Структура в биологии это кратко

Обновлено: 05.07.2024

Современная биологическая наука прошла длительный путь развития. Интерес к изучению живого возник у человека давно. В первую очередь это связано с естественными жизненно-важными потребностями человека, а именно. Потребностями в пище, жилье, лекарствах и т.д. Однако тщательное изучение живых организмов началось только в первых цивилизованных обществах. Тогда, в процессе изучения живых организмов, люди стали классифицировать животных и растения, существовавших в разных регионах, изучать их свойства и условия жизни, составлять перечни и т.д. Одним из первых биологов древности является Аристотель.

История развитии биологии как науки

Считается, что начало современной биологии было положено в Древнем Египте и Древней Греции. Первые попытки как-то осмыслить, систематизировать явления жизни были осуществлены древнегреческими, а затем древнеримскими врачами и натурфилософами. Особенно следует выделить вклад в развитие биологической науки Гиппократа, Галена и Аристотеля.

В эпоху Средневековья необходимость в накоплении биологических знаний была связана с медициной. Изучение растений было напрямую связано с их лекарственными свойствами. Так как вскрытие человеческих тел было строго запрещено, анатомия в то время была на самом деле анатомией животных, в частности, обезьяны и свиньи.

Несмотря на то, что Аристотель являлся для церкви философским авторитетом, ряд его произведений запрещались или игнорировались.

Эпоха Возрождения примечательна тем, что в этот период большую популярность получили сочинения античных и средневековых натуралистов. Знания о мире растений и животных обогатились в результате географических открытий. Также при университетах в это время создавались ботанические сады и зверинцы, что тоже способствовало накоплению биологических знаний.

Готовые работы на аналогичную тему

Первые труды в области ботаники в основном являлись комментариями к сочинениям античных ученых, а именно Теофраста, Плиния Старшего, Диоскорида. Позже появились травники – перечни лекарственных растений, в которых содержались краткие сведения о них и их изображения.

В эпоху Возрождения было разрешено анатомическое исследование человека, в результате чего были выявлены факты несоответствия реальных наблюдений тем, которые содержались в книгах, основанных на авторитете Галена. Исследования анатомов привели к одному из величайших открытий в науке (речь идет об исследовании кровообращения в учении У. Гарвея).

Создание микроскопа открыло новые возможности для изучения живых существ. Так было открыто клеточное и волокнистое строение растений, обнаружен мир микроскопических существ, открыты эритроциты и сперматозоиды и т.д.

Современная наука характеризуется развитием новых биологический направлений. В ХХ веке бурное развитие получили такие направления, как цитология, генетика, биохимия, эмбриология, микробиология, вирусология, паразитология и т.д.

Началом для развития генетики послужила мутационная теория Х. де Фриза, менделизм стал отправным пунктом для развития этого направления в биологии. Были выявлены понятия гена, генотипа, фенотипа, также обоснована хромосомная теория наследственности.

Таким образом, в развитии биологической науки выделяются три этапа:

этап систематики
эволюционный этап
этап биологии микромира

Структура биологии

Структура биологической науки многопланова. По объектам исследования выделяются:

зоология
ботаника
-анатомия
микробиология
гидробиология и т.д.

В каждом из перечисленных направлений содержатся более узкие области исследования.

По исследуемым свойствам и проявлениям живого выделяются следующие дисциплины:

экология
физиология животных и физиология растений
генетика
этология
эволюционное учение.

Одновременно происходит слияние разных отраслей биологии и образуются новые направления, такие как цитогенетика, эмбриофизиология и т.д.

Классификация биологических дисциплин по методам исследования выглядит следующим образом:

По изучению живого на разных уровнях организации выделяются:

молекулярная биология
цитология и гистология
популяционно-видовая биология

Такая многоплановость структуры биологии определяется многообразием форм живого мира.

Методы исследования биологии

Как любая наука, биология тоже имеет свои методы исследования.

Метод научного исследования – это совокупность приемов и инструментов, используемых при построении системы научного знания. Главным принципом научного метода является принцип скептицизма, который означает отказ от слепого доверия авторитету. То есть любое предположение необходимо проверить. Основными методами биологии являются следующие.

Описательный метод. Этот метод широко применялся в древности, и не потерял актуальность и в современной науке. Данный метод широко используется при открытии новых видов или изучении явлений пи помощи современных инструментов.

Сравнительный метод позволяет определить сходства и различия между организмами и систематизировать растения и животные

Исторический метод – позволяет осмыслить новые факты и сопоставить их с ранее полученными знаниями. Именно применение этого метода позволило из описательной науки превратится в объясняющую.

Экспериментальный метод. Этот метод позволяет изучить многие явления при помощи эксперимента. В современной науке широко используются различные виды микроскопии, хроматография, метод меченых атомов и т.д. также в исследованиях широко применяется моделирование, которое является высшей формой эксперимента.

Кроме основных методов изучения в биологии могут применяться и другие. Применение совокупности этих методов коренным образом изменило биологию, расширив ее познавательные возможности.

12 биологических методов в картинках

И вот мы решили рассказать о лабораторных методах более системно, собрать воедино в одной рубрике самые главные, самые современные биологические методики. Чтоб было интереснее и нагляднее, мы густо проиллюстрировали статьи и даже кое-где добавили анимации. Мы хотим, чтобы статьи новой рубрики были интересны и понятны даже случайному прохожему. И с другой стороны — чтобы они были так подробны, что даже профессионал мог бы обнаружить в них что-то новое. Мы собрали методики в 12 больших групп и собираемся сделать на их основе биометодический календарь. Ждите обновлений!

Зачем нужна структурная биология?

Например, нужно понять, как работает система биолюминесценции у червей [1] или грибов — расшифровали геном, на основании этих данных нашли нужный белок и предсказали его пространственную структуру вместе с механизмом работы. Стоит, правда, признать, что пока такие методы существуют только в зачаточной стадии, и точно предсказать структуру белка, имея только его ген, еще невозможно [2]. С другой стороны, результаты структурной биологии имеют применение в медицине. Как надеются многие исследователи, знания о структуре биомолекул и о механизмах их работы позволят разрабатывать новые лекарства на рациональной базе, а не методом проб и ошибок (высокопроизводительного скрининга, если говорить строго), как это делается чаще всего сейчас. И это не научная фантастика: уже есть много лекарств, созданных или оптимизированных с применением структурной биологии [3].

История структурной биологии

Рисунок 1. Важные этапы на пути структурной биологии. Чтобы увидеть рисунок в полном размере, нажмите на него.

История структурной биологии (рис. 1) достаточно коротка и стартует в начале 1950-х, когда Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, основываясь на данных Розалинд Франклин по дифракции рентгеновских лучей на кристаллах ДНК, собрали из винтажного конструктора модель известной сейчас всем двойной спирали [4]. Чуть раньше Лайнус Полинг построил первую правдоподобную модель α-спирали, одного из базовых элементов вторичной структуры белков (рис. 2) [5].

Рисунок 2а. На заре структурной биологии. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик рядом с моделью двойной спирали ДНК, собранной из конструктора.

Рисунок 2б. На заре структурной биологии. Лайнус Полинг рядом с моделью α-спирали белка.

Спустя пять лет, в 1958 году, была определена первая в мире структура белка — миоглобина (белка мышечных волокон) кашалота (рис. 3). Выглядела она, конечно, не так красиво, как современные структуры, но это была значительная веха развития современной науки.

Рисунок 3а. Первая пространственная структура белковой молекулы. Некрасивая структура миоглобина низкого разрешения из статьи в Nature 1958 года [6].

Рисунок 3б. Первая пространственная структура белковой молекулы. Джон Кендрю и Макс Перутц демонстрируют пространственную структуру миоглобина, собранную из специального конструктора.

Следующая структура белка (лизоцима) появилась лишь через семь лет, но затем события ускорились. В 1968 году была получена структура гемоглобина, в 1971 — инсулина, в 1975 году получили структуру транспортной РНК (рис. 4).

Рисунок 4. Пространственная структура транспортной РНК.

Рисунок 5. Структура бактериородопсина, полученная на основе данных электронной микроскопии.

Рисунок 6а. Пространственная структура АТФ-синтазы, полученная в 1994 году. Работа удостоилась нобелевской премии.

Рисунок 6б. Пространственная структура рибосомы, полученная в 2000 году. Работа удостоилась нобелевской премии.

С появлением в 2010-х годах новых технологий регистрации и обработки изображений криоэлектронной микроскопии появилось множество сложных структур мембранных белков в сверхвысоком разрешении [16], [17]. Прогресс структурной биологии не остался незамеченным: за открытия в данной области были вручены 14 нобелевских премий, из них пять — уже в 21 веке.

Методы структурной биологии

Исследования в области структурной биологии ведут при помощи нескольких физических методов, из которых только три позволяют получать пространственные структуры биомолекул в атомарном разрешении. Методы структурной биологии основаны на измерении взаимодействия исследуемого вещества с различными видами электромагнитных волн или элементарных частиц. Все методики требуют значительных финансовых ресурсов — стоимость оборудования часто поражает воображение.

Рентгеноструктурный анализ

Рисунок 7. Общая схема рентгеноструктурного анализа.

Исторически первый метод структурной биологии — рентгеноструктурный анализ (РСА) (рис. 7). Еще в начале 20 века выяснили, что по картине дифракции рентгеновских лучей на кристаллах можно изучать их свойства — тип симметрии ячейки, длину связей между атомами и пр. Если же в ячейках решетки кристаллов находятся органические соединения, то можно вычислить координаты атомов, и, следовательно, химическую и пространственную структуру этих молекул. Именно так была получена в 1949 году структура пенициллина, а в 1953 году — структура двойной спирали ДНК.

Казалось бы, все просто, но есть нюансы.

Рисунок 8а. С чем работает рентгеноструктурный анализ. Кристаллы белков, выращенные в космосе, под микроскопом.

Рисунок 8б. С чем работает рентгеноструктурный анализ. Дифракционная картина, на основании которой получают структуры белков.

В-третьих, даже если получилось вырастить кристалл, то совсем не обязательно, что будет определена пространственная структура белка: для этого во всех узлах решетки белок должен иметь одну и ту же структуру, что далеко не всегда так.

Ну и в-четвертых, кристалл — далеко не естественное состояние белка. Изучать белки в кристаллах — это как изучать людей, впихнув их вдесятером в малогабаритную прокуренную кухню: можно узнать, что у людей есть руки, ноги и голова, но поведение может быть не совсем таким, как в комфортной обстановке. Тем не менее, рентгеноструктурный анализ — это наиболее распространенный метод определения пространственных структур, и 90% содержимого PDB получено при помощи этого метода.

Устройство лазера на свободных электронах

Как уже было сказано, для рентгеноструктурного анализа необходим мощный источник рентгеновского излучения. Чем мощнее источник, тем меньшим размером кристаллов можно обойтись, и тем меньше мучений придется испытать биологам и генным инженерам, пытающимся получить несчастные кристаллы. Рентгеновское излучение проще всего получить, ускоряя пучок электронов в синхротронах или циклотронах — гигантских кольцевых ускорителях. Когда электрон испытывает ускорение, он излучает электромагнитные волны в нужном диапазоне частот. В последнее время появились новые сверхмощные источники излучения — лазеры на свободных электронах (XFEL) [21].

Принцип работы лазера достаточно простой (рис. 9). Сначала электроны разгоняются до высоких энергий при помощи сверхпроводящих магнитов (длина ускорителя 1–2 км), а потом проходят через так называемые ондуляторы — наборы магнитов разной полярности.

Рисунок 9. Принцип работы лазера на свободных электронах. Пучок электронов ускоряется, проходит через ондулятор и излучает гамма-кванты, которые попадают на биологические образцы.

Проходя через ондулятор, электроны начинают периодически отклоняться от направления пучка, испытывая ускорение и испуская рентгеновское излучение. Поскольку все электроны движутся одинаково, то излучение усиливается за счет того, что другие электроны пучка начинают поглощать и переизлучать рентгеновские волны одной и той же частоты. Все электроны испускают излучение синхронно в виде сверхмощной и очень короткой вспышки (длительностью менее 100 фемтосекунд). Мощность рентгеновского луча настолько высока, что одна короткая вспышка превращает небольшой кристалл в плазму (рис. 10) [22], однако за те несколько фемтосекунд, пока кристалл цел, можно получить изображение высочайшего качества благодаря высокой интенсивности и когерентности луча. Стоимость такого лазера составляет 1,5 миллиарда долларов, а в мире работает всего четыре такие установки (находятся в США (рис. 11), Японии, Корее и Швейцарии). В 2017 году планируется ввод в эксплуатацию пятого — европейского — лазера, в строительстве которого участвовала и Россия.

Рисунок 10. Превращение белков в плазму за 50 фс под действием импульса лазера на свободных электронах. Фемтосекунда = 1/1000000000000000 доли секунды.

Рисунок 11. Карта лазера на свободных электронах LCLS (США).

3D - структура из велика кашалота миоглобина (PDB ID 1MBO ), первый белок, структура которого была решена с помощью рентгеновской кристаллографии с Кендрю и др. в 1958 г.

Структурная биология является отраслью биологии , которая изучает структуру и пространственной организации биологических макромолекул, главным образом белков и нуклеиновых кислот . Структурная биология касается, в частности, определения в атомном масштабе трехмерной структуры с помощью биофизических методов , принципов, лежащих в основе конформационных изменений макромолекул, анализа молекулярных движений и динамики этих структур.

Данные структурной биологии часто используются в проектах по разработке лекарств . Действительно, молекулярное и структурное понимание механизма действия лекарственного средства на его мишень, визуализированное с помощью этих подходов, позволяет рационализировать дизайн и улучшение активных молекул. Как экспериментальные методы структурного анализа, так и вычислительные подходы используются для предсказания кандидатов в лекарственные препараты по структуре.

Резюме

Методы структурной биологии

Методы оптической микроскопии не обладают достаточным разрешением, чтобы различать детали биологических молекул на атомном уровне. Инструментами структурной биологии чаще всего являются косвенные физические методы. Основным методом является рентгеновская кристаллография , исторически старейшая и до сих пор наиболее широко используемая. Он дополняется ядерным магнитным резонансом , который также позволяет достичь атомного разрешения, а также получить информацию о динамике молекул в растворе. Также используются другие методы, такие как малоугловое рассеяние рентгеновских лучей и рассеяние нейтронов (практикуется во Франции в Институте Лауэ-Ланжевена ), эти методы не дают информации с высоким разрешением, но позволяют изучать молекулы в растворе без ограничений других методы (необходимость получения монокристаллов с дифракционной способностью для кристаллографии; ограничения на небольшие образцы для ЯМР).

Крио-электронная микроскопия , из - за новые датчики и разработки в области обработки данных улучшились нарушения signicativement решений обычно. Не страдая от ограничений кристаллографии и ЯМР, криоэлектронная микроскопия заменяет кристаллографию как основной метод структурной биологии для больших макромолекулярных комплексов.

Кристаллография макромолекул

Разрешение кристаллографической структуры основано на исследовании дифракции рентгеновских лучей на кристаллах макромолекул. Рентгеновские лучи дифрагируют на электронах, и анализ позволяет вернуться к электронной плотности молекулы, то есть к положению электронов, которые вращаются вокруг нее. Эта плотность, при условии, что она достаточно точна, позволяет вернуться к местоположению каждого атома молекулы и, следовательно, к его декартовым координатам.

Обязательным условием для этого вида обучения является получение кристаллов. В соответствующих физико-химических условиях (pH, буфер, ионы и т. Д.) Макромолекулы в растворе могут фактически образовывать кристаллы, содержащие более или менее водный растворитель. Поиск этих благоприятных физико-химических условий в значительной степени эмпирический и варьируется от одной молекулы к другой. Степень чистоты молекулы также является определяющим фактором. Поэтому стадия кристаллизации часто является ограничивающей в этом типе анализа.

После получения кристаллов достаточного размера (от нескольких десятков до нескольких сотен микрон) их помещают в пучок монохроматического рентгеновского излучения, создаваемого подходящим источником, лабораторным генератором или синхротроном , последний дает пучки гораздо большего размера. . интенсивный. В этих условиях электроны упорядоченных молекул в кристалле дифрагируют рентгеновские лучи. С помощью детектора регистрируются изображения полученной дифракционной картины, которая состоит из регулярно расположенных пятен, для различных ориентаций кристалла. Расстояние между пятнами дает информацию о сетке кристалла, то есть о размерах элемента объема, который регулярно повторяется в пространстве, чтобы дать начало кристаллу. Интенсивности задач содержат часть информации об электронной плотности каждой из макромолекул, присутствующих в сетке. Однако фаза сигнала, связанного с каждой точкой, теряется, и затем ее необходимо восстановить. Для восстановления фаз используются разные методы:

Многократное изоморфное замещение , который включает в себя рассеивающий тяжелые атомы (электронно-богатые) в кристалле и сравнивая дифракцию с и без этих тяжелых элементов. Присутствие тяжелого элемента немного изменяет интенсивности дифракции, что позволяет рассчитывать фазы путем триангуляции при условии, что мы можем расположить тяжелые атомы в кристаллической решетке ;
Аномальное рассеяние , который включает в себя изменения длины рентгеновских лучей вокруг одного из типов краев поглощения атомов содержится в молекуле. Селен часто используется , потому что имеет пороговое поглощение рентгеновских лучей вблизи длинами волн , используемых (около 0,1 нм). Для белков обычно вводятся селенизированные аминокислоты: селеноцистеин или селенометионин путем биосинтеза;
Молекулярное замещение , который представляет собой способ с использованием гомологичной структуры белка , когда он известен. Мы пытаемся поместить гомологичную структуру в кристаллическую решетку и вычисляем теоретическую дифракцию, которую сравниваем с наблюдаемой. Это позволяет рассчитать начальные теоретические фазы;

ЯМР макромолекул

Ядерный магнитный резонанс или ЯМР использует магнитные свойства ядер атомов для получения геометрической информации (расстояния, углы и т. Д.) О молекуле. На основе этой геометрической информации затем можно реконструировать трехмерную структуру путем расчета, своего рода триангуляции .

Ядра некоторых атомов имеют ядерный спин , в частности водород 1 H, углерод 13 C и азот 15 N. С этим спином связан магнитный дипольный момент . Помещенные в очень сильное магнитное поле (обычно от 10 до 20 тесла ), эти спины выравниваются с полем. ЯМР изучает взаимодействия между спинами в молекуле и позволяет наблюдать в основном два типа эффектов:

Скалярные взаимодействия, которые представляют собой связи, опосредованные связыванием электронов. Эти скалярные взаимодействия позволяют идентифицировать связи через ковалентные связи молекулы и, следовательно, реконструировать или идентифицировать их топологию. Они зависят от геометрии связей и, в частности, от двугранных углов между атомами;
Диполярные взаимодействия, которые соответствуют переносу намагниченности в пространстве, называются ядерным эффектом Оверхаузера. Эти магнитные диполь-магнитные дипольные взаимодействия зависят только от расстояния между атомами, а не от геометрии связей, и наблюдаются примерно до 0,5 нм;

Проект структурного биологического ЯМР будет использовать образец раствора макромолекулы и записывать спектры, содержащие корреляции двух вышеупомянутых типов (скалярных и диполярных). По этим спектрам мы проанализируем различные сигналы, которые будут индивидуально приписаны каждому атому молекулы. Эта фаза называется спектральной атрибуцией. Затем мы соберем набор геометрических данных о молекуле (межатомные расстояния, двугранные углы . ), называемых ограничениями. На основе этой локальной геометрической информации мы восстановим путем расчета трехмерную структуру, совместимую с этими ограничениями: структуру ЯМР в растворе. Для этого мы начинаем со случайной конформации молекулы, к которой мы постепенно добавляем ограничения, чтобы вызвать ее сворачивание, используя ограничения. Этот процесс повторяется, начиная с нескольких различных начальных конформаций, чтобы проверить, сходится ли вычисление к единому решению. По этой причине структуры ЯМР макромолекул обычно состоят из набора тесно связанных конформаций.

