Трансформация веществ и энергии в пищевых цепях

Из материала предыдущего параграфа следует, что ге­те­ротрофные организмы получают с органической пищей солнечную энергию, но преобразованную зелеными растениями в энергию химическую. В общей биологии и экологии эти отношения прослеживаются в структуре экологических систем, через понятия “ пищевая цепь ” и “ экологическая пирамида ”.

По характеру пище­вых (а значит, и энергетических) отношений в структуре биогеоценоза все организмы делятся на три большие группы, три трофических уровня: продуценты, консументы и редуценты (рис. 3.4).

Продуценты – первичные производители органических веществ из неорганических веществ неживой природы (Н₂О, CO₂, NH₃ и солей). Это автотрофные организ­мы, в первую очередь растения с их способностью к фотосинтезу. Конечно, внешняя энер­гия фиксируется продуцентами для собственных потребностей, для их роста и размножения. Но с появлением на Земле животных зеленая биомасса (так называемая первичная продукция) стала источником энергии и для этих новых форм жизни. Кроме того, значительная часть ве­щества и энергии, произведенная растениями и автотрофными бак­те­риями, выводится из оборота, так как консервируется в ископаемых остат­ках: каменном угле (бывшая древесина), янтарях (ока­ме­не­лые древесные смолы), отложениях серы и железа бактериального происхождения.

Консументы – потребители, в основании их пищевой цепи лежит первичная (растительная) продукция. Это все животные организмы – гетеротрофы, в свою очередь, выстро­ен­­ные в пищевой ряд: растительноядные, всеядные и плотоядные (хищ­ники). Консументы поэтапно изменяют первичное органическое вещество и извлекают из него энергию. Часть этой энергии тратится на жизнедеятельность, после чего в виде тепла и других излучений уходит во внешнюю среду. Другая часть, как и в случае с продуцентами, сохраня­ется в минерализованных остатках и фактически пропадает для дальнейшего использования. Это –кремниевые и меловые отложения скелетов и раковин различных животных: губок, кораллов, моллюсков и многих других. Третья часть вещества и энергии на уровне консументов переходит в химическую структуру мягких тканей, которые после смерти могут быть использованы другими организ­мами. Таким образом, энергия, заключенная в химических связях макро­молекул животных, передается на следующий трофический уровень.

Рис. 3.4. Трофические (энергетические) уровни в биогеоценозе и основные пути биологического круговорота материи

Редуценты – разрушители органического вещества. К ним относят­ся многие бактерии, грибы, а из животных некоторые черви и насекомые. Все они гете­р­о­трофы, так как питаются органическим, хотя и мертвым, веществом – отмер­шими растениями, животными и продуктами их выделений. Редуценты доводят распад биомассы до неорганических веществ: Н₂О, СО₂, NН₃, солей – и выделяют их во внешнюю среду (почву, воду, воздух). Перехваченная энергия используется редуцентами на осуществление их жизнедеятельности и в итоге рассеивается в разных оболочках биосфе­ры: литосфере, гидросфере, атмосфере, а освобожденные неорганичес­кие вещества вновь поступают к продуцентам (см. рис. 3.4).

Важно учитывать, что каждый пищевой уровень передает на другой уровень энергию, заключенную в макромолекулах организмов. Причем эта энергия составляет только часть полученной от преды­ду­ще­го уровня энергии, так как основная ее доля тратится на жизне­дея­тель­ность организмов (обмен веществ, движение, размножение), теряется в виде тепла или построенных минералов. Эти же пропорции можно выразить и через понятие биомассы. Выстраивается так называ­емая экологическая пирамида (пирамида энергии, пирамида биомассы): при переходе с низших трофических уровней на более высокие количество заклю­чен­ной в организмах энергии и общая биомасса организмов уменьшаются. Подсчитано, что с уровня на уровень переходит около 10% энергии, а в целом от растительной массы до хищников и от них к редуцентам доходит всего 0,01–0,02% энергии, полученной растениями от солнца.

Таким образом, в биогеоценозе все организмы связаны переносом вещества и энергии, через них и через внешнюю среду совершается глобальная трансформация материи на Земле. Основным донором энергии для поддер­жания жизни выступает Солнце: его световая энергия обеспечи­ва­ет фотосинтез первичного органического вещества у растений. Значительная часть веществ в виде Н₂О, СО₂, NH₃ и солей возвращается из пищевых цепей во внешнюю среду, вследствие чего осуществляется их глобальный круговорот. Но энергия, полученная от Солнца, для живых организмов безвозвратно теряется, она либо аккумулируется в новых минералах почвы и донных осадков (уголь, мел и другие ископаемые), либо накапливается в виде тепла в оболочках Земли (разогрев атмосферы), либо рассеивается в космос.

* * *

Из всего сказанного следуют два вывода, определяющих стратегию выживания человечества в современную индустриальную эпоху.

Во-первых, жизнь на Земле существует за счет энергии Солнца, а для ее бесперебойного поступления требуется прозрачная для световых лучей атмосфера. Изменение состава и прозрачности атмосферы в результате выброса газов и различных примесей приводит к уменьшению светового потока, так что в какой-то момент фотосинтетическая деятельность на Земле может оказаться недостаточной для поддержания энергетической пирамиды. Жизнь на Земле в привычных для нас формах прекратится. Она может продолжиться в почве и на дне океана на основе хемосинтетических микробных процессов, но это будет совсем другая жизнь.

Во-вторых, очевидна роль рас­тительных организмов как посредника в энергетическом обеспечении животных и человека. Таким образом, необходимо, как минимум, сохранить современные площади лесов, степей, саванн – основных продуцентов органического вещества. Избавиться от этой зависимости, получать энергию для метаболизма прямо из неживой природы человечество еще не нау­чилось. И хотя В.И. Вернадский выдвигал такую научную задачу, дальше фантастических произведений дело не продвинулось и вряд ли продвинется в обозримом будущем.

К вопросам экологической безопасности мы еще вернемся, но уже сейчас ясно, что в основе любых стратегий выживания на Земле должны лежать меры по сохранению природных энергетических процессов.

ГЛАВА 4

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ И САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЖИЗНИ