Фотосинтез

Фотосинтез – основа существования биосферы, один из важнейших ее механизмов саморегуляции и самоподдержания.

Фотосинтез – это превращение зелеными растениями при участии энергии света и хлорофилла простейших неорганических соединений в сложные органические вещества.

Реакция в общем виде выражается формулой:

6 CO₂ + 12 H₂O + 2829 кДж → С₆H₁₂O₆ + 6 H₂O + 6 O₂ ↑

Процесс протекает следующим образом.

Фотон солнечного света взаимодействует с молекулой хлорофилла, в результате чего высвобождается электрон одного из его атомов. Этот электрон реагирует с молекулой аденозиндифосфата (АДФ), которая, получив достаточную дополнительную энергию, превращается в молекулу аденозинтрифосфата (АТФ). АТФ – вещество-энергоноситель, возбужденная молекула АТФ способствует образованию сахара и кислорода, при этом утрачивает часть своей энергии и снова превращается в молекулу АДФ. Процесс повторяется снова и снова, пока есть солнечный свет.

Возникновение фотосинтеза было связано, вероятно, с бедностью органической пищи в первичной водной среде, в которой зародилась жизнь. Архаичные организмы, находясь на границе воздушной и водной среды, насыщенной различными газами, научились синтезировать органические вещества. Таким образом они решили своего рода продовольственную проблему. В атмосферу Земли при этом выделялся побочный продукт реакции – кислород. Это привело к гибели организмов, изобретших фотосинтез, т.к. они были анаэробными. Это древнейшая экологическая катастрофа. Но переход на аэробное дыхание сделал возможным появление сложных многоклеточных организмов и человека в том числе.

В результате фотосинтеза растительность ежегодно усваивает около 200 млрд т углекислого газа и выделяет приблизительно 145 млрд т свободного кислорода, при этом образуется более 100 млрд т органического вещества. Если бы не фотосинтез, химически активный кислород, вступая в различные реакции, исчез бы приблизительно за 10 000 лет. На фотосинтез расходуется около 1 % солнечной энергии, приходящей на Землю, что составляет приблизительно 3·10 ¹⁸ кДж.

Биогеохимические циклы

Все экосистемы биосферы находятся в постоянном взаимодействии и образуют единый круговорот веществ и энергии на Земле. В этом круговороте можно выделить пять главных составляющих:

1. Энергетический круговорот заключается в использовании энергии Солнца в процессе фотосинтеза и ее аккумуляции в биомассе биосферы и горных породах. А также в расходе солнечной и аккумулированной энергии в геологических и биологических процессах.

2. Минеральный круговорот заключается в перемещении продуктов магматизма и метаморфизации из мантии к земной поверхности, выветривании горных пород, их перемещению и трансформации на поверхности Земли и дальнейшему погружению в недра планеты.

3. Водный круговорот заключается в гидрологической и атмосферной циркуляции воды в биосфере.

4. Газовый круговорот заключается в миграции разных по происхождению газов в биосфере, их участие в геологических и биологических процессах.

5. Биогенный круговорот заключается в миграции живого, биогенного и биокосного веществ в биосфере.

В круговороте веществ происходит постоянное обновление вещественного состава биосферы. В среднем живое вещество биосферы обновляется за 8 лет, фитомасса наземных растений – за 14 лет, фитомасса морских растений – за 1 день. Полная смена воды в гидросфере происходит за 2 800 лет, газового состава атмосферы – за несколько тысяч лет.

Согласованность всех составляющих круговорота биосферы определяет ее стабильность.

Обычно в биосфере выделяют большой (геологический) и малый (биологический) круговороты.

Особенности большого круговорота:

1. проявляется на протяжении всей геологической истории Земли,

2. это ведущий процесс развития биосферы,

3. проявляется в минеральном, водном и газовом круговоротах,

4. на него расходуется около половины солнечной энергии, приходящей на Землю.

Особенности малого круговорота:

1. происходит внутри биологических систем,

2. почти незамкнут,

3. проявляется в образовании и разрушении органического вещества,

4. на него расходуется около 1 % солнечной энергии, приходящей на Землю.

Биогеохимический цикл – это обмен веществом и энергией, осуществляющийся между различными структурными частями биосферы.

Биогеохимические циклы характерны для всех веществ, но наиболее важны циклы биофильных элементов. Одним из важнейших круговоротов является круговорот углерода (рисунок 7).

Резервуаром углерода является атмосфера, где он находится в форме углекислого газа. Углерод, как и все прочие вещества, участвует и в большом, и в малом круговоротах, которые тесно взаимосвязаны между собой. Расходную часть малого круговорота составляют: поглощение углекислого газа из атмосферы растениями в процессе фотосинтеза и образование биомассы живых организмов. Часть таким образом связанного углерода выводится из круговорота в форме топливных и карбонатных полезных ископаемых. Приходную часть малого круговорота углерода составляют: дыхание, разложение, брожение и горение биомассы, в т.ч. и использование топлива человеком. Карбонатные породы, перемещаясь в земной коре, участвуют и в большом круговороте. В процессе выветривания и извержения вулканов углерод снова возвращается в атмосферу. К приходной части большого круговорота кроме этого относится выделение углекислого газа Мировым океаном. Мировой океан играет очень важную роль в круговороте углерода, т.к. не только его выделяет в атмосферу, но и поглощает в результате химических реакций с водой и карбонатами. Часть этого углерода используется водными растениями на фотосинтез и образование биомассы, здесь также видна очень тесная связь большого и малого круговоротов.