Рассеяние энергии солнечного излучения в биосфере

Наиболее важный экологический процесс, зависящий от света – фотосинтез.

В клетках растений и хлорофиллсодержащих бактерий протекают сложные процессы синтеза органических веществ из простых неорганических соединений с использованием энергии солнечного света. Ведущую роль в этом процессе играют особые органические молекулы - фотосинтезирующие пигменты (хлорофиллы, каротиноды и др.), обладающие уникальным свойством - улавливать свет и превращать его в химическую энергию органических веществ. У большинства растительных организмов фотосинтезирующие пигменты сосредоточены в хлоропластах (внутриклеточных образованиях). Наиболее важный пигмент, без которого не возможен процесс фотосинтеза, - хлорофилл, придающий растениям зеленый цвет.

Процесс фотосинтеза обычно описывают следующим балансовым уравнением:

6СО₂ + 6Н₂О®С₆Н₁₂О₆ + 6О₂­

Балансовое уравнение фотосинтеза представляет собой суммарное отражение сложных биохимических процессов в клетках фотоавтотрофных организмов. В результате этих процессов из минеральных соединении (углекислый газ и вода) образуются богатое энергией органическое вещество и молекулярный кислород, выделяющийся в атмосферу.

Процесс фотосинтеза протекает в две стадии. На первой стадии - световой - происходит фотолиз воды (разложение молекулы воды под действием света до атомов водорода и молекул кислорода) и образуются универсальные переносчики энергии в клетках органические молекулы АТФ (аденозинтрифосфат). На второй стадии - темновой - проходит ряд последовательных реакций, которые не требуют наличия света. В результате этих реакций молекулы углекислого газа вовлекаются в цикл Кальвина и образуется органическое вещество клетки с использованием ранее накопленной энергии в молекулах АТФ.

Фотосинтезирующая деятельность зеленых растений обеспечивает все живое население планеты Земля органическим веществом и аккумулированной в нем солнечной энергией. Двуокись углерода, содержащаяся в атмосфере и в воде. - единственный источник неорганического углерода, из которого благодаря процессу фотосинтеза вырабатываются все органические вещества, составляющие живую клетку.

Фотосинтетические пигменты растений могут усваивать только часть солнечной радиации. Эта часть называется фотосинтетически активной радиацией (ФАР) и в основном соответствует спектральной полосе видимого света (диапазон длин волн от 400 до 700 нм), что составляет 50 % от суммарной энергии солнечного излучения. Хлорофилл и другие пигменты поглотают энергию, сосредоточенную в диапазоне длин волн 400...500 нм (синяя часть спектра) и 610.. .690 нм (красная часть спектра).

В реальных условиях только около 10 % энергии, получаемой растениями в видимой области спектра, действительно может трансформироваться в биомассу растений в процессе фотосинтеза. Эффективность преобразования энергии, улавливаемой зелеными растениями на суше, составляет в среднем около 1 % от всего приходящего солнечного излучения. Фитопланктон (микроскопические водоросли), обитающий в верхней части гидросферы, запасает в виде органических веществ, синтезируемых в ходе фотосинтеза, еще меньше энергии - в среднем около 0,04 %.

Интенсивность фотосинтеза варьирует с изменением длины волны света. В наземных экосистемах спектральный состав солнечного света (распределение энергии по разным областям спектра) не настолько изменчив, чтобы это влияло на интенсивность фотосинтеза. В водных экосистемах при прохождении света через воду красная и синяя части спектра отфильтровываются, и получающийся зеленоватый свет слабо поглощается хлорофиллом. Поэтому в водоемах с увеличением глубины снижается энергия ФАР и количество фотосинтезирующих организмов значительно уменьшается. Нижней границей фотосинтеза в водных экосистемах обычно является глубина, на которую проникает около I % от всей падающей на поверхность воды солнечной радиации. При такой интенсивности света скорость фотосинтеза минимальна и равна скорости дыхания, т. е. на этой глубине находится компенсационная точка. Иными слонами, сколько образуется органического вещества в ходе фотосинтеза, столько же и разрушается в процессе дыхания.