Электронная криомикроскопия

Необработанное изображение в электронной криомикроскопии. Поле содержит образы GroEL шаперонина видели в различных ориентациях

Затем делается изображение просвечивающей электронной микроскопии, на котором появляется большое количество изображений интересующей молекулы, видимых при различных ориентациях, в которых она была сделана во льду. Используя компьютерные инструменты, мы будем идентифицировать и классифицировать эти различные изображения, чтобы сгруппировать вместе те, которые похожи друг на друга и соответствуют виду изучаемого биологического объекта в аналогичной ориентации. В каждом из этих классов затем будут выполняться операции суммирования / усреднения изображений, а также фильтрации фонового шума, чтобы улучшить отношение сигнал / шум .

В конце этого лечения мы получаем серию точных 2D-изображений молекулы, которые соответствуют проекциям ее 3D-структуры. Снова используя компьютерные инструменты, мы затем реконструируем трехмерную молекулярную оболочку из этих различных 2D-изображений. Обычно требуется несколько тысяч отдельных изображений, чтобы получить точную реконструкцию, которая позволит получить более или менее детальную поверхность оболочки объекта. Как правило, для несимметричных зданий точность этих реконструкций составляет порядка 1-2 нанометров, иногда субнанометрических для наиболее определенных систем.

Структура капсида вируса леса Семлики , реконструированная с помощью криоэлектронной микроскопии с разрешением 0,9 нм.

В случае объектов, которые являются симметричными олигомерами , такими как вирусные капсиды , мы также будем использовать информацию внутренней симметрии объекта, чтобы повысить точность его реконструкции, налагая эту симметрию во время реконструкции объекта - молекулярной оболочки.

Методы распространения

Методы малоуглового рассеяния - это методы получения информации о размере и форме объектов, содержащихся в растворе. В биологии это позволяет получать информацию с низким разрешением о состоянии олигомеризации и форме биологических макромолекул. В структурной биологии используются два основных метода малоугловых передач: распространение рентгеновского рассеяния (МУРР: малоугловое рассеяние рентгеновских лучей ) и диффузия нейтронов (МУРН: малоугловое рассеяние нейтронов ).

Молекулярное моделирование

Молекулярное моделирование - это набор методов, находящихся на границе структурной биологии и биоинформатики . Он состоит из выполнения компьютерных расчетов для реконструкции структур, прогнозирования структуры или анализа динамических свойств макромолекул. Он часто полагается на использование описания молекулярных сил , действующих на атомы, для имитации движения или нахождения конформаций с минимальной энергией.

База данных

Большая часть данных о структурах биологических макромолекул сейчас хранится в общедоступной базе данных, Protein Data Bank или PDB. PDB содержит в стандартизированном формате структурные данные о координатах атомов более 100000 макромолекул или комплексов (цифры Май 2014 г. ). Эти данные находятся в свободном доступе в Интернете (см. Внешние ссылки), а их структуры можно визуализировать с помощью различных интерактивных программных инструментов, многие из которых бесплатны для академического использования.

Структуры PDB идентифицируются уникальным 4-буквенным или цифровым кодом, первая из которых обычно является числом (пример: идентификатор PDB миозиновой структуры большого кашалота, иллюстрирующий введение этой статьи, равен 1MBO ). PDB собирает большинство структур, опубликованных в научной литературе, и регистрация в PDB является предварительным условием для принятия публикации большинством научных журналов.

Сегодня большинство биологических структур макромолекул, определенных с помощью рентгеновской кристаллографии, депонированных в PDB, основано на данных, полученных с помощью рентгеновских лучей, генерируемых синхротронным излучением . Использование синхротронов для трехмерного определения биологических макромолекул обеспечило около 80% записей с 1995 года в PDB.

Приложения структурной биологии

Структура метотрексата , противоопухолевого препарата (зеленый), в комплексе с его мишенью, дигидрофолатредуктазой (синий). Эта структура, первая структура комплекса лекарство-мишень, помогает понять механизм действия лекарственного средства.

