Биогеохимические функции разных групп организмов

Биогеохимические функции разных групп организмов

Основные трофические уровни, составляющие базу круговорота, обычно представлены конкретными видами продуцентов, консументов и редуцентов, которые различаются между собой по типу метаболизма и функциям. Пищевая специализация в общей форме выражена в подразделении всех живых организмов на автотрофов и гетеротрофов. Первые – это уровень продуцентов, вторые – консументов и редуцентов. Автотрофы, используя энергию Солнца (фотосинтетики) или химических связей (хемосинтетики) из углекислого газа, воды и минеральных элементов синтезируют основные классы органического вещества: углеводы, жиры (липиды), нуклеиновые кислоты, белки и др. Значение этих веществ для жизни организмов неоднозначно.

Углеводы. Это вещества, представляющие собой соединения углерода, водорода и кислорода. К ним относятся простые сахара (моно- и дисахариды), а также полисахариды, в которых молекулы простых сахаров объединяются в сложные комплексы. Наиболее важны из полисахаров – крахмал и клетчатка (у растений), а также гликоген (у животных). В составе клетчатки молекулы глюкозы связаны иначе, чем в молекуле крахмала, и эти связи в отличие от крахмала не разрушаются ферментами. Поэтому растительноядные животные могут переваривать клетчатку только с помощью бактерий.

Основная функция углеводов в организме – обеспечение энергией процессы метаболизма. При окислении 1 г углеводов выделяется 17,6 кДж (4,2 ккал) энергии.

Липиды. Это вещества, содержащие те же элементы, что и углеводы, но в ином соотношении. Молекула нейтрального жира состоит из 1 молекулы 3-атомного спирта глицерина и 3 молекул жирных кислот. По своей функции жиры – наиболее распространенные резервные энергетические вещества. Их использование для получения энергии идет путем расщепления молекулы жира (триглицерида) на глицерин и жирные кислоты и окисления последних. При этом на 1 г жира высвобождается 38,9 кДж (9,3 ккал) энергии.

Белки. Это вещества со сложно структурированной молекулой, которая содержит большое число атомов углерода, водорода, кислорода и азота с включением ряда других элементов (сера, фосфор и др.). В процессе метаболизма молекула белка гидролизуется до отдельных аминокислот, из которых может быть синтезирована новая белковая молекула.

Основные функции белка: 1) структурная; 2) регуляторная (гормоны); 3) метаболическая (ферменты); 4) транспортная (доставка кислорода, гормонов, питательных веществ); 5) защитная (участие в иммунной системе). При полном расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 кДж (4,2 ккал) энергии.

Организмы-гетеротрофы специализированы на использовании разного рода пищи. В зависимости от этого они подразделяются на фитофагов (травоядные животные) и зоофагов (хищники, паразиты). Потребители мертвых организмов подразделяются на некрофагов (питание трупами животных), копрофагов (питание экскрементами), сапрофитов (питание мертвыми растительными остатками) и детритофагов (полуразложившимися органическими веществами).

В различных таксонах органического мира соотношение форм по пищевой специализации может быть различным. Разнообразны по этим показателям прокариоты (бактерии, архебактерии, цианобактерии). Они насчитывают относительно небольшое число видов, но в большой массе, которая обеспечивает высокий уровень первичной продукции. В некоторых озерах фотосинтезирующие бактерии создают ¾ валовой продукции.

Фотосинтез у них протекает иначе, чем у растений. Бактерии используют для этого пигмент бактериохлорин и не выделяют кислород в окружающую среду. Помимо фотосинтеза среди прокариот существует хемосинтез. Бактерии – единственная группа, способная усваивать азот из атмосферного воздуха и вовлекать его в биологический круговорот. С помощью бактерий и синезеленых в состав вещества переходит до 90 % азота в биогенном цикле; остальные 10 % приходятся на связывание азота действием молний. Таким образом, функция прокариот в биосфере заключается в вовлечении в круговорот элементов неживой среды. Другая их функция противоположна первой: возвращение неорганических веществ в окружающую среду путем минерализации органических соединений. Третья – концентрационная функция прокариот. Они извлекают из окружающей среды определенные элементы даже при очень низких их концентрациях. В продуктах их жизнедеятельности содержание железа, марганца, ванадия в сотни раз выше, чем в окружающей среде. Свойства и функции прокариот настолько разнообразны, что в принципе возможно существование экосистем только из них. Около 2 млрд. лет назад жизнь была представлена только ими. Они первыми заселяют не освоенные места. Именно цианобактерии первыми заселили атолл Бикини после ядерного взрыва и о.Суррей, возникший в 1963 году после подводного извержения южнее Исландии. Прокариоты обладают высокой устойчивостью к внешним воздействиям. Они способны переносить температуру свыше 100˚С, рН около 1,0 и соленость 20-30 ‰.

Царство Грибы. Все грибы (миксомицеты и высшие) – гетеротрофы. По характеру питания большинство из них – паразиты или сапрофаги, но есть и хищные грибы (употребляющие мелких почвенных животных). Основная биосферная роль грибов – разложение мертвых органических веществ. Грибам принадлежит основная роль в процессе возврата зольных элементов в биологический круговорот. Некоторые грибы способны разлагать горные породы. Мицелий ряда видов грибов вступает в симбиотические связи с корневой системой высших растений, образуя микоризу (от греч. mykes – гриб; rhiza – корень). Семена некоторых орхидей не прорастают без микоризы.

