Зерно злаков — мышь полевка — хорь — филин. Биогеохимические циклы (биогеохимические круговороты) -циклические процессы обмена веществ между различными компонентами биосферы, обусловленные жизнедеятельностью организмов
Вещества поступают к живым организмам из почвы, воздуха, воды. Вода испаряется из океанов, поднимается к слоям атмосферы, образуя дождь. Зеленые растения пользуются поступившей в почву водой. Поддерживая свою жизнедеятельность, они одновременно выделяют необходимый для жизни кислород. В то же время, без воздействия кислорода не могли бы происходить процессы разложения и гниения растений. Как называется этот замкнутый круг, обеспечивающий возможность жизни на Земле, и в чем состоят его особенности?
Главное понятие экологии
Биологический круговорот - это обращение химических элементов, возникшее одновременно с зарождением жизни на нашей планете, и которое происходит при участии живых организмов.
Закономерности, присущие круговороту веществ, решают основные задачи поддержания жизни на Земле. Ведь запасы питательных веществ на всей поверхности Земли не безграничны, хотя и являются огромными. Если бы эти запасы только потреблялись живыми существами, то в один момент жизнь должна была бы подойти к своему концу. Ученый Р. Вильямс писал: «Единственный метод, который позволяет ограниченному количеству иметь свойство бесконечного, - это сделать так, чтобы оно вращалось по траектории замкнутой кривой линии». Сама жизнь распорядилась так, чтобы на Земле был использован этот метод. Органические вещества создаются зелеными растениями, а незеленые подвергают его разрушению.
В биологическом круговороте каждый вид живых существ занимает свое место. Основной парадокс жизни заключается в том, что она поддерживается при помощи процессов деструкции и постоянного распада. Сложные органические соединения рано или поздно разрушаются. Этот процесс сопровождается выделением энергии, потерей свойственной живому организму информации. Огромное значение в биологическом круговороте веществ и развитии жизни играют микроорганизмы - именно с их участием любая форма жизни включается в биотический круговорот.
Звенья биоцепочки
Микроорганизмы имеют два свойства, которые позволяют им занимать столь важное место в круге жизни. Во-первых, они очень быстро могут приспосабливаться к меняющимся условиям окружающей среды. Во-вторых, для пополнения запасов энергии они могут использовать самые разнообразные вещества, а также углерод. Такими свойствами не обладает ни один из высших организмов. Они существуют лишь как надстройка над фундаментальным основанием царства микроорганизмов.
Особи и виды различных биологических классов являются звеньями круговорота веществ. Они также взаимодействуют между собой при помощи различных типов связей. Круговорот веществ планетарного масштаба включает в себя частные биологические круговороты в природе. Они осуществляются, главным образом, по пищевым цепочкам.
Опасные обитатели домашней пыли
Немалую роль в биологическом круговороте играют и сапрофиты - постоянные «жители» домашней пыли. Они питаются разнообразными веществами, которые входят в состав домашней пыли. При этом сапрофиты выделяют довольно токсичные фекалии, которые провоцируют возникновение аллергии.
Кем же являются эти невидимые для человеческого глаза создания? Сапрофиты принадлежат к семейству паукообразных. Они сопровождают человека на протяжении всей жизни. Ведь пылевые клещи питаются домашней пылью, в состав которой также входит человеческая кожа. Ученые полагают, что когда-то сапрофиты были жителями птичьих гнезд, а затем «перебрались» в жилище человека.
Пылевые клещи, играющие большую роль в биологическом обороте, имеют очень малые размеры - от 0,1 до 0,5 мм. Но они настолько активны, что всего лишь за 4 месяца один пылевой клещ может отложить порядка 300 яиц. Один грамм домашней пыли может содержать несколько тысяч клещей. Невозможно представить, сколько пылевых клещей может быть в доме, ведь считается, что за один год в человеческом жилище может накапливаться до 40 кг пыли.
Круговорот в лесу
В лесу биологический круговорот обладает наибольшей мощностью по причине проникновения корней деревьев в глубины почвы. Первым звеном в этом обороте обычно считается так называемое ризосферное звено. Ризосферой называется тонкий (от 3 до 5 мм) слой почвы вокруг дерева. Почва вокруг корней дерева (или «ризосферная почва»), как правило, очень богата корневыми выделениями и различными микроорганизмами. Ризосферное звено представляет собой своеобразные ворота между живой природой и неживой.
