Основи екології 4 страница

Структура, предмет, завдання й методи сучасної екології.

Вперше термін «екологія» (від грец. ойкос — житло, місцеперебування та логос — наука) запропонував у 1866 р. німецький дослідник природи Е. Геккель, однак формування екології як науки почалося в XX ст. й триває досі. Сучасна екологія — це системна наука, що має багатоярусну конструкцію, в якій кожен із поверхів спирається на безліч традиційних дисциплін (М. М. Мойсеєв). Специфіка сучасної екології полягає в тому, що вона із суто біологічної науки перетворилася на цілий цикл знань, увібравши в себе розділи географії, геології, хімії, фізики, соціології, теорії культури, економіки й навіть теології (М. Ф. Реймерс). На думку інших учених, екологія — це соціально-природнича наука; її однаково можна віднести і до біологічної, і до географічної галузей знань і її слід розглядати як цілком самостійну науку, що набула фундаментальності й глобальності.

Екологія в широкому розумінні об´єднує в собі десятки наукових напрямів, хоча, на жаль, у наш час іще немає таких необхідних екологів-професіоналів широкого профілю. Ця ситуація вкрай небезпечна: вона веде до серйозних економічних втрат і соціальних збитків. Екологи найвищої кваліфікації все ще роз´єднані. (О. В. Яблоков, російський зоолог, еколог).

Сучасна екологія з традиційної біоекології виросла в комплексну, складну, багатогранну інтегральну науку-лідера, стала філософією виживання людства — екологічною філософією. Вона, як і раніше, базується на біогеографічних знаннях, але для вивчення й осмислення всіх складових сучасних екологічних проблем, установлення прямих і зворотних зв´язків між процесами, які формують екологічні умови, визначення шляхів виходу з екологічної кризи, розроблення для цього конкретних локальних, регіональних і глобальних планів та програм сучасна наука про довкілля залучає знання практично з усіх інших наук.

Сучасна екологія — це одна з головних фундаментальних наук про взаємовідносини живої й неживої природи, нова філософія людства, що перебуває в стадії формування. Це наука про середовище нашого проживання, його живі й неживі компоненти, їхній взаємозв´язок, що формує умови життя та розвитку всіх екосистем. Це наука про узгодження Стратегії Природи й Стратегії Людини, що має базуватися на ідеях самообмеження й самозбереження, розумної коеволюції техносфери й біосфери.

Екологічна діяльність нині — обов´язкова, а здебільшого — одна з основних складових будь-якої сфери людської діяльності: промислового виробництва, енергетики, сільського й лісового господарства, транспорту, наукових досліджень, військової справи, культури, релігії та ін. Усі рішення, пов´язані з використанням природних чи людських ресурсів, із втручанням у процеси життєдіяльності біосфери, слід приймати з урахуванням найближчих і віддалених наслідків.

Об´єкти досліджень науки про довкілля або її галузевих підрозділів — це екосистеми планети та їхні елементи (залежно від рівня досліджень).

Головний предмет досліджень нової екології — взаємозв´язки (їхні особливості й розвиток) живих організмів, їхніх груп різних рангів, живих і неживих компонентів екосистем, а також характер впливу природних і антропогенних факторів на функціонування екосистем і біосфери в цілому.

Основні завдання екології XXI століття:

– вивчення загального стану сучасної біосфери, умов його формування та причин змін під впливом природних і антропогенних факторів;

– прогнозування динаміки стану біосфери в часі й просторі;

– розробка з урахуванням основних екологічних законів шляхів гармонізації взаємовідносин людського суспільства й Природи, збереження здатності біосфери до самоочищення, саморегулювання й самовідновлення.

Сучасні екологічні дослідження мають стати науковою базою для розробки стратегії й тактики поведінки людства у XXI ст.

Оскільки для ефективного вирішення сучасних екологічних проблем необхідно мати фактичний і науковий матеріал геохімічного, геофізичного, біохімічного, біологічного, медичного, фізичного, хімічного, геологічного, соціального, економічного та іншого характеру, а також можливість статистичної обробки, програмування, моделювання різних процесів, синтезування й прогнозування, сучасна екологія використовує всі ефективні, в тому числі найновіші, методи й апаратуру цих наук — і природничих, і технічних, і соціальних.

