессы сопряжены и сбалансированы

Биохимическая - химические превращения веществ и энергии в процессе жизнедеятельности ; связана с ростом , размножением и перемещением живых организмов в пространстве
Деструкционная – процессы разложения организмов после их смерти

Органические остатки разрушаются до минеральных соединений (минерализация органических остатков ) , которые с помощью автотрофных организмов вновь вовлекаются в биологический круговорот

Биогеохимическая деятельность человека – охватывает всё возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности , транспорта , сельского хозяйства

Биомасса

Биомасса биосферы составляет 0,1 % массы земной коры и оценивается примерно в 2,4 10¹² т ; биомасса суши – 99,87% , Мирового океана – 0,13%( это связано с меньшей эффективностью фотосинтеза в воде , чем на суше – использование лучистой энергии Солнца в океане равно 0,04% , на суше – 0,1% )

Биомасса суши

Континентальная часть биосферы – суша занимает 29% ( 148 млн км² )
Неоднородность суши выражается наличием широтной зональности и высотной зональностью

Широтная зональность – определяется количеством получаемой солнечной энергии , СО₂ , минеральных веществ , соотношением величины получаемого тепла и влаги ( в разных зонах эти соотношения различны , что положено в основу выделения 20 главных типов природных ландшафтов : зоны тундры , тайги , смешанных лесов и т. д )
Высотная зональность – определяется высотой местообитания над уровнем моря ( хлорофиллоносные растения не могут жить выше 6000 м , что определяется недостатком жидкой воды , низким содержанием СО₂ и низкой температурой )

Уровень развития живого вещества выражается двумя показателями : биомассой и продукцией

Биомасса ( Б ) – количество живого вещества , приходящееся на единицу площади или объёма ( г\м² , кг\га и т. п. )

Продукция ( П ) – прирост биомассы на единице пространства за единицу времени ( напр., г\м² в сутки )

Показателем скорости воспроизведения биомассы является отношение продукции к биомассе ( П\Б –коэффициент )

В биомассе суши преобладают растения ( 99% ) , животные и микроорганизмы составляют 1% ; основная биомасса живого вещества планеты сосредоточена в зелёных растениях суши
Количество образованной растениями первичной продукции за год составляет около 75% всей продукции биосферы
Скорость воспроизведения биомассы растениями суши ( в основном деревьями ) низка ( ежегодно в процессе фотосинтеза продуцируется 150 –200млрд т сухого органического вещества
Биомасса суши и видовое разнообразие закономерно и постепенно увеличивается от полюсов к экватору ; максимальное сгущение , многообразие растений и продуктивность – во влажных тропических лесах ( П около 3кг\м² ) ; видовое богатство животных и микроорганизмов и их биомасса зависит от растительной массы и тоже увеличивается к экватору , что связано с повышением оптимальности абиотических факторов ( соответственно , в субтропиках – П 2,5 кг\м² , лесах умеренной зоны – 1кг\м² , минимальные значения наблюдаются в зоне ледяных пустынь , тундры и пустынях – до 0, 1 кг\м² в год ) ; наиболее продуктивны экосистемы тропических лесов , затем следуют обрабатываемые земли , степи и луга , пустыни и полярные зоны

Биомасса почвы

Почва – смесь разложившихся органических и выветренных минеральных веществ ; минеральный состав почвы включает кремнезём ( до 50% ) , глинозём ( до 25% ) , оксид железа , магния , калия , фосфора , кальция ( до 10% ) ; органические вещества поступают с растительным опадом , содержат углеводы , белки , жиры , конечные продукты обмена растений – смолы , воска , дубильные вещества ( органические вещества в почве минерализуются или превращаются в более сложные соединения – гумус
Мощность почвенного слоя зависит от биомассы находящихся на ней растений и коррелирует с последней
Почва , как среда жизни , имеет большую плотность , малую амплитуду колебаний температуры , непрозрачна , бедна кислородом , содержит воду с растворёнными минеральными веществами ,
Живые организмы почвы представлены корнями растений , бактериями ( 500 т\га ) , грибами , зелёными и сине-зелёными водорослями , простейшими ( амёбами , жгутиконосцами , инфузориями ) , животными ( в основном беспозвоночными и их личинками : черви , муравьи , термиты , клещи и т.д.) : все обитатели почвы образуют своеобразный биоценоз
Все обитатели почвы производят большую почвообразовательную работу ( структурирование , рыхление , аэрация ) , участвуют в создании плодородия почвы и общем круговороте веществ в биосфере

Биомасса почвы коррелирует с биомассой наземных растений , зависит от оптимальности абиотических факторов среды и закономерно увеличивается от полюсов к экватору

Почва плотно заселена организмами ; биомасса одних только дождевых червей в суглинках достигает 2,5 млн особей на 1 га , или 1,2 т на 1 га ; бактерии – 500 т а 1 га и т. д.

Биомасса Мирового океана

Площадь Мирового океана ( гидросфера Земли ) занимает 72,2% всей поверхности Земли
Вода обладает особыми свойствами , важными для жизни организмов – высокую теплоёмкость и теплопроводность , относительно равномерную температуру , значительную плотность , вязкость и подвижность , способность растворять химические вещества ( около 60 элементов ) и газы (О₂, СО₂ ) прозрачность , поверхностное натяжение , солёность , рН среды и т. д. ( химический состав и физические свойства вод океана относительно постоянны и создают благоприятные условия для развития разных форм жизни )
В биомассе организмов Мирового океана преобладают животные ( 94% ) ; растения соответственно – 6% ; биомасса Мирового океана в 1000 раз меньше , чем на суше ( водные автотрофы имеют большую величину П\Б , поскольку обладают огромной скоростью генерации – размножения - продуцентов )
На долю растений океана приходится до 25% первичной продукции фотосинтеза на всей планете ( свет проникает до глубины 100 –200 м ; поверхность океана в этой толще вся заполнена микроскопическими водорослями – зелёными , диатомовыми , бурыми , красными , сине-зелёными - главными продуцентами океана ) ; многие водоросли имеют огромные размеры : зелёные – до 50 – 100 м ; бурые ( фукусы , ламинарии ) – до 100 –150 м ; красные ( порфира , корралина ) – до 200 м ; бурая водоросль макроцистис – до 300 м
Биомасса и видовое разнообразие океана закономерно уменьшается с глубиной , что связано с ухудшением физических условий существования , прежде всего для растений ( уменьшение количества света , понижением температуры , количества О₂ и СО₂)
Имеет место вертикальная зональность распределения живых организмов

Выделяются три экологические области : прибрежная зона – литораль ,толща воды – пелагиаль и дно – бенталь ; прибрежная часть океана до глубины 200 – 500 м составляют материковую отмель ( шельф ) ; именно здесь условия жизни оптимальны для морских организмов , поэтому здесь наблюдается максимальное видовое разнообразие фауны и флоры , здесь сконцентрировано 80% всей биологической продукции океана

Наряду с вертикальной зональностью наблюдается и закономерные горизонтальные изменения видового многообразия морских организмов , так , например , разнообразие видов водорослей увеличивается от полюсов к экватору
В океане наблюдаются сгущения организмов : планктонное , прибрежное , донное , колонии кораллов , образующих рифы

Взвешенные в воде одноклеточные водоросли и мельчайшие животные образуют планктон ( автотрофный фитопланктон и гетеротрофный зоопланктон ) , прикреплённых и сидячих обитателей дна называют бентосом ( кораллы , водоросли , губки , мшанки , асцидии , кольчецы-полихеты , ракообразные , моллюски , иглокожие ; у дна плавают камбала , скаты )

В водной массе организмы могут передвигаться либо активно – нектон ( рыбы , китообразные , тюлени , морские черепахи , морские змеи , моллюски , кальмары , осьминоги , медузы ) , либо пассивно – планктон , имеющий главное значение в питании животных океана )

