Биологическая классификация — Гипермаркет знаний
>> Биологическая классификация
Биологическая классификация
1. Назовите наиболее крупные систематические категории организмов.
2. Какие еще систематические категории вам известны? Приведите примеры из курсов зоологии и ботаники.
Люди всегда стремились к инвентаризации, к упорядочению всех окружающих их объектов, в том числе живых организмов . С появлением книгопечатания и развитием связей между людьми возникла необходимость в создании единой системы классификации, т. е. такой, которую признавали бы во всех странах и которая была бы применима кс всем видам организмов. Раздел биологии, который занимается описанием и классификацией организмов - как живых, так и вымерших, - называется систематикой , а специалисты в этой области - систематиками.
Традиционным научным языком средневековья была латынь.
Поэтому ботаники и зоологи использовали этот язык для названия организмов.
В любом видовом названии присутствует имя рода. Род объединяет наиболее близкие виды организмов, например: Кошки, Лошади, Дубы и др. Первоначально видовое название состояло из множества слов. Этими словами описывались характерные видовые признаки. Например, один из видов североамериканского дуба (красный) назывался: «дуб с листьями, имеющими глубокие прорези, оканчивающимися волосоподобными зубчиками», а другой вид (ивовый) - «дуб с заостренными неразделенными листьями и с абсолютным отсутствием зубчиков по краю» (рис. 58).
Позднее, с середины XVIII в., укоренилось двойное название видов, которое используется и поныне. Первое слово, как и прежде, представляет собой название рода, например: «Собака», «Дуб», второе - вида (точнее, видовой эпитет), например: «Собака домашняя», «Дуб красный» и т. д.
Такая система названий существует около 200 лет. Своим появлением она обязана шведскому натуралисту Карлу Линнею (1707-1778). В попытках составить каталог всех видов организмов, живущих или живших на Земле, Линней постарался построить его таким способом, чтобы он демонстрировал различия между организмами. Итогом работы Линнея стала стройная система классификации растительного и животного мира.
Систематические категории.
Точно так же, как виды объединяются в роды, роды объединяются в семейства, семейства - в отряды, отряды - в классы, классы - в типы, типы - в царства. Каждая из категорий отражает сходство все более и более общих характеристик организмов. В класс млекопитающих, например, входят все позвоночные животные , имеющие молочные железы для вскармливания детенышей, К отряду хищников причисляются звери, питающиеся животной пищей и имеющие для этого специальные приспособления (клыки, когти и др.). По внешнему виду и образу жизни хищные распадаются на разные семейства: собачьи, медвежьи, куньи и др. Сходные группы внутри семейства нормируют роды, которые состоят из отдельных видов.
Такие системы, в которых высшие категории, последовательно включают в себя более и более низкие категории, называются иерархическими (от греч. hieros - священный и arche - власть), т. е. системы, уровни которых соподчиняются по определенному правилу. Большинство биологических классификаций являются иерархическими.
Классификация и эволюция.
Современная классификация является естественной, т. е. она отражает естественное родство организмов. Естественные классификации позволяют предсказывать наличие тех или иных свойств в зависимости от положения организма в системе. У всех представителей класса млекопитающих, например, имеются молочные железы, в полости среднего уха - по 3 слуховых косточки, венозный и артериальный токи полностью разделены з т. д. У всех представителей отряда хищных зверей хорошо развиты клыки, а пальцы заканчиваются когтями. Отличительной особенностью семейства собак является то, что когти у этих зверей не втяжные, и т. д.
Искусственная система основывается на одном или нескольких признаках, естественная, в противоположность ей, основывается на многих признаках. Ученые полагают, что разработанная к настоящему времени система классификации организмов является эволюционной, т. е. каждая таксономическая категория - будь то растения, животные или микроорганизмы - соответствует труппе организмов, которые имеют общего предка.
Систематика. Двойное название видов. Систематические категории. Естественная классификация.
1. Какова цель классификации организмов?
2. Что такое двойное название видов?
3. Что называют систематическими категориями?
4. Почему современная классификация называется естественной?
Каменский А. А., Криксунов Е. В., Пасечник В. В. Биология 9 класс
Отправлено читателями с интернет-сайта
Прежде чем мы приступим к анализу основных факторов, определяющих изменения генофонда вида, необходимо разобраться, что представляют собой основные структурные единицы эволюционного процесса - биологический вид и его популяции. Как мы уже упоминали, начиная с работ Ч.Дарвина, биологический вид оказался в центре внимания эволюционистов. Не будет преувеличением сказать, что синтетическая теория эволюции представляет собой главным образом теорию видообразования. Проблема видообразования находится в центре внимания и некоторых альтернативных эволюционных концепций (сальтационизм, пун-ктуализм). При этом представления о биологическом виде претерпели со времени Ч.Дарвина значительные изменения.
Вид как биологическая макросистема
Подавляющее большинство организмов в той или иной форме используют половой процесс как важнейший способ обмена генетической информацией между разными особями. Половой процесс не обязательно связан с размножением (например, конъюгация инфузорий или меромиксис бактерий), но всегда объединяет различных особей в единую систему - биологический вид. (Меромиксис - половой процесс у бактерий, при котором происходит конъюгация двух бактериальных клеток и часть хромосомы одной из них переходит в другую). Благодаря половому процессу и мейозу в пределах вида постоянно возникают новые комбинации наследственных признаков, новые генотипы, которые все вместе составляют генофонд вида как целого. Биологический вид, состоящий из многочисленных особей, генетически родственных, но различающихся по своим комбинациям наследственных признаков, представляет собой целостную биологическую макросистему.
Поскольку вид является стохастической (вероятностной) системой, характеризующейся нежесткими связями составляющих его компонентов - особей, его устойчивость к изменениям внешней среды определяется в каждом конкретном случае наиболее удачными комбинациями признаков в генотипах отдельных особей. Этим вид отличается от жестких (корреляционных) систем, подобных отдельным организмам, устойчивость которых определяется наименее устойчивыми в данных условиях компонентами. Так, к гибели данного организма ведет летальная мутация в каком-то одном локусе, т.е. изменение одного гена, тогда как для вида в целом гибель отдельных особей, оказавшихся хуже приспособленными в данных условиях или погибших от случайных причин, является относительно малосущественным фактором. Высокая устойчивость биологического вида к изменениям внешней среды определила его роль как основной формы организации живой материи.
Вид, объединяемый в единое целое с помощью полового процесса, неизмеримо устойчивее к изменениям среды, чем клон - потомство данной особи, полученное посредством бесполого размножения. К организмам, размножающимся исключительно бесполым способом (деление, почкование и т. п.), понятие биологического вида, в сущности, неприменимо. Систематики для удобства описаний таких форм иногда используют термин "агамный вид". Аналогично формы организмов, размножающиеся исключительно путем партеногенеза, называют партеновидами.
В предыдущей главе мы уже рассматривали значение разных форм изменчивости для выживания вида, подчеркнув особую роль резерва комбинативной изменчивости, пополняемого новыми мутациями. Благодаря действию естественного отбора генофонд вида представляет собой не случайный набор аллелей, а определенным образом сбалансированную систему, в которой относительное количество тех или иных аллелей определяется приспособительной ценностью контролируемых ими фенотипических особенностей в данных условиях.
На основе генетической общности регулярно скрещивающихся друг с другом особей формируется их морфологическое, физиологическое и поведенческое сходство, на которое прежде всего обращали внимание систематики, выделяя разные виды организмов именно по критериям морфофизиологических (а в большинстве случаев только морфологических) сходств и различий.
Хотя виды организмов представляют собой реальные биологические системы, дать четкое и исчерпывающее определение понятию "биологический вид" оказалось нелегко. Причины этого коренятся в самой природе этой формы организации живой материи.
Долгое время вид определяли как совокупность морфологически и физиологически сходных особей, способных скрещиваться друг с другом, давая плодовитое потомство
. Для практических целей такое определение было удобно, поскольку, казалось, давало вполне отчетливые критерии для идентификации разных видов. Однако по мере накопления новых данных систематики встречались с существенными трудностями в реальном применении указанных критериев.
Прежде всего в таком определении совершенно игнорируется сложная внутренняя структура вида. Уже во времена Дарвина было известно, что многие виды организмов включают устойчивые формы, обитающие в разных частях видового ареала (области географического распространения), - подвиды. Подвиды стабильны и достаточно отчетливо различаются по морфофизиологическим критериям, но в зонах контакта скрещиваются друг с другом, давая плодовитое потомство с промежуточным состоянием признаков (так называемые "зоны интерградации" между подвидами). Ч.Дарвин, изучая изменчивость организмов, пришел к выводу, что индивидуальные различия особей по степени своего выражения плавно переходят в различия подвидов, а различия подвидов столь же постепенно переходят в видовые различия. На основании этого Дарвин заключил, что между видами, подвидами и разновидностями нет принципиальных различий. Этот вывод Дарвина, если понимать его буквально, неверен, поскольку он игнорирует особую биологическую роль вида как формы организации живой материи и как целостной эволюционной единицы. При оценке таксономического статуса многих близких форм организмов возникают сложности - считать ли их подвидами одного вида или самостоятельными, хотя и родственными друг другу, видами.
Популяционная структура вида
Вид представляет собой в действительности гораздо более сложную систему, чем просто совокупность скрещивающихся сходных друг с другом особей. Он распадается на более мелкие естественные группировки особей - популяции
, представляющие население отдельных относительно небольших участков в пределах всей зоны распространения (ареала) данного вида. Внутри каждой популяции имеет место наибольшая степень панмиксии; скрешива-ние же особей, происходящих из разных популяций, имеет место относительно более редко, и обмен генетической информацией между разными популяциями более ограничен. Это обусловливает определенную самостоятельность генетических процессов, происходящих в разных популяциях одного вида. В результате каждая популяция характеризуется своим специфическим генофондом с присушим только данной популяции соотношением частот встречаемости разных аллелей и с соответствующими особенностями спектра изменчивости. Эти генетические различия популяций могут иметь как случайный, так и неслучайный характер. Последнее свойственно относительно крупным популяциям (порядка 500 особей и более), длительное время существующим в данном географическом районе.
Природные условия в разных частях ареала вида обычно более или менее различны. В результате отбор имеет разное направление для популяций одного вида, населяющих разные районы. Следствием этого является возникновение относительно устойчивых различий генофондов разных популяций. Особенности популяци-онных генофондов благодаря действию отбора приобретают приспособительный характер: подбор аллелей в конкретном генофонде, обусловливающий специфическую картину комбинативной и модификационной изменчивости в данной популяции, становится оптимальным для условий обитания этой популяции.