Царство Растения. Содержит большое количество автотрофов-фотосинтетиков. Растения являются первичными продуцентами, способными высвобождать молекулярный кислород. Если в водной среде водоросли делят эту функцию с цианобактериями (фотосинтезирующие бактерии кислород не выделяют), то в наземных экосистемах продукция кислорода осуществляется только растениями. Среди высших растений известны гетеротрофы-паразиты (лианы) и даже хищники (росянка). Некоторые виды сочетают фотосинтез с гетеротрофным питанием, являясь таким образом миксотрофами.

Царство Животные. Как и грибы, животные – исключительно гетеротрофы. Их место в структуре биологического круговорота – это консументы I-го порядка (фитофаги) и выше (хищники, паразиты, сверхпаразиты). Основной их функцией является создание многообразия живого вещества, миграция его в пространстве и регуляция потоков вещества и энергии в системе круговорота. Сюда можно добавить средообразующую деятельность животных: фильтрационная функция многих гидробионтов, значение видов-концентраторов в создании органогенных осадочных пород, роль роющих животных в изменении структуры почвы, участие их в первых этапах разложения почвенной органики.

Таким образом, эволюция взаимоотношений различных форм жизни шла в два этапа. На протяжении архея (3500-3200 млн. лет назад) разнообразие строилось на прокариотном типе организации. С появлением эукариот эволюция пошла по линии специализации крупных таксонов: растения выполняют роль продуцентов, животные – консументов, а грибы – в первую очередь редуцентов и паразитов.

Энергетическое обеспечение биологического круговорота. Все преобразования веществ в процессе круговорота требуют затрат энергии. Ни один живой организм не продуцирует энергию, она может быть получена только извне. Главный источник энергии – солнечное излучение. Поэтому первый этап использования и преобразования энергии в цепях круговорота – фотосинтез. Энергия солнечной радиации (ФАР) в процессе фотосинтеза преобразуется в энергию химических связей. Аккумуляция энергии сопряжена с увеличением массы организма. Созданную продуцентами-фотосинтетиками массу веществ называют первичной продукцией. Это биомасса растительных тканей. Не вся полученная продуцентами энергия накапливается в виде первичной продукции; часть ее рассеивается в форме тепла. Другая часть этой энергии расходуется на процессы поддержания жизнедеятельности. Это ведет к уменьшению биомассы. Эти потери называются потерями на дыхание. В результате в виде накопленной биомассы (чистая первичная продукция) аккумулируется лишь небольшая часть полученной солнечной энергии. Если энергию солнечного излучения принять за 100 %, то всего 15 % ее достигает поверхности Земли и только 1 % связывается в виде органического вещества растительности. Из полученной энергии около половины расходуется на жизненные процессы (потери на дыхание). Оставшиеся 50 % энергии составляет рост биомассы. Таким образом, чистая продукция составляет около 0,5 % солнечной энергии, падающей на Землю.

Накопленная в результате фотосинтеза биомасса растений (первичная продукция) используется в качестве пищи гетеротрофами (консументами I-го порядка). В пищу фитофагам поступает около 40 % фитомассы. Оставшиеся 60 % означают реальную массу растительности в экосистеме. Примерно так же идет дальнейшее использование энергии организмами-гетеротрофами.

Усвоенная с пищей энергия за вычетом энергии экскретов (фекалии, моча и т.п.) составляет метаболизированную энергию. Часть ее выделяется в виде тепла в процессе переваривания пищи (рассеивается либо используется на терморегуляцию). Оставшаяся энергия подразделяется на энергию существования (расходуется на различные формы жизнедеятельности) и продуктивную энергию (аккумулируется в виде массы тканей, половых продуктов, энергетических резервов и т. д.). Энергия, накопленная в тканях тела, составляет вторичную продукцию экосистемы, которая может быть использована в пищу консументами высших порядков.

Подобным образом энергия расходуется на всех гетеротрофных этапах круговорота. В результате количество энергии, доступной для потребления, падает с повышением трофического уровня.

В цепях разложения деструкция органических веществ связана с высвобождением энергии, которая частично рассеивается, а частично аккумулируется в составе тканей редуцентов. После гибели их тела также поступают в цикл редукции.

06 сентября 2012 /
Похожие новости
Экологическая проблематика в гидрогеологии, инженерной геологии, геохимии и геофизике
Химические элементы в подземных водах
Общее понятие о биосфере
Понятие о биоценозе. Видовая и трофическая структура биоценозов
Биология (гео-сервер) Предмет «Биология» включает изучение клетки, ее строение, химический состав. В разделе «Генетика» раскрываются законы наследственности и изменчивости. В
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Полужирный Наклонный текст Подчеркнутый текст Зачеркнутый текст | Выравнивание по левому краю По центру Выравнивание по правому краю | Вставка смайликов Выбор цвета | Скрытый текст Вставка цитаты Преобразовать выбранный текст из транслитерации в кириллицу Вставка спойлера
Вопрос:
Сколько часов 1 сутках?
Ответ:*
Введите код: