Экология: биология взаимодействия. 3.05. Экологический баланс

Українська мова (найновіша версія) / Російська мова (оновлення припинено)

3.04. Класифікація біомів

Д. Шабанов, М. Кравченко. Екологія: біологія взаємодії
Розділ 3. Біогеоценологія та екологія угруповань

3.06. Продукція екосистем та її вимірювання

3.05. Екологічний баланс
І виникнення життя на Землі, і його підтримання — результат перетворення невеликої частини сонячної енергії. Живі організми можуть існувати, лише використовуючи потік енергії, що тече крізь них. Які процеси забезпечують цей потік?
Головною групою організмів Землі можна вважати фототрофів — бактерій і рослини, здатні до фотосинтезу. Вони черпають необхідну їм енергію безпосередньо з випромінювання Сонця і переводять її у форму, доступну для інших організмів. Для гетеротрофів (багатьох бактерій, грибів і тварин) такою формою є різноманітні органічні сполуки. Наша частка потоку енергії, що надходить від Сонця, проходить крізь нас разом із нашою їжею.
Складнішими є механізми, якими забезпечується існування хемотрофів. Розглянемо, наприклад, біоценоз «чорного курця» — місця виходу з надр гарячої води, що містить сірководень, на дні океану (рис. 3.5.1). Там, де вода з надр, яка містить сірководень, змішується з океанською водою, що містить кисень, мешкають бактерії-хемотрофи, які одержують енергію завдяки окисненню сірководню. Вони живуть не лише у воді, а й населяють тіла великих двостулкових молюсків і червоподібних тварин із групи погонофор — ріфтій (погонофор раніше вважали самостійним типом, а тепер відносять до кільчастих червів). Цими й іншими тваринами живляться ракоподібні й навіть риби. Чи можна дійти висновку, що така екосистема існує незалежно від потоку сонячної енергії?

Рис. 3.5.1. Загальний вигляд «чорного курця», а також ріфтії (Riftia pachyptila) і супутня фауна крупним планом
Звичайно, ні. Екосистема «чорного курця» використовує розчинений у воді кисень, який є результатом фотосинтезу. Використовуючи сонячну енергію, фототрофи створили різницю окисно-відновних потенціалів між кисневою атмосферою і надрами, що мають відновний характер. Саме з цієї різниці хімічних потенціалів черпають енергію хемотрофи. Виходить, що якимось чином фототрофи «годують» хемотрофів!
Хоч яким дивовижним є такий взаємозв'язок між двома групами організмів, найзвичніші взаємозв'язки можуть здатися ще дивовижнішими. Наша планета населена двома групами живих істот, для кожної з яких ресурсами є відходи або продукти життєдіяльності іншої групи. Йдеться про автотрофів загалом (включаючи фототрофів) і гетеротрофів, які відповідають одне одному, як дві половинки розбитої тарілки. Природно, така відповідність не може бути випадковою: вона відображає важливу закономірність у функціонуванні біосфери.
Оскільки автотрофи й гетеротрофи нерозривно пов'язані, найважливішою характеристикою біосфери є співвідношення між їхніми основними функціями: створенням і руйнуванням органіки (рис. 3.5.2). Це співвідношення називається екологічним балансом (табл. 3.5.1). Звичайно, показані на рисунку відношення спрощені. Органічні речовини створюються також у ході хемосинтезу, а руйнуються при гліколізі (безкисневому розщепленні вуглеводів у тканинах; саме від його наслідків болять м'язи після важкого навантаження), бродінні й горінні. Кисень не виділяється, а інколи навіть і поглинається при деяких бактеріальних типах хемосинтезу. За аеробного (кисневого) дихання швидкість розкладання органіки набагато вища; два інших шляхи розщеплення органічних речовин передбачають роботу цілого комплексу функціонально різних організмів-перетворювачів.

Рис. 3.5.2. Екологічний баланс у біосфері ґрунтується на рівновазі між фотосинтезом і диханням
Таблиця 3.5.1. Складові екологічного балансу

Прихід органіки

Витрата органіки

Фотосинтез

C3

Аеробне дихання (з використанням кисню)

C4

Анаеробне дихання (з використанням інших окисників)

CAM

Бродіння (перебудова молекули субстрату)

Бактеріальний

Горіння — неорганічний процес

Хемосинтез

Попри різноманіття явищ, що впливають на створення й руйнування органіки, екологічний баланс у біосфері з достатньою точністю можна передати через баланс двох найпотужніших процесів, які змінюють кількість органіки, — фотосинтезу і дихання. Отже, певною мірою цей баланс може бути виражений і через рівновагу між киснем і вуглекислотою в атмосфері.
Фундаментальна властивість біосфери — додатний підсумок балансу. Киснева (тобто окиснювальна), а не відновна атмосфера на Землі — результат зсуву балансу на користь переважання фотосинтезу. Частина кисню, що виділяється в ході цього процесу, витрачається на окиснення речовин-відновників, які надходять із надр Землі, а також розсіюється в космічному просторі. А що відбувається з органікою, еквівалентною цьому кисню? Вона накопичується в екосистемі у вигляді детриту (від лат. deterere — подрібнювати) — органічної речовини у процесі розкладання. Компонентом детриту є гумус — один із продуктів розпаду органіки. Його компоненти, гумінові кислоти, характеризуються змінним складом; до них входять ароматичні кільця, азотовмісні групи, вуглеводні залишки.
Доля утвореного детриту може бути різною. Частину його поглинуть організми-детритофаги, які окиснять його в ході свого дихання. Інша ж частина детриту може потрапити в умови, де він стане недоступним для кисневого окиснення. З часом такий детрит перетвориться на горючі копалини: торф, сланці, вугілля і навіть газ та нафту.
Завдяки тому, що в екологічному балансі фотосинтез переважає над диханням, у корі накопичилася значна кількість органіки, що має біогенне походження, а в атмосферу надійшла відповідна кількість кисню. Еквівалентний накопиченій органіці кисень уже витратився у хімічних реакціях і розсіявся в космосі. Звідси випливає, що людство принципово не може спалити всі запаси органічних речовин, накопичені в земній корі, — йому просто не вистачить для цього кисню в атмосфері.
Умови для захоронення органіки в різні періоди історії Землі були різними. Наприклад, у карбоні (кам'яновугільному періоді) на значній частині планети розташовувалися болота, на яких росли великі плауни й хвощі. Падаючи в болотяну рідину, дерева потрапляли в безкисневі умови і з часом перетворювалися на вугілля (один із ресурсів, за рахунок яких існує наша цивілізація). Чи випадково, що в цей час існували найбільші наземні членистоногі — бабки меганеври з розмахом крил у півметра, а також багатоніжки артроплеври, які сягали двох метрів завдовжки? Один із чинників, що обмежують максимальні розміри членистоногих, — зниження ефективності трахейного дихання зі зростанням розмірів тіла. Високий вміст кисню в атмосфері кам'яновугільного періоду пом'якшував дію цього обмеження.

3.04. Класифікація біомів

Д. Шабанов, М. Кравченко. Екологія: біологія взаємодії
Розділ 3. Біогеоценологія та екологія угруповань

3.06. Продукція екосистем та її вимірювання