Плейстон – совокупность организмов , плавающих на поверхности воды ( некоторые медузы )
Нейстон – организмы , прикрепляющиеся к поверхностной плёнке воды сверху и снизу (одноклеточные животные )
Гипонейстон – организмы , живущие непосредственно под поверхностью воды ( личинки кефали , хамсы , веслоногие рачки , саргассовый кораблик и др. )

Максимальая биомасса океана наблюдается на континентальном шельфе , около берегов , островов на коралловых рифах , в районах поднятия глубинных холодных вод , богатых накопленными биогенными элементами
Бенталь характеризуется полной темнотой , огромным давлением , низкой температурой , недостатком пищевых ресурсов , низким содержанием О₂ ; это вызывает своеобразные адаптации глубоководных организмов ( свечение , отсутствие зрения , развитие жировой ткани в плавательном пузыре и т.д. )
Во всей толще воды и особенно на дне распространены бактерии , минерализующие органические остатки ( детрит ) ; органический детрит заключает в себе огромный запас пищи , которую потребляют обитатели дна : черви , моллюски , губки , бактерии , протисты

Отмершие организмы осаждаются на дно океана , образуя осадочные породы ( многие из них покрыты кремневыми или известковыми оболочками , из которых впоследствии образуются известняки и мел )

Поток энергии и круговорот веществ в биосфере

Биосфера является открытой системой , способной существовать только при условии непрерывного поступления из окружающей неорганической среды материи ( веществ ) и энергии
Важнейшей чертой биосферы , определяющей её существование и устойчивость является наличие биотических круговоротов веществ ( положение о круговороте биогенных элементов – основной закон геохимии биосферы )

Биологический ( биотический , биогенный , биогеохимический цикл ) круговорот веществ

Биотический круговорот веществ – непрерывное , планетарное , относительно циклическое , неравномерное во времени и пространстве закономерное распределение веществ и информации в биосфере

Общий (глобальный ) круговорот веществ складывается из отдельных круговоротов химических элементов , воды , газов и др. веществ и характерен для всех геосфер
С появлением биосферы общий круговорот веществ происходит с обязательным участием живого вещества , а в последний период – и человека
Большой биотический биосферный круговорот веществ состоит из огромного количества малых биотических круговоротов в пределах экосистем более низкого уровня ( биогеоценотических )
В самом общем виде круговорот веществ ( биогенных элементов ) в биосфере происходит следующим образом

Неорганические ( минеральные ) вещества : минеральные соли , СО₂ , Н₂О в процессе фотосинтеза и хемосинтеза трансформируются продуцентами-автотрофами в органические соединения ( низкомолекулярные : глюкозу , аминокислоты , спирты , жирные кислоты , нуклетиды и т . д. , а потом и высокомолекулярные биополимеры : белки, полисахариды, липиды, нуклеиновые кислоты ) – основу питания гетеротрофов
Органические вещества переходят в процессе питания и усвоения пищи по трофическим уровням пищевых цепей и пищевым сетям консументов , многократно участвуя в процессах жизнедеятельности и создания вторичной органической продукции гетеротрофов
После смерти продуцентов и консументов разложение ( деструкция ) органических остатков осуществляется за счёт жизнедеятельности редуцентов-сапрофитов ( детритофагов ) : в основном гнилостных бактерий , плесневых грибов , некоторых животных ; в процессе деструкции происходит минерализация органических остатков до СО₂ , Н₂О , аммиака и др. неорганических веществ
Продукты минерализации вновь используются первичными продуцентами-автотрофами , начинающими новый биогеохимический цикл

Количество изъятых из биосферы для образования первичной продукции минеральных веществ компенсируется количеством неорганических веществ , образующихся в процессе деструкции органических остатков , что обеспечивает относительную сбалансированность круговорота веществ и стабильность существования биосферы ( это приводит к тому , что количество биомассы живого вещества относительно постоянно )
Круговорот веществ биосферы не является полностью замкнутым , т. е. сбалансированным , его цикличность относительна

Blog

Сущность жизни

Содержание