Частота встречаемости разных аллелей в популяции определяется частотой прямых и обратных мутаций, давлением отбора, обменом наследственной информацией с другими популяциями в результате эмиграции и иммиграции особей. При относительной устойчивости условий в достаточно большой популяции все указанные процессы приходят к состоянию относительного равновесия, конкретный характер которого определяется, с одной стороны, спецификой условий, а с другой - генетической системой данного вида. В итоге такие достаточно крупные и устойчивые популяции приобретают сбалансированный и оптимизированный отбором генофонд
, особенности которого имеют приспособительный характер и обусловливают специфические черты данной популяции (экологические, поведенческие, а во многих случаях и достаточно определенные морфофизиологические показатели).
Различия популяций, населяющих удаленные или относительно изолированные друг от друга области, становятся более отчетливыми в связи с уменьшением обмена генетической информацией между ними. Результатом достаточно продолжительной изоляции является формирование подвидов, под которыми понимаются популяции данного вида, населяющие разные участки видового ареала (т. е. имеющие аллопатрическое
распространение) и характеризующиеся устойчивым комплексом морфологических, физиологических и экологических признаков, закрепленных наследственно. Однако подвиды полностью сохраняют скрещиваемость друг с другом, и если контакт между ними вновь расширяется, возникает зона интерградации, в которой в результате гибридизации особи имеют промежуточное состояние признаков. Наличие в пределах вида нескольких устойчиво различающихся друг от друга подвидо-вых форм обозначается термином политипичность вида.
Если ареалы отдельных подвидов достаточно велики, подвиды распадаются на популяции меньшего масштаба - экологи различают несколько уровней таких территориальных (аллопатрических) группировок. Таким образам, внутри вида существует сложная иерархическая система территориальных популяций, которая является приспособлением к оптимальному использованию всего разнообразия условий в разных районах видового ареала.
Поскольку популяции обладают специфическим генофондом, находящимся под контролем естественного отбора, очевидно, что эти естественные группировки особей должны играть важнейшую роль в эволюционных преобразованиях вида. Все процессы, ведущие к каким бы то ни было изменениям вида - к его разделению на дочерние виды (видообразование
) или к направленному изменению всего вида в целом (филетическая эволюция
), начинаются на уровне видовых популяций. Эти процессы преобразований по-пуляционных генофондов принято называть микроэволюцией
. По определению Н.В.Тимофеева-Ресовского, Н.Н.Воронцова и А. В.Яблокова, популяции представляют собой элементарные структурные единицы эволюционного процесса, а векторизованные (направленные) изменения генофондов популяций -- элементарные эволюционные явления.
Вид в пространстве
С учетом внутривидовой популяционной организации Э. Майр определил биологический вид как группу фактически или потенциально скрещивающихся естественных популяций, которая физиологически изолирована от других подобных групп
(т.е. от других видов). Следует отмстить, что и это определение не является исчерпывающим, оставляя неопределенность в двух отношениях.
Прежде всего, если две популяции в рассматриваемый момент времени разделены каким-либо географическим барьером, непроходимым для данного вида организмов (горный хребет, морской пролив, пустыня, для водных форм -- суша и т.п.), очевидно, они не обмениваются генетической информацией, хотя еще могут сохранять потенциальную способность к скрещиванию (реально не используемую). Следует ли относить такие популяции к одному виду?
Эта неопределенность совершенно неизбежна, так как она является отражением действительной ситуации, нередко наблюдаемой в природе. Многие виды организмов имеют разорванный, прерывистый ареал, распадаясь на группы изолированных друг от друга популяций. Можно назвать хотя бы такие классические примеры разорванного ареала, как распространение голубой сороки (Cyanopica cyana), встречающейся на Пиренейском полуострове и на Дальнем Востоке, или ареал вьюна (Misgurnus fossilis), обитающего в пресных водоемах значительной части Европы и Юго-Восточной Азии, но отсутствующего на территории между 70 и 90° восточной долготы. Дальнейшая судьба ныне существующих популяций любого вида организмов неизвестна - пойдет ли их обособление дальше, или же барьеры, разделяющие популяции, нарушатся, и восстановится обмен генами между разными популяциями. В первом случае изолированные популяции могут дать начало новым самостоятельным видам, во втором они вновь объединяются в один вид. Разумеется, последнее вероятнее при значительно меньшей степени разрыва ареала, чем в двух приведенных примерах, если изолированные в данный момент популяции географически не столь удалены друг от друга. Так или иначе судьба отдельных популяций зависит в первую очередь от дальнейших изменений среды, которые, как правило, непредсказуемы. Слияние популяций, обособленных в течение более или менее длительного времени, с другими популяциями вида придает всякому эволюционному стволу своеобразный "сетчатый" характер (рис. 10).
