Роль живых организмов в биологическом круговороте

Роль  живых организмов в биологическом  круговороте

Специфическое свойство жизни - обмен веществ со средой. Любой организм должен получать из внешней среды определенные вещества как источники энергии и материал для построения собственного тела. Продукты метаболизма, уже непригодные  для дальнейшего использования, выводят наружу. Таким образом, каждый организм или множество одинаковых организмов в процессе своей жизнедеятельности  ухудшают условия своего обитания. Возможность обратного процесса - поддержания жизненных условий  или даже их улучшения, - определяется тем, что биосферу населяют разные организмы  с разным типом обмена веществ.

В простейшем виде набор качественных форм жизни представлен  продуцентами, консументами и редуцентами, совместная деятельность которых обеспечивает извлечение определенных веществ из внешней среды, их трансформацию  на разных уровнях трофических цепей  и минерализацию органического  вещества до составляющих, доступных  для очередного включения в круговорот (основные элементы, мигрирующие по цепям биологического круговорота, - углерод, водород, кислород, калий. Фосфор, сера и т.д.).

Продуценты - это живые организмы, которые способны синтезировать органическое вещество из неорганических составляющих с использованием внешних источников энергии. (Отметим, что получение энергии извне - общее условие жизнедеятельности всех организмов; по энергии все биологические системы - открытые) их называют также автотрофами, поскольку они сами снабжают себя органическим веществом. В природных сообществах продуценты выполняют функцию производителей органического вещества, накапливаемого в тканях этих организмов. Органическое вещество служит и источником энергии для процессов жизнедеятельности; внешняя энергия используется лишь для первичного синтеза.

Все продуценты по характеру источника энергии  для синтеза органических веществ  подразделяются на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов. Первые используют для синтеза энергию солнечного излучения в части спектра с длиной волны 380-710 нм. Эго главным образом зеленые растения, но к фотосинтезу способны и представители некоторых других царств органического мира. Среди них особое значение имеют цианобактерии (сине-зеленые «водоросли»), которые, по-видимому, были первыми фотосинтетиками в эволюции жизни на Земле. Способны к фотосинтезу также многие бактерии, которые, правда, используют особый пигмент - бактериохлорин - и не выделяют при фотосинтезе кислород.

Основные исходные вещества, используемые для фотосинтеза,- диоксид углерода и вода (основа для синтеза углеводов), а также  азот, фосфор, калий и другие элементы минерального питания.

Создавая органические вещества на основе фотосинтеза, фотоавтотрофы, таким образом, связывают использованную солнечную энергию, как бы запасая ее. Последующее разрушение химических связей ведет к высвобождению такой «запасенной» энергии. Это относятся не только к использованию органического топлива; «запасенная» в тканях растений энергия передается в виде пищи по трофическим цепям и служит основой потоков энергии, сопровождающих биогенный круговорот веществ.

Хемоавтотрофы в процессах синтеза органического вещества используют энергию химических связей. К этой группе относятся только прокариоты: бактерии, архебактерии и отчасти сине-зеленные. Химическая энергия высвобождается в процессах окисления минеральных веществ. Экзотермические окислительные процессы используются нитрифицирующими бактериями (окисляют аммиак до нитритов, а затем до нитратов), железобактериями (окисление закисного железа до окисного), серобактериями (сероводород до сульфатов). Как субстрат для окисления используется также метан, СО и некоторые другие вещества.

При всем многообразия конкретных форм продуцентов-автотрофов их общая биосферная функция едина  и заключается в вовлечении элементов  неживой природы в состав тканей организмов и таким образом в  общий биологический круговорот. Суммарная масса автотрофов-продуцентов  составляет более 95 % массы всех живых  организмов в биосфере.

Консументы. Живые существа, не способные строить свое тело на базе использования неорганических веществ, требующие поступления органического вещества извне, в составе пищи, относятся к группе гетеротрофных организмов, живущих за счет продуктов, синтезированных фото- или хемосинтетиками. Пища, извлекаемая тем или иным способом из внешней среды, используется гетеротрофами на построение собственного тела и как источник энергии для различных форм жизнедеятельности. Таким образом, гетеротрофы используют энергию, запасенную автотрофами в виде химических связей синтезированных ими органических веществ. В потоке веществ по ходу круговорота они занимают уровень потребителей, облигатно связанных с автотрофами организмами (консументы 1 порядка) или с другими гетеротрофами, которыми они питаются (консументы II порядка).

Общее значение консументов в круговороте веществ  своеобразно и неоднозначно. Они  не обязательны в прямом процессе круговорота: искусственные замкнутые  модельные системы, составленные из зеленых растений и почвенных  микроорганизмов, при наличии влаги  и минеральных солей могут  существовать неопределенно долгое время за счет фотосинтеза, деструкции растительных остатков и вовлечения высвобожденных элементов в новый  круговорот. Но это возможно лишь в  стабильных лабораторных условиях. В  природной обстановке возрастает вероятность  гибели таких простых систем от многих причин. «Гарантами» устойчивости круговорота  и оказываются в первую очередь  консументы.

