2.5.1. Свет

Свет является одним из важнейших абиотических факторов. Действительно, мы уже отмечали, что в начале любой трофической цепочки обязательно находятся продуценты. Основным механизмом образования ими органического вещества является процесс фотосинтеза. Процесс фотосинтеза происходит в молекулах хлорофилла (пигмента, ответственного за зеленую окраску растений), локализованных в мембранах хлоропластов (субклеточных органоидах в листьях зеленых растений). В процессе фотосинтеза продуценты извлекают атомы углерода и кислорода из молекул поглощаемого из воздуха или воды (в случае водных растений) углекислого газа и атомы водорода из молекул воды и синтезируют сложные органические молекулы. Суммарно процесс фотосинтеза состоит в переносе электронов от донора (воды) к акцептору (углекислому газу). В общем виде процесс фотосинтеза может быть выражен уравнением:

Например, при n = 6 в результате фотосинтеза образуется молекула простого сахара – глюкозы. Отметим также весьма важное для всего живого на Земле обстоятельство – образование сложных органических молекул сопровождается поглощением из окружающей среды углекислого газа и выделением в нее кислорода (ежегодно зеленый покров Земли продуцирует 467 миллиардов тонн кислорода, при этом на долю наземных растений приходится около 40 % этого количества, а на долю морских – около 60 %).

Из курса элементарной химии, однако, известно, что при пропускании углекислого газа через воду ничего, кроме слабого раствора угольной кислоты H₂CO₃, получить не удается (в противном случае любой автомат по продаже газированной воды можно было бы считать искусственным продуцентом). В соответствии с законами химической термодинамики все процессы идут в направлении убывания свободной энергии Гиббса

где H – энтальпия, т.е. тепловой эффект реакции при постоянном давлении, T – абсолютная температура, S – энтропия. Таким образом, для того, чтобы шла химическая реакция, необходимо выполнение условия:

где индексы "прод" и "исх" относятся к продуктам реакции и исходным реагентам соответственно. Для процесса фотосинтеза последнее условие не выполняется, поэтому для осуществления этого процесса необходимо постоянное поглощение энергии извне, из окружающей среды. Наиболее доступным и обильным в окружающей среде источником энергии является солнечный свет. В сложной последовательности реакций с участием ряда специфических ферментов (биокатализаторов) световая энергия превращается в энергию электронов и далее в энергию образующихся химических связей. Таким образом, солнечная энергия аккумулируется в сложных органических молекулах и затем по пищевым цепям используется всеми другими организмами (в вышеприведенной реакции образования глюкозы эта энергия равна 2815 кДж на моль). Именно это и определяет важнейшую роль солнечного света среди других абиотических факторов. Отметим, что из всей световой энергии, достигающей растений, в органических молекулах запасается всего от 1 до 5 %, а из всей солнечной энергии, попадающей на Землю, в фотосинтезе используется только 0,023 %.

Растения, использующие процесс фотосинтеза для превращения неорганических веществ в органические, относятся к так называемым фототрофам: зеленые растения, сине-зеленые водоросли и др.

По отношению к свету как экологическому фактору различают следующие группы растений:

• гелиофиты, или световые виды – растения, обитающие на открытых местах с хорошей освещенностью (пшеница, сосна, лиственница, подсолнечник, козлобородник, череда и др.);

• сциофиты, или теневые растения – растения, не выносящие сильного света и живущие под пологом леса в постоянной тени (лесные травы, папоротники, мхи, кислица и др.);

• факультативные гелиофиты, или теневыносливые растения – растения, живущие при хорошем освещении, но легко переносящие затемненные места (большинство растений лесов, луговые растения).

Среди животных различают дневные, ночные и сумеречные виды; имеются также виды, живущие в постоянной темноте и не выносящие яркого солнечного света (почвенные животные, обитатели пещер, внутренние паразиты животных и растений).

Исключением из описанного выше механизма являются уникальные экосистемы, сформировавшиеся в глубоких океанических впадинах или в подземных пещерах, куда не проникают солнечные лучи. Роль продуцентов здесь играют бактерии, способные расщеплять богатые потенциальной энергией неорганические вещества (наиболее известное из них – сероводород H₂S, в изобилии присутствующий, например, на больших глубинах в океане за счет деятельности сульфатредуцирующих бактерий, восстанавливающих сульфаты морской воды до сероводорода) и использовать высвобождающуюся энергию для синтеза органических молекул:

Высвобождающаяся сера концентрируется в телах бактерий и после их гибели оседает на дно, образуя скопления самородной серы биохимического происхождения.

В отличие от фотосинтеза описанный процесс называется хемосинтезом. Организмы, использующие этот процесс для синтеза органики, называютсяхемотрофами, к ним относятся, например, серные бактерии и др.