Организмы производящие органическое вещество с использованием энергии солнца это

К числу главных вопросов теории экологии относится проблема поддержания жизнедеятельности организмов и круговорота веществ в экосистемах. Жизнь на Земле существует за счет энергии солнечного излучения, которая переводится фотосинтезирующими организмами в химические связи органических соединений. Фотосинтез – эндоэргический процесс, поскольку сопровождается поглощением энергии.

Кроме растений синтез органического вещества может осуществляться бактериями (нитрифицирующими, серобактериями, железобактериями).

Организмы, которые строят свой организм без посредников, называются автотрофами, в т.ч. синтезирующие органическое вещество из неорганического с использованием энергии солнца (фотоавтотрофы) или химических реакций (хемоавтотрофы) .

Они создают первичное органическое вещество из неорганического и носят название продуцентов. Организмы, использующие вещество, созданное автотрофами (употребляя его в пищу), называют гетеротрофами (питающимися другими).

Частичная или полная замена созданного в процессе питания органического вещества (его разложение до исходных химических компонентов) происходит благодаря особой стадии в трофических цепях – редуцированию за счет организмов-редуцентов.

Итак, цепи питания создают три основных звена (три типа организмов):

Продуценты. В основном это зеленые растения, потребляющие необходимые химические элементы непосредственно из окружающей среды и усваивающие энергию солнца, производя при этом из углекислого газа и воды простейший моносахарид – глюкозу, а затем, на его основе или с использованием его энергии, образуется многообразие биоорганических соединений: клетчатка, крахмал, белки, жиры, витамины.
Консументы. Эти виды живых существ (как правило, это животные) потребляют тела растений и других животных. Подразделяясь на травоядных (консументы 1 порядка) и плотоядных (консументы 2 порядка), они образуют пищевую пирамиду. В целом консументы съедают всего около 5% биомассы продуцентов.
Редуценты – микроорганизмы, грибы, насекомые, потребляющие умершие тела продуцентов, консументов и редуцентов, а также отходы их деятельности. Они разлагают сложные высокомолекулярные вещества тел на простейшие вещества и элементы – минеральные соединения и углекислый газ, которые могут вновь усваиваться продуцентами. Обычно редуценты потребляют и разлагают практически всю оставшуюся от консументов массу растений (до 95-99%), а также биомассу отживших консументов и редуцентов.

Следовательно, в естественных условиях биосфера находится в сбалансированном, устойчивом состоянии. Цикл воспроизводства биомассы почти безотходный. В качестве отхода остаются только те органические соединения или биокосные вещества, которые не могут быть усвоены редуцентами в силу геологических и географических условий (например, когда органика скапливается в большом количестве в бескислородной среде при низких температурах – процессы торфообразования). Подобные отходы – это залежи нефти, каменного угля, торфа и т. п. Эти соединения не вызывают нарушения экологического баланса биосферы и не являются собственно отходами в современном смысле этого термина. Сейчас отходы – это более или менее опасные вещества, вызывающие проблемы в развитии народного хозяйства и увеличивающие риск возникновения экологического кризиса и катастроф в локальном или глобальном масштабах.

В настоящее время ученые насчитывают несколько миллионов видов растений, грибов и животных. Разные литературные источники расходятся в точных оценках. Называют цифры: 1.800.000, 2.500.000 и более (до 5-30 млн.) видов. Наименьшее число видов приходится на редуцентов, что связано в первую очередь с глобальным однообразием потребляемой ими пищи, а также малыми размерами большинства из них (бактерии, грибы), что позволяет их спорам разноситься на большие расстояния и повсеместно вытеснять менее приспособленные виды. Межвидовая конкуренция сокращает число видов.

У продуцентов число видов в 5 раз больше, что обусловлено разнообразием природно-климатических условий, к которым они более чувствительны, чем редуценты.

Консументы используют в пищу не только продуцентов, но и консументов с редуцентами, создавая таким образом пищевые пирамиды, что обусловливает еще большее число их видов – в 20 раз больше, чем редуцентов. Большое число видов обеспечивает множественные и разнообразные обратные связи в системе пища – отходы – пища, увеличивает степень конкуренции видов и скорость их эволюции, увеличивая в конечном счете устойчивость биогеоценозов и биосферы в целом.