В некоторых случаях, особенно у видов с достаточно большим ареалом, может возникнуть еще более любопытная ситуация, которую хорошо иллюстрирует следующий пример. Большая синица (Parus major) широко распространена в Евразии - от Ирландии до Японии и Индонезии (рис. 11). В пределах этого огромного ареала орнитологи выделяют свыше 30 подвидов большой синицы. Все подвиды, соседствующие друг с другом, легко скрещиваются с образованием зон интерградации. Расселение большой синицы на восток осуществлялось, по-видимому, по двум направлениям: северному (леса умеренного пояса, к северу от зоны пустынь и гор Центральной Азии) и южному (Персия, тропические леса Индии и Индокитая). На Амуре встретились две формы большой синицы, проникшие сюда по северному и южному путям расселения: подвид Parus major major (распространенный от Западной Европы до Дальнего Востока) и подвид P. major minor. Эти две формы не скрещиваются друг с другом, т.е. ведут себя как самостоятельные виды. Однако P. m. minor легко скрещивается с более Южными подвидами большой синицы, а те, в свою очередь, - с подвидами, обитающими в Индии и Персии; последние формы легко скрещиваются с европейскими P. m. major. Как же приложить определение биологического вида к этой причудливой картине родственных форм? С одной стороны, P. m. major и Р. m. Minor по их нескрещиваемости друг с другом можно оценить как два разных вида; с другой стороны, они связаны через цепь легко скрещивающихся южных популяций, по которым в принципе возможна передача генетической информации от одного конца цепи до другого. Подобные ситуации встречаются не столь уж редко, как можно было бы подумать. Б. Ренш предложил обозначать такую цепь родственных аллопатрических форм термином "круг рас", а если некоторые формы в этом "круге" заслуживают выделения в качестве самостоятельных видов - "кольцевой вид". Позднее Э.Майр назвал такие аллопатрические родственные формы, которые на основании имеющихся данных трудно определить как подвиды или самостоятельные виды, "полувидами", а группу родственных полувидов (т.е. кольцевой вид Б.Ренша) - "надвидом".
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
1. Характеристика биологических систем как объектов исследования
Биологическая система - это биологические объекты различной сложности (клетки, ткани, организмы, биоценозы), имеющие, как правило, несколько уровней структурно-функциональной организации. Представляя собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, биологические системы обладают свойствами целостности, способности к саморегуляции, что и определяет их устойчивость, а также способность к адаптации по отношению к внешней среде, развитию, самовоспроизведению и эволюции. Любая биологическая система является динамической - в ней постоянно протекает множество процессов, часто сильно различающихся во времени. В то же время биологическая система - открытая система, условием существования которой служит обмен энергией, веществом и информацией как между частями системы, так и с окружающей средой. Важнейшая особенность биологической системы заключается в том, что такой обмен осуществляется под контролем специальных механизмов реализации генетической информации и внутреннего управления, которые позволяют избежать «термодинамической смерти» путем использования энергии, извлекаемой из внешней среды.
Устойчивость стационарных состояний биологической системы (сохранение постоянства внутренних характеристик на фоне нестабильной или изменяющейся внешней среды, а также способность к их переходу из одного состояния в другое, свойство неустойчивости стационарных состояний биологических систем) обеспечиваются многообразными механизмами саморегуляции. В основе саморегуляции биологических систем лежит принцип обратной связи, положительной или отрицательной. Так в цепи регулирования с отрицательной обратной связью, информация об отклонении регулируемой величины от заданного уровня включает в действие регулятор, который действует на регулируемый объект, таким образом, что регулируемая величина возвращается к исходному уровню (знак применения её обратен знаку первоначального отклонения). Этот механизм, а также более сложные комбинации нескольких механизмов могут функционировать на разных уровнях организации биологических систем (например, на молекулярном - ингибирование ключевого фермента при избытке конечного продукта или репрессия синтеза ферментов, на клеточном - гормональная саморегуляция и контрактное угнетение, обеспечивающее оптимальную плотность клеточной популяции, на уровне организмов - регуляция содержания глюкозы в крови, а в общих случаях гомеостаз, обеспечивающих стабильность внутренней среды организма). Специальные механизмы положительной обратной связи (воздействие на регулируемый объект вызывают изменения, совпадающие по знаку с первоначальным отклонением регулируемой величины, вследствие чего система выходит из данного стационарного состояния) лежат в основе перехода биологических систем из одного стационарного состояния в другое и основанных на этих переходах закономерных изменениях биологических систем, обеспечивающих их адаптацию к изменяющимся внешним условиям, перемещение, другие многообразные активные функции биологических систем, их эволюцию.
Сложное автономное (независимое от среды) движение биосистем возможно благодаря множественности стационарных состояний биосистем, между которыми могут совершаться переходы. В некоторых случаях новое состояние оказывается не стационарным, а автоколебательным, т.е. таким, в котором значения показателей колеблются во времени с постоянной амплитудой. Такие явления в основе периодических процессов в биологических системах временной организации биосистем, в основе функционирования биологических часов.
При анализе поведения и свойств биосистем широкое применение находят различные методы физического и математического моделирования, используются кибернетические и термодинамические подходы. Системный подход оказывается перспективным для решения многих практически важных проблем (таких, например, как создание замкнутых биосистем жизнеобеспечения, проблема заболеваний, связанных с нарушением гомеостаза и прочее). Примером биологической системы являются все живые организмы, населяющие нашу планету, в том числе и растения.