Звено потребления находится в корнях, которые поглощают минеральные вещества из почвы. Некоторая часть веществ смывается осадками обратно в почву, однако большей частью возврат питательных веществ осуществляется во время двух процессов - опада и отпада.
Роль опада и отпада
Опад и отпад имеют разное значение в биологическом круговороте веществ. Опад включает в себя шишки деревьев, ветки, листья, остатки от травы. Исследователи не включают в опад деревья - они относятся к категории отпада. Разложение отпада может происходить в течение десятков лет. Иногда отпад может служить материалом для питания других древесных пород - но только по достижении определенной стадии разложения. Отпад содержит много веществ, относящихся к классу зольных. Они медленно поступают в почву и используются растениями для дальнейшей жизнедеятельности.
От чего зависит опад?
Опад имеет несколько иное значение в биологическом круговороте. В течение года весь его объем переходит в слой подстилки и подвергается полному разложению. Элементы золы гораздо быстрее поступают в биотический оборот. Однако фактически опад является частью биологического оборота уже когда листья находятся на дереве. Показатель опада зависит от многих факторов: климата, погоды в текущем и предыдущем годах, количества насекомых. В лесотундре она достигает нескольких центнеров, в лесах измеряется тоннами. Самое большое количество опада в лесах приходится на весну и осень. Различается этот показатель и в зависимости от года.
Что касается органического состава хвои и листьев, то в процессе круговорота они подвергаются одинаковым изменениям. В отличие от опада, зеленые листья обычно богаты фосфором, калием, азотом. Опад же, как правило, богат кальцием. На биологический круговорот большое влияние оказывают насекомые и животные. Например, листогрызущие насекомые могут значительно ускорить его. Однако самое большое влияние на скорость круговорота оказывают животные в процессе разложения опада. Личинки и черви поедают и измельчают опад, перемешивают с верхними слоями почвы.
Фотосинтез в природе
Растения для пополнения запасов энергии умеют использовать солнечный свет. Они делают это в два этапа. На первом этапе происходит улавливание света листьями; на втором энергия используется для процесса связывания углерода и образования органических веществ. Биологи называют зеленые растения автотрофами. Они являются основой для жизни на всей планете. Автотрофы имеют огромное значение в фотосинтезе и биологическом круговороте. Энергия солнечного света превращается ими в запасенную посредством образования углеводов. Самым главным из них является сахар глюкоза. Процесс этот получил название фотосинтеза. Живые организмы других классов могут получать доступ к солнечной энергии, употребляя в пищу растения. Таким образом появляется пищевая цепь, обеспечивающая круговорот веществ.
Закономерности фотосинтеза
Несмотря на важность процесса фотосинтеза, долгое время он оставался неизученным. Лишь в начале XX века английский ученый Фредерик Блэкман поставил несколько экспериментов, при помощи которых удалось установить этот процесс. Ученый выявил и некоторые закономерности фотосинтеза: оказалось, что он запускается при слабом освещении, постепенно усиливаясь с потоками света. Однако это происходит только до определенного уровня, после которого усиление света уже не ускоряет фотосинтез. Блэкман также установил, что постепенное повышение температуры при усилении освещения способствует фотосинтезу. Повышение температуры при слабом освещении не ускоряет этот процесс, как и усиление освещения при низкой температуре.
Процесс преобразования света в углеводы
Фотосинтез начинается с процесса попадания фотонов солнечного света в молекулы хлорофилла, расположенные в листьях растений. Именно хлорофилл придает растениям зеленый цвет. Улавливание энергии происходит в два этапа, которые биологи называют Фотосистема I и Фотосистема II. Интересно, что номера этих фотосистем отражают порядок их открытия учеными. Это одна из странностей в науке, так как вначале реакции происходят во второй фотосистеме, и лишь затем - в первой.
Фотон солнечного света сталкивается с 200-400 молекулами хлорофилла, находящимися в листе. При этом энергия резко возрастает и передается молекуле хлорофилла. Этот процесс сопровождается химической реакцией: хлорофилловая молекула теряет при этом два электрона (их, в свою очередь, принимает так называемый «акцептор электронов», другая молекула). А также при столкновении фотона с хлорофиллом происходит образование воды. Цикл, при котором солнечный свет превращается в углеводы, называется циклом Калвина. Значение фотосинтеза и биологического круговорота веществ нельзя недооценить - именно благодаря этим процессам на земле имеется кислород. Получаемые человеком полезные ископаемые - торф, нефть - также являются носителями запасенной в процессе фотосинтеза энергии.
