Круговорот энергии и веществ в биосфере

Превращения энергии

Основной поток энергии, поступающей в биосферу, представлен солнечным излучением. Дополнительными источниками энергии являются внутреннее тепло Земли (геотермальная энергия), гравитационное притяжение Луны, вызывающее океанические приливы, а также тепловая энергия, освобождающаяся при сжигании ископаемого топлива. Величина потока солнечного излучения, достигающего поверхности Земли, составляет приблизительно 180 000 ТВт в год, что в 15 тыс. раз превышает объем энергии, ежегодно потребляемой человечеством. Как указывалось выше, большая часть солнечного излучения приходится на видимый свет (45%) и инфракрасную часть спектра (45%). Доля ультрафиолетового излучения у поверхности Земли не превышает 10% (значительная его часть задерживается озоновым экраном атмосферы). Около трети солнечной энергии отражается от поверхности планеты и от окружающих ее облаков и возвращается в космос. Приблизительно половина солнечного излучения сначала поглощается Землей, а затем испускается (но в виде излучения с большей длиной волны) в космическое пространство. Это явление, как известно из курса физики, называется переизлучением. Существенно, что часть длинноволнового излучения Земли задерживается атмосферой планеты, благодаря чему на ее поверхности поддерживается достаточно высокая температура (парниковый эффект). Расчеты показали, что в отсутствие атмосферы средняя температура у поверхности Земли была бы -18°С, в то время как в действительности она составляет в среднем +13°С. Около пятой части энергии Солнца, достигающей Земли, расходуется на испарение воды с поверхности морских и пресных водоемов и на перемещение воздушных масс.

В органическом мире способностью непосредственно усваивать энергию солнечного света обладают только зеленые растения, цианобактерии, фотосинтезирующие бактерии и бактерии-фотоорга- нотрофы, к которым относятся несерные пурпурные бактерии. В процессе фотосинтеза световая энергия преобразуется в химическую и аккумулируется в виде энергии химических связей органических веществ (углеводов и др.). Далее происходит перенос энергии по цепям питания от продуцентов к консументам, сначала растительноядным, затем — плотоядным. Необходимая для их жизнедеятельности энергия высвобождается из пищевых субстратов в окислительных процессах (брожение, дыхание). При этом на каждом звене переноса около 90% потенциальной энергии теряется в форме теплоты. Завершающий этап превращения энергии в биосфере сводится к ее освобождению в форме тепловой энергии в результате разложения использованных или отмерших остатков биомассы до минеральных компонентов при участии редуцентов (гнилостных и других гетеротрофных бактерий, микроскопических грибов и др.) (рис. 15.20).

Необходимо иметь в виду, что содержащаяся в пище энергия нс совершает круговорота, а постепенно превращается в тепловую энергию. Характеризуя биоэнергетику биосферы в глобальном масштабе, следует прежде всего отметить высокую скорость обменных процессов большинства организмов и, как следствие, большую скорость оборота живой массы (считается, что период полного обновления составляет около 10 лет). Очевидно, что для обеспечения

высокого уровня жизнедеятельности живых существ необходимы значительные количества энергии. Вместе с тем известно, что эффективность трансформации световой энергии в химическую в процессе фотосинтеза очень невелика (0,5—1%), а потери энергии в процессе ее переноса по пищевым цепям весьма значительны (около 90% на каждом звене). Кроме того, надо учитывать, что энергия пищевых субстратов не может непосредственно использоваться теми или иными энергопотребляющими биоструктурами. Функцию обязательного промежуточного переносчика энергии в клетках (тканях) выполняют макроэргические вещества (АТФ, креатинфосфат и др.). Вместе с тем их биосинтез протекает с относительно невысоким КПД (около 40%). Следующие стадии энергетического обмена — транспорт ионов против градиента концентрации, создание электрохимического потенциала, синтез и ресинтез сложных соединений, сокращение, формообразовательные процессы и др. — также сопряжены с существенными потерями энергии, вследствие чего их КПД составляет всего 30—35%.

Особую группу организмов, для которых первичным источником энергии является тепло земных недр, представляют гидротермальные сообщества, обитающие на морском дне вблизи подводных вулканов, в местах выхода горячих вод. Их видовой состав характеризуется достаточным разнообразием и насчитывает более 500 видов. Базисным субстратом, обеспечивающим процветание данного биоценоза, является сероводород, усваиваемый бактериями. Последние служат пищей для разнообразных червей, моллюсков, креветок, вестиментифер и других животных.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >