Первичная продукция экосистем. Значение и особенности процесса фотосинтеза

Первым звеном цепей питания есть растения, которые в процессе фотосинтеза превращают энергию солнечного излучения в химическую энергию органических соединений. На самом деле только в пределах 0,5-1,0% световой энергии, попадающей на зеленые растения, переходит в энергию органических веществ. Остальные солнечной энергии рассеивается в виде тепла (рост энтропии).

 

Важной характеристикой экологических систем является биологическая продуктивность, под которой понимают способность экосистемы на основе использования неорганических вещества и энергии к воспроизводству органического вещества. Биологическая продуктивность оценивается через биологическую нетто-(первичную чистую) и брутто-(первичную общую) продукцию.

 

Как нетто-, так и брутто-продукция выражается в единицах массы на единицу площади территории за единицу времени. Первичная органическое вещество на Земле образуется, преимущественно, зелеными растениями с использованием неорганических веществ под воздействием энергии Солнца в процессе фотосинтеза.

 

Биологическая продукция первичная - это прирост биомассы автотрофных организмов за единицу времени. Часть этой продукции идет на поддержание жизнедеятельности самих растений, так называемый процесс дыхания. Она может быть существенной - 40-70% от образованной первичной продукции. Остальные зеленой массы расходуется на пополнение биомассы консументов и ее называют вторичной продукцией в группировки.

 

Нетто-продукция фотосинтеза (netto - итал. - Чистый) - чистая биологическая продуктивность фотосинтеза, т.е. количество органического вещества, образованного в процессе фото-и хемосинтеза за минусом вещества, которая израсходована на дыхание и потребности гетеротрофов.

 

Итак, фотосинтезом называется процесс образования органического вещества из неорганического зелеными растениями с участием света. Среди неорганических веществ на процессы фотосинтеза расходуется вода и диоксид углерода. Конечными продуктами этого процесса являются различные углеводы, имеющие большие запасы энергии в химических связях и кислород. Итак, во время фотосинтеза энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей, т.е. проходит накопления солнечной энергии в экосистемах.

 

При световой фазы в растениях проходит накопления энергии в виде аденозинтрифосфатнои кислоты (АТФ), происходит фотохимический разложение воды с образованием кислорода, выделяемого преимущественно в атмосферу.

 

При темновой фазы происходят сложные биохимические реакции с использованием накопленной энергии, проходит фиксация диоксида углерода из воздуха с образованием глюкозы, которая является исходным материалом для синтеза других углеводов. При этом аденозинтрифосфатна кислота переходит в аденозиндифосфатну (АДФ).

 

Процесс фотосинтеза носит характер многократно повторяющихся актов биохимического синтеза и у большинства зеленых растений реакции фотосинтеза однотипные, хотя и имеют некоторые отличия.

 

В некоторых бактерий в процессе эволюции выработались другие биохимические пути синтеза углеводов. Бактериальный фотосинтез, в отличие от фотосинтеза высших растений, проходит в анаэробных условиях без выделения кислорода. Фотосинтез у бактерий осуществляется по типу фоторедукции, т.е. проходит восстановление диоксида углерода с поглощением лучистой энергии солнца, но без выделения кислорода.

 

Реакции бактериального фотосинтеза проходят с поглощением лучистой энергии бактериохлорофилл, а источником водорода для восстановления диоксида углерода является водород сульфид (сероводород), углеводы, органические кислоты и др.. Эти процессы играют важную роль в ассимиляции диоксида углерода мирового океана, а на глубинах Черного моря единственными живыми организмами является сиркобактерии, ведь для остальных живых организмов водород сульфит является сильным ядом.

 

Наибольшее значение для окружающей среды имеет процесс фотосинтеза, который характеризуют интенсивности и чистой производительностью.

 

Интенсивность фотосинтеза - это количество диоксида углерода, которая усваивается единицей поверхности листа за единицу времени (~ 5-25 мг С02 на 1 дм2 в час).

 

Чистой производительностью фотосинтеза называют отношение суточного увеличение массы всего растения (в граммах) до площади листьев (~ 5-12 г на 1 м2 листьев).

 

На интенсивность фотосинтеза влияет ряд факторов, в частности освещенность, температура среды и тому подобное. Хотя процесс фотосинтеза и характеризуется сходством биохимических реакций, различают три разновидности фотосинтеза у высших растений:

 

1). Сз-фотосинтез. Характерен для большинства наземных растений -95% высших наземных растений, в том числе пшеница, рожь, картофель, клевер, люцерна и т.д.. У таких растений фиксация С02 проходит по Сз-центозофосфатному пути (цикл Кальвина), причем максимальная

 

интенсивность фотосинтеза наблюдается при умеренной освещенности и температуре, а слишком высокая температура и яркий свет подавляют этот процесс. Сз-растения наиболее характерны для умеренных широт: дуб, бук, береза, сосна и т.д..

 

2). С4-фотосинтез. Особенно характерен для тропических зон (кукуруза, сахарная тросик, просо и др.). У таких растений фиксация С02 проходит по циклу С4-дикарбоновых кислот. Такие растения адаптированы к яркому свету и высокой температуры. Кроме того, они более эффективно используют воду.

 

Сгрослины: на производство 1 г сухого органического вещества тратят до 400 г воды, а Сз-растения - от 400 до 1000 г воды.

 

3). САМ-метаболизм (кислородный метаболизм толстянковых). Этот тип фотосинтеза открыт относительно недавно и характерный для растений пустынь - суккулентов. Он заключается в том, что поглощаемый растениями С02 в ходе процесса фотосинтеза накапливается в виде органических кислот и фиксируется в углеводах только на следующий день. Такая "задержка" фотосинтеза значительно уменьшает дневные потери воды, усиливая способность растений пустыни сохранять водный баланс и необходимый запас воды.

 

Хотя эффективность фотосинтеза у С3-растений ниже по сравнению с С4-растениями, но они образуют большую часть фотосинтезованои продукции Земли. Это объясняется тем, что они более конкурентоспособны в смешанных сообществах, где значение абиотических факторов (свет, температура, влажность) близки к средним величинам.

 

Подсчитано, что зелеными растениями в процессе фотосинтеза потребляется до 480 млрд. тонн С02 и Н20 и при этом выделяется до 248 млрд. тонн 02 в атмосферу, из которых организмы суши - 75%. Затраты энергии и воды в процессе фотосинтеза проходят очень неэкономно. Экспериментально установлено, что коэффициент полезного действия фотосинтезирующей растительности очень мал и не превышает 0,1-1,0%. Это указывает на то, что в естественных условиях растительный покров усваивает только незначительную часть имеющихся энергетических и водных ресурсов.

 

На суше наблюдается горизонтальная зональность в распределении фитомассы, а затем и зоомасы. Максимальное количество биомассы растений на единицу площади приходится на экваториальный и субэкваториальный пояса. После этого отмечается резкое ее уменьшение в обеих тропических поясах, последующее увеличение в субтропических и умеренных зонах и резкое снижение в полярных зонах (рис. 1.13.). Это объясняется природными условиями данных регионов: средней температурой, влажностью, продолжительностью светового дня и т.д.. В Мировом океане картина несколько иная.

 

Максимальное значение фитомассы имеют влажно-тропические леса - до 65000 т/км2 (в бассейне Амазонки - свыше 100000 т/км2) значительная биомасса широколиственных лесов - до 45000 т/км2, тайги - до 30000 т/км2. Запасы фитомассы в саваннах составляют 5000-15000 т/км2, мангровых зарослей морских берегов - до 12000 т/км2, а в пустынях упадок фитомассы - 150-200 т/км2.