Планета Земля в космосе - пример частично закрытой, автономной биологической системы. Живые объекты на Земле обеспечены всеми необходимыми веществами для жизни и жизнедеятельности. Эта система довольно постоянна, получая из космоса главный фактор жизни - солнечный свет. Эта система - Земля, удерживает на своей поверхности и в ближайшем окружении не только тяжелые твердые предметы, но и воздух, воду, пары воды. Самую простейшую модель биологической системы придумали японцы. В Японии такие системы появились на прилавках в восьмидесятые годы двадцатого века. Они были предназначены для занятых или ленивых цветоводов, которые хотели иметь у себя дома отличные сорта цветов, но, в то же время, не ухаживать за ними. Достаточно было подойти к прилавку, купить такую систему, налить туда воды, герметически закрыть и готово - отличные растения у себя дома целый год.
2. Примеры биологических систем, их существование и значение. Подземные теплицы - прообр аз биосистемы
В настоящее время расширение площадей защищенного грунта сдерживается из-за высокой стоимости строительства теплиц и их эксплуатации. Так, в степной зоне Украины строительство 1 м 2 теплиц в среднем обходилось в 60 рублей, а в Якутске, где овощи и фрукты в дефиците, 250 рублей. И, как это ни парадоксально, тепличное хозяйство более всего развито в центральных и южных районах Украины, а вовсе не там, где в свежих овощах испытывается недостаток. Проведенные за рубежом опыты показали, что овощи можно с успехом выращивать под землей, используя для этого подземные выработки старых шахт, оставшиеся после добычи полезных ископаемых.
Но не все шахтные выработки пригодны для создания подземных теплиц, т.к. большинство угольных шахт подтапливаются грунтовыми водами и в них наблюдаются выбросы метана и других горючих газов, что значительно удорожает эксплуатацию таких выработок (искусственная откачка грунтовых вод). Положительным моментом подземных выработок является постоянная положительная температура выше +11С. Электрические осветительные приборы и оборудование выделяют дополнительное тепло и ещё подогревают шахтные выработки и температура в них даже зимой при сильных морозах достаточна для выращивания большинства овощных растений. В более глубоких шахтах с глубиной температура повышается, но увеличиваются затраты на вертикальную транспортировку людей, оборудования и продукции, а также откачку грунтовых вод и вентиляцию.
Под землей растения можно выращивать круглый год. Традиционные культивационные сооружения (теплицы, парники, оранжереи) зимой приходится обогревать, а летом охлаждать, но следует еще и вентилировать их, на что тратится 20-30% всей потребляемой энергии. Наличие в Украине дешевой электрической энергии для освещения, постоянная температура окружающих пород на глубине и низкая стоимость подготовки отработанных шахт к производству сельскохозяйственной продукции могут дать большой эффект. Что необходимо для нормального роста растений в искусственных условиях? Прежде всего, освещение и среда обитания корней - субстрат.
Опыт эксплуатации подземных выработок в Криворожском железорудном бассейне показал: применяя искусственное освещение соответствующего спектрального состава, можно получать очень хороший урожай овощей. В качестве источников света здесь применяются облучатели тепличные ОТ-400, лампы РРЛ-700 и лампы накаливания мощностью 500 и 1000 Вт. Если позволят габариты помещения, можно использовать и другие системы искусственного освещения, установку ускоренного выращивания растений (УВР), установку системы освещения растительных теплиц СОРТ 1-5 и СОРТ 1-10, систему освещения вегетационных теплиц СОВК-1 и другие (такие установки использовались и на подводных лодках).
В шахтах наиболее традиционно применять гидропонный способ выращивания растений. Кроме того, субстраты (гравий, торф, шлак, песок), соответственно подобранные по физиологическим и химическим свойствам, могут «работать» в подземных условиях 10-15 лет и более, тогда как почву в теплицах необходимо менять каждые 3-4 года.
При выращивании овощей в подземных теплицах на гидропонике многие отрицательные свойства почвы (необходимость внесения большого количества удобрений, повышенная влажность, наличие вредителей и возбудителей болезней растений) полностью отсутствуют. Соотношение питательных веществ в растворах может быть изменено в зависимости от возраста растений и времени созревания плодов, что значительно повышает коэффициент полезного действия вносимых удобрений и урожай возделываемых культур. Созревание овощей при этих условиях происходит среднем на 2-3 недели раньше, чем в грунтовых теплицах.
При подземном выращивании овощей лотки для гидропоники могут быть изготовлены из различных материалов - дерева, обернутого пленкой, пластмассы или асбоцементных труб большого диаметра. Лотки должны укладываться с уклоном 0,3 для стока питательного раствора.
Гидропоника способствует лучшему обеспечению овощей водой с растворенными в ней питательными веществами, предохраняет зону расположения корней от колебания температуры и подсыхания, позволяет автоматизировать производственные процессы по уходу за растениями, а также значительно повысить урожайность продукции.
В настоящее время поступает все больше и больше сообщений об использовании шахтных выработок для выращивания овощей - в Казахстане, Норильске и в других городах мира взялись за это дело с интересом.
Актуальность же проблемы не вызывает сомнений - подземные теплицы должны стать составной частью агропромышленных комплексов, продовольственной программы Украины.