И у наземных, и у водных растений скорость фотосинтеза связана с интенсивностью света линейной зависимостью - увеличение интенсивности света ускоряет фотосинтез. Однако при высоких значениях интенсивности света, превосходящих определенный уровень светового насыщения, скорость фотосинтеза снижается. Таким образом, слишком интенсивная солнечная радиации, наоборот, подавляет фотосинтез. Уровень светового насыщения для разных видов растений может значительно различаться.

По отношению к свету различают следующие группы растений: светолюбивые, тенелюбивые и теневыносливые. Ктеневыносливым относятся многие деревья, начинающие свой рост под пологом леса, а затем выходящие в его верхние ярусы. Растения из каждой группы в процессе длительной эволюции приспособились к соответствующим световым условиям.

В жизни большинства растительных и животных организмов, обитающих в средних или высоких широтах, важную роль играет смена сезонов года. Со сменой сезонов изменяются многие факторы среды: средняя температура, количество падающей солнечной радиации, количество осадков и пр. Однако наибольшее значение имеет длина светового дня. Изменение продолжительности светового дня многих организмом служит сигналом для изменения физиологической активности. Реагируя на изменение длины светового дня, организмы заранее подготавливаются к условиям наступающего сезона. Этиреакции на изменение длины светового дня называются фотопериодизмом. От длины дня зависят сроки цветения и другие процессы у растений. У многих пресноводных животных уменьшение длины светового дня осенью вызывает образование покоящихся яиц или цист, переживающих зиму. Для перелетных птиц сокращение продолжительности светового дня служит сигналом к началу миграции. У многих млекопитающих от длины дня зависит созревание половых желез и сезонность размножения.

Длина светового дня, или фотопериод, - надежный сигнал, по которому организмы умеренных зон упорядочивают во времени свою активность. Фотопериод рассматривается как некое «реле времени», т. е. пусковой механизм, включающий последовательность физиологических процессов, приводящих к росту и цветению многих растении, линьке и накоплению жира, миграции и размножению у птиц и млекопитающих и к наступлению диапаузы (стадии покоя) у насекомых.

Часто фотопериодическая реакция происходит только при определенном сочетании длины дня и какого-либо другого фактора окружающей среды. Например, при слишком низкой температуре растения не зацветают даже при оптимальной продолжительности светового периода. Лишь когда температура окружающей среды станет выше некоторого критического уровня, данный вид растений начнет реагировать на фотопериод.

Для большинства животных свет играет важную роль. Животные, ориентирующиеся с помощью зрения, приспособлены к определенной освещенности. Поэтому практически все животные имеют суточный ритм активности и заняты поисками пищи в определенное время суток. Многие насекомые и птицы, как и человек, способны запоминать положение Солнца и использовать его в качестве ориентира, позволяющего находить обратную дорогу. Для многих обитателей водной толщи (например, мелких ракообразных - зоопланктона) суточные изменения освещенности служат стимулом, вызывающим вертикальные миграции. Обычно ночью организмы зоопланктона поднимаются в верхние слои водной толщи, где находится много микроводорослей (фитопланктон), служащих пищей для зоопланктона. С рассветом наблюдается миграция организмов зоопланктона вниз в область меньшей освещенности на глубины 150.. .200 м.

Температура и ее влияние на биологические процессы.Температура - один из важнейших абиотических факторов, влияющих на скорость многих физических и химических реакций в клетках живых организмов. С повышением температуры среды до определенного предела скорость химической реакции увеличивается, а при дальнейшем повышении температуры резко падает. Температура влияет на скорость различных физиологических процессов, от пищеварения до прохождения нервного импульса. Слишком низкие или слишком высокие температуры губительны для организмов. Значения температуры, при которых активно существуют живые организмы, колеблются в диапазоне —1,5. ..+100 °С. Однако большая часть активных физиологических процессов реализуется в более узком диапазоне температур. Как правило, это значения температуры, при которых возможно нормальное функционирование белков (0...+50 °С).

Организмы достаточно чувствительны к изменениям температуры. Диапазон колебаний температуры в воде обычно меньше, чем на суше, и диапазон толерантности к температуре у водных организмов обычно уже, чем у наземных организмов. Таким образом, температура служит важным лимитирующим фактором.

По отношению к температуре как экологическому фактору различают теплолюбивые и холодолюбивые организмы. Температура окружающей среды во многом определяет зональность (географическое распространение организмов) и стратификацию (вертикальное распределение организмов) в водных и наземных экосистемах.

