Экология: биология взаимодействия. 3.05. Экологический баланс

3.04. Классификация биомов

Д. Шабанов, М. Кравченко. Экология: биология взаимодействия

Глава 3. Биогеоценология и экология сообществ

3.06. Продукция экосистем и ее измерение

3.05. Экологический баланс

И возникновение жизни на Земле, и ее поддержание — результат преобразования небольшой части солнечной энергии. Живые организмы могут существовать, только используя текущий через них поток энергии. Какие процессы обеспечивают этот поток?

Главной группой организмов Земли можно считать фототрофов — бактерий и растений, способных к фотосинтезу. Они черпают необходимую им энергию прямиком из излучения Солнца и переводят в форму, доступную для других организмов. Для гетеротрофов (многих бактерий, грибов и животных) такой формой являются разнообразные органические соединения. Наша доля потока энергии, поступающей от Солнца, течет через нас с нашей пищей.

Сложнее механизмы, которыми обеспечивается существование хемотрофов. Рассмотрим, например, биоценоз «черного курильщика» — места выхода из недр горячей воды, содержащей сероводород, на дне океана (рис. 3.5.1). Там, где содержащая сероводород вода из недр смешивается с океанской водой, содержащей кислород, обитают бактерии-хемотрофы, которые получают энергию благодаря окислению сероводорода. Они живут не только в воде, а и населяют тела крупных двухстворчатых моллюсков и червеобразных животных из группы погонофор — рифтий (погонофор раньше считали самостоятельным типом, а теперь относят к кольчатым червям). Этими и другими животными питаются ракообразные и даже рыбы. Можно ли прийти к выводу, что такая экосистема существует независимо от потока солнечной энергии?

Рис. 3.5.1. Общий вид «черного курильщика», а также рифтии (Riftia pachyptila) и сопутствующая фауна крупным планом

Конечно, нет. Экосистема «черного курильщика» использует растворенный в воде кислород, который является результатом фотосинтеза. Используя солнечную энергию, фототрофы создали разность окислительно-восстановительных потенциалов между кислородной атмосферой и недрами, которые носят восстановительный характер. Именно из этой разности химических потенциалов черпают энергию хемотрофы. Получается, что каким-то образом фототрофы «кормят» хемотрофов!

Сколь ни удивительна такая взаимосвязь между двумя группами организмов, самые привычные взаимосвязи могут показаться еще удивительнее. Наша планета населена двумя группами живых существ, для каждой из которых ресурсами являются отходы или продукты жизнедеятельности другой группы. Речь идет об автотрофах в целом (включая фототрофов) и гетеротрофах, которые соответствуют друг другу, как две половинки разбитой тарелки. Естественно, такое соответствие не может быть случайным: оно отражает важную закономерность в функционировании биосферы.

Поскольку автотрофы и гетеротрофы неразрывно связаны, важнейшей характеристикой биосферы является соотношение между их основными функциями: созданием и разрушением органики (рис. 3.5.2). Это соотношение называется экологическим балансом (табл. 3.5.1). Конечно, показанные на рисунке отношения упрощены. Органические вещества создаются также в ходе хемосинтеза, а разрушаются при гликолизе (бескислородном расщеплении углеводов в тканях; это от его последствий болят мышцы после тяжелой нагрузки), брожении и горении. Кислород не выделяется, а иногда даже и поглощается при некоторых бактериальных типах хемосинтеза. При аэробном (кислородном) дыхании скорость разложения органики намного выше; два других пути расщепления органических веществ предусматривают работу целого комплекса функционально различных организмов-преобразователей.

Рис. 3.5.2. Экологический баланс в биосфере основан на равновесии между фотосинтезом и дыханием

Таблица 3.5.1. Составляющие экологического баланса

Приход органики

 

Расход органики

Фотосинтез

C3

Аэробное дыхание (с использованием кислорода)

C4

Анаэробное дыхание (с использованием других окислителей)

CAM

Брожение (перестройка молекулы субстрата)

Бактериальный

Горение — неорганический процесс

Хемосинтез

 

Несмотря на разнообразие явлений, влияющих на создание и разрушение органики, экологический баланс в биосфере с достаточной точностью можно передать через баланс двух самых мощных процессов, изменяющих количество органики — фотосинтеза и дыхания. Значит, в определенной мере этот баланс может быть выражен и через равновесие между кислородом и углекислотой в атмосфере.

Фундаментальное свойство биосферы — положительный итог баланса. Кислородная (то есть окислительная), а не восстановительная атмосфера на Земле — результат сдвига баланса в пользу преобладания фотосинтеза. Часть выделяющегося в ходе этого процесса кислорода тратится на окисление поступающих из недр Земли веществ-восстановителей, а также рассеивается в космическом пространстве. А что происходит с эквивалентной этому кислороду органикой? Она накапливается в экосистеме в виде детрита (от лат. deterere — раздроблять) — органического вещества в процессе разложения. Компонентом детрита является гумус — один из продуктов распада органики. Его компоненты, гуминовые кислоты характеризуются переменным составом; в них входят ароматические кольца, азотсодержащие группы, углеводные остатки.

Судьба образованного детрита может быть различной. Часть его поглотят организмы-детритофаги, которые окислят его в ходе своего дыхания. Другая же часть детрита может попасть в условия, где он станет недоступным для кислородного окисления. Со временем такой детрит превратится в горючие ископаемые: торф, сланцы, уголь, и даже газ и нефть.

Благодаря тому, что в экологическом балансе фотосинтез преобладает над дыханием, в коре накопилось значительное количество органики, имеющей биогенное происхождение, а в атмосферу поступило соответствующее количество кислорода. Эквивалентный накопленной органике кислород уже израсходовался в химических реакциях и рассеялся в космосе. Отсюда следует, что человечество принципиально не может сжечь все запасы органических веществ, накопленные в земной коре — ему попросту не хватит для этого кислорода в атмосфере.

Условия для захоронения органики в разные периоды истории Земли были различными. К примеру, в карбоне (каменноугольном периоде) на значительной части планеты располагались болота, на которых росли крупные плауны и хвощи. Падая в болотную жижу, деревья попадали в бескислородные условия и со временем превращались в уголь (один из ресурсов, за счет которых существует наша цивилизация). Случайно ли, что в это время существовали самые крупные наземные членистоногие — полуметровые в размахе крыльев стрекозы меганевры, а также достигавшие двух метров в длину многоножки артроплевры? Один из факторов, ограничивающих максимальные размеры членистоногих, - снижение эффективности трахейного дыхания с ростом размеров тела. Высокое содержание кислорода в атмосфере каменноугольного периода смягчало действие этого ограничения.

 

 

3.04. Классификация биомов

Д. Шабанов, М. Кравченко. Экология: биология взаимодействия

Глава 3. Биогеоценология и экология сообществ

3.06. Продукция экосистем и ее измерение