Energia słoneczna-jest to energia promieniowania elektromagnetycznego, jest to promieniowanie o długości fal w przedziale 400-700nm. To właśnie dzięki energii świetlnej zachodzi jeden z głównych procesów biologicznych czyli fotosynteza podczas której wytwarzana jest materia organiczna stanowiąca pierwotne źródło pokarmu dla wszystkich poziomów pokarmowych.
I) Znaczenie energii słonecznej w życiu organizmów autotroficznych:
1) Autotrofy- czyli organizmy samożywne, zdolne do wytwarzania złożonej materii organicznej z prostych związków nieorganicznych. Organizmy samożywne mogą same produkować potrzebne im do życia substancje organiczne (białka, tłuszcze, węglowodany)z wody, soli mineralnych i dwutlenku węgla, przy udziale energii świetlnej lub chemicznej.
a) Ze względu na wykorzystywane źródło energii autotrofy dzielimy na: fotoautotrofy (korzystające z energii świetlnej) i chemoautotrofy (wykorzystujące energię chemiczną).
b) Do organizmów samożywnych zaliczamy wszelkie rośliny zielone (czyli zawierające chlorofil) oraz niektóre bakterie (zielone, purpurowe) i większość sinic.
2) Rola energii słonecznej w procesie fotosyntezy
a) Fotosynteza: proces wytwarzania przez żywe komórki roślinne zawierające chlorofil, węglowodanów z dwutlenku węgla i wody przy udziale energii świetlnej. Czynnikiem rozkładającym dwutlenek węgla jest wodór który zostaje uwolniony z wody pod wpływem światła. Końcowym produktem fotosyntezy jest skrobia i tlen (wydalany do atmosfery).
b) Światło stanowi podstawowy czynnik fotosyntezy. Wzrost natężenia światła powoduje zwiększenie intensywności fotosyntezy (zależność ta inaczej kształtuje się u roślin światło i cieniolubnych).Wpływa też na rozmieszczenie chloroplastów w komórkach.
c) Światło przyczynia się do powstania chloroplastów z proplastydów, oraz wpływa na ich rozmieszczenie w komórkach
d) Rola energii słonecznej w fazie jasnej fotosyntezy: Uderzenie fotonów (czyli małych dawek energii świetlnej w cząsteczkę chlorofilu powoduje wybicie z niej elektronu, który przejmuje energię uderzenia fotonów, stąd dysponuje pewnym zasobem energii. wybite elektrony są wychwytywane przez łańcuch koenzymów zwanych przenośnikami elektronów. Podczas przepływu przez ogniwa łańcucha enzymów elektrony tracą energię(jest ona wykorzystywana do tworzenia wiązań ADP).
e) Rola energii słonecznej w fazie ciemnej fotosyntezy: jest to faza niezależna od światła, może zachodzić w ciemnościach ale nie musi, energii słonecznej w tej fazie nie ma więc żadnego znaczenia.
f) Barwniki asymilacyjne obejmują trzy grupy:
- Chlorofile (chlorofile a i b pochłaniają światło niebiesko fioletowe i czerwone są to najważniejsze barwniki fotosyntetyczne ponieważ tylko one uruchamiają przebieg tego procesu)
- Karotenoidy i fikobiliny (fikocyjanina i fikoerytryna, występują tylko u sinic i krasnorostów)- są to barwniki towarzyszące ich funkcja polega na wychwytywaniu energii świetlnej w innym obszarze niż chlorofil i przekazywaniu jej chlorofilowi (pochłaniają fale świetlne innej długości niż chlorofile)
g) W procesie fotosyntezy biorą udział dwa fotoukłady PSI (chlorofil a którego maksimum absorpcji odpowiada długości fali 700nm i karoteny) i PSII(chlorofil a którego maksimum absorpcji wynosi 680nm , oraz chlorofil b i ksantofile). Oba fotosystemy współpracują ze sobą by przekształcić energię świetlną na ciąg elektronów. przenoszonych przez odpowiednie przenośniki.
