4.1 Глобальні процеси фотосинтезу у світовому океані

Фотосинтез в світовому океані - фактор, який грає головну роль в циклі CO2, впливає на глобальні процеси нагрівання, тому він представляє великий інтерес фахівців, що створюють моделі. Системи, змодельовані в даній роботі, покладаються з визначеними у просторі кордонами, через які на систему може чинитися зовнішнє вплив. Просторове положення системи передбачається як контрольований обсяг, тому що необхідно зберегти масу в системі. Головна мета водного моделювання - передбачити поведінку та реакцію системи на зовнішній вплив.

Еутрофікація - тривожний процес, що відбувається в системі. Його необхідно вміти передбачити і контролювати за допомогою зовнішнього екологічного впливу. А щоб управляти цим процесом, необхідно визначити положення системи, яке, ймовірно, призведе до еутрофікаціі і з'ясувати, приь яких обставин це станеться. Прогнозування вимагає, щоб структура моделі та дослідного зразка залишилися сумісні на проміжку часу. Бути може, можна побудувати модель, що враховує всі зовнішні фактори, але самий акт моделювання є спрощенням і практично завжди будуть наближення, які обмежують діапазон точної прогнозуючої здатності моделі. Модель не повинна бути більш складною, ніж необхідно, щоб забезпечити передбачення достатньої точності. За минулі десять років в океанічних моделях велику увагу було приділено мікробному циклу, в якому відбувається взаємодія між бактеріями і різними живильними речовинами. У дрібних озерах і гирлах,

куди світло проникає добре, бентічних рослини - важлива частина екосистеми, забезпечує їжу і притулок для маленьких і великих організмів і захищає дно від ерозії, яке в свою чергу забезпечує середовище проживання для бентіческіх фауни. Довгий час темою для обговорення було поняття лімітую чого поживної речовини, тобто речовини, яка знаходиться в недоліку. Ідея була одним з найважливіших понять в контролі за екосистемою.

Редфилд встановив, що в земних системах такою речовиною є фосфор, а у водних - азот. Однак це часто піддавалося сумніву. Хек, зокрема піддали сумніву, обмежував чи азот взагалі в морських системах. Вуглець і водень, які є основними складовими атомами більшості органічних речовин, доступні для автотрофів у водному навколишньому середовищу в основному через об'єднаний C02 і воду безпосередньо. В морських системах концентрація C02 близько 0,3 mg / l, якої цілком достатньо для фотосинтезу. Кисень так само доступний в об'єднаній формі, але, звичайно, потрібно тваринам і рослинам в елементарній формі для дихання, його присутність або відсутність керує багатьма реакціями між іншими поживними речовинами у відкладеннях і в деякій мірі у водному тощо.

Азот - істотний компонент багатьох молекул, амінокислот, нуклеїнових кислот і т.д., і його морська концентрація приблизно 300 mg / l.Фосфор відіграє провідну роль у фотосинтетичних процесів у системі передачі енергії ATP / ADP.Сірка, звичайно менш важлива, є компонентом амінокислот і грає істотну роль у анаеробної бентіческіх навколишньому середовищу. У морській воді концентрація сірки приблизно 30 mg / l. Залізо, концентрація якого в морській воді 0,1 - 62 mg / l з середньою концентрацією 3,1 m g / l, було центром значного дослідження в останні роки. Ряд експериментів вказав, що залізо відіграє важливу роль як обмежує поживна речовина в деяких областях. Кремній - ключовий елемент для фітопланктону, особливо діатомових водоростей, які характеризувати кремнієвими структурами, названими фрустули. У другому розділі глави описані основні хімічні процеси, відбуваються з азотом. Це аммонификация, асиміляція аміаку, нітрифікація і денітрифікація.

Аммонификация - процес перетворення органічних форм азоту до аміаку. Аммонификация здійснюється багатьма рослинами, тваринами і мікроорганізмами, включаючи гриби і особливо протеолітичні бактерії. Типовий приклад процесу - утворення аміаку з сечовини:

NH 2 (CO) NH 2 + H 2O = 2 NH 2 + CO2

У наступному пункті розглянуто цикл фосфору. Цей елемент відіграє важливу роль в нуклеїнових кислотах і в системі передачі енергії ATP / ADP. Фосфоліпіди є компонентами мембран клітин. Згідно відношенню  атоми C: N: P у тканинах водоростей пов'язані співвідношенням 106:16:1 або 42:7:1 - у вазі. З цього випливає, що якщо концентрація азоту перевищує концентрацію фосфору більш ніж у сім разів, то недолік фосфору буде лімітувати розвиток організмів. Інші вказують, що відношення азоту до фосфору в річковій воді по всьому світу в середньому 230:20 (11.5:1), а в океанах в середньому 250:35 (7:1). Таким чином, в прісноводних системах фосфор буде лімітуючим елементом (якщо немає недоліку інших мікроелементів). Було багато спроб встановити відповідність між концентрацією фосфору в системі і біомасою рослин. Пізніше інші дослідники запропонували зв'язок між фітопланктоном і концентрацією фосфору. Рослини, морські водорості і багато гетеротрофні бактерії включають сірку у вигляді сульфатів в органічні молекули. У аеробної навколишньому середовищу ці органічні форми перетворяться до H 2 S, потім окислюються до сере і нарешті перетворюються в сульфат багатьма фотосинтетичної і нефотосинтезуючими бактеріями (Thiobacillus). Навпаки, анаеробні бактерії (Desulfovibrio) здатні скорочувати кількість іонів сульфату при анаеробному диханні. Це призводить до накопичення в затопленій грунті і на глибині H2S. Це речовина реагує з металами, такими як залізо і цинк (що призводить до скороченню заліза - важливого поживної речовини). Цей процес очевидний в мутній воді, тому з'являється запах H2S і вода очорняти сульфідами заліза. Основний компонент фотосинтетичного апарату в морських водоростях - пластид, званий хлоропластів, який містить дископодібні перетинчасті бульбашки, названі тилакоїди. Останні містять області хлорофілу для фотосинтезу, в той час як вуглекислий газ фіксується в навколишнього матриці - стромі. Структура thylakoid - відмітна ознака різних класів морських водоростей. Ціан офіти Ціанофіти також згадуються як ціанобактерії-менш формально як синьо-зелені водорості. Синьо - зелені водорості особливо цікаві в прибережних і внутрішніх областях через їх потенційної токсичності, і в глибоких океанах вони відіграють істотну роль у первинній продуктивності планктону. В Австралії і багатьох інших частинах світу, розквіти синьо – зелених водоростей викликали серйозні проблеми і в постачанні питною водою, в сільському господарстві. Здатність морських водоростей фотосинтезировать є головним фактором у їх здатності конкурувати з іншими водорослево різновидами. У широкій термінології фотосинтез відбувається в присутності хлорофілу, в Відповідно до рівняння (6), у великих органелах рослини, названих хлоропластами.

6CO2 + 12 H 2O + світло = 6O2 + C6 H12O6 + 6 H 2O

У результаті реакції, описаної рівнянням (6), утворюється вуглевод, який в Надалі може використовуватися в реакціях синтезу макромолекул, які є «будівельним матеріалом» органоїдів і більш складних клітиннихкомпонентів. Як і у наземних рослин, процес фотосинтезу у морських водоростей розділений на дві фази. Перша фаза - процес, в якому в результаті фосфорилювання утворюється ATP (аденозин трифосфат). У другій фазі енергія, що міститься в зв'язку фосфату в ATP використовується, щоб справити карбоксилювання в циклі Кальвіна. Реакції проходять в спеціальних органелах, названих тилакоїди, які у еукаріотів знаходяться в оточених мембраною пластидах, а в прокаріот розташовані в цитоплазмі.

Рівняння можна розділити на наступні реакції:

2 H 2O = O2 + 4e - + 4 H + (необхідна сонячна енергія) 2 NADP + + 4e-+ 2 H + = 2 NADPH + +2 NADPH + 2 H + CO2 = 2 NADP + H 2O + (CH 2O)

Якщо зібрати ці рівняння разом, вийде:

CO2 + H 2O = (CH 2O) + O2 (необхідне світло)

Тут NADPH - нікотинамід аденін динуклеотид фосфат. Те, що не показано в останньому рівнянні, є процес фосфорилювання, який може протікати в циклічному або нециклічні процесі. Визначають рівняння нециклічного процесу таким чином:

1NADP + H 2O + 2 ADP + 2 Pi = NADPH 2 + 2 ATP + O2

  де Pi - неорганічний фосфор. ATP надає енергію для реакцій допомогою наступних процесів:

2 NADPH 2 + O2 = 2 NADP + 2 H 2O 3 ATP + H 2O = 3 ADP + 3Pi

які в загальному можна записати:

CO2 + H 2O + 2 NADPH 2 + 3 ATP = [CH 2O] + O2 + 2 NADP + 3 ADP + 3Pi

У циклічному фосфорилировании ATP - єдиний продукт процесу:

ADP + Pi = ATP (необхідне світло)

Дихання в рослинах (і фітопланктоні) - це процес, в результаті якого відбувається окислення накопиченого органічної речовини, щоб рослина отримало енергію. У результаті виділяється вуглекислий газ. Особливо цікавий факт, що біомаса рослин зменшується в процесі дихання. Процес цей до кінця не зрозумілий, але B досліджували дані, наведені в різних літературних джерелах, і прийшли до висновку, що в процесі дихання втрачається до 13% біомаси, накопиченої в процесі фотосинтезу. Відпрацьована біомаса переробляється бактеріями. В останні роки було виявлено виділення діатомових водоростей прозорих екзополімеров. Дінофлагеллати також виділяють полісахариди, які призводять до великих скупчень слизу, що згубно впливає на фауну. У дев'ятому пункті глави розглядається взаємовідношення планктону і поживних речовин. Автори вважають важливим розглянути кінетику процесів поглинання і засвоєння поживних речовин кліткою. Але також вони відзначають, що досі не створено широкої теоретичної моделі боротьби за ресурси, на основі якої можна робити необхідні передбачення. Необхідні поживні речовини – стехіометрії Всім морським водоростям необхідні водень, кисень, азот, фосфор, магній, залізо, мідь, марганець, цинк, молібден, сірка, калій і кальцій. У 1950-х Редфілд визначив ставлення основних поживних речовин в морських водоростях: C: N: P як відповідно 42:7:1 у ваговому і 106:16:1 в атомарному еквівалентах. Пізніше запропонували рівняння середнього водоростевого складу та поглинання у вигляді:

- 106CO2 + 16 NO3-+ HPO4 + 122 H 2O + 18H + «(C106 H 263O110 N16 P + 138O2)

Майже всі фотосинтетичні морські водорості використовують неорганічні форми азоту, будь то нітрат, нітрит або амоній. Азот у водних системах доступний в органічній, неорганічній або газоподібної (елементарної) формі і може становити до 10% сухої ваги водоростей. Фосфор відіграє важливу роль в фотосинтезі. Оптимальним є значення температури, що знаходиться головним чином в діапазоні 25 ° C-40 ° C, але пік у більшості організмів припадає на проміжку 20 ° C-25 ° C. Розподіл фітопланктону - рух, скупчення, колонії, неоднорідність і турбулентність Водна навколишнє середовище може бути надзвичайно гетерогенною. В горизонтальній площині рух води в значній мірі впливає на неоднорідність розподілу і поживних речовин, і водоростевою концентрації. Екологічні фактори: світло і температура також неравно розподілені у водному просторі. Очевидно, світло зменшується з глибиною, але на це може впливати концентрація різних суспензій і водоростей у воді. Температура, звичайно, залежить від сезону. Але на більш короткому часовому проміжку на цей фактор впливає охолодження від випаровування, верхні джерела (Водоспад), нижні джерела (на дні водойми), горизонтальні течії та ін Масштаб змін важливий. Через різких змін навколишніх умов, домінуючими можуть виявитися ті різновиди, які швидше пристосовуються до екологічних факторів. Просторові зміни поживних речовин, світла і температури можуть привести до відповідних просторовим змінам в домінуючих різновидах. Нерівномірний розподіл зовнішніх факторів змушує багато різновиди використовувати різні плавальні механізми, щоб зайняти найбільш вигідні позиції для фотосинтезу. Це, як вважають, є одним з головних чинників в домінуванні синьо - зелених водоростей. У багатьох різновидів є джгутики, наприклад, у Chromophycota, Euglenophycota і Chlorophycota. Dinophyta, Prymnesiophyta і Raphidophycae також є жгутиконосцами, менші з яких плавають зі швидкістю 20 мм / год, у той час, як більш великі особини можуть розвивати швидкість до 5 см / год. Діатомові водорості тримаються ближче до поверхні, завдяки потокам води, в спокійній воді вони досить швидко опускаються.[27]