|
|
|||
|
БІОСИСТЕМИ. БІОСФЕРА
ЕКОСИСТЕМИ. ПОПУЛЯЦІЇ
ОРГАНІЗМИ У ДОВКІЛЛІ
ЛЮДСТВО ТА ЙОГО ДОЛЯ
|
|||
|
III-5. Екологічний баланс |
|||
III-5. Екологічний баланс
І виникнення життя на Землі, і його підтримання — результат перетворення невеликої частини сонячної енергії. Живі організми можуть існувати, тільки використовуючи потік енергії, що тече через них. Які процеси забезпечують цей потік?
Головною групою організмів Землі можна вважати фототрофів — бактерії та рослини, здатні до фотосинтезу. Вони черпають необхідну їм енергію прямо з випромінювання Сонця й переводять у форму, доступну для інших організмів. Для гетеротрофів (багатьох бактерій, грибів і тварин) такою формою є різноманітні органічні сполуки. Наша частка потоку енергії, що надходить від Сонця, тече через нас з нашою їжею.
Складніші механізми, якими забезпечується існування хемотрофів. Розглянемо, наприклад, біоценоз «чорного курця» — місця виходу з надр гарячої води, що містить сірководень, на дні океану (рис. III-5.1). Там, де вода з надр, що містить сірководень, змішується з океанської водою, яка містить кисень, живуть бактерії-хемотрофи. Вони отримують енергію завдяки окисленню сірководню і живуть не тільки у воді, а й населяють тіла великих двостулкових молюсків і червоподібних тварин із групи погонофор — ріфтій (погонофор раніше вважали самостійним типом, а тепер відносять до кільчастих черв'яків). Цими та іншими тваринами харчуються ракоподібні й навіть риби. Чи можна дійти висновку, що така екосистема існує незалежно від потоку сонячної енергії?
Рис. III-5.1. Загальний вигляд «чорного курця», а також ріфтії (Riftia pachyptila) і супутня фауна крупним планом
Звичайно, ні. Екосистема «чорного курця» використовує розчинений у воді кисень, який є результатом фотосинтезу. Використовуючи сонячну енергію, фототрофи створили різницю окисно-відновних потенціалів між кисневою атмосферою і надрами, які мають відновний характер. Саме з цієї різниці хімічних потенціалів черпають енергію хемотрофи. Виходить, що якимось чином фототрофи «годують» хемотрофів!
Хоч яким дивовижним є такий взаємозв’язок між двома групами організмів, найзвичніші взаємозв’язки можуть здатися ще більш дивними. Наша планета населена двома групами живих істот, для кожної з яких ресурсами є відходи або продукти життєдіяльності іншої групи. Йдеться про автотрофів у цілому (включно з фототрофами) та гетеротрофів, які відповідають одне одному, як дві половинки розбитої тарілки. Природно, що така відповідність не може бути випадковою: вона відбиває важливу закономірність у функціонуванні біосфери.
Оскільки автотрофи та гетеротрофи нерозривно пов'язані, найважливішою характеристикою біосфери є співвідношення між їх основними функціями: створенням і руйнуванням органіки (рис. III-5.2). Це співвідношення називається екологічним балансом (табл. III-5.1). Звичайно, показані на малюнку відносини спрощені. Органічні речовини створюються також в ході хемосинтезу, а руйнуються при гліколізі (безкисневому розщепленні вуглеводів в тканинах; це від його наслідків болять м'язи після важкого навантаження), бродінні та горінні. Кисень не виділяється, а інколи навіть і поглинається при деяких бактеріальних типах хемосинтезу. При аеробному (кисневому) диханні швидкість розкладання органіки набагато вища; два інших шляхи розщеплення органічних речовин передбачають роботу цілого комплексу функціонально різних організмів-перетворювачів.
Рис. III-5.2. Екологічний баланс у біосфері базується на рівновазі між фотосинтезом і диханням
Таблиця III-5.1. Складники екологічного балансу
|
Прихід органіки |
|
Витрата органіки |
|
|
Фотосинтез |
C3 |
Аеробне дихання (з використанням кисню) |
|
|
C4 |
Анаеробне дихання (з використанням інших окислювачів) |
||
|
CAM |
Бродіння (перебудова молекули субстрату) |
||
|
Бактеріальний |
Горіння — неорганічний процес |
||
|
Хемосинтез |
|||
Попри різноманітність явищ, що впливають на створення і руйнування органіки, екологічний баланс у біосфері з достатньою точністю можна передати через баланс двох найпотужніших процесів, що змінюють кількість органіки — фотосинтезу і дихання. Отже, певною мірою цей баланс може бути виражений і через рівновагу між киснем і вуглекислотою в атмосфері.
Фундаментальна властивість біосфери — позитивний підсумок балансу. Киснева (тобто окислювальна), а не відновлювальна атмосфера на Землі — результат зсуву балансу на користь переважання фотосинтезу. Частина кисню, який виділяється у ході цього процесу, витрачається на окислення речовин-відновників, що надходять з надр Землі, а також розсіюється в космічному просторі. А що відбувається з органікою, еквівалентною цьому кисню? Вона накопичується в екосистемі у вигляді детриту (від лат. deterere — розбивати) — органічної речовини у процесі розкладання. Компонентом детриту є гумус — один із продуктів розпаду органіки. Його компоненти, гумінові кислоти характеризуються змінним складом; до них входять ароматичні кільця, азотовмісні групи, вуглеводні залишки.
Доля утвореного детриту може бути різною. Частину його поглинуть організми-детритофаги, які окиснять його у ході свого дихання. Інша ж частина детриту може потрапити в умови, де він стане недоступним для кисневого окислення. Згодом такий детрит перетвориться в горючі копалини: торф, сланці, вугілля, і навіть газ і нафту.
Завдяки тому, що в екологічному балансі фотосинтез переважає над диханням, в корі накопичилася значна кількість органіки, яка має біогенне походження, а в атмосферу надійшла відповідна кількість кисню. Еквівалентний накопиченій органіці кисень вже витратився в хімічних реакціях і розсіявся в космосі. Звідси випливає, що людство принципово не може спалити всі запаси органічних речовин, накопичених у земній корі — йому просто не вистачить для цього кисню в атмосфері.
Умови для поховання органіки в різні періоди історії Землі були різними. Наприклад, у карбоні (кам'яновугільному періоді) на значній частині планети розташовувалися болота, на яких росли великі плауни та хвощі. Падаючи в болотяну рідину, дерева попадали у безкисневі умови та з часом перетворювалися на вугілля (один з ресурсів, завдяки яким існує наша цивілізація). Чи випадково, що в цей час існували найбільші наземні членистоногі — півметрові в розмаху крил бабки меганеври, а також багатоніжки артроплеври, які досягали двох метрів в довжину? Один з факторів, що обмежують максимальні розміри членистоногих, — зниження ефективності трахейного дихання з ростом розмірів тіла. Високий вміст кисню в атмосфері кам'яновугільного періоду пом'якшував дію цього обмеження.