Синтез и разложение органических веществ в экосистемах

1.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра водопользования и экологии
ЭКОЛОГИЯ
Лекция 2
Синтез и разложение
органических веществ
в экосистемах
Макарова Светлана Витальевна
к.б.н., доцент

2. Образование и разложение органических веществ в экосистемах

Образование и разложение органических веществ,
или взаимодействие автотрофных и гетеротрофных
процессов — наиболее важная функция экосистем
В результате этих процессов происходит накопление и
высвобождение солнечной энергии, трансформация
веществ в масштабах не только отдельно взятой
экосистемы, ни и биосферы в целом
2

3. Часть 1

СИНТЕЗ ОРГАНИЧЕСКИХ
ВЕЩЕСТВ
(автотрофные процессы)
3

4.

Солнечная энергия – источник жизни на Земле
4

5. 1. Фотосинтез

Фотосинтез – образование органических веществ на
свету, накопление солнечной энергии путем
превращения ее потенциальную энергию
химических связей органических соединений
Организмы, осуществляющие фотосинтез
(фотоавтотрофы):
• Зеленые растения
• Цианобактерии (синезеленые водоросли)
• Пурпурные и зеленые серобактерии
5

6. История открытия фотосинтеза

Аристотель: растения питаются почвой
1624 г. – Эксперимент Ван Гельмонта с саженцем ивы.
Вывод: растение питается водой
1771 г. – Джозеф Пристли открыл, что растения
«исправляют воздух» – выделяют кислород
6

7. История открытия фотосинтеза

1796 г. – Ян Ингенхауз обнаружил, что кислород
выделяется только на свету и только зелеными частями
растений
Обнаружено, что поглощается углекислый газ и образуется
органическое вещество
1818 г. - П. Ж. Пеллетье и Ж. Каванту выделили хлорофиллы
1842 г. – Р. Майер – световая энергия преобразуется в
энергию органических связей органических веществ
1877 г. В. Пфеффер назвал этот процесс фотосинтезом
1931 г. – К. Ван Ниль открыл аноксигенный фотосинтез у
серных бактерий
7

8.

1.1. Оксигенный фотосинтез
Q
6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2
глюкоза
(зеленые растения, цианобактерии)
1.2. Аноксигенный фотосинтез
Q
CO2 + 2H2S = (CH2O) + H2O + 2S
(пурпурные и зеленые серные бактерии)
8

9.

Глобальная роль
фотосинтеза:
• Накопление кислорода в
атмосфере Земли
• Формирование озонового слоя
• Эволюция живых организмов
• Потребление углекислого газа;
поддержание состава атмосферы
• Создание органического
вещества (250 млрд.т/год)
9

10.

Сравнение состава атмосферы и температурных условий
на Земле и других планетах
(по Ю. Одуму, 1986, с изменениями)
10

11. 2. Хемосинтез

Хемосинтез – образование органических веществ с
использованием энергии химических реакций
Нитрифицирущие бактерии:
2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O + Q1,
2HNO2 + O2 = 2HNO3 + Q2.
Железобактерии:
4Fe(HCO3)2 + O2 + H2O = 4Fe(OH)3 + 8CO2 + Q
11

12.

Железобактерии в природе
12

13.

Экосистемы «черных курильщиков», существующие за счет хемосинтеза
(фото с сайтов www.ucmp.berkley.edu и www.marinebio.net/marinescience)
13

14. Часть 2

РАЗЛОЖЕНИЕ
ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
(гетеротрофные процессы)
14

15.

Разложение органических веществ происходит в
процессе метаболизма (греч. metabol — изменение)
в живых клетках
Метаболизм - совокупность биохимических
реакций и превращений энергии в клетках живых
организмов, сопровождающихся обменом веществ
между организмом и средой
Катаболизм - сумма реакций, ведущих к распаду
сложных молекул и выделению энергии
Анаболизм - совокупность реакций синтеза сложных
молекул из более простых с накоплением энергии
15

16. Дыхание

Энергия органических веществ выделяется в
метаболических процессах при дыхании организмов
Дыхание — это процесс биохимического окисления, в
результате которого энергия, выделенная при распаде
органических веществ, передается на универсальную
энергонесущую молекулу аденозинтрифосфорной
кислоты (АТФ), где она хранится в виде
высокоэнергетических фосфатных связей
16

17. Схема молекулы АТФ

Р
Аденин
Р
Р
Рибоза
Макроэргические связи
АТФ
АДФ + РО43- + Q
АДФ
АМФ + РО43- + Q
17

18. 1. Аэробное дыхание

C6H12O6 + 6O2 = 6СO2 + 6H2O + Q1
Q1 = Qпот = 686 ккал / моль (38 молекул АТФ)
• процесс, обратный фотосинтезу
• акцептором электронов является кислород
• появление аэробного дыхания создало предпосылки для
появления многоклеточных форм жизни и их эволюции (за
счет высокого выхода энергии)
• аэробное дыхание протекает у подавляющего
большинства живых организмов, включая растения
18

19. 2. Анаэробное дыхание

C6H12O6 + CH3COOH = 4CO2 + 4CH4 + Q2
метан
Q2 < Qпот (2 молекулы АТФ)
• Акцептором электронов служит не кислород, а какие-либо
окисленные соединения – нитраты, сульфаты, органические
кислоты и др.
• Происходит в основном у анаэробных бактерий, но может
протекать в тканях животных и человека
• Разложение идет с образованием продуктов неполного
окисления, содержащих энергию
19

20. 3. Брожение

Ферменты
C6H12O6 = 2C2H5OH + 2CO2 + Q3
этанол
Q3 < Qпот (2 молекулы АТФ)
• Анаэробный процесс, разновидность дыхания, при
котором органическое вещество само служит и донором,
и акцептором электронов
• Протекает у дрожжей, молочнокислых, уксуснокислых
бактерий и др.
• Процесс идет с образованием продуктов неполного
окисления
20

21. Часть 3

БИОТИЧЕСКИЙ БАЛАНС
В ЭКОСИСТЕМАХ
21

22. 1. Продукция и деструкция

Процессы образования органических веществ и их распад
в масштабах экосистемы и биосферы называют также
процессами продукции (лат. productio — создание,
производство) и деструкции (лат. destructio —
разрушение)
Продукция (первичная продукция) – органическое
вещество созданное продуцентами (главным образом, в
процессе фотосинтеза) в единицу времени на единицу
пространства
Деструкция – органическое вещество, распавшееся в
единицу времени на единице пространства в результате
дыхания всех организмов
22

23. 2. Биотический баланс

Продукционно-деструкционный (биотический) баланс
экосистемы - соотношение скоростей автотрофных и
гетеротрофных процессов (синтеза и распада, продукции и
деструкции)
Биотический баланс - важная функциональная
характеристика экосистем:
П/Д >1 – положительный баланс – органическое вещество
накапливается (автотрофная экосистема)
П/Д≈1 – нулевой баланс (излишки органических веществ
отсутствуют)
П/Д<1 – отрицательный баланс (гетеротрофная экосистема)
23

24.

Примеры экосистем с различным биотическим балансом:
Автотрофные экосистемы: тропический лес, эвтрофное
озеро, агроэкосистема
Экосистемы с нулевым балансом: олиготрофные озера,
пустыни, глубоководные районы океана
Гетеротрофные экосистемы: горная река, город,
канализационные очистные сооружения (аэротенки)
Изменение биотического
баланса экосистемы может быть
следствием негативного
антропогенного воздействия
24

25.

Продукционно-деструкционный баланс в
биосфере в целом положительный (П>Д)
Соотношение концентраций СО2 и О2 в атмосфере
характеризует баланс автотрофных и гетеротрофных
процессов в биосфере в целом
За последние 60 млн. лет в атмосфере установилось
относительно постоянное содержание О2 (21%) и СО2
(0,038%).
Отставание процессов разложения органических
веществ от процессов синтеза их зелеными растениями
обусловило накопление в недрах горючих ископаемых
(300-500 млн. лет назад), а в атмосфере — кислорода
25

26. 3. Продуктивность экосистем

Продуктивность экосистем - это скорость, с которой живые
организмы экосистемы производят органическое вещество
(биомассу)
Рассчитывается за единицу времени на единице площади
(для наземных экосистем) или в единице объема (для водных
экосистем)
Единицы измерения:
количество сконцентрированной в биомассе энергии (ккал /
м2•сут. или ккал / м2•год)
количество связанного в биомассе углерода (гС/м2•сут. или
гС/ м2•год)
1 ккал энергии = 0,1068 г углерода С
26

27.

Продуктивность экосистем определяется
комплексом факторов:
наличием воды
количеством и доступностью питательных веществ
интенсивностью солнечной радиации
климатическими условиями
способностью экосистемы привлекать дополни-тельные
источники энергии и т.д.
Основная биомасса и продуктивность Земли
определяется лесами и болотами
Главный вклад вносят тропические леса - 29%
Вклад лесов умеренного пояса и бореальных лесов
составляет 15%.
27

28.

Плодородие джунглей
Амазонки обеспечивает
фосфор из высохшего
озера в центре Сахары
(Республика Чад)
Ежегодно из Сахары
выносится в среднем
182 млн. т пыли, а до
Амазонии доходит
около 28,8 млн. т
(Hongbin Yu et al., 2015)
Фото NASA's Goddard Space Flight Center
(с сайта lenta.ru)
28

29.

29

30.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра водопользования и экологии
Автор
Макарова Светлана Витальевна
[email protected]