В процессе собственного метаболизма гетеротрофы разлагают  полученные в составе пищи органические вещества и на этой основе строят вещества собственного тела. Трансформация первично продуцированных автотрофами веществ  в организмах консументов ведет  к увеличению разнообразия живого вещества. Разнообразие же необходимое условие  устойчивости любой кибернетической  системы на фоне внешних и внутренних возмущений. Живые системы - от организма  до биосферы в целом - функционируют  по кибернетическому принципу обратных связей.

Животные, составляющие основную часть организмов-консументов, отличаются подвижностью, способностью к активному перемещению в  пространстве. Этим они эффективно участвуют в миграции живого вещества, дисперсии его по поверхности  планеты, что, с одной стороны, стимулирует  пространственное расселение жизни, а  с другой служит своеобразным «гарантийным Механизмом» на случай уничтожения  жизни в каком-либо месте в  силу тех или иных причин.

Примером такой  «пространственной гарантии может  служить широко известная катастрофа на о. Кракатау: в результате извержения вулкана в 1883 г. жизнь на острове  была полностью уничтожена, но в течение всего 50 лет восстановилась - было зарегистрировано порядка 1200 видов. Заселение шло главным образом за счет не затронутых извержением Явы, Суматры и соседних островов, откуда разными путями растения и животные вновь заселили покрытый пеплом и застывшими потоками лавы остров. При этом первыми (уже через 3 года) на вулканическом туфе и пепле появились пленки цианобактерий. Процесс становления устойчивых сообществ на острове продолжается; лесные ценозы еще находятся на ранних стадиях сукцессии и сильно упрощены по структуре.

Наконец, чрезвычайно  важна роль консументов, в первую очередь животных, как регуляторов  интенсивности потоков вещества и энергии по трофическим цепям. Способность к активной авторегуляции  био- массы и темпов ее изменения  на уровне экосистем и популяций  отдельных видов в конечном итоге  реализуется в виде поддержания  соответствия темпов создания и разрушения органического вещества в глобальных системах круговорота. Участвуют в  такой регуляторной системе не только консументы, но последние (особенно животные) отличаются наиболее активной и быстрой  реакцией на любые возмущении баланса  биомассы смежных трофических уровней.

В принципе система  регулирования потоков вещества в биогенном круговороте, основанная на комплементарности составляющих эту систему экологических категорий  живых организмов, работает по принципу безотходного производства. Однако в  идеале этот принцип соблюден быть не может в силу большой сложности  взаимодействующих процессов и  влияющих на них факторов. Результатом  нарушения полноты круговорота  явились отложения нефти, каменного  угля, торфа, сапропелей. Все эти  вещества несут в себе энергию, первоначально  запасенную в процессе фотосинтеза. Использование их человеком - как  бы «отставленное во времени» завершение циклов биологического круговорота.

Редуценты. К этой экологической категории относятся организмы-гетеротрофы, которые, используя в качестве пищи мертвое органическое вещество (трупы, фекалия, растительный опад и пр.), в процессе метаболизма разлагают его до неорганических составляющих.

Частично минерализация  органических веществ идет у всех живых организмов. Так, в процессе дыхания выделяется СО2, из организма  выводятся вода, минеральные соли, аммиак и т.д. Истинными редуцентами, завершающий цикл разрушения органических веществ, следует поэтому считать  лишь такие организмы, которые выделяют во внешнюю среду только неорганические вещества, готовые к вовлечению в  новый цикл.

В категорию  редуцентов входят многие виды бактерий и грибов. По характеру метаболизма  это организмы-восстановители. Так, девитрифицирующие бактерии восстанавливают  азот до элементарного состояния, сулъфатредуцирующие  бактерия - серу до сероводорода. Конечные продукты разложения органических веществ - диоксид углерода, вода, аммиак, минеральные  соли. В анаэробных условиях разложение идет дальше - до водорода; образуются также углеводороды.

Полный цикл редукции органического вещества более  сложен и вовлекает большее число  участников. Он состоит из ряда последовательных звеньев, в череде которых разные организмы-разрушители поэтапно превращают органические вещества сначала в  более простые формы и только после этого в неорганические составляющие действием бактерий и  грибов.

Уровни организации  живой материи. Совместная деятельность продуцентов, консументов и редуцентов определяет непрерывное поддержание  глобального биологического круговорота  веществ в биосфере Земли. Этот процесс  поддерживается закономерными взаимоотношениями  составляющих биосферу пространственно-функциональных частей и обеспечивается особой системой связей, выступающих как механизм гомеостазирования биосферы - поддержания  ее устойчивого функционирования на фоне изменчивых внешних и внутренних факторов. Поэтому биосферу можно  рассматривать как глобальную экологическую  систему, обеспечивающую устойчивое поддержание  жизни в ее планетарном проявлении.

Любая биологическая (в том числе и экологическая) система характеризуется специфической  функцией, упорядоченными взаимоотношениями  составляющих систему частей (субсистем) и основывающимися на этих взаимодействиях  регуляторными механизмами, определяющими  целостность и устойчивость системы  на фоне колеблющихся внешних условий. Из сказанного выше ясно, что биосфера в ее структуре и функции соответствует  понятию биологической (экологической) системы.

На уровне биосферы как целого осуществляется всеобщая функциональная связь живого вещества с неживой природой. Ее структурно-функциональными  составляющими (подсистемами), на уровне которых осуществляются конкретные циклы биологического круговорота, являются биогеоценозы (экосистемы).