Первинна продукція екосистем. Значення та особливості процесу фотосинтезу. Хемосинтез

Першою ланкою ланцюгів живлення є рослини, які в процесі фотосинтезу перетворюють енергію сонячного випромінювання в хімічну енергію органічних сполук. Насправді лише в межах 0,5-1,0% світлової енергії, що потрапляє на зелені рослини, переходить у енергію органічних речовин. Решта сонячної енергії розсіюється у вигляді тепла (зростання ентропії).

Важливою характеристикою екологічних систем є біологічна продуктивність, під якою розуміють здатність екосистеми до відтворення органічної речовини. Біологічна продуктивність оцінюється через біологічну нетто- (первинну чисту) і брутто- (первинну загальну) продукцію. Як нетто-, так і брутто-продукція виражається у одиницях маси на одиницю площі території за одиницю часу. Первинна органічна речовина на Землі утворюється, переважно, зеленими рослинами з використанням неорганічних речовин під впливом енергії Сонця в процесі фотосинтезу. Біологічна продукція первинна - це приріст біомаси автотрофних організмів за одиницю часу. Частина цієї продукції йде на підтримання життєдіяльності самих рослин, так званий процес дихання. Вона може бути істотною - 40-70% від утвореної первинної продукції. Решта зеленої маси витрачається на поповнення біомаси консументів і її називають вторинною продукцією угрупування.

Нетто-продукція фотосинтезу (netto - італ. - чистий) - чиста біологічна продуктивність фотосинтезу, тобто кількість органічної речовини, яка утворена в процесі фото- та хемосинтезу за мінусом речовини, яка витрачена на дихання і потреби гетеротрофів.

Отже, фотосинтезом називається процес утворення органічної речовини із неорганічної зеленими рослинами за участю світла. Серед неорганічних речовин на процеси фотосинтезу витрачається вода і діоксид Карбону. Кінцевими продуктами цього процесу є різні вуглеводи, що мають великі запаси енергії в хімічних зв'язках, і кисень. Отже, під час фотосинтезу енергія сонячного світла перетворюється на енергію хімічних зв'язків, тобто проходить накопичення сонячної енергії в екосистемах. Схематично процес фотосинтезу можна представити наступним чином:

hv +С0₂ + Н₂О -----> органічні речовини + О₂

Загальне хімічне рівняння процесу фотосинтезу має такий вигляд:

Hv

6 СО₂ + 6 Н₂0 -------> С₆Н_І20₆ + 6 0₂ -------> (С₆Н₁₀О₅)n + n Н₂О

Це рівняння дає лише загальне уявлення про процес фотосинтезу, який складається з багатьох реакцій, що прискорюються ферментами. Утворена глюкоза є першим вуглеводом, який вступає в подальші перетворення з утворенням нових сполук, зокрема крохмалю, целюлози, з яких формуються тканини рослин, а також інші необхідні речовини.

Процеси фотосинтезу проходять в хлорофілі рослин, а всі фотосинтетичні реакції поділяють на дві фази. Перша фаза називається світловою, тому що вона відбувається за участю світла, а друга фаза є темновою, оскільки може проходити без світла. Під час світлової фази в рослинах проходить накопичення енергії у вигляді аденозинтрифосфатної кислоти (АТФ), відбувається фотохімічний розклад води з утворенням кисню, який виділяється, переважно, в атмосферу. Під час темнової фази відбуваються складні біохімічні реакції з використанням накопиченої енергії, проходить фіксація діоксиду Карбону із повітря з утворенням глюкози, яка є вихідним матеріалом для синтезу інших вуглеводів. При цьому аденозинтрифосфатна кислота переходить в аденозиндифосфатну (АДФ).

Найбільшого значення для довкілля має процес фотосинтезу, який характеризують інтенсивністю та чистою продуктивністю.

Інтенсивність фотосинтезу - це кількість діоксиду карбону, яка засвоюється одиницею поверхні листка за одиницю часу (~ 5-25 мг СО₂ на 1 дм² за годину).

Чистою продуктивністю фотосинтезу називають відношення добового збільшення маси всієї рослини (в грамах) до площі листків (~ 5-12 г на 1 м² листя).

Підраховано, що зеленими рослинами в процесі фотосинтезу споживається до 480 млрд. тонн СО₂ і Н₂О і при цьому виділяється до 248 млрд. тонн О₂ в атмосферу. Поряд з фотосинтезом зв'язування діоксиду Карбону в природі здійснюється в процесі хемосинтезу, який відкритий С.М. Виноградським. Прикладом хемосинтезу є діяльність нітрифікуючих бактерій. Процес нітрифікації проходить в два етапи:

- перший етап - окислення амоніаку до нітритної (азотистої) кислоти бактеріями Nitrosomonas:

2 NH₃ + 3O₂ +... ----> 2 HNO₂ + 2 Н₂О + 663 кДж;

- другий етап - окислення нітритної кислоти до нітратної, який здійснюється бактеріями Nitrobacter:

2 HNO₂ + О₂ +... ----> 2 HNO₃ + 142 кДж.

Ці реакції супроводжуються вивільненням енергії, яка використовується на відновлення діоксиду Карбону, що поглинається бактеріями, до органічних сполук.

На суші спостерігається горизонтальна зональність в розподілі фітомаси, а відтак і зоомаси. Максимальна кількість біомаси рослин на одиницю площі припадає на екваторіальні і субекваторіальні пояси. Після цього відмічається різке її зменшення в обох тропічних поясах, наступне збільшення в субтропічних і помірних зонах і різке зниження в полярних зонах. Це пояснюється природними умовами даних регіонів: середньою температурою, вологістю, тривалістю світлового дня, тощо. Максимальне значення фітомаси мають волого-тропічні ліси - до 65000 т/км² (в басейні Амазонки - понад 100000 т/км²); значна біомаса широколистих лісів - до 45000 т/км, тайги - до 30000 т/км. Запаси фітомаси в саванах складають 5000-15000 т/км, мангрових заростей морських берегів - до 12000 т/км², а в пустелях занепад фітомаси - 150-200 т/км².