Потоки речовини в екосистемах.

Параграф 5.1.

Фотосинтез. Роль автотрофних(004) організмів в біогенному кругообігу речовин. Розклад органічної речовини. Роль редуцентів у біогенному кругообігу речовин. Біогеохімічні кругообіги. Біогенний кругообіг речовин.

Основу будь-якої екосистеми складають групи різних організмів, зв’язаних між собою харчовими взаємодіями. Починають трофічний ланцюг організми, що здатні створювати органічну речовину, яка йде на власне життєзабезпечення. В більшості своїй це зелені рослини (макро- та мікроскопічні), що перетворюють сонячну енергію в енергію хімічних зв’язків органічних сполук (вуглеводів, білків, жирів), що створюються в процесі фотосинтеза з мінеральних речовин навколишнього середовища (вуглекислого газу, води, азота та інших речовин). Біля 1% сонячної енергії, що досягає Землі, перетворюється клітинами рослин (і деяких бактерій) в хімічну енергію синтезованих органічних речовин. Фотосинтез – це необхідна ланка, що зв’язує живу й неживу природу. Без надходження енергії(059) від Сонця життя на нашій планеті за дургим законом термодінаміки, припинилося б назавжди. Для здійснення процесів фотосинтезу в клітинах рослини є свої біохімічні машини – їх називають хлоропластами (від грецького слова “хлорос” – жовто-зелений). В процесі фотосинтезу світлова енергія використовується, щоб розчепити молекулу води на складові частини. Цей етап, що зветься фотолізом води, схожий з електролізом води під впливом електричного струму. Його сумарний результат можна записати так:

світло

2Н₂О 4Н⁺ + 4е^- + О₂

Потім кисень вивільнюється в атмосферу, а іон водню зв’язується з речовиною хлоропласту, так званим акцептором водню. Потім акцептор, що зв’язав водень, відновлює вуглекислий газ повітря. Цей процес (його називають фіксацією вуглекислоти) вже не потребує освітлення і може йди в темряві. Механізм фіксації вуглекислоти був виявлений американським вченим М.Келвіном, який одержав за цю працю Нобелевську премію 1961 року. Кінцевим результатом фотосинтезу є утворення глюкози. Отже, загальний наслідок фотосинтезу можна записати так:

6СО₂ + 6Н₂О + 2818,7 кДж С₆Н₁₂О₆ + О₂

де 2818,7 кДж – енергія світла, необхідна для синтезу 1 г-моль глюкози.

На першому етапі фотосинтезу, на якому , власне, й здійснюється вловлювання світла, найважливішу роль відіграє речовина зеленого кольору (пігмент), що поглинає світло певної довжини. Цей пігмент носить назву хлорофілу і складається з світовловлюючої антени та реакційного центру (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Молекула хлорофіла: 1 – світозбираюча антена;

2 – реакційний центр

Саме при участі цього пігменту звичайна вода могла на світлі розкладатися на іони водню і молекулярний кисень, який насичував первинну атмосферу древньої планети світовловлююча антена хлорофіла не тільки вловлює сонячну енергію , але й нагромаджує її. Потім зібрана в антені енергія Сонця у вигляді дрібних порцій (квантів) спрямовується на електрони в реакційному центрі. Електрони при цьому збуджуються і кидають молекули хлорофілу Так проходить процес фотооліза води. Молекулярний кисень – продукт фотолізу – вивільнюється в атмосферу. Електрони ( 4е^-) замінюють ті, що відділілися від реакційного центра, щоб знов під дією сонячної енергії кинути реакційний центр молекули хлорофіла . Фотохімічний центр працює безперервно і нагадує електричну батарейку – джерело постійного тока.

