3.4. Процесс дыхания

Органические вещества, образующиеся в процессе фотосинтеза, характеризуются высоким запасом внутренней энергии. Но эта энергия недоступна для непосредственного использования в реакциях, протекающих в живых тканях. Чтобы эту энергию извлечь (перевести в активную форму), необходимо разрушить связи в органическом веществе. Это осуществляется в процессе дыхания организмов, в ходе которого из органического вещества и кислорода образуются вода и углекислый газ.

Таким образом, дыхание − это процесс, в результате которого энергия органического вещества, образовавшегося при фотосинтезе, переводится в активную форму и может быть использована организмом.

Процесс дыхания, как и процесс фотосинтеза, очень сложный и состоит из большого количества стадий.

Часть высвободившейся в процессе дыхания энергии рассеивается окружающую среду, другая часть может быть использована живым организмом. При этом увеличивается энтропия окружающей среды, но уменьшается в живом веществе. Таким образом. В процессе дыхания происходит откачивание из экосистемы неупорядоченности (поддержание диссипативных структур).

Различают аэробное и анаэробное дыхание.

Аэробное дыхание осуществляется в средах, содержащих свободный кислород. Его итог можно выразить следующим уравнением:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6Н₂О + 6СО₂ + Энергия.

Таким образом, анаэробное дыхание − процесс, обратный нормальному фотосинтезу.

В условиях недостатка кислорода процесс идет не до конца. В результате незавершенного дыхания образуются низкомолекулярные органические вещества, содержащие еще некоторый избыток энергии.

Анаэробное дыхание осуществляется в средах, лишенных кислорода. При этом окислителями вместо кислорода являются другие вещества. В процессе анаэробного дыхания выделяются метан, углекислый газ, некоторые другие вещества, и высвобождается определенное количество энергии.

Бескислородное дыхание используется многими бактериями, дрожжами, плесневыми грибками (подобные микроорганизмы часто обитают в сточных водах, болотах). В некоторых случаях анаэробное дыхание можно встретить в тканях высших животных. Разновидностью анаэробного дыхания является брожение, при котором источником энергии служит само органическое вещество:

С₆Н₁₂О₆ = 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + Энергия.

Образующиеся при анаэробном дыхании органические вещества (метан, спирты , кислоты) содержит некоторое количество оставшейся энергии и могут быть использованы другими организмами.

Все бактерии, в зависимости от типа дыхания, делятся на аэробных и анаэробных.

3.5. Передача энергии по трофической цепи

Не все живые организмы способны синтезировать органическое вещество из неорганического. Живые организмы, обитающие на Земле, можно разделить по типу получения и накопления ими вещества и энергии на следующие типы:

автотрофы − способны к синтезу органического вещества из минеральных компонентов;

гетеротрофы − неспособны создавать собственное вещество из неорганического (минерального), используют готовые органические вещества;

миксотрофы − в зависимости от условий среды способны быть и автотрофами, и гетеротрофами.

К автотрофам относятся фото- и хемосинтетики − растения и некоторые микроорганизмы. Животные являются гетеротрофами: они неспособны к фото- и хемосинтезу и вынуждены получать вещество и энергию через растения в процессе питания. Примером миксотрофых организмов могут быть сине-зеленые водоросли (при хорошем освещении − автотрофы, в темноте − гетеротрофы), а также растения −паразиты.

Живые организмы образуют цепи питания − трофические цепи − в которых осуществляется перенос энергии пищи от одних организмов к другим. По своему положению в цепи питания организмы подразделяются на следующие группы:

продуценты − создают первичное органическое вещество из неорганического;

консументы − потребляют созданное продуцентами органическое вещество, но не доводят его разложение до минеральных (неорганических) компонентов; консументы делятся на первичных − растительноядных, и вторичных − хищников;

редуценты − перерабатывают отходы жизнедеятельности других организмов, образуя замкнутый цикл органического вещества (к ним относятся многие насекомые, мелкие почвенные организмы, бактерии и грибы).

На рис.10 представлена схема трофической цепи.

Рис.10. Схема трофической цепи

По трофическим цепям осуществляется перенос энергии от Солнца ко всем живым организмам. Поток энергии в экосистеме не замкнут, в отличие от потока веществ. Большая часть энергии на каждом этапе рассеивается в процессах дыхания, теплообмена, движения и теряется для экосистемы. Другая часть превращается в энергию связей органического вещества. Пищевые цепи можно разделить на два основных типа:

- пастбищные цепи − начинаются с зеленых растений;

- детритные цепи − идут от мертвого органического вещества к питающимся им организмам (мелким животным), а затем к хищникам.

Трофические цепи могут быть простыми и сложными (многокомпонентными). На каждом этапе теряется примерно 80−90% энергии, что ограничивает возможное число звеньев до 4−5. Чем короче пищевая цепь, тем больше количество доступной энергии. Пример сложной цепи питания, состоящей из пяти звеньев: Растения − Растительноядные насекомые − Хищные насекомые − Насекомоядные птицы − Хищные птицы. На дне океана существуют трофические цепи, основанные на хемосинтезирующих бактериях в качестве продуцентов. Эти бактерии в качестве источника энергии используют в основном сероводород, а в качестве источника углерода − углекислый газ. Бактериями питаются многие глубинные животные. Такие сообщества живут в условиях полной темноты и не нуждаются в веществах растительного происхождения.

Многие виды могут входить в различные пищевые цепи и на различных уровнях. Так, медведи питаются и животной, и растительной пищей, то есть являются в разных цепях консументами первого и второго порядка.

Различные трофические цепи связаны между собой отдельным звеньями, образуя более сложную систему − трофическую сеть. Чем разветвленнее сеть, тем устойчивее данное сообщество.