Останніми десятиліттями в усьому світі почали розвиватися найрізноманітніші напрями екологічних досліджень, мета яких — забезпечити спеціалістів необхідною для прийняття рішень екологічною інформацією в усіх сферах людської діяльності. На сьогодні вже сформувалося близько 90 напрямів екологічних досліджень, які можна умовно об´єднати за принципом галузевої належності (з подальшим поділом у кожній галузі), пріоритетності, належності до геосфер та їхніх компонентів, взаємопідпорядкованості, соціально-економічної значущості з урахуванням прямих і зворотних зв´язків (рис. 1. 3.).

Деякі фахівці (Т. Акимова, В. Хаскін та інші) серед розділів сучасної екології виокремлюють загальну екологію (більшість біологів ототожнюють її з біоекологією) як таку, що об´єднує різні екологічні знання на ще й досі єдиному науковому фундаменті. Головною складовою загальної екології вважають теоретичну екологію, яка визначає загальні закони функціонування екосистем. Цьому допомагають експериментальна та математична екологія (моделювання екологічних процесів, обробка інформації та кількісний аналіз), що входять до складу загальної екології.

Ми також дотримуємося думки, що загальну екологію слід відділити від низки прикладних екологічних наук як теоретичну, але з умовою, що основу її становить біоекологія з усім колом сучасних проблем.

Біоекологія вивчає найзагальніші закономірності взаємовідносин організмів та їх угруповань із зовнішнім середовищем у природних умовах, формує уявлення про екологію як економіку природи на основі вивчення потоків речовини, енергії та інформації в життєдіяльності організмів, їх груп та біологічних систем. Вона є материнським субстратом і головною складовою сучасної екології.

У зв´язку з розширенням людської діяльності й посиленням її негативних впливів на природу останніми десятиліттями активно розвиваються різні напрями в сфері прикладної екології. Цих напрямів набагато більше, ніж у блоці класичних біоекологічних наук. Прикладна екологія вивчає механізми руйнування біосфери, розробляє методи запобігання йому й способи раціонального природокористування.

Прикладна екологія складається з трьох основних блоків — геоекологічного, техноекологічного й соціоекологічного — кожен з яких, відповідно до диференціації галузевих напрямів, має десятки відгалужень.

Геоекологія вивчає специфіку взаємовідносин організмів і середовища їх існування в різних географічних зонах, на суходолі й в океані, в тундрі, тайзі й тропіках, у горах і пустелях тощо, дає екологічну характеристику різних географічних регіонів, областей, районів, ландшафтів, розглядає екологічні наслідки ендо- й екзогенних геологічних процесів, видобування корисних копалин, здійснює екологічне картографування. Нині є ще кілька означень геоекології (В. Боков, І. Черваньов, І. Дедю, В. Некос), які не збігаються, але за суттю близькі до наведеного тут.

Техноекологія — найбільший блок прикладних екологічних напрямів (відповідно дисциплін), пов´язаних із такими об´єктами людської діяльності, як енергетика, промисловість, сільське господарство, транспорт, військова справа, наука, космос. Вона визначає обсяги, механізми й наслідки впливів на довкілля та здоров´я людини різних галузей і об´єктів, особливості використання ними природних ресурсів, розробляє регламентації природокористування й технічні засоби охорони природи, опікується проблемами утилізації відходів виробництва та відтворення зруйнованих екосистем, екологізацією виробництв.

Соціальна екологія досліджує специфічну роль людини в довкіллі не як біологічного виду, а як соціальної істоти, відмінності цієї ролі від функції інших живих істот, вивчає шляхи оптимізації взаємовідносин людського суспільства з природою, формує екологічну свідомість, екологічну культуру за допомогою нових методів і підходів екологічної освіти та виховання, формулює закони про екологічне природокористування, принципи й критерії екологічного менеджменту, контролю й бізнесу, здійснює соціально-екологічний моніторинг, закладає основи локальної, регіональної та глобальної екологічної політики. Соціоекологія тісно пов´язана з етнографією і соціологією.

