2.5. Абиотический компонент
Как
уже говорилось,абиотическими фактораминазываются физические, химические и
т.п. факторы окружающей среды, влияющие
на живые организмы.
К ним относятся свет, температура, давление, влажность, кислотность, соленость, радиационный фон, химический состав атмосферы, водной среды, почв, донных отложений, климатические и погодные условия, механические свойства почвы, прозрачность воды, рельеф земной поверхности, уровень солнечной активности, приливно-отливные явления и т.д. Естественно, все эти факторы (или большинство из них) действуют на организмы одновременно, степень присутствия или отсутствия каждого из них существенно отражается на жизнедеятельности организмов, но не одинаково для разных видов. Рассмотрим более подробно некоторые из абиотических факторов.
2.5.1. Свет
Свет является одним из важнейших абиотических факторов. Действительно, мы уже отмечали, что в начале любой трофической цепочки обязательно находятся продуценты. Основным механизмом образования ими органического вещества является процесс фотосинтеза. Процесс фотосинтеза происходит в молекулах хлорофилла (пигмента, ответственного за зеленую окраску растений), локализованных в мембранах хлоропластов (субклеточных органоидах в листьях зеленых растений). В процессе фотосинтеза продуценты извлекают атомы углерода и кислорода из молекул поглощаемого из воздуха или воды (в случае водных растений) углекислого газа и атомы водорода из молекул воды и синтезируют сложные органические молекулы. Суммарно процесс фотосинтеза состоит в переносе электронов от донора (воды) к акцептору (углекислому газу). В общем виде процесс фотосинтеза может быть выражен уравнением:
Например, при n = 6 в результате фотосинтеза образуется молекула простого сахара – глюкозы. Отметим также весьма важное для всего живого на Земле обстоятельство – образование сложных органических молекул сопровождается поглощением из окружающей среды углекислого газа и выделением в нее кислорода (ежегодно зеленый покров Земли продуцирует 467 миллиардов тонн кислорода, при этом на долю наземных растений приходится около 40 % этого количества, а на долю морских – около 60 %).
Из курса элементарной химии, однако, известно, что при пропускании углекислого газа через воду ничего, кроме слабого раствора угольной кислоты H2CO3, получить не удается (в противном случае любой автомат по продаже газированной воды можно было бы считать искусственным продуцентом). В соответствии с законами химической термодинамики все процессы идут в направлении убывания свободной энергии Гиббса
где H – энтальпия, т.е. тепловой эффект реакции при постоянном давлении, T – абсолютная температура, S – энтропия. Таким образом, для того, чтобы шла химическая реакция, необходимо выполнение условия:
где индексы "прод" и "исх" относятся к продуктам реакции и исходным реагентам соответственно. Для процесса фотосинтеза последнее условие не выполняется, поэтому для осуществления этого процесса необходимо постоянное поглощение энергии извне, из окружающей среды. Наиболее доступным и обильным в окружающей среде источником энергии является солнечный свет. В сложной последовательности реакций с участием ряда специфических ферментов (биокатализаторов) световая энергия превращается в энергию электронов и далее в энергию образующихся химических связей. Таким образом, солнечная энергия аккумулируется в сложных органических молекулах и затем по пищевым цепям используется всеми другими организмами (в вышеприведенной реакции образования глюкозы эта энергия равна 2815 кДж на моль). Именно это и определяет важнейшую роль солнечного света среди других абиотических факторов. Отметим, что из всей световой энергии, достигающей растений, в органических молекулах запасается всего от 1 до 5 %, а из всей солнечной энергии, попадающей на Землю, в фотосинтезе используется только 0,023 %.
Растения, использующие процесс фотосинтеза для превращения неорганических веществ в органические, относятся к так называемым фототрофам: зеленые растения, сине-зеленые водоросли и др.
По отношению к свету как экологическому фактору различают следующие группы растений:
гелиофиты, или световые виды – растения, обитающие на открытых местах с хорошей освещенностью (пшеница, сосна, лиственница, подсолнечник, козлобородник, череда и др.);
сциофиты, или теневые растения – растения, не выносящие сильного света и живущие под пологом леса в постоянной тени (лесные травы, папоротники, мхи, кислица и др.);
факультативные гелиофиты, или теневыносливые растения – растения, живущие при хорошем освещении, но легко переносящие затемненные места (большинство растений лесов, луговые растения).
Среди животных различают дневные, ночные и сумеречные виды; имеются также виды, живущие в постоянной темноте и не выносящие яркого солнечного света (почвенные животные, обитатели пещер, внутренние паразиты животных и растений).
Исключением из описанного выше механизма являются уникальные экосистемы, сформировавшиеся в глубоких океанических впадинах или в подземных пещерах, куда не проникают солнечные лучи. Роль продуцентов здесь играют бактерии, способные расщеплять богатые потенциальной энергией неорганические вещества (наиболее известное из них – сероводород H2S, в изобилии присутствующий, например, на больших глубинах в океане за счет деятельности сульфатредуцирующих бактерий, восстанавливающих сульфаты морской воды до сероводорода) и использовать высвобождающуюся энергию для синтеза органических молекул:
Высвобождающаяся сера концентрируется в телах бактерий и после их гибели оседает на дно, образуя скопления самородной серы биохимического происхождения.
В отличие от фотосинтеза описанный процесс называется хемосинтезом. Организмы, использующие этот процесс для синтеза органики, называютсяхемотрофами, к ним относятся, например, серные бактерии и др.