Скорость с которой живые организмы производят полезную химическую энергию
Лекция 5
Потоки вещества и энергии в экосистемах
Пищевые цепи и пищевая сеть.
В функционирующей природной экосистеме не существует отходов. Все организмы, живые или мертвые, потенциально являются пищей для других организмов: гусеница ест листву, дрозд питается гусеницами, ястреб способен съесть дрозда. Когда растения, гусеница, дрозд и ястреб погибают, они в свою очередь перерабатываются редуцентами.
Пищевая цепь – последовательность организмов, в которой каждый из них съедает или разлагает другой. Пищевые цепи – это также движение питательных веществ от продуцентов, консументов (травоядных, плотоядных и всеядных) к редуцентам и обратно к продуцентам.
Рис. 2
Все организмы, пользующиеся одним типом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню (от греческого слова trophos – «питающиеся»).
Организмы природных экосистем вовлечены в сложную сеть многих связанных между собой пищевых цепей. Такая сеть называется пищевой сетью.
Рис. 3
Движение энергии в экосистемах происходит посредством двух связанных типов пищевых сетей:
пастбищной и детритной.
Рис. 4
В пастбищной пищевой сети живые растения поедаются фитофагами, а сами фитофаги являются пищей для хищников и паразитов.
В детритной пищевой сети отходы жизнедеятельности и мертвые организмы разлагаются детритофагами и деструкторами до простых неорганических соединений, которые вновь используются растениями.
Пирамиды энергетических потоков.
С каждым переходом из одного трофического уровня в другой в пределах пищевой цепи или сети совершается работа и в окружающую среду выделяется тепловая энергия, а количество энергии высокого качества, используемой организмами следующего трофического уровня, снижается.
Правило 10%: при переходе с одного трофического уровня на другой 90% энергии теряется, и
10% передается на следующий уровень.
Чем длиннее пищевая цепь, тем больше теряется полезной энергии. Поэтому длина пищевой цепи обычно не превышает 4 – 5 звеньев.
Пирамиды численностей и биомасс.
Мы можем собрать все образцы организмов в экосистеме и подсчитать численность всех видов, обнаруженных на каждом трофическом уровне. Такая информация необходима для создания пирамиды численностей для экосистем.
Рис. 5 Обобщенные пирамиды численностей в экосистемах.
Сухой вес всех органических веществ, содержащихся в организмах экосистемы, называется биомассой. Каждый трофический уровень пищевой цепи или сети содержит определенное количество биомассы. Ее можно вычислить, если собрать все живые организмы с различных произвольно выбранных участков. Собранные экземпляры необходимо рассортировать по трофическим уровням, высушить и взвесить. Полученные данные в дальнейшем используются для построения пирамиды биомасс для определенной экосистемы.
Рис. 6 Обобщенные пирамиды биомасс в экосистемах. Размер каждого слоя пропорционален сухой массе на квадратный метр всех организмов на данном трофическом уровне.
Чистая первичная продуктивность растений.
Скорость, с которой растения экосистемы производят полезную химическую энергию или биомассу, называется чистой первичной продуктивностью.
Чистая первичная продуктивность = скорость, с которой растения – скорость, с которой растения
производят химическую энер – расходуют химическую энер-
гию в процессе фотосинтеза гию в процессе дыхания
КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В ЭКОСИСТЕМАХ.
I. Круговорот углерода
Рис. 7 Упрощенная диаграмма части углеродного цикла, показывающая круговорот вещества (закрашенные стрелки) и однонаправленный поток энергии (незакрашенные стрелки) в процессах фотосинтеза и аэробного дыхания.
Углерод является основным «строительным материалом» молекул углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот (таких как ДНК и РНК) и других важных для жизни органических соединений.
Вмешательство человека в круговорот углерода резко возрастает, особенно начиная с 1950-х годов, из-за быстрого роста населения и использования ресурсов, и происходит оно в основном двумя способами:
– Сведение лесов и другой растительности без достаточных лесовосстановительных работ, в связи
с чем уменьшается общее количество растительности, способной поглощать СО2.
– Сжигание углеродосодержащих ископаемых видов топлива и древесины. Образующийся при
этом углекислый газ попадает в атмосферу.
II. Круговорот азота.
Рис. 8 Упрощенная диаграмма круговорота азота.
1. бактерии
2. осадки
3. азотофиксирующие бактерии и сине-зеленые водоросли
Вмешательство человека в круговорот азота состоит в следующем:
– Сжигание древесины или ископаемого топлива (NO). Оксид азота затем соединяется в атмосфере
с кислородом и образует диоксид азота (NO2), который при взаимодействии с водяным паром
может образовывать азотную кислоту (HNO3).
– Производство азотных удобрений и их широкое применение.
– Увеличение количества нитрат-ионов и ионов аммония в водных экосистемах при попадании в
них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей азотных удобрений, а также
очищенных и неочищенных коммунально-бытовых канализационных стоков.
III. Круговорот фосфора.
Рис. 9 Упрощенная диаграмма круговорота фосфора.
1. разработка недр
2. разработка недр
3. сток и эрозия
4. выщелачивание
5. выщелачивание и эрозия
6. речной сток
7. разложение
8. отходы и разложение
9. птицы, питающиеся рыбой.
Вмешательство человека в круговорот фосфора сводится в основном к двум вариантам:
– Добыча больших количеств фосфатных руд для производств минеральных удобрений и
моющих средств.
– Увеличение избытка фосфат-ионов в водных экосистемах при попадании в них загрязненных
стоков с животноводческих ферм, смытых с полей фосфатных удобрений, а также
очищенных и неочищенных коммунально-бытовых стоков.
IV. Круговорот серы.
Рис. 10 Упрощенная диаграмма круговорота серы.
Около трети всех соединений серы и 99% диоксида серы, попадающих в атмосферу, имеют антропогенное происхождение. Сжигание серосодержащих углей и нефти для производства электроэнергии дает примерно две трети всех антропогенных выбросов диоксида серы в атмосферу. Оставшаяся треть выделяется во время таких технологических процессов, как переработка нефти, выплавка металлов из серосодержащих медных, свинцовых и цинковых руд.
V. Круговорот воды.
Круговорот воды или гидрологический цикл, в процессе которого происходит накопление, очистка и перераспределение планетарного запаса воды.
Человек вмешивается в круговорот воды двумя способами:
1. Забор больших количеств пресной воды из рек, озер и водоносных горизонтов. В густозаселенных или интенсивно орошаемых районах водозабор привел к истощению запасов грунтовых вод или к вторжению соленой океанической воды в подземные водоносные горизонты.
2. Сведение растительного покрова суши в интересах развития сельского хозяйства, при добыче полезных ископаемых, строительстве дорог, автостоянок, жилья и других видах деятельности. Это приводит к уменьшению просачивания поверхностных вод под землю, что сокращает пополнение запасов грунтовых вод, увеличивает риск наводнений и повышает интенсивность поверхностного стока, тем самым, усиливая эрозию почв.
Типы анаболизма
Реакции анаболизма у разных организмов могут иметь некоторые отличия. Прежде всего, одни организмы могут образовывать все необходимые им органические вещества из неорганических веществ окружающей среды. Такие организмы называются автотрофами. Другие организмы, называемые гетеротрофами, не способны образовывать органические вещества из неорганических и должны получать их из окружающей среды.
Среди гетеротрофов есть такие, которые нуждаются лишь в одном или нескольких простых органических веществах. Например, пекарские дрожжи могут жить, получая только глюкозу и минеральные соли, а кишечная палочка — только ацетат натрия (соль уксусной кислоты).
Другие гетеротрофы не могут образовывать целый ряд необходимых им органических веществ. Например, млекопитающие нуждаются в 10 незаменимых аминокислотах, ряде ненасыщенных жирных кислот и витаминов. Некоторые внутриклеточные паразиты не могут синтезировать вообще никаких низкомолекулярных предшественников, получая их из клетки-хозяина.
отношение организмов к кислороду
Энергетический обмен также различен у разных групп организмов. Гетеротрофные организмы получают энергию за счет окисления органических веществ, поступающих извне. Хорошим окислителем является молекулярный кислород, при кислородном окислении выделяется много энергии (все вы об этом знаете, т. к. видели окисление органических веществ при горении, например, в костре). Однако кислород в силу своей реакционной способности повреждает важные вещества клетки (белки, липиды, ДНК) и поэтому токсичен.
По отношению к молекулярному кислороду организмы подразделяются на:
1. Анаэробы. Они способны жить в отсутствие кислорода, осуществляя реакции внутримолекулярного окисления и восстановления или используя в качестве окислителей другие вещества среды, например нитраты (так называемое нитратное дыхание).