Продуценты и консументы образуют два типа звеньев трофической цепи, или цепи питания. Цепи бывают относительно простыми, короткими и более сложными. Выделяют два типа цепей питания: пастбищные и детритные. Пастбищные цепи начинаются с живого органического вещества (преимущественно растительного происхождения) и формируются продуцентами и консументами разных порядков. Детритные цепи начинаются с мертвого органического вещества и формируются редуцентами и консументами (особенно характерны для лесных экосистем, где до 90% растительной продукции поступает в опад). Разные трофические цепи связаны между собой общими звеньями, образуя очень сложную систему, называемую трофической сетью.

Трофическая цепь в биогеоценозе – это одновременно цепь энергетическая. Академик Шварц С.С. назвал биогеоценоз машиной по трансформации вещества и энергии. В биогеоценозе (экосистеме) существует непрерывный поток энергии, заключающийся в передаче ее от одного пищевого уровня к другому. В силу второго закона термодинамики этот процесс связан с рассеиванием энергии на каждом последующем звене, т. е. с её потерями и возрастанием энтропии. В конечном итоге вся энергия, поглощаемая растениями, рассеивается и покидает Землю в виде теплового излучения. Рассеивание энергии все время компенсируется поступлением новой энергии от Солнца.

Каждая экологическая система обладает определенной продуктивностью, которая оценивается как скорость образования вещества биомассы. Основная, или первичная, продуктивность системы определяется как скорость, с которой лучистая энергия Солнца усваивается организмами-продуцентами. Все накопленное экологической системой вещество, за вычетом израсходованного на дыхание, составляет фактическую, или чистую первичную, продуктивность сообщества. Продуктивность консументов носит название вторичной.

Энергетический баланс консументов выражается формулой:

где Р – рацион консумента, П – продукция, Д – траты на дыхание, Н – энергия неусвоенной пищи.

Необходимо подчеркнуть, что основная часть потребляемой с пищей энергии у животных идет на поддержание их жизнедеятельности и лишь сравнительно небольшая – на построение тела, рост и размножение. По ориентировочным подсчетам, потери энергии составляют чаще всего не менее 90% при каждом акте ее передачи по звеньям трофической цепи. Следовательно, на каждый последующий трофический уровень переходит не более 10% энергии предыдущего уровня. Эта закономерность получила название правила десяти процентов. Например, для получения 1 кг говядины требуется от 70 до 90 кг свежей травы, т. е. на создание вторичной продукции используется 1-2 % первичной продукции. Таким образом, запас энергии, накопленной растениями, стремительно иссякает уже на 4-5 звеньях трофической цепи. Её потери могут быть восполнены только поступлением новых порций, поэтому в отличие от круговорота веществ, круговорот энергии в экосистемах отсутствует. Экосистема функционирует только за счет направленного потока энергии, постоянного поступления ее извне в виде солнечного излучения или готовых запасов органического вещества (в отдельных случаях за счет химической энергии земных недр – рудные бактерии).

Продуктивность экологических систем и соотношение в них различных трофических уровней принято выражать в форме пирамид. Первая пирамида была построена Ч. Элтоном и носит название пирамиды чисел. Пирамиды наглядно иллюстрируют соотношение биомасс и эквивалентных им энергий в каждом звене пищевой цепи и используются в практических расчетах при обосновании необходимых площадей под сельскохозяйственные культуры, с тем, чтобы обеспечить кормами скот и, далее, потребность населения в животном белке.

Следует отметить отличие понятия «биомасса» от понятия «биологическая продуктивность». Биомасса биоценоза – его общая накопленная масса на момент исследования. Биологическая продуктивность – количество произведенной биомассы на единицу площади (или объема) в единицу времени. Биомасса того или иного биоценоза не дает представления о его продуктивности. Например, средняя фитомасса луговых степей 23 т/га, а годовая продукция составляет 10 т/га. Фитомасса хвойных лесов 200 т/га, а продуктивность – всего 6 т/га в год.

Мировое распределение первичной биологической продукции крайне неравномерное. Эффективность связывания растительностью солнечной радиации снижается при недостатке тепла и влаги, при неблагоприятных физических и химических свойствах почвы и т. п.

Теоретически возможная скорость создания первичной биологической продукции определяется возможностями фотосинтетического аппарата растений. Максимально достигаемый в природе КПД фотосинтеза составляет 10-12% энергии фотосинтетически активной радиации (ФАР) – около половины от теоретически возможного. В целом же по земному шару усвоение растениями солнечной энергии не превышает 0,1%.

