Энергетика биосферы и трофические цепи

Все процессы преобразования веществ в ходе круговоротов требуют затрат энергии. Живые организмы для своего существования также должны постоянно расходовать и пополнять энергию. Ни один организм не способен продуцировать энергию, она может быть получена только извне.

Первичным источником энергии, используемой биосферой, является Солнце. От этого источника Земля получает около 99% энергии, причем это количество составляет около 4 ^. 10^-9 от суммарной энергии, излучаемой Солнцем. Энергия этого излучения усваивается в процессе фотосинтеза, затем трансформируется в химическую энергию биологических молекул и, в конце концов, рассеивается в космическом пространстве в виде теплового излучения. Солнечная энергия в той или иной форме фиксировалась на Земле в течение большей части ее эволюции. Распределение солнечной энергии в зависимости от широты определяет положение основных климатических зон, т. е. устанавливает пределы существования различных форм жизни. В перераспределении солнечной энергии важная роль принадлежит атмосфере и Мировому океану.

Поток солнечной энергии мощностью 173 ^. 10^-12 кВт подводится к внешней границе тропосферы. В среднем около 30% этого излучения рассеивается твердыми частицами атмосферы или же непосредственно отражается облаками. Эта часть энергии теряется и не участвует в циркуляции атмосферы. Примерно 20% солнечного излучения, проходя через атмосферу, поглощается. Из них 1-3% излучения, в основном ультрафиолетового, поглощается в верхних слоях атмосферы молекулами озона 0₃. Это поглощение защищает биосферу от губительного действия ультрафиолетовых лучей. Излучение с длиной волны более 1 мкм поглощается в основном водяными парами, частицами пыли и капельками воды в облаках.

Около 50% солнечного излучения достигает поверхности суши и океанов. Часть этого излучения сразу отражается и направляется обратно в космическое пространство. Это коротковолновое излучение не меняет в процессе отражения длины волны. Остальное излучение поглощается сушей и океаническими водами, распространяется вглубь, превращаясь в тепловую энергию, затрачивается на испарение воды. Глубина, на которую это тепло может распространяться, зависит от свойств поглощающей поверхности. В океане толщина прогретого слоя иногда превышает 100 м. Перенос энергии в земной коре происходит за счет молекулярной теплопроводности и представляет собой более медленный процесс. На глубине 0,5 м суточные изменения температуры едва заметны. Поток энергии, достигающий поверхности Земли и поглощенный ею, в конце концов, излучается обратно в виде длинных инфракрасных волн. Соотношение между этими двумя потоками зависит от характера поверхности, ее отражательной способности, высоты Солнца над горизонтом и др.

Количество солнечной энергии, поступающей в живые организмы, ничтожно мало по сравнению с общим потоком энергии, достигающей поверхности Земли. В процессе фотосинтеза, протекающего в клетках зеленых растений, связывается всего около 0,02% энергии, получаемой от Солнца. Однако за счет этой энергии может синтезироваться несколько тысяч граммов сухого органического вещества на 1 м² земной поверхности в год. Более половины энергии, связанной при фотосинтезе, тут же расходуется в процессе дыхания самих растений. Остальная часть энергии запасается - идет для наращивания биомассы.

Таким образом, первичная продукция на Земле создается в клетках зеленых растений и некоторых бактерий под воздействием солнечной энергии. Животные не могут осуществлять реакции фотосинтеза и вынуждены использовать солнечную энергию опосредованно, через органическое вещество, созданное фотосинтетиками. Фотосинтез в зеленых растениях определяет существование всех высших форм жизни, поскольку кислород в атмосфере Земли образован именно в результате фотосинтеза.

Суть фотосинтеза состоит в следующем. Клетки зеленых растений содержат особые органеллы - хлоропласты. Типичная растительная клетка содержит 50-200 хлоропластов, каждый длиной около 1 мкм. Хлоропласты состоят из бесцветной цитоплазматической основы и зеленого пигмента хлорофилла. Вода, всасываемая корнями растения, поднимается по капиллярам ствола, стебля и ветвей к листьям, где попадает в клетки к хлоропластам. Кроме того, лист хорошо приспособлен для поглощения углекислого газа. В верхнем защитном слое листа (эпидермисе) имеются особые образования — устьица, состоящие из двух клеток. Клетки могут отходить друг от друга, открывая находящуюся между ними своеобразную «щель», сквозь которую и проникает в растение углекислый газ. Днем устьица под влиянием света обычно открыты, а ночью закрыты. Устьица регулируют поступление С0₂ в растение и сопутствуют испарению воды с поверхности листьев (транспирации).

