Считается, что первые живые существа появились на планете еще 3,6 млрд лет назад, при общем возрасте Земли 4,6 млрд лет. За миллиарды лет эволюции развились многие миллионы видов живых организмов, образовав обширнейшую область изучения для биологии, часть понятий которой используется в экологии.
2.1.1.Общие принципы организации и функционирования
Живого вещества
Современные живые системы (организмы) характеризуются самоподдержанием, самовоспроизведением и саморазвитием, которыетребуют: а) специфической сложной структурной физико-химической организации живого вещества, более высокой, чем в неживых системах; б) метаболизма - обмена веществ как внутри живого вещества, так и с внешней средой; в) затрат энергии, получаемой извне (при фотосинтезе, хемосинтезе) или изнутри (при пищеварении), на поддержание своей высокой упорядоченности, причем большинство организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию; г) выборочного использования информации (сенсорной, клеточной, генетической и пр.), так как способность активно реагировать на внешние раздражители – универсальное свойство всего живого; д) способности передавать потомкам заложенную в организмах информацию, содержащуюся в генах – единицах наследственности (самовоспроизведение); е) изменчивости живого при видоизменениях и искажениях этой информации в процессе передачи, что предопределяет возможность эволюции, саморазвития.
Жизнь сегодня – самый сложный объект для изучения, имеет четкие иерархические уровни: биологическая клетка ® биологическая ткань ® орган ® целостный организм, особь (онтогенетический уровень)® малая группа особей ® биологический вид ® популяция какого-нибудь вида ® сообщество популяций ® биоценоз Земли.
Академик В. И. Вернадский считал жизнь высшей фазой развития материи на Земле, опосредующей другие планетарные процессы, образующей их биогеохимическое единство. Поэтому он предложил соответствующую классификацию веществ по степени их связанности с живымиорганизмами Земли:
1. Живое вещество - совокупность вещества тел всех организмов, определяемая их совместной массой, однотипным химическим составом, обладающая запасом собственной свободной внутренней энергии.
2. Биогенное вещество - органические или органо-минеральные продукты, созданные за многие годы с решающим участием живого вещества (каменный уголь, нефть, торф, гумус и т. п.).
3. Биокосное вещество - абиотическое вещество, состав которого формировался не только геохимически, но и с участием продуктов жизнедеятельности организмов (атмосфера, океанская вода, осадочные породы, в том числе мел, мрамор, известняк и др.).
4. Косное вещество - абиотическое вещество, образовавшееся без какого-либо участия организмов (например, горные породы, минералы).
Наряду с этими веществами В. И. Вернадский выделял также: космическое вещество, образовавшееся вне пределов Земли, биосферы; радиоактивное вещество, обладающее свободной внутренней энергией, как и живое вещество.
Впервые экологически важную роль энергии в живом веществе подчерк-нул В. И. Вернадский, отметив две его основные функции: 1) обеспечение метаболизма (обмена) химических веществ; 2) способность к ассимиляции (усвоению) и преобразованию энергии солнечного излучения в другие виды энергии, ее распределение в биосфере, расходование на рост живой материи. Живое вещество, имея массу 0,15 % от твердых структур биосферы, поглощает и ассимилирует обычно ~ 0,3 % (но на некоторых участках - до 5 %) солнечной энергии.
Эволюционный принцип устойчивой неравновесности биологических систем еще в 1935 г. ввел советский биолог-теоретик Э. С. Бауэр: развитие биосистем есть результат увеличения внешней работы биосистемы (воздействия организма на среду) в ответ на полученную из внешней среды единицу энергии. Он писал: “только живые системы за счет свободной энергии исполняют работу против равновесия, требуемого законами физики и химии”.
Не обращаясь подробно к закономерностям биологической эволюции, отметим только, что в живых системах выполняется закон максимизации собственной энергии Г. и Э. Одумов: в соперничестве с другими системами выживает (сохраняется) та из них, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии, причем использует ее наиболее эффективным способом. Отсюда следует неизбежность наибольшего структурного усложнения этой выжившей биосистемы, к тому же – с наименьшими энергетическими затратами на такое усложнение. Закон максимизации собственной энергии действует и на клеточном уровне. Поэтому показатель эффективности внутриклеточного дыхания (энергообразования) увеличивается от 0,09 мВт/г массы тела у простейших (одноклеточных животных – инфузорий, амеб) до 22 мВт/г у млекопитающих и, наконец, более 36 мВт/г – у человека. Этот же закон действует и при переходе к более высоким иерархическим уровням организации живого.
По современным физическим представлениям организм трактуется как дискретная самовоспроизводящаяся открытая термодинамическая система, связанная со средой обменом веществ, энергии и информации. При этом биосфера и экосистемы понимаются в том числе и как совокупность физических объектов в рамках теории сложных систем.