Поток энергии в биогеоценозе
| Изучение потока энергии в биогеоценозе позволяет получить дополнительные сведения о функциональной структуре биотических сообществ. Кроме того, оно позволяет выяснить потенциальную биологическую продуктивность данного местообитания. Располагая такими сведениями, можно вычислить, сколько особей каждого вида могло бы здесь существовать. |
Вся жизнь на Земле существует за счет солнечной энергии. На Солнце происходит непрерывное превращение водорода в гелий, а при образовании одного атома гелия из четырех атомов водорода часть массы "исчезает" (если быть точным, при образовании 4,003 г гелия исчезает 0,029 г) и превращается в энергию в соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна E = mс2, где E - энергия, m - исчезнувшая масса, с - скорость света, представляющая собой постоянную величину (300000 км/с).
Так как каждую минуту на Солнце исчезает более сотни миллионов тонн массы, а скорость света так велика, то высвобождается огромное количество энергии. Этот избыток энергии не накапливается на Солнце, а излучается в пространство в виде электромагнитных волн разной длины: света, радиоволн, рентгеновских лучей, инфракрасного излучения и т. д. Такой процесс превращения массы в энергию может поддерживаться на Солнце благодаря чрезвычайно высокой температуре; на нашей планете при нормальных условиях он не происходит.
Большая часть приходящей к Земле энергии поглощается атмосферой; это главным образом ультрафиолетовая часть спектра - чрезвычайно опасная для живых организмов. Таким образом теряется 30% падающей на Землю энергии. Около 50% падающей энергии превращается в тепло и вновь излучается во внешнее пространство в форме инфракрасного теплового излучения, а 20% расходуется на испарение воды и образование облаков. И наконец, лишь 0,02% падающей энергии поглощается биосферой (рис.1).
Энергия, поглощенная биосферой, идет на совершение биологической работы живыми организмами, направленной на поддержание их жизни.
Поглощение, превращение и использование энергии растениями
Растения поглощают солнечную энергию при помощи хлоропластов включающих в себя пигмент - хлорофилл, который содержится в листьях и определяет зеленый цвет растений. Листья имеют большую поверхность для поглощения солнечного света и отверстия (устьица) для обмена с окружающей средой кислородом и двуокисью углерода. Поглотив электромагнитную энергию солнца растения в процессефотосинтеза запасают ее в форме сахаров - основного химического источника энергии.
Необходимая для фотосинтеза вода с содержащимися в ней солями подается от корней по "водопроводной" системе, называемой ксилемой, а образовавшийся сахар (питательные вещества) распределяется по всем частям растения с помощью другой проводящей системы, называемой флоэмой. Ксилема и флоэма образуют циркуляторную систему растения (рис. 2), которая распределяет в растениях питательные вещества и энергию.
Созданное растениями в процессе фотосинтеза органическое вещество - это валовая первичная продукция (ВПП). Часть энергии валовой первичной продукции расходуется самим растением на дыхание, остальная часть сохраняется в виде прироста органического вещества и представляет собой накопление чистой первичной продукции (ЧПП): ВПП - Дыхание = ЧПП.
Чистая первичная продукция является тем самым органическим веществом, которое накапливается в растениях. Из него в результате сложных процессов, происходящих в растениях, образуются все их органы - стебли, листья, корни, цветки плоды и другие, которые могут использоваться в пищу гетеротрофными организмами.
| Эту чистую первичную продукцию можно выразить в единицах массы: взвесить, например, при уборке урожая (килограмм на 1 га за [период времени] и энергии (при сжигании в калориметре): джоуль на 1 м2 за период времени, например, сутки, месяц, год). Установлено, что при сжигании 1 г абсолютно сухого вещества выделяется 4 кДж энергии. При этом следует принять во внимание, что равные количества различных биологических веществ не обязательно равны по своим энергетическим показателям. Обычно принимают следующие соотношения: для 1 г углеводов - 4 кДж; протеинов - 4 кДж; липидов - 9 кДж; стволовой древесины - 4,5 кДж; живых листьев - 4,7 кДж; лесной подстилки - 4,5 кДж. |
Ежегодно зеленые растения превращают в органическое вещество колоссальные количества углерода (в общем около 200 млрд. т). Около 10% этой массы синтезируют наземные растения; остальное приходится на долю морских растений, главным образом микроскопических водорослей. Как показывают расчеты, благодаря активности зеленых растений вся углекислота, находящаяся в атмосфере и растворенная в воде, обновляется примерно за каждые 300 лет, а весь кислород - примерно за каждые 2000 лет. Ход процесса фотосинтеза почти одинаков у всех зеленых растений - от мельчайшей водоросли до огромного Мамонтова дерева.
Природа многих химических реакций, происходящих при фотосинтезе, была выяснена опытами ван Ниля, Арнона, Кальвина, Гаффрона, Рабиновича и многих других учёных. Большая часть этих исследований проводилась с одноклеточными зелеными водорослями Chlorella или Scenedesmus. Однако эксперименты с листьями фасоли, ячменя, табака, дыни показали, что сходные цепи реакций имеются и у высших растений.