Вариант 1
Часть А.
Выберите правильный ответ.
Укажите явление, которое не является основным предметом изучения экологии:
Б) взаимоотношения между особями разных видов;
В) механизм возникновения мутаций под действием мутагенных факторов;
Г) влияние организмов на окружающую среду.
2. Большое разнообразие цепей питания, сбалансированный круговорот веществ в экосистеме обеспечивают её
А) динамичность;
Б) целостность;
Г) сходство с агроценозом.
3. Учёный – основоположник учения о биогеоценозах:
А) Докучаев В.В.
Б) Сукачёв В.Н.
В) Вернадский В.И.
Г) Вавилов Н.И.
4. Укажите фактор, который не относится к категории экологических факторов:
А) свет;
Б) температура;
В) забота о потомстве;
Г) газовый состав атмосферы.
5. Первым звеном пищевой цепи биогеоценоза является:
А) лягушка;
Б) кузнечик;
Г) растение.
6. Количество энергии, передаваемого с одного трофического уровня на другой, составляет от количества энергии предыдущего уровня:
Б) 10%;
Г) 1%.
7. Крайние значения интенсивности экологического фактора, при которых ещё возможно функционирование организма:
А) норма реакции;
Б) ограничивающие факторы;
В) пределы выносливости;
Г) оптимальные значения.
8. Прирост за единицу времени биомассы экологической системы – это
А) производительность;
Б) продукция;
В) прибыль;
Г) эффективность.
9. Могут ли одни и те же живые организмы входить в состав сразу нескольких пищевых цепей?
Б) нет.
10. Географическая область Земли, для экологических систем которой характерна большая биомасса растений и продукции:
А) тундра;
Б) пустыня;
В) леса средних широт;
Г) тропические дождевые леса.
11. В агроценозе пшеничного поля грибы и гнилостные бактерии относят к:
А) продуцентам;
Б) консументам;
В) редуцентам.
12. Вид борьбы за существование, результатом которой явилось формирование ярусности дубравы:
А) межвидовая;
Б) внутривидовая;
В) с неблагоприятными факторами среды.
13. Экологический фактор – главный регулятор сезонных явлений у растений и животных:
А) температура;
Б) влажность;
В) интенсивность солнечного излучения;
Г) продолжительность дня.
14. Основной причиной неустойчивости экосистем является:
А) колебание температуры среды;
Б) недостаток пищевых ресурсов;
В) несбалансированность круговорота веществ;
Г) повышенная численность некоторых видов.
15. Процесс саморазвития природной экосистемы можно наблюдать на примере:
А) весеннего размножения организмов;
Б) вырубки леса;
В) зарастания лесного озера;
Г) создания искусственного водоёма.
Часть В.
В - 1. В экосистеме широколиственного леса консументами 1 порядка являются:
А) дуб черешчатый;
Б) жук - листоед;
В) почвенные бактерии;
Г) лось;
Д) куница
В - 2. Почему поле пшеницы считают искусственным сообществом?
А) имеет малочисленный видовой состав;
Б) отсутствуют редуценты;
В) неустойчивая система;
Г) короткие пищевые цепи;
Е) имеет популяции растений и животных.
В - 3. Среди перечисленных типов взаимоотношений выберите конкурентные взаимоотношения:
А) бычий цепень и человек;
Б) клубеньковые бактерии и горох;
В) серая и чёрная крыса;
Г) рысь и заяц;
Д) самцы лося в период осеннего гона;
Е) соболь и куница.
В - 4. Установите соответствие
между особенностями обитателей биогеоценоза и их принадлежностью к функциональной группе.
Особенности группы: Функциональная группа:
1) включает растения, некоторые бактерии; А – продуценты
2) поглощает готовые органические вещества; Б – консументы
3) поглощает неорганические вещества;
4) включает животных;
5) аккумулирует солнечную энергию;
6) источник энергии – животная и растительная пища.
В -5.
А) рачок дафния;
Б) фитопланктон;
Д) щука.
С – 1 Какова роль хемосинтезирующих бактерий в экосистемах?
С – 2. Каковы причины «цветения» воды в водоёмах?