Кожен із напрямів екологічних наук має свою специфіку, своє коло питань, що їх слід вирішувати, свої особливості екологічного моніторингу, свої методи й масштаби досліджень, контролю та менеджменту, але завдання в них одне: визначити характер забруднень довкілля, пов´язаних із тим чи іншим видом діяльності людини, обсяги цих забруднень, ступінь їхньої небезпечності, можливості нейтралізації завданої природі шкоди, а також шляхи оптимальної екологізації технологій, підвищення ефективності охорони природи, збереження й відновлення природних ресурсів.

Спеціалісти різних напрямів використовують матеріали досліджень один одного під час розробки своїх моделей і прогнозів стосовно природного середовища, природних ресурсів, урбанізації, демографічних проблем.

Завершуються різнопланові екологічні дослідження узагальненням усієї добутої інформації для розробки й реалізації планів та програм раціонального природокористування на локальному, регіональному й глобальному рівнях, створення наукових засад економіки природокористування, а також для формування регіональної і національної екологічної політики, укладання міжнародних угод, договорів у сфері природокористування, охорони довкілля та екологічної освіти, тобто визначення тактики й стратегії збалансованого розвитку людства, збереження біосфери й життя на Землі.

ГЛАВА 2. БІОЕКОЛОГІЯ

2.1. Загальне уявлення про біосферу

2.2. Походження й еволюція біосфери

2.3. Джерела й кількість енергії в біосфері

2.4. Біогеоценози — елементарні одиниці біосфери

2.5. Види, популяції та середовище

2.6. Основні екологічні закони

2.7. Ноосфера

2.8. Біорізноманітність і її збереження

2.1. Загальне уявлення про біосферу

На земній поверхні немає хімічної сили, могутнішої за своїми кінцевими наслідками, ніж живі організми, взяті в цілому. (В. І. Вернадський, основоположник біогеохімії, радіогеології, творець учень про біосферу та ноосферу, перший президент Академії наук України).

Жива речовина.

Що принципово відрізняє нашу планету від будь-якої іншої планети Сонячної системи? Наявність життя. «Якби на Землі не було життя, — писав академік В. І. Вернадський, — обличчя її було б так само незмінним і хімічно інертним, як нерухоме обличчя Місяця, як інертні уламки небесних світил». Життя на Землі реалізується у формі живої речовини, яку часто називають також біотою. Поняття «жива речовина» ввів у науку В. І. Вернадський і розумів під ним сукупність усіх живих організмів планети. Образно кажучи, всі організми — від бактерій, що потрапили на цю сторінку, до останнього дерева й тварини, до автора й читача цих рядків — становлять живу речовину. Вона виконує надзвичайно важливу роль у процесах, що відбуваються в усіх сферах Землі.

Функції живої речовини.

Жива речовина протидіє хаосові та ентропії. Використовуючи прямо й непрямо сонячну енергію, жива речовина створює з простих, бідних на енергію молекул, передусім води й вуглекислого газу, складніші й енергетично впорядкованіші сполуки — вуглеводи, білки, жири, нуклеїнові кислоти та інші — або переробляє їх. Жива речовина концентрує хімічні елементи, перерозподіляє їх у земній корі, руйнує й агрегує неживу матерію, окислює, відновлює й перерозподіляє хімічні сполуки. «Можна без перебільшення стверджувати, що хімічний стан зовнішньої кори нашої планети, біосфери, цілком перебуває під впливом життя, визначається живими організмами», — писав В. І. Вернадський.

Наприклад, бактерії однієї з груп — залізобактерії — дістають необхідну для життя енергію за рахунок окиснення двовалентного заліза до тривалентного. При цьому в процесі утворення 1 г біомаси цих бактерій відбувається окиснення до 500 г солей двовалентного заліза. Кінцеві продукти — солі тривалентного заліза — відкладаються навколо бактеріальної клітини й утворюють так звану болотну руду. Саме з болотної руди за часів Київської Русі виплавляли чавун.

На прикладі залізобактерій ми простежуємо кілька функцій живої речовини:

– окиснення;

– концентрація;

– перерозподіл хімічних елементів.

Кількість живої речовини. Суха маса живої речовини оцінюється в 2—3 трлн т — приблизно в мільярд разів менше за масу Землі. Проте жива речовина відрізняється від неживої надзвичайно високою активністю, зокрема дуже швидким кругообігом речовин. Уся жива маса біосфери оновлюється за 33 дні, а фітомаса, тобто маса рослин, — щодня. Життєдіяльність тварин, рослин і мікроорганізмів супроводжується безперервним обміном речовин між біотою та зовнішнім середовищем, унаслідок чого всі атоми земної кори, атмосфери й гідросфери протягом історії Землі багаторазово входили до складу живих організмів. Образно кажучи, ми п´ємо воду, що колись входила до складу тканин юрських папоротей і кембрійських трилобітів, і дихаємо повітрям, яким дихали не лише наші далекі предки, а й динозаври.

Основні властивості живої речовини:

– високоорганізована внутрішня структура;

– здатність уловлювати із зовнішнього середовища й трансформувати речовини та енергію, забезпечуючи ними процеси своєї життєдіяльності;

– здатність підтримувати сталість власного внутрішнього середовища, незважаючи на коливання умов середовища зовнішнього, якщо ці коливання сумісні з життям;

– здатність до самовідтворення шляхом розмноження.

Жива речовина існує у формі конкретних живих одиниць — організмів (індивідів), які, своєю чергою, групуються в більш або менш дискретні одиниці існування матерії — види.

Кожен організм має свою програму розвитку й діяльності, записану у вигляді певної сукупності генів, — генотип. Ця програма реалізується в характерних, притаманних лише даному організмові зовнішньому вигляді, фізіологічних і біохімічних властивостях, у поведінці. Сукупність усіх ознак та властивостей, що визначаються генотипом, називається фенотипом. За рахунок фенотипу організм оптимальною мірою пристосовується до зовнішнього середовища, перебуває з ним у найбільш гармонійних відносинах. Організми одного виду мають досить схожі, хоча й не ідентичні генотипи й фенотипи. Сукупність генотипів усіх видів нашої планети становить її генофонд (це майже синонім терміна «видова різноманітність»). Отже, втрата будь-якого виду призводить до зменшення видової різноманітності й порушує гармонію у взаємовідносинах живої та неживої речовин.

Біосфера та її межі.

Простір нашої планети, в якому існує й «працює» жива речовина, називають біосферою (від грец. біос — життя та сфера — куля). Перші уявлення про біосферу як «зону життя» дав відомий французький природознавець Ж.-Б. Ламарк, а термін «біосфера» ввів у науку австрійський геолог Е. Зюсс (1875 р.). Проте цілісне вчення про біосферу створив наш видатний співвітчизник, засновник і перший президент Академії наук України В. 1. Вернадський.

Біосфера охоплює три геологічні сфери — частини атмосфери й літосфери та всю гідросферу. Межі біосфери визначаються межами поширення й активної роботи живої речовини.

Верхня межа біосфери в атмосфері, на думку одних учених, проходить на висоті вершин Гімалаїв (10 км над рівнем моря), на думку інших, — досягає нижніх шарів стратосфери (30 км), де ще трапляються в досить великій кількості спори й навіть клітини бактерій, грибів і деяких водоростей, що активно вегетують. Іноді верхньою межею біосфери вважають озоновий шар (25—30 км над поверхнею планети), вище від якого живе зазвичай гине під дією космічних випромінювань.

Межа біосфери в літосфері також чітко не окреслена. Починаючи з глибин 0,5—2 м від земної поверхні кількість живої речовини зменшується в логарифмічній послідовності. На глибинах понад 10 м породи, як правило, вже стерильні. Та навіть у товщі стерильної породи іноді трапляються острівці життя. Найбільші глибини, де знайдено живу речовину, — 2—3 км. У нафтових родовищах на цих глибинах виявлено свою, «нафтову», мікрофлору. Нафта залягає також і на значно більших глибинах — до 5—7 км. Припускають, що й у таких глибинних родовищах можна знайти «нафтові» бактерії. Деякі дослідники нижньою межею біосфери вважають глибини, на яких температура літосфери починає перевищувати 100 °С: близько 10 км на рівнинах і 7—8 км у горах.

Межі біосфери в гідросфері окреслені чітко: біосфера охоплює всю гідросферу, в тому числі найбільші океанічні западини до 11 км, де існує значна кількість глибоководних видів.

У цілому екологічний діапазон поширення живої речовини досить великий.