3. Первые шаги на пути к космическим т еплицам
Сложнее по устройству, чем подземные теплицы, но более совершенные наземные тепличные комплексы приближаются по конструкции к закрытой биосистеме, получающей извне только солнечную энергию и информационные сигналы связи. В таких комплексах добровольцы в команде, имитирующей команду космического корабля, проживали и работали более чем по году, изучались вопросы круговорота веществ, в том числе и воды, тепловой баланс, вопросы питания группы людей, реутилизации отходов и другие наблюдения и исследования растений и людей в такой системе. Такие научные комплексы создавались в горах, т.к. условия освещенности (инсоляции) и суточного колебания температур ближе к условиям космического пространства, а на поверхности земли на небольших высотах над уровнем моря условия очень отличаются. На больших высотах, как и в космосе, значительно усилена ультрафиолетовая составляющая солнечной радиации. Также на больших высотах значительно меньше атмосферное давление и наблюдаются резкие колебания температуры за счет сильно меняющегося в течение суток потока солнечной энергии.
Для нормального обеспечения людей, находящихся в таком комплексе, применялись специальные стекла в покрытиях тепличного комплекса. Такое стекло поглощает и ослабляет поток ультрафиолетовой радиации и частично снижает резкие колебания температуры внутри комплекса, т.к. препятствует прохождению не только ультрафиолетовых, но и инфракрасных (тепловых) лучей. Дней поступает меньше тепла, теплица не перегревается, а ночью меньше теряется тепла, теплица не переохлаждается. Для снижения колебания температур применяются также шторки-жалюзи, а также придумана оригинальная система суточных колебаний температуры - это тепловые аккумуляторы. Они используют высокие показатели теплоемкости воды. Черные трубы, наполненные водой, прокладываются на поверхности почвы или субстрата для растений. Днем, при избытке тепла, эти аккумуляторы поглощают тепло, препятствуя перегреву, а ночью отдают его, предохраняя систему от переохлаждения.
Группы людей прожили год и более в помещении теплицы, биологически абсолютно изолированном от атмосферы Земли. Воздух и вода очищались и восстанавливались растениями. Так были сделаны первые шаги человека к созданию надежной замкнутой биологической системы обеспечения человека с использованием высших растений. Эксперимент оказался удачным.
Главная задача при построении космических теплиц состоит в том, чтобы отобрать растения, которые обеспечили бы космонавтов наиболее полезным набором питательных веществ. Поэтому исследователи считают, что с большим успехом эту задачу удастся решить, если на космическом «огороде» посадить набор различных овощей. Только так можно обеспечить полноценную пищу. Естественно, что, подбирая овощи для космической теплицы, необходимо учитывать привычки и вкусы людей. К примеру, зарубежные ученые предлагают выращивать в космической оранжерее бобы, горох и масличное дерево - земляной орех, которые в сочетании с другими растениями удовлетворительно обеспечивают рацион космонавтов. Все это так, но земляной орех для нас непривычная еда. Поэтому рацион космонавтов целесообразно составлять из растений, которые возделываются на территории страны или введены в меню овощей и фруктов, ставших для нас уже привычными. Рацион космонавта не должен включать одни овощи, в нем обязательно должны быть животные белки и жиры. Для решения этого вопроса было рассмотрено большое количество самых различных видов организмов, в том числе беспозвоночных и рыб. Установлено, что современный аквариум - это тоже прообраз замкнутой биоэкологической системы, который можно использовать на корабле. Определено, что на борту космического корабля должны быть и травоядные животные. Более всего для обеспечения космонавтов мясом подходят куры. Они едят практически все и легко размножаются.
Константин Эдуардович Циолковский высказал идею, основанную на реальных данных биологии и смежных наук о создании на борту космического корабля искусственного микромира - космической оранжереи, в которой совершался круговорот веществ подобно тому, как это имеет место в естественных условиях на Земле: «Люди будут поедать плоды, а растения будут очищать воздух и производить плоды. Человек будет возвращать в полной мере то, что он «похитил» от растений: в виде удобрений для почвы и воздуха» - писал К.Э. Циолковский. Космический корабль должен быть кусочком - искусственной планетой, на которой все необходимое для жизни людей поставляют высшие растения.
Космическая биология - отрасль биологии, изучающая воздействие различных факторов космического пространства на живые организмы. В задачи космической биологии входит разработка методов биологических исследований и средств обеспечения жизнедеятельности земных организмов в условиях космического полета (экология искусственной биологической системы). Первые данные о влиянии условий космического полета на живые организмы прежде всего кратковременной (5-10 минут) невесомости, были получены в эксперимента, проведенных в СССР в конце 40-50-х годов прошлого века на ракетах, запушенных на высоту 110-450 км. Систематические исследования советских ученых в области космической биологии начались в 1957 году с полета собаки «Лайки» на втором искусственном спутнике Земли, а затем на кораблях-спутниках с возвращение животных на Землю. Эти эксперименты позволили оценить влияние условий космического полета на живые организмы, а также испытать и отработать системы жизнеобеспечения в кабине космического корабля, привели к выводу, что полет человека в космос возможен.
В космическом полете на организм действуют различные неблагоприятные факторы, они могут быть связаны с физическим состоянием космического пространства (высокая разреженность среды и ионизирующая радиация, препятствующие пребыванию в открытом космосе без защитного костюма и др.), с особенностями летательного аппарата (шум, вибрация, ускорение, невесомость) и с условиями жизни в кабине искусственного корабля (искусственная атмосфера, ограничение движения, эмоциональное напряжение и т.д.). Поэтому, важнейшее направление в космической биологии - исследование воздействий этих факторов на живые организмы, как в отдельности, так и в их совокупности. Эти исследования проводят на Земле путем моделирования различных факторов и условий, а также в реальных условиях космического полета.
Особое место в разработке межпланетных полетов занимает жизнеобеспечение экспедиций. Сейчас космонавты все, что им нужно берут с Земли (лишь частично регенерируется атмосфера, в некоторых полетах проводили экспериментальную регенерацию воды). Но на три года запасов с собой не возьмешь. На межпланетном корабле предстоит создать замкнутую биоэкологическую систему наподобие земной (растения, животные, человек), но в миниатюре, которая будет снабжать экипаж корабля всем необходимым и утилизировать отходы жизнедеятельности. По существу речь идет о конкуренции с природой: то, что природа создавала многие миллионы лет на всей планете, люди пытаются воспроизвести в лаборатории на моделях, чтобы потом перенести в космический корабль.
Нужны ли такие планетарные и межпланетные станции? Сколько это будет стоить? По силам ли это отдельной стране? Работники космоса утверждают, что полеты, скажем к Марсу или Венере, исследование этих планет, очень затруднены для отдельной страны, ведь это очень дорого стоит. Наверняка экспедиции состоятся, но международные экспедиции: и техника, и люди будут представлять все континенты Земли. Хочется видеть этот процесс четко продуманным, спланированным, тогда будет очень мало тех неожиданностей, которые часто встречались в прошлом при освоении новых земель. Вероятно люди сумеют спрогнозировать обстановку и весь вероятный процесс разведки неизведанного с очень большой степенью точности.
Человечество стремится освоить космос, в конечном итоге, для улучшения жизни людей на Земле, а, может быть, и для ухода части человечества на другие планеты (Марс, Венеру), межпланетные станции. Однако и на Земле еще есть очень много неосвоенных пространств, которые при значительно меньших затратах труда и средств могут дать человечеству и необходимое питание, и нужные ископаемые, и источники энергии… На нашей планете громадные площади заняты пустынями, скалистыми высокогорьями, морскими мелководьями - вот места дальнейшего развития плантаций в закрытом грунте. Уже проведены опыты по выращиванию грибов и овощей в пустых выработках старых шахт.
В 1966-1979 гг. были проведены комплексные эксперименты продолжительностью от 18 до 22 суток на биоспутнике «Космос» с 37 биологическими объектами (главным образом, белыми крысами). Изучили влияние так называемой «чистой невесомости» (главным образом, структурные изменения в мышечной, кровеносной, пищеварительной и других системах организма, функционирование которых связано с воздействием земной силы тяжести), а также комбинированное влияние невесомости и радиации. Было показано развитие неблагоприятных изменений, возникающих в организме под влияние невесомости. Изучены также отдаленные последствия действия факторов космического полета (например продолжительность жизни животных, побывавших в космосе оказалась не меньше, чем контрольных). Полученные результаты пополнили знания о механизмах адаптации живых организмов к невесомости, о роли гравитации в существовании фундаментальных биологических процессов - клеточного деления, передачи наследственной информации, роста и развития организмов. Был осуществлен также полный цикл развития растений в условиях невесомости. Эти данные позволили обосновать рекомендации по медико-биологическому обеспечению длительности пилотируемых космических полетов и прогнозировать дальнейшее увеличение их продолжительности.
4. Микробиосистемы в квартире
Сад в бутылке
На дно бутылки насыпают надежный (около 5 см) слой камней или керамзита, а затем слой древесного угля. Делают это аккуратно через листок бумаги, свернутый кульком. Следом засыпают толстый слой почвенной смеси с высоким содержанием песка и приминают её ватным тампоном, намотанным на длинную палочку.
Затем высаживают растения, а почву вокруг них слегка утрамбовывают тампоном. Когда все растения будут высажены, бутылочный сад следует полить. Делают это с помощью лейки с длинным носиком; воду вливают тонкой струйкой по стенкам сосуда. Если на стекле остались следы пыли, то такой полив смоет её. Последнее, что нужно сделать - это плотно закупорить бутылку пробкой. В том случае, если на стенках появились капли конденсата, пробку вынимают и вставляют обратно после испарения лишней влаги.
Удобством такого сада является не только создание оптимальных условий для выращивания капризных и нежных растений. Помимо этого данный декоративный элемент комнаты не требует никакого ухода. Его не нужно поливать, т.к. внутри бутылки происходит естественный круговорот воды, растения в нем не запыляются и получают все необходимое для жизни.
Сад в аквариуме.
В отличие от бутылочного создать аквариумный сад гораздо легче. Для его изготовления прежде всего необходимо обзавестись аквариумом или емкостью с дверкой (террариум).
Приступая к оформлению садика следует помнить, что кактусы и другие суккуленты следи лиственных растений потеряются и лишь испортят общее впечатление. Вместо этого можно создать аквариумный сад, состоящий из суккулентных растений. К составлению композиций следует подойти со всей серьезность.
Аквариумный сад не требует особого ухода, растения в нем могут развиваться не один год. Поэтому при подборе культур нужно учесть будущий вид подросших растений. Нет никакой необходимости высаживать в аквариум те цветы, которые и в комнатных условиях растут нормально. Предпочтение лучше всего отдать нежным, требовательным растениям, таким как адиантум, кала-диум, рео, пефролепис и т.д.
Разбавить зеленую массу декоративно-лиственных растений можно с помощью небольших красивых цветков цимбидиума, катарантуса, клематиса или иксоры. Следует помнить о том, что многие культуры сильно разрастаются, поэтому высаживать их необходимо с учетом будущего размера.
5 . Биологическая система с кактуса ми - модель космической станции
биологический теплица космический кактус
Как долго могут просуществовать различные растения в бутылке, колбе, закрытом прозрачном ящике с почвой? Вначале естественно, что сильно и быстро растущие растения быстро займут весь объем такой модели, израсходуют доступные питательные вещества из почвы и их рост быстро остановится. В противоположность таким растениям, медленно растущие смогут существовать внутри такой модели значительно дольше. Выбор останавливается на группе растений-суккулентов, обладающих медленным обменом веществ, медленным ростом, малым расходом воды, высокой стойкостью к перегреву.
Как показал опыт создания первой такой биосистемы модель «Марс-1» одиннадцать лет просуществовала на кафедре ботаники и физиологии растений Крымского СХИ (КГАТУ) - выбор кактусов (из группы растений-суккулентов) оказался правильным.
Я по этому примеру сделал тоже такую модель биологической системы «Марс-2». Растения в эту систему я выбрал из группы суккулентов, и считаю, что этот выбор оказался правильным. Простейшая модель биологической системы - межпланетной или планетарной станции - это замкнутое, герметически закрытое пространство с прозрачной оболочкой, например бутылка с почвой и растениями в ней.
Растения в изолированном пространстве (где есть все необходимые факторы для жизни), живут как в обычной среде так же, как на нашей планете, ведь наша планета - это маленькая биологическая система, находящаяся в космосе. Наша планета не получает из космоса почти ничего для поддержания жизни, кроме солнечного света, метеоритов, различных излучений, радиации и т.д. Как и в изолированной системе, в нее проникает только солнечный свет. А поддерживается жизнь на Земле только за счет её ресурсов. Так и в изолированном пространстве растения живут только за счет их внутренних ресурсов. В местах своего обитания растения регулируют круговорот веществ (например, удерживают воду в почве, испаряя избыток в атмосферу; регулируют процентное содержание CO2 в атмосфере - его концентрация в лесу не превышает 0,033% и т.д.). Круговорот веществ в биосистеме, необходимый для поддержания жизни, осуществляется примерно как на нашей планете.
Модели биологических систем бывают разные - от бутылок с почвой и растениями до космических станций.
Космические станции очень важны для всего человечества, так как космические станции с биологическими системами помогут намного быстрее достичь Марса, Венеры и других планет, обеспечивая членам экипажа кислород и продукты питания.
Также модели биологических систем разрешать проблему голода на Земле тем, что займут пустыни, высокогорья, выработки старых шахт очень полезными теплицами.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Открытые и замкнутые системы, их активность и обмен, строение и классификация. Иерархическое соподчинение систем, подсистем и элементов. Симптомы и признаки современного экологического кризиса. Характеристика уровней иерархии биологических систем.
реферат , добавлен 14.08.2009
Структура биологических мембран и строение их основы - билипидного слоя. Молекулярная масса мембранных белков, их различие по прочности связывания с мембраной. Динамические свойства биологических мембран и значение организации для биологических систем.
реферат , добавлен 20.12.2009
Биотехнические проблемы инженерной деятельности. Управление состоянием биологических объектов, их отношение к техническим комплексам. Модель взаимодействия человека-оператора с объектом управления. Положение человека в структуре биотехнических систем.
статья , добавлен 20.08.2013
Сущность процесса адаптации. Стресс как неспецифический стимулятор. Резервы продуктивности биологических систем. Использование резервов организма в спорте, медицине. Построение модели адаптации организма к факторам, выводящим его из состояния равновесия.
курсовая работа , добавлен 25.11.2013
Назначение и характеристика функции мембран как невидимых пленок, окружающих клетки живых организмов. Изучение строения и анализ химического состава биологических мембран. Описание систем трансмембранного переноса веществ и мембранной передачи сигналов.
реферат , добавлен 10.12.2015
Формирование рациональных знаний о природе. Исторический очерк становления биологи как науки. Система биологических наук. Биография Ламарка - ученого, внесшего существенный вклад в биологии. Эволюционная теория. Значение биологических исследований.
контрольная работа , добавлен 16.10.2008
Совершенствование биологических и промыслово-биологических основ управления запасами промысловых рыб путем регулирования и контроля селективности и интенсивности рыболовства. Основные понятия и показатели интенсивности промышленного рыболовства.
магистерская работа , добавлен 27.02.2009
Периодически повторяющиеся изменения в ходе биологических процессов в организме или явлений природы. Эндогенные, экологические, физиологические, циркадианные, приливные, лунные и низкочастотные ритмы. Значение биологических часов в жизни живых существ.
презентация , добавлен 14.03.2011
Особенности биологических воздействий и их характеристика, основные виды. Принцип биохимического разрушения. Физико-химическая коррозия на границе материал. Сущность биофактора как источник биоповреждения. Космические воздействия и их характеристика.
реферат , добавлен 10.12.2008
Общая характеристика биологических ритмов, их роль в существовании растений. Влияние биоритмов на жизнь животных, биологические ритмы человека. Доказательства в лабораторных условиях существования биологических часов. Биоритмы кислицы и ветки сирени.