С – 3. Почему в наземном биогеоценозе наиболее важная роль принадлежит высшим растениям?
С – 4. Интенсивный выпас скота изменяет луговые и степные экосистемы, превращая их в бедные пустоши. Объясните, как это происходит?
Тест по теме: «Основы экологии»
Вариант 2
Часть А.
Выберите правильный ответ.
Фактор, являющийся причиной замедления или прекращения роста многолетних растений в середине лета:
Б) уменьшение количества осадков;
В) уменьшение длины дня;
Г) уменьшение интенсивности солнечного излучения.
2. Признак, который не относится к основным показателям для характеристики биогеоценоза:
А) видовое разнообразие;
Б) плотность той или иной популяции;
В) биомасса;
В) совокупность генофондов всех популяций;
Г) продуктивность.
3. Закономерность, связанная с использованием и превращением энергии в цепях питания:
А) правило ограничивающего (лимитирующего) фактора;
Б) правило экологической пирамиды:
В) биологический оптимум;
Г) закон сохранения энергии и вещества.
4. Число звеньев, из которых состоит большинство пищевых цепей:
5. Группа экологических факторов, к которой относятся забота о потомстве, ухаживание самцов за самками:
А) абиотические;
Б) биотические;
В) антропогенные;
Г) ограничивающие.
6. Основная причина уменьшения числа и биомассы организмов, входящих в состав биогеоценоза:
А) ограниченное число видов;
Б) большая потеря энергии в цепи питания;
В) небольшая продолжительность жизни представителей отдельных звеньев пищевых цепей;
Г) формирование пищевой сети из нескольких пищевых сетей.
7. Географическая область Земли, для экологических систем которой характерна меньшая биомасса растений и продукции:
А) тундра и пустыни;
Б) леса средних широт;
В) тропические дождевые леса.
8. Источник энергии для большинства естественных биогеоценозов:
А) видимые лучи солнечного излучения;
Б) тепловая энергия;
В) химическая энергия неорганических соединений;
Г) химическая энергия органических соединений.
9. Экологический фактор, ограничивающий распространение многих животных и растений к северу:
А) нарушение характерного для средних широт чередования дня и ночи;
Б) недостаток пищи;
В) недостаток тепла;
Г) избыток влаги.
10 Основное направление действия отбора в агроценозах:
А) увеличение многообразия сортов и видов;
Б) создание организмов с максимальной продуктивностью;
В) создание организмов, устойчивых к действию неблагоприятных факторов среды;
Г) создание устойчивой экологической системы.
11. Фактор, который по отношению к теплокровным животным не является экологическим:
А) влажность;
Б) температура;
В) вирусы животных;
Г) нитрифицирующие бактерии.
12. Группа организмов, представителям которой принадлежит решающее значение в смене наземных биогеоценозах:
А) растительноядные животные;
Б) хищные животные;
В) растения;
Г) гнилостные бактерии, грибы.
13. Наиболее устойчивая экосистема:
В) дубрава;
14. Последним звеном пищевой цепи биогеоценоза является:
Б) кузнечик;
В) лягушка;
Г) растение.
15. Группа организмов в агроценозе пшеничного поля, к которой относят насекомых, птиц, полёвок, лис:
А) консументы,
Б) продуценты;
В) редуценты.
Часть В.
Выберите три верных ответа из шести.
В - 1. В экосистеме широколиственного леса консументами 2 порядка являются:
А) дуб черешчатый;
В) почвенные бактерии;
Г) паук;
Д) куница
В - 2. Почему озеро считают естественным сообществом?
А) отсутствуют редуценты;
Б) существуют цепи питания;
В) устойчивая природная система;
Г) длинные пищевые цепи;
Д) действует правило экологической пирамиды;
Е) имеет разнообразный видовой состав.
В - 3. Среди перечисленных типов взаимоотношений выберите симбиотические взаимоотношения:
А) бычий цепень и человек;
Б) клубеньковые бактерии и бобовые растения;
В) лишайники;
Г) рысь и заяц;
Д) рак – отшельник и актиния;
Е) минога и треска.
В - 4. Установите соответствие
между факторами среды и их характеристиками.
Характеристики: Факторы среды:
1) Отлов рыбы; А – биотические
2) Изменение толщины озонового слоя; Б – абиотические
3) Гибель растений от засухи;
4) Питание птиц плодами растений;
5) Изменение влажности воздуха;
В -5. Установите, в какой последовательности надо расположить звенья в пищевой цепи.
А) полевой жаворонок;
Д) кузнечик.
Часть С. Дайте краткий свободный ответ на вопрос в заданиях С – 1,
С – 2, полный развёрнутый - в заданиях С - 3, С – 4.
С – 1 Почему на лесных тропинках растения отсутствуют или сильно разрежены?
С – 2. Что служит основой формирования разнообразных сетей питания в экосистемах?
С – 3. Как животные приспособлены к жизни в засушливых условиях?
С – 4. Какие факторы (условия) оказывают влияние на изменение площади ареала, занимаемыми разными популяциями животных?
Ответы к тестовым заданиям.
Вариант 1
|
Часть А. |
Часть В. |
Часть С. |
|
1 – В |
1 - БГЕ |
1 – Образуют органические вещества из неорганических; относятся к продуцентам. |
|
2 - Б |
2 - АВГ |
|
|
3 – Б |
3 – ВДЕ |
2 – а) интенсивное освещение и прогревание воды создают благоприятные условия для размножения одноклеточных зелёных водорослей; б) загрязнение водоёмов сточными водами приводит к размножению сине – зелёных организмов. |
|
4 – В |
4 - АБАБАБ |
|
|
5 - Г |
5 - БАГДВ |
|
|
6 - Б |
3 – а) имеют большую биомассу и продукцию; б) являются продуцентами; в) активно влияют на микроклимат биогеоценоза и формируют его границу.
|
|
|
7 - В | ||
|
8 - Б |
4 – а) распространяются непоедаемые растения; б) уменьшается количество видов; в) происходит обеднение среды питательными веществами, что резко ухудшает условия жизни растений.
|
|
|
9 – А | ||
|
10 – В | ||
|
11 – В | ||
|
12 – А | ||
|
13 – Г | ||
|
14 – В | ||
|
15 - В |
Вариант 2
|
Часть А. |
Часть В. |
Часть С. |
|
1 – В |
1 - БГД |
1 – постоянное вытаптывание приводит к уплотнению почвы и угнетению растений. |
|
2 - В |
2 - ВГЕ |
|
|
3 – Б |
3 – БВД |
2 – а) разнообразие видов, наличие продуцентов, консументов и редуцентов; б) питание видов разнообразной пищей. |
|
4 – В |
4 - АБААБА |
|
|
5 – Б |
5 - ВДАГБ |
|
|
6 - Б |
3 – а) активны в ночное время суток; б) летняя спячка, рытьё нор; в) плотные сухие покровы, образование воды при окислении жира.
|
|
|
7 – А | ||
|
8 - А |
4 – а) подвижность особей; б) наличие корма; в) благоприятные для жизни климатические условия. |
|
|
9 – В | ||
|
10 – Б | ||
|
11 – Г | ||
|
12 – В | ||
|
13 – В | ||
|
14 – А | ||
|
15 - А |
§ 40. Круговорот веществ и энергии в биосфере
Все живые организмы находятся во взаимосвязи с неживой природой и включены в непрерывный круговорот веществ и энергии (рис. 44). В результате происходит биогенная миграция атомов. Необходимые для жизни организмов химические элементы переходят из внешней среды в организм. При разложении органических веществ эти элементы вновь возвращаются в окружающую среду.
биосфере " class="img-responsive img-thumbnail">
Рис. 44. Круговорот веществ в природе: 1 – круговорот воды, кислорода и углерода; 2 – круговорот азота
Атмосфера состоит из смеси газов. В процессе фотосинтеза зеленые растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Углекислый газ идет на построение органических веществ и через растительные организмы в виде питательных веществ переходит в организм животных. Кислород используется всеми живыми организмами в процессе дыхания, для окисления органических веществ, при разложении отмерших остатков организмов. В результате этих процессов углекислый газ вновь выделяется в атмосферу. Свободный азот атмосферы поглощается в почве азотфиксирующими бактериями и переводится в связанное, доступное для усвоения состояние. Растения получают из почвы соединения азота для синтеза органических веществ. После отмирания другая группа микроорганизмов освобождает азот и возвращает его в атмосферу.
Таким образом, кислород, азот и углекислый газ поглощаются живыми организмами и ими же выделяются в атмосферу вновь в результате других процессов. Благодаря сбалансированному круговороту газов поддерживается постоянство состава атмосферы.
В горных породах содержится большое количество фосфора. При разрушении горных пород фосфор оказывается в почвах, а оттуда поступает в живые организмы. Часть фосфатов растворяется в воде и попадает в Мировой океан, где накапливается на дне, образуя осадочные горные породы.
Вода также участвует в круговороте. В процессе фотосинтеза она используется для синтеза органических веществ, а при дыхании и разложении органических остатков выделяется в окружающую среду. Кроме того, вода необходима для жизнедеятельности всем живым организмам. В ней растворяются минеральные соли и органические вещества, необходимые живым организмам. Через водную среду проходит круговорот элементов натрия, магния, кальция, железа, серы и других элементов, что в общей сложности составляет 1,7 % общего количества веществ, включаемых в круговорот.
В результате круговорота веществ происходит непрерывное перемещение химических элементов из живых организмов в неживую природу и обратно. Круговорот веществ включает два противоположно направленных процесса, связанных с аккумуляцией элементов в живых организмах и минерализацией в результате их разложения. Причем на поверхности Земли преобладает образование живого вещества, а в почве и морских глубинах – минерализация.
Одновременно с миграцией атомов происходит и преобразование энергии. Единственным источником энергии на Земле является Солнце. Часть тепла расходуется на обогрев Земли и испарение воды. И только 0,2 % солнечной энергии используется в процессе фотосинтеза. Эта энергия преобразуется в энергию химических связей органических веществ. При расщеплении и окислении органических веществ в процессе питания энергия освобождается и расходуется на процессы жизнедеятельности организмов: рост, движение, размножение, развитие, обогрев тела. Таким образом, постоянно поступающая солнечная энергия аккумулируется в органических веществах и ее используют все живые организмы.
Итак, биосфера представляет собой большую систему, состоящую из разнородных компонентов, связанных между собой процессами миграции энергии и вещества. Источником энергии служит Солнце. Цикличность процессов миграции – круговорот веществ обеспечивает непрерывное существование биосферы.
Количество живого вещества (биопродукция) колеблется: размножение и рост живых организмов приводят к ее росту, подавление и ограничение скорости размножения и роста, гибель организмов способствуют ее уменьшению.
К ограничивающим факторам относятся концентрация углекислого газа в атмосфере, недостаток влаги, нехватка питательных элементов, интенсивность света. Эти факторы ограничивают не только скорость образования органического вещества, но и скорость других геохимических процессов, протекающих в неживой природе.
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|
Все живые организмы в процессе жизнедеятельности находятся в постоянном и активном взаимодействии с окружающей средой. Суть этого взаимодействия заключается в обмене веществом и энергией. Жизнедеятельность экосистемы и круговорот веществ в ней возможны только при условии постоянного притока энергии. Основной источник энергии на Земле — солнечное излучение. Энергия Солнца переводится фотосинтезирующими организмами в энергию химических связей органических соединений. Передача энергии по пищевым цепям подчиняется второму закону термодинамики: преобразование одного вида энергии в другой происходите потерей части энергии. При этом ее перераспределение подчиняется строгой закономерности: энергия, получаемая экосистемой и усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго и других порядков, а затем редуцентам с падением потока энергии на каждом трофическом уровне. В связи с этим круговорота энергии не бывает.
В отличие от энергии, которая используется в экосистеме только один раз, вещества используются многократно из-за того, что их потребление и превращение происходит по кругу. Этот круговорот осуществляется живыми организмами экосистемы (продуцентами, консументами, редуцентами) и называется биологическим круговоротом веществ. Под биологическим круговоротом понимается поступление химических элементов из почвы и атмосферы в живые организмы, в которых поступающие элементы превращаются в новые сложные соединения, и возвращение их в почву и атмосферу в процессе жизнедеятельности.
Экологические системы суши и Мирового океана связывают и перераспределяют солнечную энергию, углерод атмосферы, влагу, кислород, водород, фосфор, азот, серу, кальций и другие элементы. Жизнедеятельностью растительных организмов (продуцентов) и их взаимодействиями с животными (консументами), микроорганизмами (редуцентами) и неживой природой обеспечивается механизм накопления и перераспределения солнечной энергии, поступающей на Землю.
Важнейшим аспектом существования жизни на Земле являются круговороты (биогеохимические циклы), в которые вовлечены вода и основные биогенные химические элементы — С, Н, О, N, Р, S, Fe, Mg, Mo, Mn, Cu, Zn, Ca, Na, К и др. Все циклы состоят из двух фаз: органической (во время которой вещество или элемент находится в составе живых организмов) и неорганической. Последовательные переходы вещества из одной фазы в другую совершаются бесчисленное количество раз. Так, например, ежегодно проходит через органическую фазу и возвращается в неорганическую 1/7 часть всего углекислого газа и 1/4500 часть кислорода атмосферы; подсчитано, что вся вода оборачивается за 2 млн лет.
В качестве примера рассмотрим круговорот азота — одного из важнейших химических элементов живых организмов. Азот является строительным материалом для белков, нуклеиновых кислот, компонентом АТФ, хлорофилла, гемоглобина и т.д.
Азот распространен в биосфере крайне неравномерно. В почве его содержится всего от 0,02 до 0,5 %, и то лишь благодаря деятельности микроорганизмов, некоторых растений и разложению органических веществ. В то же время миллионы тонн азота в атмосфере буквально давят на поверхность Земли. Над каждым гектаром почвы, образно говоря, «висит» до 80 тыс. т этого элемента. Несмотря на то что азота в атмосфере очень много (78 %), большинство растений не в состоянии ассимилировать его в молекулярном состоянии. «Элементом жизни» азот становится только в химических соединениях — легкорастворимых азотнокислых и аммиачных солях. Однако связанного (хотя бы в простые оксиды) азота в воздухе нет.
Исключением является поступление азота в атмосферу в результате выбросов автомобильного транспорта, тепловых электростанций, котельных, промышленных предприятий. При сжигании ископаемого топлива (нефть, уголь, газ) в атмосферу Земли происходит выброс оксидов азота (N 2 0, N0 2), которые загрязняют окружающую среду.
Напрямую азот атмосферы способны использовать лишь немногие прокариотические (доядерные) организмы — некоторые виды бактерий и цианобактерий. Высшие растения могут использовать азот только в результате симбиотических взаимоотношений с азотфиксируюшими прокариотическими организмами — клубеньковыми бактериями, которые поселяются в тканях корней растений из семейства бобовых, таких как арахис, соя, чечевица, фасоль, люцерна, клевер, люпин и др. Фиксируя атмосферный азот, они снабжают растение-хозяин доступными для него соединениями азота в виде нитратов и нитритов.
Мертвые азотсодержащие органические вещества (белки, нуклеиновые кислоты, мочевина) разлагаются аммонифицирующими бактериями до аммиака. Он легко растворяется в воде. Часть его может поглощаться непосредственно растениями, часть вымывается из почвы, а оставшийся аммиак подвергается действию специализированных бактерий в результате процесса нитрификации - окисления азотсодержащих соединений. Корни растений получают нитриты и нитраты, образующиеся в ходе реакции
NH 4 + -> N0 2 - -> N0 3 -
В природе осуществляется и обратный процесс — восстановление нитритов и нитратов до газообразных азотистых продуктов - денитрификация, В результате этого процесса денитрифицирующие бактерии восстанавливают ион NO3 - до N 2 . Денитрификация происходит в несколько этапов:
N0 3 - -> N0 2 -> - N 2 0 -> N2
Таким образом, в ходе денитрификации связанный азот удаляется из почвы и воды и в виде газообразного азота возвращается в атмосферу. Денитрификация замыкает цикл азота и препятствует накоплению его оксидов, которые в высоких концентрациях токсичны.
Круговорот веществ никогда не бывает полностью замкнутым. Часть органических и неорганических веществ выносится за пределы экосистемы, и в то же время их запасы могут пополняться за счет притока извне. В отдельных случаях степень повторяющегося воспроизводства некоторых циклов круговорота веществ достигает 90-98 %. Неполная замкнутость циклов в масштабах геологического времени приводит к накоплению элементов в различных природных сферах Земли. Так накапливаются полезные ископаемые — уголь, нефть, газ, известняки и т.п.
Энергетический баланс биосферы - соотношение между поглощаемой и излучаемой энергией. Определяется приходом энергии Солнца и космических лучей, которая усваивается растениями в ходе фотосинтеза, часть преобразуется в другие виды энергии и еще часть рассеивается в космическом пространстве.
Круговорот в биосфере - повторяющиеся процессы превращений и пространственных перемещений веществ, имеющие определенное поступательное движение, выражающееся в качественных и количественных различиях отдельных циклов.
Выделяют два вида круговорота:
большой (геологический) (круговорот веществ протекает от нескольких тысяч до нескольких миллионов лет, включая в себя такие процессы, как круговорот воды и денудация суши. Денудация суши складывается из общего изъятия вещества суши (52990 млн.т/год), общего привноса вещества на сушу (4043 млн.т/год) и составляет 48947 млн.т/год. Антропогенное вмешательство ведет к ускорению денудации, приводя, например, к землетрясениям в зонах водохранилищ, построенных в сейсмоактивных районах)
малый (биотический) (круговорот вещества происходит на уровне биогеоценоза или биогеохимического цикла)
3. Круговорот важнейших химических элементов в биосфере: углерода, азота, фосфора, кислорода.
Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой – C0 2 . Источником является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних слоев земной коры.
Миграция C0 2 в биосфере Земли протекает двумя путями:
1-й путь закладывается в поглощение его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и последующем захоронении их в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцы, рассеянной органики, осадочных горных пород. Так, в далёкие геологические эпохи сотни млн. лет назад значительная часть фотосинтетического органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах млн. лет, этот детрит под действием высоких t и P (процесс метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и уголь (в зависимости от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах). Теперь в ограниченных количествах добывают это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в определённом смысле завершают круговорот углерода.
По 2-му пути миграция С осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где CO 2 переходит в H 2 CO 3 , HCO 3 1- , CO 3 2- . Затем с помощью растворенного в воде кальция происходит осаждение карбонатов CaCO 3 биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане. В пределах суши, где существуют растения, CO 2 атмосферы поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием CO 2 . Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания CO 2 в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства и транспорта.
Азот.
При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в NH 4 , который под влиянием живущих в почве трифицирующих бактерий окисляется в азотную кислоту. Она вступая в реакцию с находящимся в почве карбонатами (например с СаСО 3), образует нитраты:
2HN0 3 + СаСО 3 Са(NО 3) 2 + СО 2 + Н 2 0
Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических веществ, при сжигание дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют бактерии, которые при недостаточном доступе воздуха могут отнимать O 2 от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) переходит в недоступную (свободный азот). Т.о., далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его постепенно выделяется в свободном виде. Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы возмещения потери азота. К таким процессам относятся прежде всего происходящие в атмосфере электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращаясь в почве в нитраты. Другим источником попадания азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая образования характерных вздутий - «клубеньков». Усваивая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества. Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота. Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения, возмещающие убыль в ней важных элементов питания растений.
Фосфор входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутрь клеток. В различных минералах P содержится в виде неорганического фосфатиона (PO 4 3-). Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. Растения поглощают PO 4 3- из водного раствора и включают фосфор в состав различных органических соединений, где он выступает в форме т.н. органического фосфата. По пищевым цепям P переходит от растений ко всем прочим организмам экосистемы. При каждом переходе велика вероятность окисления содержащегося P соединения в процессе клеточного дыхания для получения органической энергии. Когда это происходит, фосфат в составе мочи или ее аналога вновь поступает в окружающую среду, после чего снова может поглощаться растениями и начинать новый цикл. В отличие, например, от CO 2 , который, где бы он ни выделялся в атмосферу, свободно переносится в ней воздушными потоками, пока снова не усвоится растениями, у фосфора нет газовой фазы и, следовательно, нет «свободного возврата» в атмосферу. Попадая в водоемы, фосфор насыщает, а иногда и перенасыщает экосистемы. Обратного пути, по сути дела, нет. Что-то может вернуться на сушу с помощью рыбоядных птиц, но это очень небольшая часть общего количества, оказывающаяся к тому же вблизи побережья. Океанические отложения фосфата со временем поднимаются над поверхностью воды в результате геологических процессов, но это происходит в течение миллионов лет.
Кислород. Кислород - наиболее активный газ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели.
В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота. Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула О2. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во множество химических соединений минерального и органического миров.
Свободный кислород современной земной атмосферы является побочным продуктом процесса фотосинтеза зеленых растений и его общее количество отражает баланс между продуцированием кислорода и процессами окисления и гниения различных веществ. В истории биосферы Земли наступило такое время, когда количество свободного кислорода достигло определенного уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода.