У 1977 р. в океані на глибині кількох кілометрів було знайдено гарячі вулканічні зони, в яких за температури 350 °С існують численні термофільні бактерії (вода там не кипить через високий тиск і велику концентрацію солей).

В експериментах американського дослідника Р. Камерона синьозелені водорості протягом кількох місяців не втрачали життєздатності в умовах, що відповідали марсіанським.

Жива речовина не гине в рідкому азоті (на цій властивості ґрунтуються методи кріоконсервації всіляких живих організмів).

Деякі види, наприклад ті ж таки синьозелені водорості, не гинуть під дією потужного іонізуючого випромінювання й оселяються в епіцентрі ядерного вибуху вже через кілька днів після його здійснення.

Жива речовина здатна зберігатися навіть в умовах відкритого Космосу. Так, третя експедиція американських астронавтів забула на Місяці телекамеру. Коли через півроку її повернули на Землю, на внутрішньому боці кришки було виявлено земні бактерії, котрі без будь-яких шкідливих наслідків пережили тривале перебування за межами рідної планети.

Проте слід пам´ятати, що, незважаючи на свої великі потенційні можливості, «працює» жива речовина лише в межах біосфери.

2.2. Походження й еволюція біосфери

Довго-довго, весну й літо, творила Земля. Коли вона втомилася від цього пекучого щастя, тихими безмовними піснями підступила до неї осінь. У розкішний холодний танок сплела вона останні барви Землі, й безживно, але яскраво й смалко палали вони кілька тижнів... Адже життя на Землі почалося лише в найостаннішип період її буття, коли достатньо знизилася температура, згустилися пари води й утворилися моря. (О. С. Серебровський, російський біолог, один з основоположників генетики).

Біосфера має довгу й багато в чому драматичну історію, тісно пов´язану з еволюцією Землі. Еволюцію Землі можна умовно поділити на кілька фаз.

Перша фаза.

Формування ранньої земної кори, атмосфери та гідросфери. Виникнення геологічного кругообігу речовин. Згідно з найпоширенішою серед астрономів і астрофізиків гіпотезою, Всесвіт виник близько 20 млрд. років тому внаслідок Великого вибуху. Потім утворилася наша Галактика (8 млрд. років тому).

Близько 6 млрд. років тому у віддаленій частині одного з рукавів Галактики розтягнута на трильйони кілометрів газопилова хмара під дією гравітаційних сил поступово ущільнилася й перетворилася на водневий диск, що повільно обертався. З його центральної частини утворилося Сонце, де за надзвичайно високих температури й тиску почалися реакції ядерного синтезу, в ході яких водень перетворювався на гелій і виділялася величезна кількість енергії. Периферичні залишки диска також зближувалися під дією сил взаємного притягання, поступово ущільнювалися, доки не перетворилися на суцільні сфери — планети Сонця. Потім поверхні таких сфер тверднули, утворюючи первинну планетарну кору.

Первинна кора нашої планети — Землі — утворилася приблизно 4,6 млрд. років тому. Відтоді на її поверхні осідали метеорити й космічний пил. Завдяки ізотопному аналізові таких метеоритних залишків (метеоритного свинцю) вдалося визначити час виникнення земної кори, тобто дату народження нашої планети. З тріщин тонкої кори неперервно вивергалася розжарена лава, а разом із нею — гази. Втримуванні гравітаційними силами, ці гази утворили первинну атмосферу планети. Вона складалася з метану, аміаку, водяної пари, вуглекислого газу, сірководню, ціанистого водню й практично не містила кисню та озону.

Коли поверхня планети охолола, водяна пара почала конденсуватися в атмосфері й випадати першими дощами, розчинюючи численні мінерали земної кори. Поступово вода накопичувалася, утворюючи океани. На планеті сформувалася гідросфера. Циркуляція атмосферних мас, води й розчинених у ній мінералів, переміщення магматичних.продуктів на поверхню планети й знову в її надра породили великий, або геологічний, кругообіг речовин. Закінчувалася перша фаза еволюції нашої планети.

Друга фаза.

Передбіологічна (хімічна) еволюція. Протягом цієї фази (4,6—3,8 млрд. років тому) на Землі відбувалися процеси синтезу й накопичення простих органічних сполук, необхідних для існування життя: амінокислот і простих пептидів, азотистих основ, простих вуглеводів. Ці сполуки, «цеглинки життя», виникли внаслідок процесів абіотичного синтезу.