Структурная биология имеет важные приложения в области биохимии и энзимологии для понимания каталитических механизмов и специфического распознавания субстратов. Одно из наиболее важных приложений структурной биологии - это рациональный дизайн лекарств или трехмерная структура мишени (фермент, рецептор) и используется для помощи в разработке лигандов . В некоторых случаях можно разрешить структуру мишени в комплексе с одним или несколькими присоединенными лигандами, что позволяет понять молекулярные основы распознавания и использовать эту информацию для улучшения или изменения ее свойств (сродства, активности, селективности . ).

В природе отдельный вид обычно не распределяется на какой-либо территории полностью. Отдельные видовые особи создают неравномерные по численности группировки и концентрируются на части ареала, где этот вид обитает.

Популяция — совокупность особей одного вида, обитающие на протяжении длительного времени в части его ареала и изолированные от других похожих групп особей того же вида (частично или полностью).

Популяционная структура вида — важный элемент определенного биогеоценоза. Популяции формируются по простой причине: потому что оптимальные условия существования вида, к примеру, освещенность и наличие корма, распределяются на территории неравномерно.

Вид может включать небольшое количество популяций, занимающих внушительную территорию: это касается животных, которые активно перемещаются.

Небольшое количество популяций у копытных, грачей.

Виды, которые отличаются малоподвижным образом жизни, обычно имеют большое количество популяций — они обитают на небольших площадях.

Характеристики популяции

Являясь структурным элементом вида, популяция отличается определенными особенностями и характеристиками:

Численность популяции. Под численностью понимают количество особей растений и животных, принадлежащих одному виду, которые включены в состав популяции и населяют определенную территорию в биогеоценозе.
Плотность популяции. За плотностью скрывается среднее число особей, которые живут на единице площади или объема территории.
Биомасса. Под ней понимают общую массу особей отдельной популяции, которая приходится на единицу площади или объема.
Прирост популяции. Его рассчитывают исходя из разности между количеством родившихся в течение определенного времени особей и количеством погибших особей за этот же промежуток времени. Это разница между рождаемостью и смертностью.

Структура популяций

У любой популяции есть структура, которая отличается адаптивным или приспособительным характером. Это объясняется тем, что структура — результат взаимодействия особей и условий среды. Также структура является динамичной: изменение условий ведет к изменениям в популяции.

Структура — разделение чего-либо на отдельные части, основываясь на конкретном критерии.

Структура популяции имеет несколько разновидностей:

половую. Указывает на соотношение особей разного пола в популяции;
возрастную. Определяет соотношение особей популяции по возрастным группам;
пространственную. Она очерчивает распределение особей по территории проживания.

Животные также делятся на несколько групп в зависимости от того, как они используют занимаемую территорию. Выделяют животных:

оседлых. Они занимают одну и ту же территорию на протяжении длительного периода. К ним относят медведей, кротов и домовых воробьев;
кочевых. Такие животные в поисках корма и места для размножения могут перемещаться по территории, но относительно недалеко. Так делают скворцы, грачи и многочисленные копытные. Такое перемещение предотвращает интенсивное истощение ресурсов среды и позволяет лучше приспосабливаться к условиям обитания;
мигрирующих. Здесь животные регулярно меняют места обитания, каждое новое из которых существенно удалено от предыдущего. Основная причина миграций — сезонные природные изменения. Обычно миграции происходят по строго определенным маршрутам. Они бывают периодическими (проходные рыбы и перелетные птицы) и непериодическими (когда оседлые виды переселяются под воздействием неблагоприятных условий).

Этологическая структура популяций

Под этологической структурой популяций понимают систему взаимосвязей между ее особями, которые проявляются в поведенческих реакциях.

Есть два способа жизни, которого придерживаются особи разных видов:

Одиночный.
Групповой. Он связан с созданием постоянных семей, стад, колоний и табунов. Стада и табуны характеризуются сложной системой взаимосвязей, проявляющаяся в виде иерархии.

Иерархия — определенная система поведенческих реакций между особями, определяющая очередность доступа к корму, спариванию и т. д.

В стае и табуне есть лидеры: вожаки, которые могут управлять сообществом и подчинять себе других особей. Это позволяет стаям и табунам функционировать как одно целое.

Кроме того, в группах животные вырабатывают необходимые для выживания рефлексы более эффективно — на примере старших особей, путем обучения.

Читайте также: