Екологія: біологія взаємодії. III-05. Екологічний баланс

Д. Шабанов, М. Кравченко Екологія: біологія взаємодії
БІОСИСТЕМИ. БІОСФЕРА I розділ. Екологія та біосистеми, які вона вивчає II розділ. Біосферологія ЕКОСИСТЕМИ. ПОПУЛЯЦІЇ II розділ. Біогеоценологія та біоценологія IV розділ. Популяційна екологія ОРГАНІЗМИ У ДОВКІЛЛІ V розділ. Аутекологія та основи середовищезнавства ЛЮДСТВО ТА ЙОГО ДОЛЯ VI розділ. Екологія людини та збереження біосфери Додатки: Програма. Питання. Література. Персоналії. Глосарій.
← III-04. Класифікація біомів	III-05. Екологічний баланс		III-06. Продукція екосистем і її вимірювання →

 

III-05. 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. 3.5.1). 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. 3.5.1. 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. 3.5.2). Це співвідношення називається екологічним балансом (табл. 3.5.1). 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. 3.5.2. Екологічний баланс у біосфері базується на рівновазі між фотосинтезом і диханням

Таблиця 3.5.1. Складові 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.