Гіпотезу про можливість виникнення таких сполук абіотичним шляхом, тобто без участі живої речовини, висловив у 1923 р. російський біохімік, академік О. І. Опарін, а вперше експериментально перевірив у 1953 р. американський аспірант С. Міллер. У своїх дослідах С. Міллер зімітував умови давньої Землі: в стерильний реактор він помістив водень, метан, аміак та воду, і крізь цю суміш пропускав електричні розряди, імітуючи блискавки в первинній атмосфері. За тиждень у реакторі було виявлено кілька амінокислот, деякі прості вуглеводи, інші органічні сполуки, які входять до складу живої речовини. Експерименти С. Міллера, повторені й підтверджені в багатьох інших лабораторіях, довели: майже всі мономери біополімерів могли синтезуватись абіотичним шляхом. Цікаво, що в зразках місячного реголіту (поверхневої породи, яка не має аналогів на Землі) також знайдено «цеглинки життя»: деякі амінокислоти й прості вуглеводи, пурини й піримідини — одні з основних компонентів нуклеїнових кислот. Органічні речовини нагромаджувалися в океані, утворюючи так званий «первинний бульйон».

Одні вірять у біблійну історію створення, інші — в доводи сучасного природознавства, але всі згодні, що життя зародилося в океані. Ні Бог, ні природа не могли б створити людину з безживної вулканічної породи. Довгий і складний розвиток, вінцем якого стала людина, починався в товщі океану, коли енергія Сонця вперше перетворила гази й продукти вивітрювання гірських порід на протоплазму й живі клітини. (Т. Хейєрдал, норвезький етнограф, географ, археолог, мандрівник).

Релігія розглядає виникнення життя на Землі як акт творіння Господа, даючи часом досить витончені тлумачення опису цього акту Книгою Буття й різко критикуючи наукові гіпотези природного походження життя.

Деякі вчені (в тому числі видатні — В. І. Вернадський, Ф. Крик) вважають, що живі організми були занесені на Землю з Космосу або з метеоритами й космічним пилом (гіпотеза панспермії), або «зародки життя» розсилалися на зорі геологічної історії Землі якоюсь космічною надцивілізацією для запліднення безживних, але потенційно придатних для життя планет (спрямована панспермія).

Проте більшість біологів та еволюціоністів вважають, що життя на Землі виникло природним шляхом, у результаті процесів абіогенного синтезу. Сьогодні на основі цього припущення висунуто цілу низку наукових гіпотез, які, конкуруючи між собою, все ж мають спільні принципові позиції:

а) виникненню життя передувало нагромадження в Світовому океані органічних речовин, синтезованих абіогенним шляхом;

б) у зонах концентрації цих речовин виникли молекули, здатні до самокопіювання (стосовно живого цей процес називають реплікацією, отже Р. Докінз запропонував називати такі молекули реплікаторами);

в) на основі реплікаторів сформувалися реакції й механізми матричного синтезу (в тому числі біосинтез білків), генетичний код, що й зумовило виникнення на планеті клітин живої речовини.

Перше твердження вже доведено експериментально, а для другого й третього — фізиками, математиками, біологами й хіміками запропоновано низку моделей, кілька з яких мають непрямі експериментальні підтвердження.

Незалежно від того, яким шляхом з´явилося життя на нашій планеті, жива речовина докорінно змінила її зовнішній вигляд: на Землі виникла біосфера.

Третя фаза.

Давня біосфера. Еволюція прокаріотичного світу. Виникнення біологічного кругообігу речовин. Формування кисневої атмосфери. Ця фаза еволюції нашої планети почалася приблизно 3,8—4 млрд. років тому. Рештки перших живих організмів (їхній вік становить 3,8 млрд. років) дійшли до нас у вигляді так званих строматолітів — вапнякових решток синьо-зелених водоростей і актиноміцетів, а також у вигляді осадових порід; у котрих шари двовалентного заліза чергуються з шарами окисненого тривалентного, подібно до того, як це нині спостерігається в «мікробних матах» на узбережжях багатьох субтропічних морів.

Перші живі організми мали примітивну — прокаріотичну — будову, були анаеробами, тобто організмами, які існують у безкисневому середовищі. Вони жили в морях, «ховаючись» на глибині від згубного ультрафіолетового випромінювання Сонця, оскільки на планеті ще не існувало захисного озонового шару. Необхідні для життя енергію й речовини перші мешканці Землі діставали, використовуючи готові органічні сполуки первинного бульйону, тобто були гетеротрофами. Така «споживацька» стратегія життя, що ґрунтувалася на використанні обмежених запасів органічних речовин, нагромаджених протягом тривалої передбіологічної історії, могла б призвести до цілковитої переробки всього низькоентропійного й енергетично цінного матеріалу у відходи й урешті-решт — до загибелі всього живого.

Проте криза не настала, бо серед величезної різноманітності способів добування енергії й поживних речовин, які «випробовувалися» в давньому світі прокаріот, швидко з´явився принципово новий тип живлення — автотрофний. Організми-автотрофи для побудови своїх клітин не використовували готові органічні речовини, а самі синтезували їх з неорганічних — вуглекислого газу, води, азотовмісних і фосфоровмісних сполук. Такі процеси потребували значних енергетичних затрат. Необхідну енергію автотрофи діставали або за рахунок окисних реакцій — у процесі хемосинтезу, або в результаті прямого вловлювання й перетворення променистої енергії Сонця — фотосинтезу.

Перші автотрофні організми, мабуть, були хемосинтезуючими й діставали потрібну енергію, окиснюючи або сірку в сірководні до молекулярної сірки, або двовалентне залізо до тривалентного й т. п. Але справжня революція в юній біосфері почалася з появою фотосинтезуючих бактерій — ціанобактерій (синьозелених водоростей), які «навчилися» використовувати найпотужніше й найстабільніше в планетарному масштабі джерело енергії — сонячне світло.

З появою автотрофів на планеті замкнувся цикл біологічного кругообігу речовин, і на мільярди років відступила загроза енергетичного й харчового голоду. Автотрофи, що здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних, дістали загальну назву — продуценти, а гетеротрофи, які розкладають органічні сполуки до неорганічних, — редуценти. Водночас виникла ще одна група організмів, котрі використовували готові органічні речовини, не розкладаючи їх до мінеральних, а трансформуючи в інші органічні речовини. Цю групу споживачів — трансформаторів готової органіки — називають консументами. Першими консументами були бактерії, що живились органікою загиблих продуцентів (так званий сапротрофний тип живлення) або вели паразитичний спосіб життя всередині клітин продуцентів чи консументів-сапротрофів.

Відтоді естафету життя розпочинали автотрофи-продуценти, які з вуглекислого газу й води за допомогою сонячного світла чи то енергії окисно-відновних реакцій створювали молекули простих цукрів. Далі цукри полімеризувалися в полісахариди або трансформувалися в амінокислоти, нуклеотиди, жирні кислоти, гліцерин тощо, з яких утворювалися білки, нуклеїнові кислоти, жири та інші необхідні для клітини компоненти. З погляду другого закону термодинаміки, продуценти створювали низько-ентропійні сполуки, використовуючи для цього поглинуту променисту енергію.

Ці низькоентропійні, а отже, високоенергетичні сполуки — органічні речовини — в подальшому споживалися консументами. Зазвичай консументи спочатку поглинали складні органічні речовини, а потім частково розкладали їх на простіші, наприклад, полісахариди — на прості цукри, звільняючи енергію, потрібну для підтримання своєї життєдіяльності. Добута енергія витрачалася на трансформацію залишків використаних складних органічних речовин в інші необхідні речовини й на підтримання процесів метаболізму організмів-споживачів.

І нарешті, органічна речовина відмерлих продуцентів і консументів споживалася редуцентами. Давні редуценти, на відміну від консументів, виділяли в зовнішнє середовище ферменти (так звані екзоферменти), що розкладали складні органічні сполуки на простіші, а потім поглинали ці прості сполуки. Всередині клітин більшу частину поглинутих простих органічних сполук редуценти окиснювали до мінеральних речовин, одержуючи необхідну енергію, а із залишків створювали потрібні для себе складніші органічні речовини.

Дата добавления: 2015-05-24