В земледелии и лесном хозяйстве используют высокую продуктивность ранней фазы в сукцессиях естественных экосистем. Человек путем корчевания, выжигания, мелиорации, орошения свел многообразие продуцентов естественных биоценозов к начальным фазам развития экосистем с немногими (предпочтительно одним) продуцентами (монокультурой). По мере развития сельского хозяйства он сделал эти фазы постоянными, поддерживая монокультуры и снимая почти весь урожай. Это привело к неустойчивости искусственных сообществ по отношению к внешним факторам и к конкурирующим продуцентам (сорнякам) и консументам (вредителям).
В природных экосистемах за счет взаимодействия многообразия абиотических и биотических факторов (сопротивление среды) между всеми видами, входящими в биоценоз, устанавливается равновесие, в какой-то мере колеблющееся около средних значений плотности популяций. Эта относительная стабильность поддерживается притоком энергии Солнца и поглощением минеральных элементов, которые со временем вновь возвращаются в окружающую среду.
Но если система искусственно упрощена и при этом неуклонно повышается продукция постоянно изымаемой биомассы одного или нескольких видов культурных растений или домашних животных, то появляется необходимость постоянно возмещать расходуемые вещества с помощью удобрений и вносить добавочную энергию для поддержания почв, борьбы с сорняками и вредителями. В этом случае необходимо детальное знание биологии и экологии всех компонентов системы с целью рационального использования природных ресурсов в условиях научно-технического прогресса.
Вопрос 3. Описать фенотип своего организма и высказать предположение о его генотипе по ряду признаков, например, по цвету волос и глаз, росту
Я имею темные волосы, голубые глаза, нормальный рост тела.
Изучив фенотип моих родителей, могу предположить, что я являюсь гетерозиготой по пигментации волос, так как у моего отца волосы темные, а у матери – светлые.
У моих родителей голубые глаза так же, как и у меня, следовательно, по пигментации глаз я являюсь гомозиготой по рецессиву, так как голубые глаза – рецессивный признак.
Оба моих родителя имеют нормальный рост. Этот признак они передали мне, значит, по данному признаку я являюсь гомозиготой по доминанте, так как нормальный рост тела – доминантный признак.
Вопрос 1. Основные методы селекции растений и животных: гибридизация и искусственный отбор
Основными методами селекции являются отбор и гибридизация. В растениеводстве по отношению к перекрестно опыляющимся растениям нередко применяется массовый отбор. При таком отборе в посеве сохраняют растения только с желательными качествами. При повторном посеве снова отбирают растения с определенными признаками. Сорт, получаемый этим способом, не является генетически однородным, и отбор, время от времени, приходится повторять.
Индивидуальный отбор сводится к выделению отдельных особей и получению от них потомства. Индивидуальный отбор приводит к выделению чистой линии – группы генетически однородных (гомозиготных) организмов.
Для внесения в генофонд создаваемого сорта растений или породы животных ценных генов и получения оптимальных комбинаций признаков применяют гибридизацию с последующим отбором. Так, сорт пшеницы может иметь прочный стебель и быть устойчивым к полеганию, но в то же время легко поражается ржавчиной. Другой же сорт, с тонкой и слабой соломиной, устойчив к ржавчине. При скрещивании этих двух пшениц у части растений в потомстве сочетаются признаки устойчивости к полеганию и к ржавчине. В животноводстве трудно получить массовый материал для отбора из-за малого числа потомков, поэтому широко используется индивидуальный отбор с тщательным учетом хозяйственно полезных признаков и гибридизации. У сельскохозяйственных животных проводят или близкородственное скрещивание с целью перевода большинства генов породы в гомозиготное состояние или неродственное скрещивание между породами или видами. Неродственное скрещивание имеет целью комбинацию нескольких полезных признаков. Такое скрещивание при последующем строгом отборе приводит к улучшению свойств породы.
При скрещивании разных пород животных или сортов растений, а также при межвидовых скрещиваниях в первом поколении гибридов повышается жизнеспособность и наблюдается мощное развитие. Это явление получило название гибридной силы, или гетерозиса. Оно объясняется переходом многих генов в гетерозиготное состояние и взаимодействием благоприятных доминантных генов. При последующих скрещиваниях гибридов между собой гетерозис затухает вследствие выщепления гомозигот.
Одно из выдающихся достижений современной селекции – разработка способов преодоления бесплодия межвидовых гибридов. Впервые это удалось осуществить в начале 20-х годов советскому генетику Г. Д. Карпеченко при скрещивании редьки и капусты. Это вновь созданное человеком растение не было похоже ни на редьку, ни на капусту. Стручки занимали как бы промежуточное положение и состояли из двух половинок, из которых одна напоминала стручок капусты, другая – редьки.
Академику Н. В. Цицину удалось создать гибрид пшеницы с пыреем. На основе этого гибрида был выведен новый сорт зерно-кормовой пшеницы, который дает за три укоса в сезон до 300–450 ц/га зеленой массы. Методами отдаленной гибридизации получена новая зерновая и кормовая культура – гибрид пшеницы с рожью. Этот гибрид, названный тритикале, удачно сочетает ценные признаки пшеницы и ржи, давая высокие урожаи зерна и зеленой массы с высокими питательными качествами. Н. В. Цицину удалось получить этим способом и ряд кормовых культур.
Вопрос 2. Круговорот веществ в экосистеме. Основной источник энергии, обеспечивающий круговорот веществ
Существование биомассы связано с поступлением энергии и веществ из окружающей неорганической среды. Большинство веществ земной коры проходит через живые организмы и вовлечено в биологический круговорот веществ, создавший биосферу и определяющий ее устойчивость. В энергетическом отношении жизнь в биосфере поддерживается постоянным притоком энергии от Солнца и использованием ее в процессах фотосинтеза.
Поток солнечной энергии, воспринимаясь молекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических связей. В процессе фотосинтеза растения используют лучистую энергию солнечного света для превращения веществ с низким содержанием энергии (CO2 и Н2О) в более сложные органические соединения, где часть солнечной энергии запасена в форме химических связей. Образованные в процессе фотосинтеза органические вещества могут служить источником энергии для самого растения или переходят в процессе поедания и последующего усвоения от одних организмов к другим: от растений к растительноядным животным, от них – к плотоядным и т. д. Высвобождение заключенной в органических соединениях энергии происходит в процессе дыхания или брожения. В конечном итоге вся поглощенная организмами в виде химических связей солнечная энергия снова возвращается в пространство в виде теплового излучения. Поэтому биосфере необходим приток энергии извне.
Различают круговороты газового типа с резервуарами неорганических соединений в атмосфере или океанах (N2, О2, СО2, Н2О), и круговороты осадочного типа с менее обширными резервуарами в земной коре (Р, Са, Fе).
Круговорот азота связан с его превращением в нитраты за счет деятельности азотфиксирующих и нитрифицирующих бактерий. Нитраты усваиваются растениями из почвы или воды. В конце концов редуценты вновь переводят азот в газообразную форму и возвращают его в атмосферу.
Углерод, содержащийся в атмосфере в виде СО2, является одним из исходных компонентов для фотосинтеза, а затем вместе с органическим веществом потребляется консументами. При дыхании растений и животных, а также за счет редуцентов углерод в виде СО2 возвращается в атмосферу.
В отличие от азота и углерода резервуар фосфора находится в горных породах, подвергающихся эрозии и высвобождающих в экосистемы фосфаты. Большая их часть попадает в море и частично вновь может быть возвращена на сушу через морские пищевые цепи, заканчивающиеся рыбоядными птицами. Усвоение фосфора растениями зависит от кислотности почвенного раствора: по мере повышения кислотности практически нерастворимые в воде фосфаты превращаются в хорошо растворимую фосфорную кислоту.
От того, насколько регулярно осуществляется круговорот того или иного биогенного элемента, зависит продуктивность биогеоценоза, что имеет большое значение для сельскохозяйственного производства и лесного хозяйства. Сбалансированность биологического круговорота, т. е. его уравновешенность, а, следовательно, и устойчивость экосистемы определяются максимально возможным числом связей между видами в пищевой сети.
