I. Превращение энергии в биосфере
Поток солнечной энергии, воспринимаясь молекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических связей. В процессе фотосинтеза растения используют лучистую энергию солнечного света для превращения веществ с низким содержанием энергии (СО2 и Н2О) в более сложные органические соединения, где часть солнечной энергии запасена в форме химических связей.
Образованные в процессе фотосинтеза органические вещества могут служить источником энергии для самого растения или переходят в процессе поедания и последующего усвоения от одних организмов к другим: от растения к растительноядным животным, от них – к плотоядным и т.д. Высвобождение заключенной в органических соединениях энергии происходит в процессе дыхания или брожения. Разрушение использованных или отмерших остатков биомассы осуществляют разнообразные организмы, относящиеся к числу сапрофитов (гетеротрофные бактерии, грибы, некоторые животные и растения). Они разлагают остатки биомассы на неорганические составные части (минерализация), способствуя вовлечению в биологический круговорот соединений и химических элементов, что обеспечивает очередные циклы и продуцирования органического вещества.Однако содержащаяся в пище энергия не совершает круговорота, а постепенно превращается в тепловую энергию. В конечном итоге вся поглощенная организмами в виде химических связей солнечная энергия снова возвращается в пространство в виде теплового излучения, поэтому биосфере необходим приток энергии извне
В отличие от веществ, которые непрерывно циркулируют по разным блокам экосистемы и всегда могут вновь входить в круговорот, энергия может быть использована только один раз.
Односторонний приток энергии как универсальное явление природы происходит в результате действия законов термодинамики, относящимся к основам физики. Первый закон утверждает, что энергия может переходить из одной формы (например, энергия света) в другую (например, потенциальную энергию пищи), но она никогда не создается вновь и не исчезает.
Второй закон термодинамики гласит, что не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потери некоторой ее части. В таких превращениях определенное количество энергии рассеивается в недоступную тепловую энергию, и, следовательно, теряется. По этой причине не может быть превращений, например пищевых веществ в вещество, из которого состоит тело организма, идущих со 100-процентной эффективностью.
Существование всех экосистем зависит от постоянного притока энергии, которая необходима всем организмам для поддержания их жизнедеятельности и самовоспроизведения.
Солнце – практически единственный источник всей энергии на Земле. Однако далеко не вся энергия солнечного излучения может усваиваться и использоваться организмами. Лишь около половины обычного солнечного потока, падающего на зеленые растения (то есть на продуценты), поглощается фотосинтетическими элементами и лишь малая доля поглощенной энергии (от 1/100 до 1/20 части) запасается в виде биохимической энергии (энергии пищи).
Таким образом, большая часть солнечной энергии теряется в виде тепла на испарение. В целом поддержание жизни требует постоянного притока энергии. И где бы ни находились живые растения и животные, мы всегда найдем здесь источник их энергии.
II. Биогеохимические круговороты
Химические элементы, входящие в состав живого, обычно циркулируют в биосфере по характерным путям: из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Для биогенной миграции свойственно накопление химических элементов в организмах (аккумуляция) и их высвобождение в результате минерализации отмершей биомассы (детрита). Такие пути циркуляции химических веществ (в большей или меньшей степени замкнутые), протекающие с использованием солнечной энергии через растительные и животные организмы, называют биогеохимическими круговоротами (био относится к живым организмам, а гео – к почве, воздуху, воде на земной поверхности).
Различают круговороты газового типа с резервуарами неорганических соединений в атмосфере или океанах (N2, О2, СО2,Н2О) и круговороты осадочного типа с менее обширными резервуарами в земной коре (Р, Са, Fе).
Необходимые для жизни элементы и растворенные соли условно называют биогенными элементами (дающими жизнь), или питательными веществами. Среди биогенных элементов различают две группы: макротрофные вещества и микротрофные вещества.
Первые охватывают элементы, которые составляют химическую основу тканей живых организмов. Сюда относятся: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера.
Вторые включают в себя элементы и их соединения, также необходимые для существования живых систем, но в исключительно малых количествах. Такие вещества часто называют микроэлементами. Это железо, марганец, медь, цинк, бор, натрий, молибден, хлор, ванадий и кобальт. Хотя микротрофные элементы необходимы для организмов в очень малых количествах, их недостаток может сильно ограничить продуктивность, так же как и нехватка биогенных элементов.
Циркуляция биогенных элементов сопровождается обычно их химическими превращениями. Нитратный азот, например, может превращаться в белковый, затем переходить в мочевину, превращаться в аммиак и вновь синтезироваться в нитратную форму под влиянием микроорганизмов. В процессах денитрификации и фиксации азота принимают участие различные механизмы, как биологические, так и химические.
Углерод, содержащийся в атмосфере в виде СО2, является одним из исходных компонентов для фотосинтеза, а затем вместе с органическим веществом потребляется консументами. При дыхании растений и животных, а также за счет редуцентов углерод в виде СО2 возвращается в атмосферу.
В отличие от азота и углерода резервуар фосфора находится в горных породах, подвергающихся эрозии и высвобождающих в экосистемы фосфаты. Большая их часть попадает в море и частично вновь может быть возвращена на сушу через морские пищевые цепи, заканчивающиеся рыбоядными птицами (образование гуано). Усвоение фосфора растениями зависит от кислотности почвенного раствора: по мере повышения кислотности практически нерастворимые в воде фосфаты превращаются в хорошо растворимую фосфорную кислоту.
В отличие от энергии биогенные элементы могут использоваться неоднократно: круговорот их характерная черта. Другое отличие от энергии состоит в том, что запасы биогенных элементов непостоянны. Процесс связывания некоторой их части в виде живой биомассы снижает количество, остающееся в среде экосистемы. И если бы растения и другие организмы, в конечном счете, не разлагались бы, запас биогенов исчерпался бы и жизнь на Земле прекратилась. Отсюда можно сделать вывод, что активность гетеротрофов, и в первую очередь организмов, функционирующих в детритных цепях, - решающий фактор сохранения круговорота биогенных элементов и образования продукции.
