Przedstaw znaczenie energii słonecznej w życiu organizmów autotroficznych i heterotroficznych oraz w funkcjonowaniu ekosystemów

Energia słoneczna związana jest z falami elektromagnetycznymi, emitowanymi przez Słońce. Długość tych fal mieści się w zakresie światła widzialnego i wynosi od około 400 do około 700nm. Energia słoneczna jest niezbędnym czynnikiem, warunkującym istnienie procesu fotosyntezy. Fotosyntezę, będącą jednym z podstawowych procesów biochemicznych na Ziemi przeprowadzają rośliny zielone. W jej wyniku powstaje materia organiczna.

Autotrofami nazywamy organizmy, które są zdolne do syntezy złożonych związków organicznych, z prostych związków nieorganicznych, takich jak woda i dwutlenek węgla. Proces ten zachodzi przy udziale energii. W zależności od tego, jakie źródło energii jest wykorzystywane do syntezy związków organicznych, wyróżniamy

• Organizmy fotoautotroficzne, wykorzystujące energię świetlną. Do tej grypy należą rośliny zielone, sinice oraz fotosyntetyzujące bakterie
• Organizmy chemoautotroficzne, wykorzystujące energię, pochodzącą z utlenienia różnych związków nieorganicznych. Do tej grupy należą bakterie chemosyntetyzujące

Rola światła w życiu organizmów fotosyntetyzujących

Fotosyntezą nazywamy proces syntezy złożonych związków organicznych, z prostych związków nieorganicznych, odbywający się przy udziale energii świetlnej. Fotosyntezę przeprowadzają komórki roślinne, zaopatrzone w chlorofil. W wyniku fotosyntezy powstaje prosty cukier, glukoza. Ubocznym produktem fotosyntezy jest tlen.

Intensywność procesu fotosyntezy zależy od natężenia światła. Im większe jest natężenie światła, tym intensywniej proces fotosyntezy przebiega. W pewnym jednak momencie następuje tak zwany punkt wysycenia światłem. Od tego momentu dalsze zwiększanie natężenia światła, nie powoduje wzrostu intensywności fotosyntezy. Rośliny cieniolubne szybciej osiągają ten punkt i w związku z tym, ich zapotrzebowanie na energię słoneczną jest mniejsze, w porównaniu z roślinami światłolubnymi.

Natężenie światła ma też ogromny wpływ na rozmieszczenie chloroplastów w komórce. Jeśli jest ono małe, wówczas chloroplasty przechodzą w położenie płaskie, to znaczy ustawiają się przy ścianie zewnętrznej, prostopadłej do kierunku padania światła. Jeśli natężenie padającego światła jest duże, wówczas chloroplasty przechodzą w położenie boczne, ustawiając się przy ścianach równoległych do kierunku padania światła.

Obecność światła jest niezbędnym czynnikiem, warunkującym powstanie chloroplastów, z proplastydów. W komórkach nienaświetlanych, proplastydy przekształcają się w leukoplasty.

Obecność światła jest czynnikiem niezbędnym głównie w przebiegu jasnej fazy fotosyntezy. Podczas fazy ciemnej fotosyntezy zachodzą procesy niezależne od światła i może ona przebiegać także w ciemności. Istotą fazy jasnej fotosyntezy jest wykorzystanie energii świetlnej do syntezy ATP oraz redukcji cząsteczki akceptora elektronów NADP⁺, do NADPH. Są to związki wysokoenergetyczne. Podczas fazy jasnej, chlorofil absorbuje energię świetlną, która jest przekształcana w energię elektryczną. Przejawia się to przepływem elektronów z cząsteczki chlorofilu. Część tej energii służy do syntezy ATP, a część zużywana jest do przeprowadzenia fotolizy wody. Wodór pochodzący z tej reakcji łączy się z akceptorem wodoru NADP⁺, tworząc NADPH.

W komórkach organizmów fotosyntetyzujących występują następujące rodzaje barwników:

• Chlorofil, będący podstawowym barwnikiem fotosyntetycznym. Pochłania światło o długościach fal odpowiadających barwom niebieskiej i czerwonej. Istnieje kilka rodzajów chlorofilu, przy czym najważniejszy jest chlorofil a. Barwnik ten inicjuje reakcje zależne od światła. Chlorofil b, jest barwnikiem pomocniczym, również uczestniczącym w fotosyntezie.
• Karotenoidy mają barwy żółte i pomarańczowe. Pochłaniają światło o innej długości niż chlorofile, co zwiększa zakres widma światła dostarczającego energii do fotosyntezy. Wzbudzona cząsteczka karotenoidu przekazuje swoją energię chlorofilowi.
• U sinic występują ponadto takie barwniki jak niebieska fikocyjanina oraz czerwona fikoerytryna. Spełniają one funkcję pomocniczą.

Chlorofil, barwniki pomocnicze oraz towarzyszące im przenośniki elektronów budują tak zwane fotosystemy. Fotosystemy są właściwymi jednostkami zbierającymi światło. Wyróżniamy dwa rodzaje fotosystemów:

• Fotosystem I (PSI): zawiera cząsteczkę chlorofilu a, zwaną P700, której maksimum absorpcji mieści się przy długości 700nm.
• Fotosystem II (PSII): zawiera cząsteczkę chlorofilu a, zwaną P680, która ma maksimum absorpcji przy długości 680nm.

Światło jest ponadto istotnym bodźcem, wywołującym u roślin reakcję ruchową. U roślin istnieje kilka typów ruchów wywołanych działaniem bodźca świetlnego:

• Fototropizm: jest to ruch typu wzrostowego, spowodowany kierunkowym działaniem światła. Polega na wygięciu organu w kierunku działania bodźca świetlnego. Wygięcie to, jest wynikiem nierównomiernego wzrostu długości organu, po obu jego stronach. To z kolei związane jest z nierównomiernym rozmieszczeniem auksyn, czyli roślinnych hormonów wzrostu po obu stronach organu. Ta część organu, po której jest więcej auksyn, przyrasta szybciej, co w efekcie powoduje wygięcie organu.
• Fotonastia: jest to nieukierunkowany ruch pod wpływem bodźca świetlnego. Następuje na skutek zmiany intensywności światła. Przykładem takiego ruchu jest zamykanie się kwiatów na noc i otwieranie w dzień.
• Nyktinastie: bodźcami powodującymi te ruchy są zjawiska związane z zapadaniem zmroku, w tym spadek natężenia światła. Przykładem nyktinastii są ruchy senne mimozy, lub fasoli.
• Fototaksje: są to zorientowane ruchy bakterii, sinic, czy jednokomórkowych glonów, w odpowiedzi na działanie bodźca świetlnego. Do fototaksji zaliczane są także ruchy chloroplastów.

Fotoperiodyzm jest reakcją fizjologiczną roślin na względną długość, kolejno zmieniających się okresów światła i ciemności. W zależności od wymagań periodycznych, wyróżniamy:

• Rośliny dnia długiego(RDK), zwane też roślinami długiej nocy. Tego typu rośliny nie wytwarzają kwiatów, jeśli długość dnia przekracza pewną krytyczną wartość. Do tej grupy należą między innymi astry, dalie, złocienie, czy ziemniaki
• Rośliny dnia długiego(RDD), zwane też roślinami krótkiej nocy. Aby mogły zakwitnąć długość dnia musi przekroczyć pewna krytyczną wartość. Do tej grypy należą takie rośliny jak burak, koniczyna, mieczyk oraz wiele gatunków zbóż
• Rośliny fotoperiodycznie obojętne, dla których długość dnia oraz nocy nie odgrywa większej roli. Mogą kwitnąć w różnych porach roku. Do tej grypy należą między innymi mniszek, słonecznik, pomidor, bawełna, czy goździk ogrodowy.

Reakcje fizjologiczne związane z fotoperiodyzmem, kontrolowane są dwie odmiany fitochromu. Odmiana P660 ma maksimum absorpcji przy długości fali 660nm, natomiast odmiana P735 ma maksimum absorpcji przy długości fali 735nm. Ponadto, w reakcjach tych bierze florigen, będący hormonem kwitnienia.

Wśród roślin wyróżniamy gatunki światłolubne oraz cieniolubne. Rośliny światłolubne wymagają silnego oświetlenia dla swojego rozwoju. Do tej grupy należy większość drzew, a ponadto rośliny rosnące w górach. Rośliny światłolubne mają grube liście, dobrze rozwinięty miękisz palisadowy, występujący niekiedy po obu stronach blaszki liściowej. Epiderma roślin cieniolubnych często wytwarza włoski i pokryta jest grubą warstwą kutikuli. Ma to na celu ograniczenie transpiracji. Do roślin cieniolubnych należą rośliny rosnące na wysokości poszycia leśnego. Są to rośliny przystosowane do światła o małym natężeniu. Rośliny cieniolubne mają często cienką blaszkę liściową. Miękisz gąbczasty dominuje u tych roślin ilościowo nad miękiszem palisadowym. Epiderma roślin cieniolubnych pokryta jest cienką warstwą nabłonka. Rośliny cieniolubne szybciej osiągają punkt wysycenia światłem, dlatego ich zapotrzebowanie na energię słoneczną jest w porównaniu z roślinami światłolubnymi dużo niższe.

Znaczenie energii słonecznej w życiu organizmów heterotroficznych

Heterotrofami nazywamy organizmy niezdolne do syntezy złożonych związków organicznych z prostych związków nieorganicznych. Pobierają one materię organiczną w postaci gotowej. Ich obecność ma jednak duże znaczenie dla organizmów autotroficznych. Dostarczają im one mianowicie dwutlenku węgla. Ponadto, wśród heterotrofów istnieją reducenci, dostarczający organizmom autotroficznym składników mineralnych. Do tej grupy zaliczamy wszystkie zwierzęta, grzyby, sporą część bakterii oraz rośliny prowadzące pasożytniczy tryb życia.

Chociaż heterotrofy nie wykorzystują energii słonecznej do syntezy związków organicznych, światło wywiera istotny wpływ na ich życie:

• Światło dostarcza energię słoneczną, co reguluje ciepłotę ciała wielu zwierząt. Organizmy zmiennocieplne stosują często termoregulację etologiczną-zwiększają temperaturę swojego ciała wygrzewając się na słońcu. Wiele gatunków zwierząt zmiennocieplnych wykazuje aktywność metaboliczną jedynie w ciągu dnia, kiedy tempo ich metabolizmu jest najwyższe. Inaczej jest w przypadku zwierząt żyjących na pustyni, które, aby uniknąć przegrzania aktywność metaboliczną przejawiają nad ranem, o zmierzchu, a niekiedy nocą.
• Światło słoneczne reguluje rytm życia wielu heterotrofów. Rytm dobowy jest podstawowym rytmem biologicznym. Polega on na powtarzaniu pewnych działań w ciągu 24 godzin. Na podstawie tego, w której części doby zwierzęta przejawiają swoją aktywność, dzielimy je na:

-dzienne. Są one aktywne w ciągu dnia. Stąd wynika wiele przystosowań do dziennego trybu życia. Oko zwierząt dziennych charakteryzuje obecność czopków, będących światłoczułymi receptorami umożliwiającymi widzenie kolorów, w jasnym świetle.

-nocne. Są one aktywne w ciągu nocy. Ich oko wyróżnia obecność dużej liczby pręcików, umożliwiających czarno-białe widzenie w warunkach ciemności.

-wyróżniamy ponadto zwierzęta aktywne o świcie oraz o zmierzchu.

Oprócz rytmiki dobowej, istnieje też rytmika roczna. Polega ona na takich zjawiskach, jak:

-estywacja. Gdy jest zbyt gorąco, lub zbyt sucho, wiele zwierząt obniża tempo swojego metabolizmu i zapada w sen letni. Zjawisko estywacji występuje zarówno u zwierząt stałocieplnych(na przykład u susła), jak i zmiennocieplnych(na przykład u ślimaków)

-hibernacja, która jest przystosowaniem niektórych zwierząt do niskiej temperatury otoczenia. Zwierzęta obniżają temperaturę swojego ciała, a tym samym tempo metabolizmu i zapadają w sen zimowy.

-wędrówki sezonowe zwierząt

-sezonowe zmiany behawioralne, sterowane hormonalnie. Mogą to być na przykład cykle rozrodcze, migracje, wylinka.

Światło słoneczne dostarcza zwierzętom ciepła. Nadmierna jednak jego ilość nie jest dla organizmu korzystna, stąd u zwierząt istnieje wiele przystosowań, zapobiegających przegrzaniu. Są to na przykład pocenie się oraz zianie. Z kolei, aby zapobiec nadmiernej utracie ciepła, wiele zwierzą wytwarza pokrycie ciała, w postaci sierści, lub upierzenia. Endogenne mechanizmy termoregulacyjne dotyczą głównie zwierząt stałocieplnych. Zwierzęta zmiennocieplne stosują głownie termoregulacje etologiczną.

Z promieniowaniem słonecznym, związane jest szkodliwe promieniowanie UV. Jest ono bardzo niebezpieczne, dlatego zwierzęta muszą się przed nim chronić. Sierść wielu zwierząt oraz pióra wielu ptaków zmieniają barwę pod wpływem światła. U człowieka w skórze występuje melatonina. Pod wpływem słońca rozproszenie tego barwnika w skórze wzrasta i pojawia się ciemne zabarwienie, znane jako opalenizna.

Światło w istotny sposób reguluje cykle rozrodcze wielu zwierząt. Wiele z nich nie przejawia aktywności płciowej przez cały rok, lecz jedynie przez krótki czas. Zachowania godowe oraz funkcjonowanie gonad sterowane są przez układ nerwowy oraz hormonalny. Ponadto są często zależne od czynników zewnętrznych, takich jak na przykład długość dnia, czy temperatura. U zwierząt, żyjących w klimacie, w którym dostępność składników pokarmowych zmienia się w zależności od pory roku, następuje zsynchronizowanie aktywności płciowej, z warunkami zewnętrznymi. Rozród następuje tylko wówczas, gdy możliwe będzie wykarmienie potomstwa. Sarny i ryby są przykładami zwierząt, u których występuje zależność cyklu rozrodczego od pory roku.

W strefach podbiegunowej, biegunowej i umiarkowanej, w sposób istotny zmienia się długość dnia, w zależności od pory roku. Zjawiska te wpływają na pewne zmiany w zachowaniu zwierząt zamieszkujących te obszary. Długość dnia i nocy rejestrowana jest przez światłoczułe receptory, które przesyłają impuls do mózgu. Z mózgu z kolei wychodzi impuls, oddziałujący na gruczoły dokrewne, pobudzając je do produkcji oraz sekrecji hormonów. Hormony oddziałują na gonady, stymulując je do produkcji gamet. Ponadto wiele zachowań seksualnych u zwierząt sterowanych jest na drodze hormonalnej.

Światło pobudza komórki zwierzęce do produkcji witaminy D z 7-dehydrocholesterolu. Jej niedobór powoduje zmniejszenie twardości kości, co prowadzi do ich zniekształceń. Choroba z tym związana nosi nazwę krzywicy.

Znaczenie energii słonecznej w funkcjonowaniu ekosystemów

Funkcjonowanie ekosystemów, podobnie jak poszczególnych organizmów, uzależnione jest od ciągłego dopływu energii. W samowystarczalnym ekosystemie istnieją producenci, reducenci oraz destruenci. Organizmy te są uzależnione od siebie. Przepływ energii w ekosystemach nie jest cykliczny, ponieważ organizmy żywe nie są w stanie podtrzymać zamkniętego jej obiegu. Na każdym etapie łańcucha troficznego, część energii ulega rozproszeniu w postaci ciepła. Energia dla większości ekosystemów dostarczana jest przez słońce. Wyjątkiem są głębokie oceany oraz jaskinie, gdzie dociera znikoma ilość światła. Zaledwie 5% tej energii zostaje przekształcone przez producentów na energię chemiczną zgromadzoną w związkach organicznych. Do producentów należą rośliny zielone, glony, sinice oraz niektóre bakterie. Od 80 do 90% energii zostaje przez producentów zużyte na przeprowadzenie podstawowych procesów życiowych, takich jak na przykład oddychanie. Część tej energii zostanie przekształcona w ciepło i ulegnie rozproszeniu. 10-20% energii zostanie zmagazynowane w tkankach, stając się dostępne dla organizmów z wyższych poziomów troficznych. Wyższe poziomy troficzne reprezentowane są przez konsumentów. Do tej grupy należą zwierzęta, grzyby, bakterie oraz zwierzęcopodobne protista. Konsumenci, będący organizmami heterotroficznymi, energię niezbędną do przeprowadzania procesów życiowych oraz materiał budulcowy czerpią ze związków organicznych innych organizmów. Organizmy roślinożerne to tak zwani konsumenci I rzędu. Organizmy mięsożerne to tak zwani konsumenci II rzędu. Konsumenci II rzędu zjadają konsumentów I rzędu. Organizmy wszystkożerne są konsumentami nieokreślonego poziomu troficznego. Od 10 do 20% zjadanego pokarmu konsumenci zużywają na procesy budulcowe. Reszta zużywana jest na ich procesy życiowe, a ponadto tracona w postaci kału, moczu lub gazów.

Na szycie łańcucha troficznego znajdują się reducenci, podobnie jak konsumenci będący heterotrofami. Ich rola polega na rozkładzie złożonych związków organicznych do prostych związków nieorganicznych, z jednoczesnym uwolnieniem związków azotu, fosforu i innych niezbędnych producentom pierwiastków. Do najważniejszych reducentów należą bakterie oraz grzyby. Gdyby nie ich działalność, składniki pokarmowe zostałyby uwięzione w martwych szczątkach organizmów i zasoby materii szybko by się wyczerpały. Można powiedzieć, że materia w ekosystemach krąży, a energia przepływa.

Produktywność ekosystemów w dużym stopniu zależy od jakości docierającego do nich światła. Życie w ekosystemach takich jak jaskinie, czy głębie oceaniczne jest ubogie, z uwagi na znikomą ilość docierającego do nich światła. Zależność produktywności ekosystemu od jakości docierającego do nich światła, jest dobrze widoczna w przypadku głębokich oceanów. W pobliżu brzegu, gdzie woda jest płytka, ilość docierającego światła jest duża. Rośnie tam więc dużo roślin, będących producentami materii organicznej. W tej strefie występuje zatem dużo organizmów roślinożernych oraz żywiących się nimi drapieżników. Życie przy brzegu oceanów jest zatem bogate. Wraz ze wzrostem głębokości, zmniejsza się udział roślin w ekosystemie. Na większych głębokościach producenci reprezentowani są tylko przez glony wyposażone w takie barwniki jak fikocyjanina, czy fikoerytryna, które mogą wykorzystywać inne niż chlorofil długości światła. Światło niebieski i czerwone bowiem, na takie głębokości nie dociera. Na jeszcze większych głębokościach pokarm może pochodzić tylko z płytszych stref oceanu. Ekosystem głębi oceanicznej stanowi przykład ekosystemu heterotroficznego. Ekosystem heterotroficzny to taki, w którym nie występują producenci i materia organiczna musi zostać dostarczona z innych ekosystemów. Z kolei w ekosystemie samożywnym producenci istnieją i dostarczają konsumentom materię organiczną. Ekosystem samożywny, jest więc ekosystemem samowystarczalnym.

Duże znaczenie dla produktywności ekosystemu ma jego struktura. Jeśli miąższość warstwy zawierającej chlorofil jest duża, to jego produktywność takiego ekosystemu też jest duża. Przykładem takiego ekosystemu są lasy tropikalne, które wiążą bardzo dużą ilość energii. Rosnące tam drzewa osiągają wysokość 30 metrów, a całą przestrzeń od szczytów ich koron, aż po glebę zawiera roślinność. Na dno lasu dociera mała ilość światła, jednak dla rosnących tam roślin zupełnie wystarczająca. Do swojego funkcjonowania wymagają one bowiem od 1 do 3% pełnego nasłonecznienia.

W obrębie ekosystemu na każdym poziomie troficznym następują ogromne straty energii. Sporo energii traconej jest przez zwierzęta stałocieplne, ponieważ mają one szczególnie duże zapotrzebowanie energetyczne. W każdej biocenozie, która nie otrzymuje gotowej materii organicznej z zewnątrz, obecność producentów oraz reducentów jest absolutnie niezbędna. Konsumenci nie są niezbędni by biocenoza istniała, choć ich obecność odgrywa niewątpliwie dużą rolę.

Energia słoneczna ma zatem ogromne znaczenie dla funkcjonowania życia na ziemi. Jej obecność jest niezbędna by mogła zachodzić fotosynteza. Od tego procesu zależy życie wszystkich organizmów żywych. Słońce jest ponadto źródłem ciepła, a ponadto wyznacza rytm życia wielu organizmów. Energia słoneczna jest po prostu niezbędna do życia.