3) Ruchy roślin pod wpływem bodźców świetlnych:
a) Fototropizm- ruch wzrostowy rośliny uwarunkowany działaniem bodźców świetlnych np. jednostronnym oświetleniem co powoduje wygięcie pędu roślinnego w kierunku światła. Wygięcie organu spowodowane jest nierównomiernym wzrostem komórek z dwóch stron pędu. Przyczyna jest nierównomierne rozmieszczenie akusyn. Bardziej oświetlona strona pędu rośnie mniej intensywnie, gdyż w tej części jest mniej aktywnych symulatorów wzrostu czyli auksyn.
b) Fotonastia-ruchy wywołane działaniem bodźców lecz bez związku z kierunkiem jego działania np. w skutek zmiany oświetlenia następuje zamykanie się kwiatów na noc i ich otwieranie w dzień np. mniszek, podbiał czy tulipan. Jest to uwarunkowane nierównomiernym wzrostem górnej i dolnej części płatków korony.
c) Ruchy nyktinastyczne czyli ruchy senne u mimozy (przez zapadnięciem zmroku roślina stula wszystkie liście) i u fasoli (młodociane liście zmieniają swoje położenie przed nocą, lekko się zwijają) bodźcem są czynniki towarzyszące zapadaniu zmroku w tym zmiana oświetlenia.
d) Fototaksje-ruchy całym ciałem w wyniku działania bodźca świetlnego, dotyczy to bakterii, glonów i sinic np. przemieszczanie się tych organizmów w stronę światła za pomocą wici, rzęsek lub wydzielania śluzu
4) Fotoperiodyzm:
a) różne rośliny kwitną w różnych porach roku, a termin ich zakwitania zależy od liczby godzin w ciągu doby, w czasie których roślina podlega działaniu światła czyli fotoperiodu. W wyniku wymagań fotoperiodycznych dzielimy rośliny na:
- rośliny dnia krótkiego (RDK) np. astry złocienie, dalie, ziemniaki (nie wytwarzają kwiatów jeśli liczba godzin w ciągu doby przekracza pewną krytyczną liczbę, kwitną one wczesna wiosną, późnym latem lub w jesieni, ) zwane są roślinami długiej nocy,
- rośliny dnia długiego (RDD) np. burak, koniczyna, zboża, mieczyk (wymagają do zakwitnienia fotoperiodu przekraczającego pewną krytyczną długość)
- rośliny fotoperiodycznie obojętne np. goździk ogrodowy, bawełna, mniszek, słonecznik pomidor (są one niewrażliwe na długość dnia i nocy, kwitną w różnych porach roku)
- w zjawiskach fotoperiodyzmu zasadniczą role odgrywa wrażliwy na działanie światła barwnik o charakterze białkowym- fitochrom (występuje w 2 formach P660(długość fali 660nm) i P735 (długość fali 735nm tzw. długa czerwień).
- W oddziaływaniu długości okresu ciemnego na czas zakwitanie roślin prawdopodobnie bierze udział hormon kwitnienia zwany florigenem.
5) Rośliny światło- i cieniolubne:
a) rośliny światłolubne przystosowane są do dobrych warunków oświetleniowych np. większość drzew, rośliny górskie (liście grube, silnie rozbudowany miękisz palisadowy czasem po obu stronach liścia, gruby nabłonek, włoski na liściach i warstwa woskowa- zapobiega to nadmiernej transpiracji)
b) rośliny cieniolubne przystosowane do słabego oświetlenia np. rośliny podszycia leśnego (cienkie liście, przewaga miękiszu gąbczastego nad palisadowym, skórka z cienkim nabłonkiem).
c) zależność miedzy natężeniem światła słonecznego a intensywnością fotosyntezy nie jest taka sama u roślin światło i cieniolubnych. U światłolubnych intensywność fotosyntezy wzrasta wraz ze wzrostem natężenia światła, a u cieniolubnych tylko do pewnego momentu, potem utrzymuje się na stałym poziomie, a następnie maleje.
II) Znaczenie energii słonecznej w życiu organizmów heterotroficznych:
1) Heterotrofy- organizmy, które pobierają gotowe związki organiczne. Nie mogą one istnieć bez organizmów autotroficznych, ale i autotroficzne bez niech bo dostarczają one dwutlenku węgla a także soli min (bakterie i grzyby rozkładające martwe szczątki organizmów). Do heterotrofów nalezą wszystkie zwierzęta, grzyby, pasożytnicze i saprofityczne bakterie, pasożytnicze rośliny.
2) Światło słoneczne wyznacza rytm biologiczny organizmów.
a) Światło słoneczne jest głównym źródłem ciepła ma wiec wpływ na temperaturę ciała heterotrofów. Zmiennocieplne wygrzewają się na słońcu (np. krokodyle), temperatura wpływa na szybkość ich metabolizmu dlatego wiele zwierząt aktywnych jest w dzień, za to np. gatunki pustynne gdzie w dzień jest za gorąco aktywne są raczej o świcie, zmierzchu lub w nocy, bowiem przegrzanie organizmu jak i wystawienie go na zbyt długie działanie promieni słonecznych może być niebezpieczne
b) Podstawowym rytmem jest rytm dobowy, polegający na powtarzaniu pewnych czynności w przedziałach 24-godzinnych. Według aktywności dobowej organizmy możemy podzielić na:
- dzienne-aktywne w dzień (przystosowania do dziennego tryby życia to np. budowa oka- obecność fotoreceptorów -czopków odpowiedzialnych za widzenie barw w jasnym świetle)
- nocne-aktywne w nocy (przystosowaniem do tego trybu życia jest także budowa oka- duża liczba pręcików, które odpowiadają za czarno-białe widzenie w nocy)
- aktywne o świcie
- aktywne o zmierzchu
c) Rytmika roczna wiąże się z poniższymi zachowaniami:
- zapadanie w sen letni (estawacja)-kiedy jest za gorąco lub panuje susza niektóre gatunki zwierząt obniżają tempo procesów życiowych i zapadają w letni sen. Dotyczy to zarówno zwierząt stałocieplnych (np. susły) jak i zmiennocieplnych (np. ślimaki)
- zapadanie w sen zimowy (hibernacja)-obniżanie temperatury organizmu i zmniejszanie tempa metabolizmu w okresie zimy umożliwia przetrwanie niekorzystnych warunków jest to przystosowanie niektórych zwierząt do niskich temperatur ( kiedy do ziemi dociera mniej energii słonecznej)
- wędrówki zwierząt
- sezonowe zmiany zachowania np. cykle rozrodcze, linienie, migracje (wiążą się z wydzielaniem hormonów)
d) Zbyt długie wystawianie organizmu na działanie światła może być zgubne, dlatego zwierzęta wykształciły mechanizmy i reakcje chroniące je przed zbyt duża lub zbyt małą ilością światła np.
- np. hormon melatonina wytwarzany u człowieka w szyszynce, mający wpływ na ciemnienie skóry. Jest to reakcja obronna naszego organizmu na zbyt silne działanie słońca efektem działania melatoniny jest opalenizna.
- Zmiana koloru ubarwienia ciała niektórych ptaków i ssaków
e) Światło słoneczne dostarcza organizmom heterotroficznym energii cieplnej. Aby organizmy stałocieplne nie przegrzały się , ale i nie traciły zbyt wiele ciepła musiały wykształcić mechanizmy regulowania ciepłoty ciała tj. termoregulacji np. okrycie ciała zapobiegające utracie ciepła, czy pocenie się jako sposób utraty nadmiary ciepła
3) Światło wpływa na regulacje cykli rozrodczych zwierząt:
a) Znaczna część zwierząt rozmnaża się w stosunkowo krótkich przedziałach czasowych w ciągu roku. Zachowanie seksualne i aktywność gonad są związane z czynnością układu nerwowego i hormonalnego i zalezą od wpływów środowiska zewnętrznego jak np. zmiana długości działania światła czy temperatura. Synchronizacja aktywności płciowej z warunkami środowiska ma bardzo duże znaczenie dla zwierząt żyjących w klimatach gdzie ilość pokarmu zmienia się w zależności od pory roku. Chodzi oto by wylęg i urodzenie małych nastąpiły w czasie gdy będzie możliwe wykarmienie potomstwa.
b) Przykładami zwierząt, których cykl rozwojowy zależy do pory roku są np. sarny lub ryby
c) Długość dnia ulega wyraźnym zmianom w ciągu doby w strefach geograficznych podbiegunowej, biegunowej i umiarkowanej. Zwierzęta żyjące w tych strefach mogły przystosować się do wykorzystania tych zmian jako czynnika wyzwalającego określone zachowanie. Czas trwania dni i nocy jest odbierany przez fotoreceptory, które przetwarzają te informacje na zrozumiałą dla organizmu i przesyłają do mózgu, który pobudza produkcje i wydzielanie hormonów. Hormony działają na tworzenie gamet i zachowania seksualne zwierząt.
4) Światło wpływa na powstawanie witaminy D:
a) Pod wpływem działanie światła ultrafioletowego w skórze człowieka powstawać może z 7-dehydrocholesterolu witamina D zwana cholekalcyferolem. Jej niedobór powoduje ze kości staja się miękkie i zniekształcają się co prowadzi do krzywicy
III) Znaczenie energii słonecznej w funkcjonowaniu ekosystemów
1) Przepływ energii przez poszczególne poziomy ekosystemu jeziora:
a) Przekazywanie energii w ekosystemie odbywa się w łańcuchu pokarmowym od producenta do reducenta przy czym zawsze część energii zostaje utracona. Tym samym ilość energii w kolejnych członach łańcucha maleje, a w ostatnim ogniwie reducentów zostaje uwolniona całkowicie wraz z powstaniem dwutlenku węgla.
b) źródłem energii dla całego ekosystemu jest energia słoneczna (wyjątek głębokie jaskinie i głębiny oceaniczne).
c) 5% tej energii wykorzystywane jest przez rośliny czyli producentów. Pobraną energię przekształcają producenci procesie fotosyntezy na energię chemiczną, która gromadzi się w wytwarzanych przez nie związkach organicznych.80-90% tej energii jest wykorzystywana przez rośliny w procesie oddychania lub na ich potrzeby życiowe. Cześć ulega rozproszeniu w postaci ciepła. 10-20% tej energii zostaje wbudowana w tkanki ciała i jest dostępna dla pozostałych poziomów pokarmowych. Producentami w systemie jeziora są przede wszystkim glony ,ale i rośliny wodne (np. jezierza), czy pływające po wodzie (grzybień, grążel)
d) Następnym ogniwem łańcucha są zwierzęta roślinożerne, które zużywają około 10% produkcji roślinnej (zjadają np. liście lub owoce) Reszta energii przechodzi do reducentów .Z całej ilości zjadanego pokarmu zwierze wbudowuje w tkanki swojego ciała 10-20% a resztę traci w postaci kału ,moczu i gazów lub zużywa na potrzeby życiowe (ruch, rozmnażanie). W ekosystemie jeziora materiał organiczny zawarty w tkankach roślin stanowi pokarm dla pierwszej grupy konsumentów czyli zwierząt roślinożernych. Roślinami odżywiają się ślimaki, owady (chruścik)i ptaki (kaczka). Drobne skorupiaki (oczlik, rozwielitka) odżywiają się glonami.
e) Roślinożerne skorupiaki stanowią pokarm dla następnej grupy konsumentów-ryb planktonożernych (np. ryby karpiowate, ukleja).
f) Ryby planktonożerne stanowią pokarm dla ryb drapieżnych (okoń, szczupak, sandacz) i ptaków wodnych. Te gatunki zwierząt nie maja w ekosystemie jeziora silniejszych od siebie drapieżców.
g) Opadające na dno martwe komórki glonów są pokarmem destruentów (w ekosystemach wodnych organizmy filtrujące-małże). Larwy ochotka i drobne skąposzczety przerabiają materie organiczna osiadłą na dnie.
h) Materia osiadła na dnie jest przerabiana również przez mikroorganizmy, które są właściwymi reducentami w ekosystemie. W wyniku ich działalności związki organiczne zostają rozłożone a sole mineralne rozpuszczają się w wodzie.
i) Energia słoneczna pobrana przez rośliny przepływa tylko raz przez ekosystem i jest ostatecznie rozpraszana przez w postaci ciepła.
j) Dzięki zależnościom pokarmowym w ekosystemie odbywa się stały krążenie materii i przepływ energii
2) Jakość światła a produktywność ekosystemów:
a) Jakość światła ma duże znaczenie dla produktywności ekosystemu np. w ekosystemach głębokich jaskiń, czy głębinach oceanów, gdzie światło praktycznie nie dociera życie jest bardzo ubogie.
b) Zależność miedzy jakością światła, a produktywnością ekosystemów wykazać można na przykładzie ekosystemu wodnego np. oceanu. Przy brzegu, płytko gdzie dociera dużo światła rośnie dużo roślin- producentów. Produkują one pokarm i energie. Im więcej roślin tym więcej wyprodukowanej energii. Im głębiej tym mniej roślin, co jest związane z gorsza jakością i ilością światła. Dlatego glony maja specjalne barwniki ficocyjaninę i fikoeytrynę, które wyłapują takie długości fal świetlnych jakie dochodzą na te głębokości. W głębinach oceanicznych gdzie słońce nie dociera i brak jest światła, nie ma roślin. Energia wraz z pokarmem pobierana jest z wyzych warst zbiornika morskiego. Ekosystem głębin oceanicznych możemy nazwać heterotroficznym ponieważ brak tam jest producentów (bo brak światła) a konsumenci pobierają energie i pokarm z wyższych stref oceanu, które są samożywne (producenci produkują i dostarczają reszcie ekosystemu energie i pokarm). Ekosystem samożywny jest samowystarczalny, ekosystem cudzożywny musi pobierać pokarm i energię (szczególnie energię) z innych ekosystemów, bo sam nie może jej produkować.
3) Dużą role w produkcji energii odgrywa struktura ekosystemu. Im większa miąższość warstwy zawierającej chlorofil, tym większa ilość energii zatrzymywana jest w obrębie ekosystemu. Puszcze tropikalne wiążące największą ilość energii wyrastają ponad 30m nad poziom gleby, a cała przestrzeń od szczytów drzew do ziemi wypełniona jest roślinami zielonymi. Do roślin bytujących na dnie lasu dociera niewielka ilość promieniowania słonecznego jednak większości wystarczy zaledwie 1-3% pełnego nasłonecznienia by mogły asymilować i wiązać energie słoneczną.
4) W obrębie ekosystemu wszelkie przemiany energetyczne łączą się z dużymi bezpowrotnymi stratami energii , szczególnie w przypadku organizmów stałocieplnych które ponad 90% przyswojonej energii zużywają na pokrycie kosztów utrzymania organizmu.
5) W ekosystemach producenci są najważniejsi gdyż bezpośrednio lub pośrednio wpływają na pozostałe występujące tam organizmy stanowią pokarm dla konsumentów, i produkują tlen potrzebny im do oddychania, jednak ekosystemowi złożonemu z samych autotrofów , zabrałoby dwutlenku węgla a także soli mineralnych niezbędnych do fotosyntezy.
II) Znaczenie energii świetlnej jest więc ogromne. Jest ona dla organizmów podstawowym źródłem energii. To właśnie dzięki energii świetlnej zachodzi jeden z głównych procesów biologicznych czyli fotosynteza podczas której wytwarzana jest materia organiczna stanowiąca pierwotne źródło pokarmu dla wszystkich poziomów pokarmowych .Rośliny przetwarzając ja w procesie fotosyntezy produkując tlen . Słońce wyznacza nam rytm życia. Dostarcza nam ciepła i światła. Życie na Ziemi byłoby niemożliwe gdyby zabrakło nam energii słonecznej.