Анаэробов можно подразделить на:
а) облигатные анаэробы, для которых даже низкие концентрации молекулярного кислорода токсичны. Таковы, например, бактерии родов клостридий и бифидум, взрослые аскариды;
б) факультативные анаэробы могут нормально жить и размножаться как в присутствии, так и в отсутствие кислорода, например дрожжи.
2. Аэробы — большинство ныне живущих гетеротрофных организмов, которые осуществляют энергетический обмен, окисляя органические вещества молекулярным кислородом. В клетках таких организмов обязательно существуют системы защиты от окисления клеточных структур кислородом. Это, во-первых, ферменты, разрушающие активные формы кислорода (примеры таких ферментов — супероксиддисмутаза, каталаза), а во-вторых, антиоксиданты — молекулы, которые сами окисляются, «гася» свободные радикалы.
классификация организмов по типу метаболизма
Типы метаболизма классифицируются в зависимости от используемых источников углерода и энергии.
По используемому источнику С организмы делятся на автотрофы и гетеротрофы.
Автотрофы используют неорганический источник углерода (), а гетеротрофы нуждаются в органических источниках углерода.По используемому источнику энергии организмы делятся на фототрофы и хемотрофы.
Фототрофы используют энергию света, а хемотрофы — энергию, выделяющуюся при протекании тех или иных химических реакций.
автотрофы
Автотрофные организмы также используют различные способы получения энергии. Одни из них получают энергию для восстановления углекислого газа до органических соединений в виде света. Они называются фотоавтотрофы. К этой группе относятся растения и некоторые группы бактерий, прежде всего цианобактерии. Эти организмы являются основным источником органического вещества в биосфере. Понятно, что их распространение ограничено местами, в которых имеется достаточно света, т. е. поверхностью суши и верхними слоями водоемов. В биоценозах они выполняют функцию продуцентов.
Другая группа автотрофов использует для своей жизнедеятельности энергию, выделяющуюся при окислении неорганических веществ. Их называют хемоавтотрофами. Представителями этой группы являются только бактерии. Каждый вид таких бактерий способен использовать только один источник энергии. Понятно, что используемые ими вещества должны в достаточных количествах присутствовать в окружающей среде.
Хемоавтотрофные организмы классифицируются в зависимости от окисляемых веществ:
Организмы, окисляющие восстановленные соединения серы — сульфиды и сероводород (
). Бактерии, живущие за счет этих соединений, встречаются в водоемах, находящихся в местах выхода сульфидных руд и минеральных источников, содержащих сероводород. Многочисленны они в различных вулканических источниках и озерах, причем часто обитают в водоемах с высокой температурой. Эти бактерии обеспечивают в качестве единственных продуцентов существование глубоководных биоценозов «черных курильщиков».
Другая группа хемоавтотрофов окисляет двухвалентное железо до трехвалентного ( -> ). Они встречаются в водах минеральных источников, а также в заболоченных водоемах, где в восстановительной среде донных отложений происходит восстановление солей железа. В древних океанах окисленные ими соединения железа выпадали в осадок и образовали многие из современных месторождений руд этого металла.
В почвах широко представлены бактерии, окисляющие соединения азота. Попадающие в почву остатки животных и растений при разложении выделяют азот в виде ионов аммония. Одни группы бактерий окисляют их до молекулярного азота, другие — до нитритов. Третья группа бактерий окисляет нитриты до нитратов. Эти группы хемоавтотрофных бактерий наиболее многочисленны в почвах, богатых органикой, таких как черноземы и красноземы. Они играют большую роль в формировании плодородия почв и круговороте азота в биосфере.
Теория:
В экосистемах происходит непрерывный обмен энергией и веществом между живой и неживой природой. Энергия и вещество постоянно необходимы живым организмам, и они черпают их из окружающей неживой природы.
Вещества и энергия в сообществах передаются по пищевым цепям. Количества вещества и энергии, проходящие через живые организмы, чрезвычайно велики.
Пример:
полевая мышь способна за свою жизнь съесть десятки килограммов зерна; рост растений сопровождается огромным потреблением воды и т. д.
Обрати внимание!
Энергия не может передаваться по замкнутому кругу.
Она доступна живым организмам в форме солнечной радиации, которая может быть связана в процессе фотосинтеза. Расходуясь затем в виде химической энергии, она теряется, превращаясь в тепло.