Фотосинтез представляет собой сложную окислительно-восстановительную реакцию, при которой из диоксида углерода и воды синтезируются молекулы сахаров (в частности, глюкозы) с выделением свободного кислорода.

Фотосинтез и дыхание — это два противоположных процесса в природной среде, которые составляют основу энергетических процессов в биосфере.

Взаимодействие живых организмов с компонентами биосферы (литосферой, атмосферой, гидросферой) происходит путем обмена, питания, дыхания и выделения продуктов метаболизма. Все организмы неодинаковы с точки зрения ассимиляции ими веществ и энергии. Растения используют солнечную энергию, осуществляя процесс фотосинтеза, а животные потребляют органические вещества, созданные растениями-фотосинтетиками. Поэтому все живые организмы по способу питания можно разделить на два класса: автотрофные и гетеротрофные организмы.

Автотрофные организмы, т. е. самопитающиеся, поглощают энергию Солнца и вещества из окружающей среды, создают органические вещества из неорганических. К ним относятся зеленые растения, водоросли и некоторые бактерии.

Гетеротрофные организмы используют в качестве пищи готовые органические вещества, т. е. питаются другими животными организмами, растениями или их плодами. К ним относятся травоядные, хищники и человек.

Выделяют еще миксотрофные организмы, которые в зависимости от условий внешней среды могут сочетать автотрофный и гетеротрофный режимы питания. Например, водные одноклеточные организмы при хорошей освещенности питаются автотрофно, а в темноте переходят к гетеротрофному способу.

Необходимость создания направленного потока энергии и круговорота веществ приводит к определенным ограничениям в подборе видов, которые могут составить биоценоз (био... + греч. koinos - общий) - сообщество животных, растений и микроорганизмов, населяющих участок среды обитания с более или менее однородными условиями жизни. Эти виды должны быть связаны между собой процессами обмена веществом и энергией, т.е. пищевыми взаимоотношениями. В результате возникают пищевые, или трофические, цепи (от греч. trophe - пища). Пищевая цепь - это последовательный перенос вещества и энергии от их источника - зеленого растения - через ряд других организмов на более высокие трофические уровни, т. е. путем поедания одних организмов другими.

Биотический круговорот происходит в природной системе, объединяющей на основе обмена веществ и энергии сообщество живых организмов (биоценоз) с неживыми компонентами - условиями обитания. Такая система получила название биогеоценоз (греч. geo - земля). В ней обмен веществом и энергией обеспечивается взаимодействием трех групп организмов.

Первая группа - продуценты, или производители (от лат. produsent - производить). К ним относятся автотрофные организмы, производящие пищу, т. е. первичные органические вещества, в процессе фото- или хемосинтеза.

Вторая группа представлена консументами, т.е. потребителями (лат. consume - потреблять), - гетеротрофными организмами, главным образом животными, поедающими другие организмы. Различают первичных консументов (животных, питающихся зелеными растениями, растительноядных) и вторичных консументов (хищников, плотоядных, которые поедают растительноядных). Вторичный консумент может служить источником пищи для другого хищника - консумента третьего порядка и т. д.

Третья группа - редуценты, или деструкторы (лат. reducens — возвращать). Это гетеротрофные организмы, разлагающие органические остатки всех трофических уровней (остатки пищи, мертвые организмы). К ним относятся грибы, бактерии, беспозвоночные (например, черви). Минеральные вещества и диоксид углерода, образующиеся при деятельности редуцентов, опять поступают в воду, воздух и почву, а затем - в распоряжение продуцентов.

В данной классификации человек оказывается хищником, потребляющим растительную и животную пищу, т. е. занимает промежуточное положение между первичными и вторичными консументами. Он стоит в конце большинства пищевых цепей.

Таким образом, каждый организм в природе в том или ином виде служит источником питания для ряда других организмов. В результате последовательного перехода органического вещества с одного трофического уровня на другой происходят круговорот веществ и передача энергии в биоценозе. При этом органические вещества, переходя с одного трофического уровня на другой, частично исключаются из круговорота, в результате чего происходит накопление органических соединений в виде залежей полезных ископаемых (торфа, угля, нефти, газа и др.).

Трофическая цепь в биоценозе - это цепь энергетическая. Первичным источником энергии биосистем является Солнце, которое обеспечивает жизнь. Различные элементы биоценоза не генерируют энергию, все они последовательно превращают лучистую энергию в энергию химических связей. Усвоенная консументами из пищи энергия расходуется на дыхание, совершение работы и поддержание жизнедеятельности; некоторая ее часть идет на рост и размножение.