Синтезовані рослинами вуглеводи (глюкоза, сахароза, крохмаль) частково витрачаються для на потреби власного життєзабезпечення рослини, що здійснюється за рахунок енергії, що вивільнюється при їх розкладі:

С₆Н₁₂О₆ + О₂6СО₂ + 6Н₂О + 2818,7 кДж

Одержані при цьому продукти – згідно із зворотньою реакцією, вуглекислий газ та вода – вертаються в повітряне та водне середовище.

Але, окрім потреб внутрішнього життєзабезпечення частина органічної речовини, що створена рослинами, йде на задоволення харчових потреб організмів, здатних тільки до споживання та перетворення органіки в готовому вигляді.

Утворена внаслідок життєдіяльності різноманітних організмів мертва органічна речовина (для рослин – опале листя, сухі гілки, для тварин –екскременти, трупи) не нагромаджується в екосистемі, а утилізується іншими групами організмів, для яких ця мертва органіка слугує харчем – редуцентами. Головна їх функція полягає в поступової мінералізації мертвої органічної речовини і вертанні утворених при цьому сполук для їх півторного використання рослинами. Звичайно, середовищем мешкання редуцентів є грунт, донні відкладення або товща води. В результаті утворюються продукти розкладу – вуглекислий газ і вода, що надходять в навколишнє середовище. З другого боку – це потоки мертвої органіки, що безперевно надходять редуцентам.

Отже, природні системи характеризуються циклічністю потоків речовини, тобто, наявністю кругообігів.

Сонячна енергія забезпечує на Землі два кругообіги речовин: великий, або геологічний (абіотичний), та малий або біологічний. В основі великого кругообігу речовин лежить процес переносу мінеральних сполук з одного місця в інше в масштабі планети. Біля половини сонячної енергії, що надходить на Землю, витрачається на переміщення повітря, вивітрювання гірських порід, випаровування води, розчинення мінералів, тощо. Рух води й вітра, в свою чергу, призводить до перерозподілу, висадженню та нагромадженню механічних та хімічних опадів на суші й в океані. На протязі тривалого часу утворені в морі напластування можуть вертатися на сушу – й процеси відновлюються. До цих циклів підключаються вулканічна діяльність та рух океанічних плит в земній корі.

Поряд з великим кругообігом речовин діє малий біологічний кругообіг(025). В основі цього кругообігу лежать процеси синтезу та розкладення органічних сполук, які вже були розглянуті вище. Ці два процеси забезпечують життя і складають одну з головних його особливостей. На відміну від геологічного біологічний кругообіг характеризується дуже малою кількістю енергії. Проте, ця енергія здійснює величезну роботу із створення живої речовини. Щоб життя продовжувало існувати, хімічні елементи повинні постійно циркулювати із зовнішнього середовища в живі організми та навпаки.

Всі планетарні циркуляції речовин тісно переплетені і утворюють загальний глобальний кругообіг, що розподіляє енергію, яка надходить від Сонця. Іншими словами, всі хімічні елементи приймають участь і в великому і в малому кругообізі речовин.

Замкнуті шляхи руху хімічних елементів називаються біогеохімічними кругообігами.

З майже ста елементів, що зустрічаються в природі, 30-40 є біогенними, тобто, необхідними організмам. Деякі з них, такі, як вуглець, водень, кисень, азот, фосфор потрібні організмам у великих кількостях. Це макроелементи. Інші, мікроелементи, потрібні в малих і навіть дуже малих кількостях. Але життєво важливі для організмів елементи завжди приймають участь в біогеохімічних циклах.

Питання для самоконтроля

Питання 5.1.

Чи можна назвати процес фотосинтезу окислювально-відновною реакцією?

Так.

Ні.

Питання 5.2. Чи можна сказати, що органічні речовини, утворені в процесі фотосинтезу, це зв’язана сонячна енергія?

Так.

Ні.

Питання 5.3. ПАКЕТ 3.

Чи можна сказати, що вся органічна речовина, створена автотрофами, йде на споживання і забезпечення життєдіяльності гетеротрофів?

Так.

Ні.