Необходимые для жизни элементы и растворённые соли условно называют питательными веществами, или биогенными (дающими жизнь) элементами.
Пример:
к биогенным элементам относятся элементы, которые составляют химическую основу тканей живых организмов (макроэлементы): углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера. А также элементы и их соединения, необходимые для существования живых систем, но в исключительно малых количествах (микроэлементы): железо, марганец, медь, цинк, бор, натрий, молибден, хлор, ванадий и кобальт.
Совершенно ясно, что если бы живые организмы безвозвратно заимствовали все необходимые им питательные вещества из неживой природы, ничего при этом не возвращая обратно, запасы питательных веществ на Земле иссякли бы, и жизнь прекратилась. Этого не происходит, потому что питательные вещества постоянно возвращаются в окружающую среду в результате жизнедеятельности самих организмов.
Обрати внимание!
Биогенные вещества могут передаваться по замкнутым циклам, многократно циркулируя между организмами и окружающей средой. Это явление получило название круговорота веществ.
Подробнее этот вопрос будет рассмотрен в разделе о биосфере.
Разные виды организмов в сообществе оказываются тесно связанными друг с другом, взаимозависимыми друг от друга.
Передаваясь по цепям питания, и вещество, и энергия претерпевают ряд превращений.
Часть вещества может использоваться как материал для строительства тел организмов, питающихся растениями (которые в свою очередь поставляют такой же «строительный материал» хищникам). Вследствие отмирания организмов всё биологическое вещество в конечном счёте достаётся микроорганизмам-редуцентам, участвующим в превращении сложных органических соединений в простые, которые вновь используются растениями. Таким образом, возникает устойчивый круговорот веществ, решающую роль в котором играют живые организмы.
Запасы биогенных элементов непостоянны. Процесс связывания некоторой их части в виде живой биомассы снижает количество, остающееся в среде экосистемы. И если бы растения и другие организмы в конечном счёте не разлагались бы, запас биогенных элементов исчерпался бы, и жизнь на Земле прекратилась. Отсюда можно сделать вывод, что активность гетеротрофов и, в первую очередь, организмов, функционирующих в детритных цепях, — решающий фактор сохранения круговорота биогенных элементов и, следовательно, жизни на нашей планете.
Источники:
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. 9 класс // ДРОФА.
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.
https://school-collection.edu.ru
Фото взято из свободных источников
Обмен веществ и энергии в клетке
Главным условием жизни как организма в целом, так и отдельной клетки является обмен веществ и энергии с окружающей средой. Для поддержания сложной динамической структуры живой клетки требуется непрерывная затрата энергии. Кроме того, энергия необходима и для осуществления большинства функций клетки (поглощение веществ, двигательные реакции, биосинтез жизненно важных соединений). Источником энергии в этих случаях служит расщепление органических веществ в клетке. Совокупность реакций расщепления высокомолекулярных соединений называется энергетическим обменом, или диссимиляцией. Запас органических веществ, расходуемых в процессе диссимиляции, должен непрерывно пополняться либо за счет пищи, как это происходит у животных, либо путем синтеза из неорганических веществ при использовании энергии света (у растений). Приток органических веществ необходим также для построения органоидов клетки и для создания новых клеток при делении. Совокупность всех процессов биосинтеза называется пластическим обменом, или ассимиляцией.
Обмен веществ клетки включает многочисленные физические и химические реакции, объединенные в пространстве и времени в единое упорядоченное целое. В такой сложной системе упорядоченность может достигаться только при участии эффективных механизмов регуляции. Ведущую роль в регуляции играют ферменты, определяющие скорость биохимической реакции. Основная роль в обмене веществ принадлежит плазматической мембране, которая в силу избирательной проницаемости обусловливает осмотические свойства клетки.
Энергетический обмен в клетке
Первичным источником энергии в живых организмах является Солнце. Энергия, приносимая световыми квантами (фотонами), поглощается пигментом хлорофиллом, содержащимся в хлоропластах зеленых листьев, и накапливается в виде химической энергии в различных питательных веществах.
Все клетки и организмы можно разделить на два основных класса в зависимости от того, каким источником энергии они пользуются. У первых, называемых аутотрофными (зеленые растения), СО2 и Н2О превращаются в процессе фотосинтеза в элементарные органические молекулы глюкозы, из которых и строятся затем более сложные молекулы.