Растения и животные в ходе длительного эволюционного развития приспособились к периодическим изменениям температурных условий, выработали в себе различную потребность к теплу в разные периоды жизни. Например, прорастание семян растений происходит при более низких температурах, чем последующий их рост.

Температурный оптимум зависит и от влияния других экологических факторов. Установлено, что при полном освещении и избытке углекислого газа в воздухе оптимальная температура фотосинтеза 30 °С, а при слабом освещении и недостатке углекислого газа она снижается до 10 °С.

Вода.В жизни всех организмов вода выступает как важнейший экологический фактор. Все живые организмы содержат воду (от 70 до 98 % от массы тела).

Живых организмов, не содержащих воду, на Земле не найдено, Она является основной частью протоплазмы клеток, тканей, растительных и животных соков. Все биохимические процессы в организме (синтез и распад органического вещества, газообмен) осуществляются при достаточном обеспечении водой. Вода с растворенными в ней веществами обусловливает осмотическое давление клеточных и тканевых жидкостей, обеспечивает межклеточный обмен. В период активной жизнедеятельности растений и животных содержание воды в их организмах, как правило, довольно высокое (приблизительно 80.. .90 % от массы тела). В состоянии покоя количество воды в организме может значительно снижаться, однако она не исчезает полностью. Например, в сухих мхах и лишайниках содержание воды в общей массе организмов составляет 5...7 %. Наземные организмы вынуждены постоянно пополнять запасы воды. Поэтому у них в процессе эволюции выработались приспособления, регулирующие водный обмен и обеспечивающие экономное расходование влаги. Эти приспособления могут выражаться в изменении структур (плотные внешние оболочки), модификации физиологических процессов (более экономное использование воды в организме).

Без воды на нашей планете не могло бы быть жизни. Вода важна для живых организмов вдвойне, так как она не только необходимый компонент живых клеток, но для многих организмов еще и среда обитания.

Из всех жидких и твердых веществ у воды наибольшая теплоемкость. Благодаря этому биохимические процессы в клетках живых организмов протекают в стабильных условиях, что обеспечивает их высокую эффективность. Кроме того, прогревшись в течение лета, моря и океаны медленно остывают зимой, отдавая тепло атмосфере.С этим связано значительное постоянство температурных условий водной среды обитания. Вода обладает наибольшим поверхностным натяжением из всех известных жидкостей, за исключением ртути, что имеет огромное значение для жизни растительного мира, так как поверхностное натяжение и плотность воды определяют высоту, на которую она может подниматься в капиллярных системах проводящих тканей у растений.

Вода является превосходным растворителем для многих веществ. Когда вещество переходит враствор, его молекулы и ионы получают возможность двигаться более свободно и, соответственно, его реакционная способность возрастает. По этой причине в клетке большая часть химических реакций протекает в водных растворах. Присущие воде свойства растворителя означают также, что вода служит средой для транспорта различных веществ (кровеносная система у животных, проводящие системы растений).

Большая теплота испарения воды, обусловленная водородными связями в молекулах воды, также играет очень важную роль в жизнедеятельности организмов. Испарение сопровождается охлаждением поверхности тела. Это используется при потоотделении (у животных), при транспирационном охлаждении листьев (у растений).

Первостепенное значение во всех проявлениях жизнедеятельности имеет водный обмен между организмами и внешней средой. Степень насыщения воздуха и почвы водяными парами (влажность) имеет большое значение для обитателей суши и нередко является фактором, лимитирующим распространение и численность организмов Земли. Например, степные и особенно лесные растения требуют повышенного содержания паров в воздухе, растения же пустынь приспособились к низкой влажности. Перечислим важные биологические функции воды. У всех организмов вода обеспечивает поддержание структуры (высокое содержание воды в протоплазме), служит растворителем и средой для диффузии, участвует в реакциях гидролиза, служит средой, в которой проходит оплодотворение. У растений вода обеспечивает поддержание структуры, а также транспорт неорганических ионов о органических молекул, прорастание семян (набухание разрыв семенной кожуры и дальнейшее развитие), участвует в фотосинтезе (на молекулярном уровне) и транспирации, т.е. испаряется с поверхности листьев, охлаждая их.

