Quá trình tổng hợp và phân hủy vật chất trong hệ sinh thái
Như một cơ thể sống, hệ sinh thái cũng có quá trình đồng hóa và dị hóa, quá trình phát sinh, phát triển và suy thoái theo thời gian, có giới hạn sinh thái nhất định,… Những quá trình đó được thực hiện bằng các hoạt động chức năng của hệ.
Hai quá trình này tương đồng với quá trình đồng hóa và dị hóa của cơ thể sống, luôn diễn ra song song, tạo nên dãy thức ăn liên tục. Tuy nhiên, tùy thuộc vào hoàn cảnh mà quá trình này chiếm ưu thế hơn so với quá trình khác. Chẳng han, hệ sinh thái đang phát tri ển thì quá trình sản xuất chiếm ưu thế. Khi hệ trưởng thành, hai quá trình trên cân bằng với nhau, còn khi hệ suy thoái thì quá trình phân h ủy lại thắng thế. Sinh quyển của chúng ta hiện tại có “của ăn của để” là nhờ sức sản xuất vật chất đang vượt hẳn lên so với quá trình tiêu thụ của hệ.
Quá trình tổng hợp và phân hủy vật chất trong hệ sinh thái
a. Quá trình sản xuất hay tổng hợp vật chất
Tổng hợp vật chất của hệ sinh thái được diễn ra bởi hai quá trình sau:
Sự quang hợp của cây xanh: Cây xanh, tảo sống trong nước và một số vi sinh vật có sắc tố (vi khuẩn lưu huỳnh đỏ tía) có khả năng lấy năng lượng từ bức xạ mặt trời để tổng hợp nên chất hữu cơ đầu tiên (nguồn thức ăn sơ cấp) từ các chất vô cơ đơn giản của môi trường để nuôi sống mình và nuôi sống các sinh vật dị dưỡng khác. Phương trình tổng quát của phản ứng ôxi hóa khử có thể viết dưới dạng
Đối với cây xanh, A là ôxi phân tử, nước bị ôxi hóa và giải phóng ôxi, còn CO2 bị khử đến (CH2O) và giải phóng nước. Trong quang hợp của vi khuẩn, H2A không phải là nước (chất khử) mà là hợp chất vô cơ chứa lưu huỳnh, chẳng hạn, H2S, có ở vi khuẩn lưu huỳnh xanh và đỏ (chlorobacteriacea và Thiorhodaceae), ho ặc chất hữu cơ ở vi khuẩn không lưu huỳnh đỏ tía và nâu (Athiorhodaceae). Trong quang hợp của vi khuẩn thuộc các nhóm nêu trên, ôxi không đư ợc hình thành.
Quá trình hóa tổng hợp: Quá trình này được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn hóa tổng hợp, trong đó vi khuẩn oxi hóa hidro sunphua và lưu hu ỳnh đóng vai trò tổng hợp nhận năng lượng để đưa cacbon dioxit vào thành ph ần tế bào không qua quá trình quang hợp mà nhờ năng lượng được sinh ra rừ sự oxi hóa các chất vô cơ đơn giản bằng con đường hóa học, ví dụ, biến amoniac thành nitrit, nitrit thành nitrat, hidro sunphua thành lưu hu ỳnh, sắt 2 thành sắt 3, chẳng hạn Thyobacillus rất phong phú trong các suối nước nóng, giàu lưu huỳnh, vi khuẩn nito (Pseudomonas, Nitrobacter,…) có mặt trong nhiều công đoạn của chu trình nito. Những vi khuẩn như thế có thể phát triển trong bóng tối, nhưng đa số chúng cần oxi. Vi khuẩn hóa tổng hợp chủ yếu tham gia vào việc sử dụng lại (thứ sinh) hidrat cacbon có sẵn, chứ không phải tạo nên cacbon hidrat sơ cấp.
Người ta cũng nhận ra rằng, khi các chất hữu cơ trong điều kiện kị khí bị phân hủy với sự có mặt của sunphat (như một chất oxi hóa) thì trên 90% năng lượng hình thành trong quá trình đó được chi dùng vào việc khử sunphat đến hidro sunphua (H2S). khí này khi di chuyển từ vùng khử lên vùng oxi hóa lại bị oxi hóa bằng con đường hóa học hoặc được các vi khuẩn hóa tổng hợp sử dụng. Nếu vùng có ánh sáng thì vi khuẩn lưu huỳnh đỏ tía tiếp nhận H2S như một chất khử để thực hiện quá trình quang hợp.
b. Quá trình phân hủy vật chất.
Vật chất được phân hủy bằng 3 con đường: hô hấp hiếu khí, hô hấp kị khí và lên men.
- Hô hấp hiếu khí: Đó là quá trình oxi hóa sinh học xảy ra trong mọi cơ thể sinh vật, giải phóng năng lượng cho các hoạt động sống. Ôxi tự do được lấy từ khí quyển hay từ ôxi hòa tan trong nước.
- Hô hấp kị khí xảy ra điều kiện không có ôxi tự do. Chất nhận điện tử không phải là ôxi mà là một hợp chất vô cơ hay hữu cơ khác bất kì.
- Lên men là quá trình kị khí, trong đó các hợp chất hữu cơ vừa là chất khử (cho điện tử) vừa là chất ôxi hóa (nhận điện tử)
Tóm lại, trong quá trình hô hấp hay phân hủy vật chất bởi các nhóm sinh vật, sản phẩm được hình thành chủ yếu là CO2, H2O, song trong quá trình đó cũng có thể diễn ra chưa đến giai đoạn kết thúc; ở điều kiện như vậy, chất hữu cơ vẫn còn chứa một ít năng lượng nhất định sẽ lại được các nhóm sinh vật khác sử dụng và phân hủy đến cùng.