Клетки второго класса, называемые гетеротрофными (животные клетки), получают энергию из различных питательных веществ (углеводов, жиров и белков), синтезируемых аутотрофными организмами. Энергия, содержащаяся в этих органических молекулах, освобождается главным образом в результате соединения их с кислородом воздуха (т.е. окисления) в процессе, называемом аэробным дыханием. Этот энергетический цикл у гетеротрофных организмов завершается выделением СО2 и Н2О.
Клеточное дыхание — это окисление органических веществ, приводящее к получению химической энергии (АТФ). Большинство клеток использует в первую очередь углеводы. Полисахариды вовлекаются в процесс дыхания лишь после того, как они будут гидролизованы до моносхаридов: Крахмал, Глюкоза (у растений) Гликоген (у животных) .
Жиры составляют «первый резерв» и пускаются в дело главным образом тогда, когда запас углеводов исчерпан. Однако в клетках скелетных мышц при наличии глюкозы и жирных кислот предпочтение отдается жирным кислотам. Поскольку белки выполняют ряд других важных функций, они используются лишь после того, как будут израсходованы все запасы углеводов и жиров, например, при длительном голодании.
Этапы энергетического обмена: Единый процесс энергетического обмена можно условно разделить на три последовательных этапа:
Первый из них — подготовительный. На этом этапе высокомолекулярные органические вещества в цитоплазме под действием соответствующих ферментов расщепляются на мелкие молекулы: белки — на аминокислоты, полисахариды (крахмал, гликоген) — на моносахариды (глюкозу), жиры — на глицерин и жирные кислоты, нуклеиновые кислоты — на нуклеотиды и т.д. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде тепла.
Второй этап — бескислородный, или неполный. Образовавшиеся на подготовительном этапе вещества — глюкоза, аминокислоты и др. — подвергаются дальнейшему ферментативному распаду без доступа кислорода. Примером может служить ферментативное окисление глюкозы (гликолиз), которая является одним из основных источников энергии для всех живых клеток. Гликолиз — многоступенчатый процесс расщепления глюкозы в анаэробных (бескислородных) условиях до пировиноградной кислоты (ПВК), а затем до молочной, уксусной, масляной кислот или этилового спирта, происходящий в цитоплазме клетки. Переносчиком электронов и протонов в этих окислительно-восстановительных реакциях служит никотинамидаденин-динуклеотид (НАД) и его восстановленная форма НАД *Н. Продуктами гликолиза являются пировиноградная кислота, водород в форме НАД • Н и энергия в форме АТФ.
При разных видах брожения дальнейшая судьба продуктов гликолиза различна. В клетках животных и многочисленных бактерий ПВК восстанавливается до молочной кислоты. Известное всем молочнокислое брожение (при списании молока, образовании сметаны, кефира и т.д.) вызывается молочнокислыми грибками и бактериями.
При спиртовом брожении продуктами гликолиза являются этиловый спирт и СО2. У других микроорганизмов продуктами брожения могут быть бутиловый спирт, ацетон, уксусная кислота и т.д.
В ходе бескислородного расщепления часть выделяемой энергии рассеивается в виде тепла, а часть аккумулируется в молекулах АТФ.
Третий этап энергетического обмена — стадия кислородного расщепления, или аэробного дыхания, происходит в митохондриях. На этом этапе в процессе окисления важную роль играют ферменты, способные переносить электроны. Структуры, обеспечивающие прохождение третьего этапа, называют цепью переноса электронов. В цепь переноса электронов поступают молекулы — носители энергии, которые получили энергетический заряд на втором этапе окисления глюкозы. Электроны от молекул — носителей энергии, как по ступеням, перемещаются по звеньям цепи с более высокого энергетического уровня на менее высокий. Освобождающаяся энергия расходуется на зарядку молекул АТФ. Электроны молекул — носителей энергии, отдавшие энергию на «зарядку» АТФ, соединяются в конечном итоге с кислородом. В результате этого образуется вода. В цепи переноса электронов кислород — конечный приемник электронов. Таким образом, кислород нужен всем живым существам в качестве конечного приемника электронов. Кислород обеспечивает разность потенциалов в цепи переноса электронов и как бы притягивает электроны с высоких энергетических уровней молекул — носителей энергии на свой низкоэнергетический уровень. По пути происходит синтез богатых энергией молекул АТФ.