§ 13. Вещество и энергия для жизни на Земле

Определения и обозначения

Фотосинтез — образование органических веществ из углекислого газа и воды за счёт энергии света. Хлорофилл улавливает свет и помогает запасать его энергию в химических связях органических веществ. При этом выделяется кислород, поэтому фотосинтез обеспечивает пищей многие организмы и поддерживает состав атмосферы.

Хемосинтез — образование органических веществ из углекислого газа за счёт энергии химических реакций окисления неорганических веществ. Свет и хлорофилл для этого процесса не требуются. Такое определение помогает отличать хемосинтез от фотосинтеза по источнику энергии.

Продуценты — организмы, создающие органические вещества из неорганических. К ним относятся зелёные растения, водоросли и некоторые бактерии, осуществляющие фотосинтез, а также бактерии-хемосинтетики. Продуценты образуют первый уровень большинства цепей питания.

Круговорот веществ — многократное перемещение и преобразование веществ между живыми организмами и неживой природой. Вещества переходят из почвы, воды и воздуха в организмы, а после их отмирания возвращаются в окружающую среду. Благодаря этому одни и те же химические элементы могут использоваться снова.

Как это устроено

Основным источником энергии для большинства экосистем служит Солнце. Растения, водоросли и некоторые бактерии поглощают свет и превращают его энергию в энергию органических веществ. Поэтому солнечный свет становится началом многих пищевых цепей: животные получают энергию, поедая растения или других животных.

При фотосинтезе углекислый газ и вода превращаются в органические вещества, например глюкозу. Энергия света необходима для перестройки связей между атомами и запасается в получившихся молекулах. Образующийся кислород выделяется в окружающую среду и используется организмами при дыхании.

Некоторые бактерии живут там, куда свет почти не проникает, но всё равно создают органические вещества. Они получают энергию при химическом окислении неорганических соединений, например соединений серы, железа или азота. Поэтому хемосинтез позволяет образовывать органическое вещество независимо от освещения.

Органические вещества, созданные продуцентами, переходят к растительноядным животным, затем к хищникам и другим потребителям. После отмирания организмов разрушители расщепляют их остатки, возвращая в среду воду, углекислый газ и минеральные соединения. Продуценты снова поглощают эти вещества, поэтому элементы не исчезают, а меняют форму и место нахождения.

Вещество в экосистеме движется по замкнутым циклам, а энергия передаётся преимущественно в одном направлении. На каждом следующем уровне питания часть энергии расходуется организмами и рассеивается в виде тепла. Поэтому вещество может возвращаться к продуцентам, а для поддержания жизни требуется постоянный приток энергии.

Сравнение фотосинтеза и хемосинтеза

Чтобы пользоваться таблицей, сначала сравните источник энергии, а затем проверьте, нужен ли свет. Если энергия появляется при окислении неорганических веществ, речь идёт о хемосинтезе. Оба процесса создают органическое вещество из углекислого газа, но используют разные источники энергии.

Разбор задач

Задача 1

Условие: бактерии используют энергию света, чтобы образовать органические вещества из углекислого газа. Нужно определить описанный процесс. Решение начинаем с поиска источника энергии.

1. В условии прямо указано, что используется свет.
2. Органические вещества образуются из углекислого газа, то есть происходит создание органического вещества из неорганического.
3. Такое сочетание признаков соответствует фотосинтезу, даже если процесс выполняют бактерии, а не растения.

Ответ: описан фотосинтез. Главный признак — использование энергии света для синтеза органических веществ.

Задача 2

Условие: в первом описании бактерии используют свет, а во втором — энергию окисления неорганических веществ. Нужно назвать процессы и различие между ними. Сравниваем не название организма, а источник энергии.

1. Использование света указывает на фотосинтез.
2. Получение энергии при окислении неорганических веществ указывает на хемосинтез.
3. Оба процесса создают органические вещества, но фотосинтез зависит от света, а хемосинтез может идти без него.

Ответ: первое описание — фотосинтез, второе — хемосинтез; их основное различие состоит в источнике энергии.

Задача 3

Условие: рассмотрена цепь «растение → травоядное животное → хищник». Нужно определить путь вещества и энергии, а также изменения после отмирания организмов. Для этого отдельно прослеживаем вещество и энергию.

1. Растение получает углекислый газ, воду и минеральные вещества, а энергию — от Солнца.
2. Травоядное получает органическое вещество и запасённую энергию, поедая растение; хищник получает их через травоядное.
3. После отмирания разрушители расщепляют остатки, возвращая неорганические вещества в среду, а энергия рассеивается в виде тепла и не возвращается в цикл.

Ответ: вещество проходит через организмы и возвращается в неживую природу, а энергия движется по цепи питания в одном направлении и постепенно рассеивается.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все продуценты используют свет. Так думают, потому что чаще всего знакомятся с растениями, но бактерии-хемосинтетики получают энергию из химических реакций. Проверьте себя: найдите источник энергии — свет или окисление неорганических веществ.

Ошибка: называть фотосинтезом любое образование органических веществ. Органические вещества действительно могут создавать и хемосинтетики, однако свет при этом не используется. Если в условии говорится о химическом окислении, правильный ответ — хемосинтез.

Ошибка: представлять энергию как вещество, которое циркулирует по кругу. Вещество возвращается в окружающую среду, а энергия при передаче частично рассеивается в виде тепла. Для проверки спросите себя, может ли энергия снова попасть к продуцентам в прежнем количестве.

Ошибка: считать, что органические вещества создают только растения. Их образуют также водоросли и некоторые бактерии, причём бактерии могут использовать свет или химическую энергию. Всегда учитывайте способ питания организма, а не только его внешний вид.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно различать органические и неорганические вещества. Также важно понимать, как устроены цепи питания: в них вещество и энергия переходят от одного организма к другому.

Тема напрямую связана с круговоротом веществ и потоком энергии в экосистемах. Она помогает объяснить, почему разрушители необходимы для возвращения минеральных веществ в почву и воду.

Знание фотосинтеза пригодится при изучении строения растений, дыхания и роли организмов в биосфере. Сравнение фотосинтеза и хемосинтеза показывает разнообразие способов получения энергии у живых организмов.

Что запомнить

• Солнце — главный источник энергии для большинства экосистем.
• При фотосинтезе энергия света запасается в органических веществах.
• Хемосинтез использует энергию химических реакций, а не света.
• Продуценты создают органические вещества из неорганических.
• Вещество в природе совершает круговорот.
• Энергия передаётся по цепям питания и рассеивается в виде тепла.