1.2. Динамика веществ и энергии в биосфере. Источники энергии для организмов

Существование биосферы немыслимо без постоянного круговорота биологически важных веществ, которые после использования их животными организмами вновь переходят в форму, пригодную для дальнейшей трансформации при участии солнечной энергии.

Основными химическими элементами биосферы являются C, N, H, O, P, S. Хотя количество живого вещества составляет лишь 0,25 % массы биосферы, тем не менее, оно играет основную роль и определяет все важнейшие закономерности химических реакций, протекающих на Земле. В результате действия живых организмов образуются основные газы в биосфере: О₂, СО₂, N, CH₄ и др., между ними устанавливаются определенные соотношения, происходит непрерывное образование биогенных материалов и т.д. Многократное использование одних и тех же атомов химических элементов, постоянный круговорот углерода и других химических компонентов структуры живого вещества обусловливают существование жизни на Земле, протекание сложных биогеохимических циклов. Основными компонентами структуры живого вещества, по определению В.И. Вернадского, являются «циклические элементы»: кислород, углерод, водород, азот, натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций, железо. Для функционирования живых организмов особенно большое значение имеют углерод, кислород, азот, водород, фосфор и сера. Этим определяется сравнительно высокое их содержание в составе живого вещества (например, азота и водорода в живом организме примерно в 100 раз больше, чем во внешней среде, а углерода в 60 раз превышает его содержание в земной коре). 96 % веса тела человека составляют такие элементы, как кислород, углерод, водород и азот. Таким образом, уникальные свойства живого вещества обусловлено не теми элементами, из которых оно образовано, а характерной организацией и концентрацией их в организме. Свободный кислород обеспечивает жизнь на Земле, в то же время он сам является продуктом жизнедеятельности организмов. Почти весь кислород атмосферы имеет биологическое происхождение. Кислород воздуха – это, в конечном счете кислород воды, расщепленный солнечным светом в процессе фотосинтеза.

Процессы фотосинтеза являются основными производителями органического вещества из элементов неорганической природы с помощью энергии солнечных лучей. Базовую структуру молекул органических веществ составляют атомы углерода, образующие цепи или кольца. Основной путь кругооборота углерода – из CО₂ в живое вещество (процессы хемосинтеза в бактериях, фотосинтеза в растениях) и обратно в CО₂ при его разрушении (процессы катаболизма в живом организме).

Круговорот углерода сводится к следующему замкнутому циклу: в процессе жизнедеятельности растений из атмосферы извлекается CО₂ и выделяется О₂; животные организмы возвращают в атмосферу CО₂ как в процессе дыхания, так и после своей смерти в результате жизнедеятельности бактерий и грибов, расщепляющих органическое вещество до CО₂ и воды.

Азот составляет 79 % атмосферы, но подавляющее большинство живых организмов неспособно прямо использовать его огромный запас. Азот атмосферы усваивается азотфиксирующими бактериями и водорослями, которые переводят его в растворимые соединения – нитраты. Последние в почве используются растительными организмами. Небольшое количество азотистых соединений поступает в почву в результате жизнедеятельности растительных и животных организмов. Остальная часть азота освобождается при разложении живого вещества растений и животных бактериями, превращающими азотистые органические вещества в аммиак.

В результате жизнедеятельности живых организмов в биосфере устанавливается определенный уровень обмена энергией. В среднем около 30% энергии солнечного излучения, попавшего в верхнюю часть атмосферы, рассеивается ею или отражается облаками и поверхностью Земли. 20% энергии солнечного излучения поглощается при прохождении через атмосферу. Око 50% солнечной энергии достигает суши или океана и поглощается в виде тепла.

Количество поглощенной и излученной энергии на Земле приблизительно одинаково. Лишь очень небольшая часть солнечной энергии, ассимилированная живыми организмами, на длительное время задерживается на Земле, рассеиваясь в космическое пространство в виде тепла.

Количество солнечной энергии, поступающей в живые организмы, ничтожно по сравнению с общим энергетическим балансом Земли. Только 0,1% энергии, получаемой Землей от Солнца, связывается в процессе фотосинтеза. Источником энергии, а также пластическим материалом для животных служит органическое вещество с богатой потенциальной энергией межмолекулярных связей, образованное в растениях в результате фотосинтеза. После использования органических веществ в процессах клеточного метаболизма продукты их разрушения в виде углекислого газа и воды вновь попадают в атмосферу, продолжая, таким образом циклический биогеохимический процесс.

Энергетическая суть процессов жизнедеятельности организмов с водится к трем основным видам трансформации энергии:

1. использование лучистой энергии солнечного света в зеленых растениях зеленым пигментом – хлорофиллом в процессе фотосинтеза (превращение энергии солнечного излучения в химическую энергию органических веществ и, прежде всего, углеводов)

2. превращение химической энергии углеводов в биологически доступную энергию макроэргических фосфатных связей (в митохондриях растительных и животных клеток)

3. использование химической энергии фосфатных связей для выполнения различного рода работы (механическая – в результате мышечного сокращения, электрическая – при передаче нервных импульсов, осмотическая – при движении молекул против градиента концентрации и т.д.)

Таким образом, все живые организмы получают потенциальную энергию, необходимую для их жизнедеятельности, в виде пищи. Энергия не создается заново и не исчезает, она только переходит из одной формы в другую или накапливается в виде потенциальной энергии (в пищевых веществах).