Средний коэффициент использования энергии ФАР для всей территории России составляет около 0,8%: от 1,8-2,0% на Северном Кавказе до 0,1-0,2% в пустынях и тундрах.

Достигающая поверхности Земли в течение одного года солнечная энергия составляет около 38∙10 9 кДж/га. Один гектар леса в средних широтах продуцирует до 6 т древесины и 4 т листьев, сжигание которых дает 193∙10 6 кДж, т. е. эффективность использования солнечной энергии в средних широтах – около 0,5%.

Питание людей обеспечивается в основном сельскохозяйственными культурами, занимающими 10% площади суши. Почти половина урожая идет на питание людей, остальное – на корм домашним животным, используется в промышленности и теряется в отбросах. Всего человек потребляет 0,2% первичной продукции Земли.

Изучение потоков энергии имеет важное значение для расчетов общей биопродуктивности экосистем, включая оценку (прогноз) хозяйственно возможной продуктивности.

Источник

Преобразование энергии солнечного света и организмы использующие её

Сегодня мы поговорим об организмах, которые используют в своей жизнедеятельности солнечную энергию. Для этого нужно затронуть такую науку, как биоэнергетика. Она изучает способы преобразования энергии живыми организмами и использование её в процессе жизнедеятельности. В основе биоэнергетики лежит термодинамика. Эта наука описывает механизмы преобразования различных видов энергии друг в друга. В том числе, использование и преобразование различными организмами солнечной энергии. С помощью термодинамики можно полностью описать энергетический механизм процессов, происходящих вокруг нас. Но с помощью термодинамики нельзя понять природу того или иного процесса. В этой статье мы попробуем объяснить механизм использования солнечной энергии живыми организмами.

Как живые организмы получают солнечную энергию?

Для описания преобразования энергии в живых организмах или прочих объектах нашей планеты следует рассмотреть их с точки зрения термодинамики. То есть, системы, обменивающейся энергией с окружающей средой и объектами. Их можно подразделить на следующие системы:

Через некоторое время эти вещества разрушаются и обеспечивают организм энергией. Их продукты распада удаляются из организма. Их место в организме заполняют другие молекулы. При этом целостность структуры организма не нарушается. Такое усвоение и переработка энергии в организме обеспечивает обновление организма. Энергетический обмен необходим для существования всех живых организмов. При остановке процессов преобразования энергии в организме он умирает.

4Н ⇒ Не4 + 2е + hv, где

v ─ длина волны гамма-лучей;

h ─ постоянная Планка.

В дальнейшем, после взаимодействия гамма-излучения и электронов, энергия выделяется в виде фотонов. Эту световую энергию излучает небесное светило.

Солнечная энергия при достижении поверхности нашей планеты улавливается и преобразуется растениями. В них энергия солнца превращается в химическую, которая запасается в виде химических связей. Это связи, которые в молекулах соединяют атомы. Примером может служить синтез глюкозы в растениях. Первая стадия этого преобразования энергии ─ фотосинтез. Растения обеспечивают его с помощью хлорофилла. Этот пигмент обеспечивает превращение лучистой энергии в химическую. Происходит синтез углеводов из H₂O и CO₂. Это обеспечивает рост растений и передачу энергии на следующую ступень.

Фотосинтез у растений

Здесь стоит дать ответ на часто задаваемый вопрос: «Какой органоид использует энергию солнечного света?». Это хлоропласты, участвующие в процесс фотосинтеза. Они используют её для синтеза из неорганических веществ органических.

В непрерывном потоке энергии заключается суть всего живого. Он постоянно движется между клетками и организмами. На клеточном уровне для преобразования энергии существуют эффективные механизмы. Можно выделить 2 основные структуры, где происходит превращение энергии:

Человек, как и другие живые организмы на планете, пополняет энергетический запас из продуктов. Причём, часть потребляемых продуктов растительного происхождения (яблоки, картофель, огурцы, помидоры), а часть животного (мясо, рыба и другие морепродукты). Животные, которые мы употребляем в пищу, энергию также получают из растений. Поэтому вся получаемая нашим организмом энергия преобразуется из растений. А у них она появляется в результате преобразования солнечной энергии.

По типу получения энергии все организмы можно разделить на две группы:

Фототрофы. Черпают энергию из солнечного света;
Хемотрофы. Получают энергию во время окислительно-восстановительной реакции.

Как преобразуется энергия в живых организмах?

Существует 3 основных разновидности энергии, преобразуемой организмами:

Преобразование лучистой энергии. Этот вид энергии несёт солнечный свет. В растениях лучистая энергия улавливается пигментом хлорофиллом. В результате фотосинтеза она превращается в химическую энергию. Та, в свою очередь, используется в процессе синтеза кислорода и других реакциях. Солнечный свет несёт в себе кинетическую энергию, а в растениях она превращается в потенциальную. Полученный энергетический запас сохраняется в питательных веществах. К примеру, в углеводах;
Преобразование химической энергии. Из углеводов и прочих молекул она превращается в энергию макроэргических фосфатных связей. Эти преобразования проходят в митохондриях.
Преобразование энергии макроэргических фосфатных связей. Она расходуется клетками живого организма для совершения разных видов работ (механическая, электрическая, осмотическая и т. д.).

Преобразование энергии макроэргических фосфатных связей

Использование организмами накопленной энергии

В процессе метаболизма организм получает энергетический запас, расходуемый на совершение биологической работы. Это может быть световая, механическая, электрическая, химическая работа. И очень большая часть энергии организм расходует в виде тепла.

Ниже кратко описаны основные типы энергии в организме:

Механическая. Характеризует движение макротел, а также механическую работу по их перемещению. Её можно разделить на кинетическую и потенциальную. Первая определяется скоростью передвижения макротел, а вторая ─ их местоположением по отношению друг к другу;
Химическая. Определяется взаимодействием атомов в молекуле. Она является энергией электронов, которые двигаются по орбитам молекул и атомов;
Электрическая. Это взаимодействие заряженных частиц, которое вызывает их движение в электрическом поле;
Осмотическая. Расходуется при передвижении против градиента концентраций молекул вещества;
Регуляторная энергия.
Тепловая. Определяется хаотическим движением атомов и молекул. Основной характеристикой этого движения является температура. Этот вид энергии является самым обесцененных из всех, перечисленных выше.

r ─ постоянная Больцмана (1,380*10 -16 эрг/град).
Вернуться к содержанию

Как из питательных веществ освобождается энергия?

В процессе извлечения энергии из питательных веществ есть 3 условных этапа;

Подготовительный. Этот этап требуется для перевода биополимеров в клетках пищи в мономеры. Эта форма лучше всего подходит для извлечения энергии. Этот процесс (гидролиз) протекает в кишечнике или внутри. Гидролиз идёт с участием лизосом и ферментов цитоплазмы. Энергетическая ценность этого этапа нулевая. На этой стадии высвобождается 1 процент энергетической ценности субстратов, и вся она теряется в виде тепла;
На втором этапе частично распадаются мономеры с образованием промежуточных продуктов. Образуются кислоты цикла Кребса и ацетил─КоА. Количество исходных субстратов на этой стадии уменьшается до трёх и высвобождается до 20 процентов энергетического запаса субстратов. Процесс идёт анаэробно, то есть, без доступа кислорода. Энергия частично накапливается в фосфатных связях АТФ, а остаток расходуется в форме тепла. Распад мономеров идёт в гиалоплазме, а остальные процессы ─ в митохондриях;
На заключительном этапе происходит распад мономеров до Н₂O и СO₂ в реакции с участием кислорода. Биологическое окисление происходит с полный высвобождением энергетического запаса. Из 3 трёх метаболитов, которые присутствовали на предыдущем этапе, остаётся лишь H₂. Он является универсальным топливом в цепочке дыхания. На этом этапе освобождаются оставшиеся 80 процентов энергетического запаса. Часть энергии выходит в виде тепла, а остальная накапливается в фосфатных связях. Все реакции этого этапа идут в митохондриях.

Схема освобождения энергии из питательных веществ

Высвобождение энергии в живых клетках происходит постепенно. На всех этапах выделения она может накапливаться в химической форме, удобной для клеток вещества. Энергетическое строение клетки включает 3 разных функциональных блока, в которых идут различные процессы:

I─процессы (образование субстратов окисления, которые соответствую окислительному ферменту в клетках);
Блок S-H₂ (субстрат окисления);
Процессы H генерации водорода. На выходе получается КН₂ (водород с коферментом).

Источник