Юлен Очаковский - Свет в море

• Название: Свет в море
• Автор: Юлен Очаковский
• Издательство: Наука
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1970

Книга посвящена одному из сложных и интересных разделов науки — гидрооптике которая изучает проникновение и распространение света в море.

В настоящее время знать физические законы, определяющие эти процессы, особенно необходимо в связи с решением такой важной и актуальной проблемы, как освоение ресурсов Мирового океана.

Человек начал наступление на водную целину. Но для успешного его завершения следует разобраться в массе трудных вопросов гидрооптики.

Чем объясняется цвет моря и почему разные моря имеют разный цвет? От чего зависит прозрачность морской воды и несколько глубоко проникает свет в океанские глубины? Почему море светится? Ответы на все эти вопросы и дает настоящая книга.

Она написана легко, физическая сущность процессов объяснена весьма доступно. Издание рассчитано на широкие круги читателей.

---

Свет и жизнь в море

Свет оказывает решающее влияние на развитие жизни в океане. Освещенность толщи океанской воды солнечным светом имеет огромное значение для различных биологических явлений. Так, в процессе фотосинтеза энергия солнечного света участвует в преобразовании неорганических веществ в органические.

Изменение интенсивности освещения в течение суток вызывает суточную вертикальную миграцию планктона. Изменение с глубиной количества и спектрального состава света сказывается на окраске водорослей и животных.

Особая, во многом еще загадочная роль в биологических ритмах принадлежит лунному свету.

Естественный свет, непосредственно влияя на зрение морских организмов, позволяет им ориентироваться в пространстве. Еще не ясно, до каких глубин морские животные и рыбы вообще могут воспринимать свет. Американский биофизик Кларк предполагает, что для многих рыб глубина 750 м предельная, а его коллега Уотерман подтвердил эту границу для ракообразных до 1500 м.

В темных глубинах океана, где роль теплого животворящего солнечного света ничтожна, господствует холодный свет моря — биолюминесценция, свечение морских организмов. Вместе с тем известно и об отрицательном воздействии света. У некоторых организмов при ярком освещении, например, резко расстраивается дыхание. Многие животные активную жизнь ведут в темноте, прячась в светлое время суток. Одним словом, роль света в жизни океана огромна.

СО2 + Н2О + свет = жизнь

Солнечный свет, пронизывающий толщу моря, приводит в действие, пожалуй, самый удивительный и совершенный механизм в природе — механизм преобразования неорганических веществ (углекислого газа и воды) в органическое соединение — углевод. Этот процесс, при котором растение, используя свет в качестве энергии для осуществления синтеза различных веществ в клетке, вступает в окислительно-восстановительную реакцию с CO2 и Н2O, был назван фотосинтезом.

Суммарный конечный результат его можно представить следующим уравнением:

В результате этой реакции возникают углеводы, обеспечивающие рост растений, а в окружающую среду выделяется свободный кислород.

В морях и океанах обитают многочисленные водоросли, способные к фотосинтезу. Некоторые, наиболее крупные из них, ведут оседлый образ жизни в прибрежной полосе океана. Но основную массу морских растений составляют не эти донные водоросли. Главный поставщик пищи в море — планктонные водоросли, мельчайшие одноклеточные (или колониальные) растения, проводящие всю свою жизнь в толще воды. Их морфологическое строение и удельный вес, близкий к удельному весу морской воды, позволяют им «парить» в море. Нуждаясь в свете, они обитают только в тонком поверхностном слое, до глубины 100, реже 200 м, где достаточно лучистой энергии для поддержания фотосинтеза. Образную картину процесса фотосинтеза, рисующую его исключительную важность для всего живого, дал великий русский ученый К. А. Тимирязев: «Когда-то, где-то на землю упал луч Солнца, но он упал не на бесплодную почву, он упал на зеленую былинку пшеничного ростка, или, лучше сказать, на хлорофилловое зерно. Ударяясь о него, он потух, перестал быть светом, но не исчез. Он только затратился на внутреннюю работу, он рассек, разорвал связь между частицами углерода и кислорода, соединенными в углекислоте. Освобожденный углерод, соединяясь с водой, образовал крахмал. Этот крахмал, превратясь в растворимый сахар, после долгих странствий по растению отложился, наконец, в зерне в виде крахмала, или в виде клейковины. В той или другой форме он вошел в состав хлеба, который послужил нам пищей. Он преобразился в наши мускулы, в наши нервы»[33].

Естественно, что в процессе дальнейших исследований механизм фотосинтеза был уточнен. Так, было доказано, что солнечная энергия расходуется на разложение не углекислоты, а воды.

Что же происходит под воздействием света в водах Мирового океана?

Солнечная энергия, проникая в море, так же как и на суше, поглощается и используется растениями. За счет этой энергии происходит образование восстановленных органических соединений из окисленных неорганических. Энергия, накопленная в этих соединениях, покрывает все энергетические затраты организмов, населяющих море, во время их движения, размножения, биохимического обмена и т. п. Передача энергии, усвоенной растениями, происходит и когда одни организмы питаются другими.

Первоисточником пищи всех животных служат органические соединения, накопившиеся в теле водорослей в процессе фотосинтеза. Это накопление органических соединений, приводящее к росту водорослей, называют первичной продукцией океана.

В ходе процесса фотосинтеза в клетке происходит фотохимическое расщепление молекулы воды на ионы гидроксила и водорода. Водород присоединяется к углекислоте и образует углеводы. Затем клетка извлекает из воды азот, фосфор, калий, кальций, магний, серу и др. Образуются белки и другие биохимические соединения. Интересно отметить, что все процессы, кроме фотодиссоциации воды, темновые, т. е. не требуют дополнительного поглощения световой энергии. Продолжительность темновых реакций во много раз больше, чем световых. Суммарная скорость процесса первичной продукции в условиях достаточного снабжения биогенными элементами и хорошей освещенности в конечном счете определяется темновыми биохимическими реакциями.

Если света мало, фотохимические (световые) реакции оказываются определяющими, лимитирующими общую скорость фотосинтеза.

Поглощение солнечной энергии растениями осуществляется с помощью пигментов, т. е. каталитически активных окрашенных соединений, содержащихся в водорослях. Каждый из пигментов поглощает свет в определенных, характерных для него участках спектра.

Основным из них является хлорофилл a, который есть у всех без исключения фотосинтезирующих растений. Молекулы хлорофилла — отличные «ловушки» для солнечного света. Но главная их функция — фотодиссоциация молекулы воды. Наиболее ярко выраженные максимумы поглощения хлорофилла a находятся в участках спектра 420–430 и 670–680 нм. Однако эти области излучения значительно поглощаются морокой водой, и поэтому у водорослей имеется сложная пигментная система, восприимчивая к излучению и в других участках видимого спектра. Дополнительные пигменты поглощают энергию в участках спектра, недоступных хлорофиллу а, и передают ему эту энергию. От набора пигментов данной водоросли зависит ее окраска. Окраска водорослей — наследственный признак и способствует их расселению на определенных глубинах.

Важным свойством пигментной системы является ее способность к хроматической адаптации, т. е. способность быстро изменяться и приходить в соответствие с суточными и вертикальными изменениями спектрального состава проникающего в воду света.

В процессе фотосинтеза морского фитопланктона используется лишь очень незначительная доля световой энергии, падающей на поверхность Мирового океана, — в среднем 0,04 % от проникшей в воду. В наиболее продуктивных районах моря эффективность фотосинтеза достигает примерно 0,35 %, а в бедных жизнью она составляет всего 0,02 %. Остальная солнечная радиация поглощается водной толщей.

Как мы знаем, освещенность с глубиной убывает по показательному закону. Тот же характер носит ослабление с глубиной интенсивности фотосинтеза. Происходит это до тех горизонтов, где световые реакции фотосинтеза уже начинают лимитировать его скорость. В подповерхностных же слоях моря, наоборот, избыток света подавляет фотосинтетический процесс. Исключение составляют лишь приполярные районы, где на поверхность моря падает количество световой энергии, которого недостаточно для подавления фотосинтеза.

Оптимальное для фотосинтеза значение световой энергии для различных биогеографических областей неодинаково: для тропической зоны это 60–85 кал/см2, для умеренных широт — 15–20 кал/см2 в день. Минимальная интенсивность освещения, при которой вообще возможен фотосинтез, очень невысока. Многие виды глубоководных морских водорослей развиваются в условиях, где освещенность составляет 10-5—10-7 от количества солнечного света, падающего на морскую поверхность, что по интенсивности близко к освещенности, создаваемой лунным светом.

Таким образом, интенсивность световой энергии на различных глубинах моря, ее суточные и сезонные изменения имеют большое значение для первичной продукции вод океанов и морей.

Важной величиной, характеризующей эффективность превращения световой энергии в химическую, является квантовый выход фотосинтеза φ, который можно оценить числом молекул синтезированного углерода при поглощении одного кванта света, т. е.