У животных вода обеспечивает транспорт веществ внутри организма, способствует охлаждению тела(потоотделение), служит одним из компонентов смазки (например в суставах), обеспечивает опорные функции (гидростатический скелет), выполняет защитную функцию.

Атмосферные газы. На протяжении большей части биосферы состав атмосферы практически не изменяется, если не считать резких колебаний содержания водяных паров. Интересно, что концентрации двуокиси углерода (0,03 % по объему) и кислорода (21 % по объему) в современной атмосфере являются лимитирующими для многих высших растений. Общеизвестно, что в эксперименте у многих растений удается повысить интенсивность фотосинтеза, умеренно повысив концентрацию углекислого газа, однако менее известно, что снижение в эксперименте содержания кислорода также может приводить к увеличению фотосинтеза. Например, у бобов понижение до 5 % содержания кислорода в воздухе, окружающем листья, приводит к повышению интенсивности фотосинтеза на 50 %.

Уместно напомнить о роли кислорода и углекислого газа в жизнедеятельности самых разных организмов. Кислород необходим для дыхания животных и растений, а также для микробного разложения мертвого органического вещества. Образуется кислород в процессе фотосинтеза. При дыхании организмов и при микробном разложении (окислении) органического вещества выделяется углекислый газ, который используется для новообразования органического вещества при фотосинтезе.

В водных местообитаниях количество кислорода, двуокиси углерода и других атмосферных газов, растворенных в воде и потому доступных организмам, сильно изменяется во времени и в пространстве, чего в наземных местообитаниях не бывает. Кислород хорошо растворяется в воде, однако его содержание в воде (1% по объему) значительно ниже, чем в воздухе. Температура воды и количество растворенных в ней солей сильно влияют на способность воды удерживать кислород (растворимость кислорода повышается с понижением температуры и с понижением солености). Запас кислорода в воде пополняется из двух источников: путем диффузии из воздуха и благодаря фотосинтезу водных растений. Кислород диффундирует в воду очень медленно. Основной источник кислорода в воде - процесс фотосинтеза, который зависит от проникающего в водную толщу света. Таким образом, содержание кислорода в водной среде сильно меняется в зависимости от времени суток, времени года и географического положения, глубины.

Содержание углекислого газа в воде также может сильно изменяться. Углекислый газ поступает в воду из атмосферы, а также в Результате дыхания водных организмов, разложения органических остатков и высвобождения из карбонатов. Углекислый газ растворяется в воде в 35 раз лучше кислорода.

Биогенные элементы (макроэлементы) - химические элементы, постоянно входящиев состав организмов и необходимые для их жизнедеятельности. В живых клетках обычно обнаруживаются следы почти всех химических элементов, присутствующих в окружающей среде, однако для жизни необходимо около 20.

Важнейшие биогенные элементы (макроэлементы): кислород (составляет около 70 % биомассы организмов), углерод (18 %), водород (10 %), азот, кальций, калий, фосфор, магний, сера, хлор, натрий. Эти так называемые универсальные биогенные элементы присутствуют в клетках всех видов организмов.

Содержание тех или иных элементов в организме зависит не только от его особенностей, но и от состава среды, пищи (в частности, для растений - от концентрации и растворимости солей в почве), экологических особенностей организма и других факторов. Микроэлементы - химические элементы, содержащиеся в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже), но играющие важную роль в отдельных процессах жизнедеятельности. Насчитывают свыше 30 микроэлементов -металлы (алюминий, железо, медь, цинк, марганец, никель и др.) и неметаллы (йод, селен, бром, фтор, бор и др.). В растения микроэлементы поступают из почвы и воды, в организмы животных и человека - с водой и пищей. В живых тканях накапливаются преимущественно микроэлементы, которые находятся в окружающей среде в форме подвижных легко усваиваемых водорастворимых соединений. Роль и функции микроэлементов разнообразны. Они входят в состав ферментов и пигментов, являясь их реакционными центрами, например, железо входит в состав гемоглобина крови, магний - в состав хлорофилла.

Контрольные вопросы и задания

1. Почему свет, температура и влажность считаются основными абиотическими факторами среды для живых организмов?

2. Какие факторы среды часто являются лимитирующими в наземных экосистемах, а какие - в водной среде?

3. Укажите различия микро- и макроэлементов.