В силу второго закона термодинамики процесс передачи энергии неизбежно связан с диссипацией (рассеиванием) энергии на каждом трофическом уровне, т. е. с ее потерями и возрастанием энтропии. КПД процессов преобразования энергии всегда меньше единицы. Определенная доля энергии теряется при отмирании организмов, а также не усваивается из пищи. Все элементы биоценоза частично диссипируют высокосортную энергию в тепло в процессе дыхания и совершения работы.

Однако при всем разнообразии расходов энергии максимальные

затраты идут на дыхание. В сумме с неусвоенной пищей они составляют до 90% от потребленной энергии. Тогда результирующий поток энергии, переходящий на следующий, более высокий трофический уровень, составляет в среднем около 10% энергии, полученной данным уровнем. В результате на верхние трофические уровни (к хищникам) переходит всего тысячная доля процента от энергии зеленых растений.

Описанная закономерность называется обычно «правилом десяти процентов». Конечно же, оно является ориентировочным, но при этом ярко иллюстрирует, насколько низок КПД всех биологических систем и велико значение процессов диссипации энергии в биосфере.

В результате рассеивания энергии ее количество, доступное для

потребления, падает по мере возрастания трофического уровня организма. Это приводит к тому, что цепи питания не могут быть длинными: чаще всего они состоят из 4-6 звеньев. Например, трава -заяц-лиса или трава-муха-лягушка-цапля-лиса. Однако такие линейные цепи в чистом виде в природе практически не встречаются. Первое трофическое звено - растение - может служить источником питания нескольким видам консументов, причем те, в свою очередь, также могут являться составной частью нескольких различных пищевых цепей. Например, заяц как консумент 1-го порядка может служить пищей нескольким хищникам: лисе, волку и др. В результате в биоценозе формируются сложные пищевые, или трофические, сети. Более сложные сети характеризуются повышенной надежностью и более интенсивным круговоротом веществ.

Цепи питания не всегда могут быть полными. В них могут отсутствовать растения (продуценты). Такая цепь характерна для сообществ, формирующихся на базе разложения трупов животных или растительных остатков. Кроме того, могут отсутствовать (или быть представленными небольшим количеством) животные. Например, в лесах отмирающие растения или их части сразу используются в пищу редуцентами, которые разлагают органические вещества до исходных минеральных веществ и С0₂, завершая круговорот.

Миллиарды лет потребовалось Природе, чтобы создать уникальную среду для обитания живых организмов - биосферу, охватывающую нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы. Уникальность биосферы состоит в том, что в результате эволюционных процессов в ней были созданы условия для возникновения жизни и развития живого вещества планеты, включающего растительные и животные организмы, все человечество и другие составляющие органического и неорганического мира, которые обеспечивают жизненные процессы. Среди этих условий главными являются: условия, определившие формирование фотосинтеза - процесса, способного создавать под воздействием солнечной энергии органическую массу зеленых растений и некоторых бактерий. В процессах фотосинтеза, стоящих у истоков жизни, заключается основная функция биосферы, которая обеспечивает не только связывание солнечной энергии, но и ее накопление. Не менее важными являются условия, в результате которых в биосфере сформировались и существуют круговороты отдельных веществ и химических элементов, обеспечивающие решение задач по передаче энергии и веществ не только в отдельных биоценозах, но и во всей биосфере.

Под влиянием человеческой деятельности естественно-эволюционная тенденция развития биосферы может быть нарушена. Признаки такого нарушения наблюдаются в виде деформации озонового слоя, потери прозрачности атмосферного воздуха, развития парникового эффекта и пр. Более глубокое познание закономерностей биосферных процессов с учетом результатов и последствий деятельности людей в удовлетворении их растущих жизненных потребностей позволит изменить подходы к организации производственной деятельности и использованию природных ресурсов и, таким образом, ускорить переход к новой стадии в эволюции биосферы, развитие которой будет определяться иным, ноосферным мировоззрением.

 

1.5 Контрольные вопросы

1. Как характеризуются основные этапы формирования биосферы?

2. Когда и каким образом произошло возникновение первых сложных органических систем?

3. Как можно охарактеризовать основные признаки живого?

4. Какие основные компоненты биосферы выделял В.И. Вернадский?

5. В чем состоит роль живых организмов в развитии биосферы?

6. Перечислите и охарактеризуйте основные функции биосферы.

7. Как происходит передача энергии и вещества в биоценозе? Какие группы организмов обеспечивают биотический круговорот веществ?