Вопрос № 13

В чем различие функций одноклеточных и многоклеточных организмов?
Ответ опубликован 23 февраля 2007.
Автор вопроса: анонимный.
Вопрос задан 11 февраля 2007.

Многоклеточная жизнь на суше
Главная реакция жизни, фотосинтез, осуществляется многоклеточными зелеными листьями на суше и микроскопическим одноклеточным фитопланктоном в океане.

Кратко:

(1) Важнейшее для устойчивости жизни свойство одноклеточных организмов состоит в том, что их малый размер и, соответственно, большое число позволяют добиться, в соответствии с законом больших чисел, минимизации флуктуаций (т.е. максимальной устойчивости) проходящих через эти организмы потоков энергии. Поэтому как в океане, так и на суше до 99% первичной продуктивности в ненарушенных экосистемах потребляется мельчайшими одноклеточными организмами, в основном, бактериями и грибами. В океане, помимо этого, и вся первичная продуктивность определяется одноклеточными организмами (фитопланктоном)

Однако оказывается, что сделать жизнь полностью одноклеточной невозможно, причем по разным причинам для жизни на суши и жизни в океане. (2) В океане одноклеточные организмы не могут без контроля со стороны многоклеточных организмов поддержать генетическую устойчивость (т.е. подвержены спонтанной генетической деградации). (3) На суше без многоклеточных растений (деревьев) невозможно обеспечить функционирование биотического насоса атмосферной влаги, который обеспечивает жизнь на суше водой.

Литература к утверждениям 1-3:

(1) О преимущественном потреблении биосферных потоков энергии одноклеточными организмами:

(2) О проблеме генетической устойчивости вообще и фитопланктона в частности:

3) Деревья как основа биотического насоса влаги:

Подробнее:

Почему жизнь в океане не может быть только одноклеточной?

Океан характеризуется двумя важными для жизни свойствами. Во-первых, свет проникает только в верхний (фотический) слой океана, поэтому фотосинтез возможен только там. Во-вторых, верхний слой океана подвержен сильному ветровому и волновому перемешиванию, которое быстро убывает с глубиной.

Жизнь в открытом океане основана на фотосинтезе органического вещества одноклеточным фитопланктоном. Разложение органического вещества осуществляется одноклеточным бактериоплатктоном и многоклеточным зоопланктоном. В значительно меньшей степени разложение осуществляется нектоном — крупными многоклеточными организмами, способными к самостоятельному передвижению независимо от физических потоков воды.

Ввиду своего малого размера и неспособности к автономному перемещению клетки фитопланктона не могут в ходе конкурентного взаимодействия между собой выявлять особей с нарушенной генетической программой и вытеснять их из популяции.

Действительно, крупные животные, например, олени, могут выявить дефектного самца и запретить ему доступ к самкам или лишайниковым ресурсам, прогнав с хорошего пастбища. Но если бы самки и трава хаотически перемешивались в пространстве, так что все особи имели бы равную вероятность доступа к ним, подобная выбраковка была бы невозможной. Именно такая ситуация имеет место для фитопланктона, вынужденного существовать в сильно перемешиваемом освещенном слое океана.

Несмотря на то, что дефектные особи фитопланктона не способны к поддержанию оптимальной локальной окружающей среды, они не теряют конкурентоспособность по сравнению с нормальными особями, так как перемешивание делает среду равной для всех. Ухудшение окружающей среды в результате накопления дефектных особей одинаково воздействует как на нормальных, так и на дефектных особей. В этой ситуации непрерывно происходящий распад организации жизни (аналог второго начала термодинамики) должен был бы привести к распаду организации одноклеточных организмов и жизни в поверхностных водных слоях океана, если бы не было способных к автономному передвижению многоклеточных организмов.

Известно, что многоклеточный зоопланктон совершает суточные вертикальные миграции с поверхностных вод в глубины океана, где турбулентное перемешивание мало. На глубине можно подробно выяснить статус каждой особи и организовать эффективное конкурентное взаимодействия организмов зоопланктона между собой. После этого нормальные организмы зоопланктона могут подняться наверх и путем выедания удалить дефектные организмы фитопланктона и других одноклеточных организмов, живущих у поверхности (в частности, гетеротрофного бактериопланктона). При этом информация о том, что является распадом и что нормой в фито- и бактериопланктоне, должна содержаться в генетической программе зоопланктона и нектона.

Во всех областях океана такая выбраковка у одних и тех же видов происходит одинаково потому, что нормальные особи — это те, которые поддерживают оптимальные условия окружающей среды, в частности, жизнь фитопланктона — основу пищевой цепи. Если дефектные особи начинают преобладать, то все сообщество с такими особями ухудшает окружающую среду, теряет конкурентоспособность и вытесняется нормальным правильно функционирующим сообществом.

В коралловых рифах одноклеточные фотосинтезирующие водоросли закреплены в кораллах, и все сообщество может постоянно находиться в поверхностных водах. Та же ситуация характерна для Саргассова моря, где фотосинтез осуществляется многоклеточными растениями, которые, как и кораллы, существенно уменьшают турбулентное перемешивание.

Почему жизнь на суше не может быть только одноклеточной?

На суше жизнь возможна только при существовании сплошного лесного покрова, который способен закачивать влагу из океана на сушу через атмосферу, компенсируя гравитационный речной сток и поддерживая оптимальную влажность почвы на любом удалении от океана. Это связано с потоками воздуха в земной атмосфере из областей с меньшим в область с большим испарением. Физический принцип, определяющий это свойство состоит в быстром падении температуры воздуха с высотой, приводящем к конденсации водяного пара, что уменьшает атмосферное давление на высоте и затягивает воздух снизу в верхнюю область уменьшенного давления.

Чем выше испарение влаги с земной поверхности, тем больше конденсация и выпадение дождя. Поэтому интенсивные восходящие потоки воздуха в области с б?льшим испарением затягивают в эти области воздух вблизи земной поверхности из областей с меньшим испарением. Для обводнения суши необходимо было "изобрести" организмы, способные испарять больше влаги, чем испаряется с открытой водной поверхности океанов. Такие организмы были изобретены в процессе эволюции — это сплошной лесной покров высоких деревьев, имеющих огромную площадь испаряющей поверхности листьев, которая в среднем в десять раз больше площади испаряющей поверхности открытого океана той же протяженности. Все остальные одноклеточные и многоклеточные организмы на суше обслуживают работу деревьев. Таким образом, многоклеточность на суше является необходимой, так как только многоклеточные зеленые листья, распределенные в воздушном пространстве, могут образовать испаряющую поверхность, многократно превышающую испаряющую поверхность океана.

Редколесье, кустарники и травостой на суше являются результатом деятельности человека и неспособны закачивать с океана необходимое количество влаги. Эти сообщества находятся в стадии перехода в пустыни, так как человек не дает им восстановиться до лесов. В зависимости от характера антропогенного воздействия, время перехода в пустыни этих сообществ варьирует от десятков лет до нескольких тысяч лет, что для каждого отдельного поколения может создавать иллюзию стационарной устойчивости некоторых областей травостоя и редколесья.

Об экологической роли крупных животных на суше см. ответ на вопрос № 8 "О роли человека в естественном экологическом сообществе".

<< ПредыдущийСлучайныйЗадать вопросВсе вопросыСледующий >>