Питание живых организмов

В процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды образуется основа органического вещества - глюкоза. Это не только важнейший источник энергии в клетках, но и основной строительный материал живого вещества. Глюкоза входит в состав многих более сложных соединений: лактозы, сахарозы, крахмала, целлюлозы, некоторых гликопротеинов.

Для построения, роста и обновления тканей продуцентам должны быть доступны кроме воды, углекислого газа и света многие другие неорганические вещества. Кроме того, растениям необходимы также разнообразные микроэлементы, содержащиеся в почве в небольших количествах (кобальт, марганец, железо, магний и другие). Для построения организма консументов, которые используют, в отличие от продуцентов, уже готовые органические соединения, их пища должна содержать углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты, необходимое количество витаминов и различные микроэлементы. Если в пище отсутствуют какие-либо из этих компонентов, то, сколько бы энергии (калорий) она не содержала, неизбежно появятся нарушения, вызванные неполноценным питанием. Питание животных (в том числе и человека) должно отвечать нескольким условиям:

• 1) питание должно быть сбалансировано по энергии. Количество потребляемой пищи (и энергии) определяется энергозатратами организма, то есть режимом и образом жизни;
• 2) питание должно быть полноценным по питательным веществам, в том числе витаминам и микроэлементам;
• 3) питание должно быть полноценным постоянно, поскольку организм не может запасать многие необходимые элементы впрок.

Что касается человека, то пища, как правило, должна проходить минимальную термическую обработку, поскольку при высоких температурах разрушаются витамины и микроэлементы. Кроме того, естественно, пища не должна содержать ядов, токсинов, вредных для здоровья консервантов и красителей.

Круговорот веществ

Химические элементы, входящие в состав живых систем и абиотических компонентов, циркулируют в биосфере по характерным путям из внешней среды в организмы и обратно во внешнюю среду. Эти в большей или меньшей степени замкнутые пути называют биогеохимическими циклами или биогеохимическим круговоротом веществ. Биогеохимические циклы - это обмен веществом и энергией между различными компонентами биосферы, обусловленный деятельностью живых организмов и носящий циклический характер. Движение необходимых для жизни элементов называется круговоротом биогенных элементов. При этом выделяют два круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговорот измеряется масштабами геологического времени и длится сотни тысяч или миллионы лет. При этом продукты разрушения и выветривания горных пород переносятся реками в Мировой океан, где они образуют морские отложения. Медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, тектоника плит, вызывающая перемещение морей и океанов, приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

На фоне глобального круговорота вещества в биосфере непрерывно происходят малые биотические круговороты. Малый круговорот заключается в том, что углекислый газ, вода и питательные вещества почвы извлекаются растениями и расходуются на построение тела и обеспечение жизненных процессов, как самих продуцентов, так и консументов. Растительные остатки и трупы консументов разлагаются редуцентами до минеральных компонентов, доступных растениям и вновь вовлекаемых ими в процесс фотосинтеза. Движение химических веществ из неорганической среды через живые организмы снова в неорганическую среду с использованием энергии Солнца и химических реакций носит название биогеохимического цикла.

Наиболее значимыми для функционирования биосферы являются круговороты основных биогенных элементов (органогенов), входящих в состав живого вещества: углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора и серы, поскольку они являются компонентами для построения основных молекул живого вещества - углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот. Движущими силами биохимического круговорота служат энергия солнечного излучения и деятельность всех живых организмов.

Очевидно, что важнейшую роль в обеспечении жизнедеятельности биосферы играет круговорот воды. Наибольшую активность в этом обмене проявляют атмосферная влага и речные воды, которые сменяются в среднем каждые 10-11 суток. Количество пресной воды на Земле весьма ограничено (менее 3% от объема всей гидросферы), однако чрезвычайно быстрая возобновляемость основных источников пресной воды и 29

опреснение воды в процессе круговорота гарантируют, что совсем без пресной воды Земля не останется.

Круговорот углерода является самым интенсивным. Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой - углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная с процессом дегазации мантии и нижних горизонтов земной коры.

Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями. Первый из них заключается в поглощении диоксида углерода из атмосферы в процессе фотосинтеза, в результате которого образуются глюкоза и другие органические вещества, из которых построены все растительные клетки. В дальнейшем эти вещества переносятся по пищевым цепям и образуют клетки и ткани всех остальных организмов экосистемы. Растения (автотрофы), животные (гетеротрофы), микроорганизмы и грибы (сапротрофы) для получения энергии в процессе дыхания расщепляют органические молекулы на углекислый газ и воду. Атомы углерода при этом вновь поступают в атмосферу, завершая тем самым очередной цикл.

Второй путь связан с растворением углекислого газа в воде и его взаимодействием с ионами кальция и магния. При этом образуется малорастворимые карбонаты кальция и магния, составляющие основу осадочных пород - известняков, доломитов и др. Карбонаты кальция и магния, накапливаясь на дне морей наряду с известковыми раковинами морских организмов, образуют мощные залежи известняков. Тектонические процессы могут привести к поднятию морского дна и отступлению моря. На обнажившихся осадочных породах поселяются растения и снова вовлекают в круговорот углерод, содержащийся в карбонатах.

Существенная особенность биогеохимических циклов - это неполная обратимость (незамкнутость) круговорота. В малом (биотическом) биогеохимическом круговороте степень обратимости годичных циклов биогенных элементов составляет от 95 до 98 процентов. Остальная часть циркулирующих веществ выходит из биотического круговорота и накапливается в литосфере, атмосфере или гидросфере, поступая в геологический цикл. Ежегодно из наземных экосистем переходит в геологический цикл около 130 млн. т углерода. В течение последних 600 млн. лет и вследствие неполной обратимости цикла углерода в литосфере накопилось огромное количество (10^|6- 10¹⁷ т) соединений углерода: уголь, нефть, известняк, битум, торф и др. Современное человечество в огромных количествах добывает это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, и, сжигая его, в определенном смысле завершает круговорот углерода.

Круговорот кислорода. Кислород является самым распространенным биогенным элементом. Например, если учитывать воду, тело человека состоит из 62,8% кислорода и 19,4% углерода. Потребление атмосферного кислорода и его возмещение продуцентами происходит сравнительно быстро. Для полного обновления всего атмосферного кислорода достаточно около 2000 лет. В настоящее время процессы фотосинтеза и дыхания, без учета деятельности человека, уравновешивают друг друга, и содержание кислорода в атмосфере остается практически постоянным.

Таким образом, благодаря непрерывно действующим круговоротам биогенных элементов поддерживается устойчивая и организованная структура биосферы Земли и протекает ее нормальное функционирование.

Глобальный характер хозяйственной деятельности человека приводит к заметным качественным изменениям естественных циклических процессов. По ряду параметров масштабы антропогенного влияния вполне сопоставимы с природными биогеохимическими циклами. Поступающие в биосферу техногенные продукты нарушают ее естественное функционирование, что приводит к нарушению отлаженного биогеохимического круговорота. Для многих элементов и соединений (тяжелые металлы, азот, сера, фосфор и др.) биогеохимические циклы все в большей степени становятся природно-антропогенными. Некоторые искусственные материалы (например, пластмассы) вообще не перерабатываются в биосфере и выпадают из биогеохимического круговорота.