Функции живого вещества. Биохимический круговорот веществ и поток энергии в биосфере. Домашнее задание: § 47, составить схемы.
Свойства живое вещество 1. Способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство. В. И. Вернадский назвал это всюдностъю жизни. Данное свойство дало основание В. И. Вернадскому сделать вывод, что для определенных геологических периодов количество живого вещества было примерно постоянным (константой). 2. Движение не только пассивное, но и активное. 3. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (включение в круговороты веществ). 4. Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение различных сред жизни. 5. Феноменально высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков значительнее, чем в неживом веществе. Например, гусеницы некоторых насекомых потребляют за день количество пищи, которое в 100 200 раз больше веса их тела. Дождевые черви за 150— 200 лет пропускают через свои организмы весь однометровый слой почвы. 6. Высокая скорость обновления живого вещества. Подсчитано, что в среднем для биосферы она составляет 8 лет, при этом для суши 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни (например, планктон), 33 дня.
Функции живого вещества 1. Энергетическая (биохимическая) связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. Основной источник биогеохимической активности организмов солнечная энергия. 2. Газовая способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. Включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе. В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений в атмосфере (до 0, 03 %). Это же относится к накоплению в атмосфере кислорода, образованию озона. С газовой функцией живого вещества связаны два переломных периода в развитии биосферы. Первый связан достижением содержания кислорода в атмосфере 1 % от современного уровня (первая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэробных организмов. С этого времени восстановительные процессы в биосфере cтали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1, 2 млрд лет назад. Второй переломный период связан со временем, когда концентрация кислорода достигла примерно 10 % от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового слоя в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода, под слоем которой возможна была жизнь).
Функции живого вещества 3. Концентрационная - «захват» из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов. Питание, дыхание и размножение организмов и связанные с ними процессы создания, накопления и распада органического вещества обеспечивают постоянный круговорот вещества и энергии. С этим круговоротом связана миграция атомов химических элементов (С, Н, О, N, P, S, Fe, Mg, Са, Na, К, Mo, Mn, Cu, Zn и др. ). В ходе биогеохимических циклов атомы большинства химических элементов проходили через живое вещество бесчисленное число раз. Так, например, весь кислород атмосферы оборачивается через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ за 200 (300) лет, а вся вода биосферы за 2 млн лет. Разные организмы в разной степени способны аккумулировать из среды обитания различные элементы, например, железо бактерии накапливают железо; простейшие фораминиферы, а также многие моллюски к кишечнополостные кальций; хвощи, диатомовые водоросли, радиолярии и др. кремний; губки йод; асцидии ванадий, и т. д. Содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Содержание марганца в некоторых бактериях может быть в миллионы раз больше, чем в окружающей среде. Результат концентрационной деятельности живого вещества образование залежей горючих ископаемых, известняков, рудных месторождений и т. п.
Функции живого вещества 4. Окислительно-восстановительная — окисление и восстановление различных веществ с помощью живых организмов. 5. Деструктивная разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как остатков органического вещества, так и косных веществ. 6. Транспортная перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. 7. Средообразующая преобразование физико химических параметров среды. К средообразующим свойствам растительного покрова относятся: создание микроклимата, очистка воздуха и вод от загрязняющих веществ, усиление питания грунтовых вод, защита почв от эрозии и т. п. 8. Рассеивающая - функция, противоположная концентрационной рассеивание веществ в окружающей среде. 9. Информационная накопление живыми организмами определенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям. 10. Биогеохимическая деятельность человека превращение и перемещение веществ биосферы в результате человеческой деятельности для хозяйственных и бытовых нужд человека. Например, использование концентраторов углерода нефти, угля, газа и др.
Биогенная миграция атомов Биохимический круговорот это перемещение и превращение химических элементов через косную и органическую природу при активном участии живого вещества. Химические элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота: поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию во внешнюю среду. Такие циклы Вернадский назвал «биохимическими» . Эти циклы можно подразделить на два основных типа: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере; 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре. Во всех биохимических циклах активную роль играет живое вещество. К главным циклам можно отнести круговорот углерода, кислорода, азота, фосфор.
2, 3 1012 т 100 млрд. т 1, 4 х1014 т Ежегодно 170 млрд. т (из которых 32 млрд. тонн – на дыхание
Углерод один из основных биогенных элементов. В сухой массе живого вещества на него приходится приблизительно 15 18%. Ежегодно зеленые растения в процессе фотосинтеза усваивают из атмосферы до 170 млрд. тонн СО 2 (по другим данным 105 млрд. тонн, из которых 32 млрд. тонн. возвращают в результате дыхания). Углерод, фиксированный растением, в составе пищи передается растительноядным и плотоядным животным, которые также часть его возвращают во внешнюю среду в процессе энергообмена. Двуокись углерода образуется и поступает в атмосферу при гниении органического вещества, брожении, дыхании, из осадочных пород за счет химических процессов, совершающихся при высоких температурах, при сжигании горючих материалов. Все это углекислый газ биогенного происхождения. Меньшая доля СО 2 поступает в атмосферу из мантии Земли при вулканических извержениях. В составе воздуха на углекислый газ приходится 0, 03% (по объему); общее содержание его равно 2, 3 1012 тонн; масса в гидросфере 1, 4 х1014 тонн. Атмосфера и гидросфера тесно связаны между собой обменом СО 2, который осуществляется через поверхность океана. Ежегодно около 100 млрд. тонн атмосферной двуокиси углерода растворяется в море. Образовавшиеся в процессе фотосинтеза углеводы частично используются самим растением на получение энергии в процессе дыхания; выделившаяся при этом углекислота возвращается во внешнюю среду. Мертвые остатки всех организмов подвергаются разложению редуцентами; углерод, входящий в состав трупов, подвергается окислению и также возвращается во внешнюю среду в форме двуокиси.
Весь запас СО 2 в атмосфере претерпевает круговорот через фотосинтез приблизительно за 200 300 лет. Основными потребителями двуокиси углерода на суше являются леса; они на длительный период связывают углерод в теле многолетних растений, главным образом, в древесине. За год больше всего фиксируются углекислоты в быстрорастущих влажных тропических лесах. Двуокись углерода, растворенная в водоемах, также усваивается фитопланктонными растениями. От них углерод в составе органического вещества потребляется зоопланктоном и другими гетеротрофами Мирового океана. В активном круговороте участвует сравнительно небольшая часть углерода по сравнению с его запасами на Земле. Огромное количество отложено в виде горючего материала, известняков и других пород. Извлечение во всевозрастающих масштабах депонированного углерода в виде угля, нефти, торфа, горючих сланцев и сжигание их (сокращение площадей, занятых лесом) может существенно нарушить исторически установившееся динамическое равновесие между геосферами по содержанию в них углекислоты и вовлечению ее в обменные реакции. Содержание двуокиси углерода в атмосфере за последнее столетие заметно возросло. Необдуманное вмешательство человека в биологическое и геохимическое равновесие может оказаться не только вредным, но и губительным для него самого. Деятельность человека более интенсивна, чем природные явления, приводящие к естественному выравниванию процессов, совершающихся на Земле.
Азот важный биогенный элемент; на сухой вес живого вещества его приходится от 1 до 3%; он входит в состав таких соединений, как белки и нуклеиновые кислоты, без которых невозможна жизнь. Он обязателен в молекуле хлорофилла, при участии которого из неорганических веществ синтезируются органические. Азот один из самых распространенных элементов на Земле. Запасы азота практически неисчерпаемы. Хотя материнские породы, подстилающие большинство почв, лишены его, но в воздухе на молекулярный азот по объему приходится более 73%, по массе 75, 6% (около 4 х1015 тонн). Путь его прохождения через экосистему отличается от того, какой свойственен углероду. Подавляющее большинство организмов может усвоить азот только в связанном состоянии. В форме иона аммония NH 4 или нитрата N 0 з он доступен растению. Ежегодно растения ассимилируют 8, 6 млрд. тонн азота. В составе органических соединений с пищей его получают гетеротрофы. Доля связанного азота в почве, куда он поступает с дождевой водой, незначительна по сравнению с фиксацией азота микроорганизмами — азотфиксаторами. В умеренных областях физико химическим путем его связывается не более 35 мг/мм в год. Огромное количество соединений азота получают в процессе производства удобрений промышленным способом. Самыми крупными «поставщиками» связанного азота являются почвенные микроорганизмы азотфиксаторы, способные превращать газообразный молекулярный азот в аммонийную форму, в результате чего азот включается в активный круговорот в экосистеме.
4 х1015 т
Процесс связывания молекулярного азота и перевод его в азотистые соединения азотфиксирующими микроорганизмами, называют азотфиксацией. Азотфиксирующие организмы делят на две группы: свободноживущие и находящиеся в симбиозе другими организмами, например, с высшими растениями (клубеньковые бактерии), грибами и насекомыми. Свободноживущие азотфиксирующие бактерии связывают несколько десятков килограммов азота на 1 га в год. Среди высших растений в симбиозе с азотфиксаторами находятся саговниковые, араукария, казуарина, гинкго, ольха, облепиха, лох и др. Особенно важная роль в обогащении почвы связанным азотом принадлежит растениям семейства бобовых. Важная роль в фиксации азота в водоемах принадлежит цианобактериям (сине зеленым водорослям). На рисовых полях, где для них складываются благоприятные условия, они связывают до 200 кг/га азота в год. В процессе жизнедеятельности животных соединения азота выделяются во внешнюю среду с конечными продуктами азотистого обмена в виде аммиака, мочевины, мочевой кислоты. В кислых почвах мочевина вступает в реакцию с азотной кислотой с образованием молекулы азота. При деструкции трупов редуценты переводят азотсодержащие соединения в аммиак. Это осуществляется в процессе аммонификации гнилостными бактериями, а также некоторыми грибами и актиномицетами. Выделившийся аммиак частично используется микроорганизмами; значительная его часть легко вымывается из почвы при растворении в воде.
В подкисленных почвах ионы аммония могут быть исходными для образования аммонийных солей. Нитрифицирующие бактерии в почве при наличии кислорода превращают аммиак в нитраты. Этот процесс включает две стадии. Сначала одни бактерии (нитритные) переводят NНз в N 02 (нитрит), а потом другие (нитратные) окисляют нитрит до N 0 з (нитрата). Нитрифицирующие бактерии обитают в почве и водоемах; они подвижны, имеют жгутики. Это хемоавтотрофные аэробные организмы. При недостатке кислорода нитрификация приостанавливается. Она активизируется в условиях хорошей аэрации. На примере нитрифицирующих бактерий в 1890 г. известным микробиологом С. Н. Виноградским было создано учение о хемосинтезе. За счет полученной при окислении аммиака и нитрита энергии эти бактерии синтезируют органические вещества из неорганических, извлеченных из внешней среды. Окись углерода, необходимую для синтеза, они получают из воздуха или карбонатов. Нитрификация важный этап в круговороте азота благодаря чему обеспечивается сохранность элемента в почве в форме, доступной зеленому растению. Условия, подавляющие жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий, такие как высокая кислотность, низкая температура, недостаток влаги и воздуха, способствуют понижению продуктивности зеленых насаждений в подобном биотопе.
Кислород самый распространенный химический элемент на Земле. В атмосфере на его долю по массе приходится 23, 15%, в литосфере соответственно 47%, в гидросфере около 86%. В свободном состоянии кислород обычно представлен двухатомной молекулой; под воздействием электрических разрядов и коротковолнового излучения образуется озон (Оз). Почти весь свободный кислород атмосферы биологического происхождения. Основным его «производителем» является влажный тропический лес. Кислород существенно повлиял на дальнейшее развитие жизни на Земле. Аэробный тип дыхания стал преобладающим. В живых организмах на кислород приходится около 70%. Он входит в состав белков, углеводов, жиров и других органических и неорганических веществ. Первые растения суши (400 млн. лет назад). Изменение содержания кислорода в атмосфере Земли
Фосфор очень важный биогенный элемент, один из компонентов нуклеиновых кислот, клеточных мембран, системы переноса энергии (АТФ), костной ткани, дентина и т. д. Источником фосфора служат горные породы или другие отложения, образовавшиеся в прошлые геологические времена. Породы эти постепенно подвергаются эрозии, выветриванию, и фосфор высвобождается в форме, доступной для ассимиляции живым веществом. Основным источником фосфора является апатит, минерал из группы фосфорнокислых солей кальция. Из внешней среды почвы или воды растение поглощает фосфор в виде иона фосфата (Р 04 3+ ). Гетеротрофы получают фосфор с пищей. Из организма излишки его удаляются с мочой в виде фосфатов. Микроорганизмы редуценты переводят органический фосфор также в фосфат. В субстрате, в зависимости от складывающихся условий, могут образовываться нерастворимые соединения. Фосфор оказывается в составе пород, из которых очень медленно, в процессе изменений условий захоронения, он вновь возвращается в форму, доступную продуцентам. Наиболее легко фосфор усваивается в слабокислой среде, но связывается в нерастворимые комплексы в кислой среде, например, в болотном грунте. Этому способствуют пониженные температуры и повышенная влажность.
Круговорот воды процесс непрерывного, взаимосвязанного перемещения воды на Земле, происходящего под влиянием солнечной энергии, силы тяжести, жизнедеятельности живых организмов, хозяйственной деятельности человека. Различают малый и большой круговороты воды. При малом круговороте вода, испарившаяся с поверхности океана, возвращается в него в виде осадков. При большом круговороте вода, испарившись с поверхности океана, частично возвращается в него в виде осадков, а частично переносится на сушу, где также выпадает в виде атмосферных осадков, питая реки и водоемы, но в конечном итоге, вновь возвращается в океан речными и подземными стоками.
Жизнь зародилась в воде; без нее она невозможна и в настоящее время. Окись водорода это самое распространенное вещество биосферы. В организме на воду приходится 60 99, 97% по массе. Вода вместе с двуокисью углерода необходима для создания органического вещества в процессе фотосинтеза; из ее молекулы выделяется кислород, необходимый для дыхания всех живущих на Земле, не считая анаэробные формы. Вода в организме основная среда, в которой протекает обмен веществ, она участвует в физической терморегуляции, в обеспечении осмотических свойств и тургорного состояния клетки, с ее участием транспортируются вещества, необходимые для питания, и конечные продукты обмена. Воде принадлежит важнейшая роль в формировании физической и химической среды, климата и погоды на нашей планете и в каждом отдельном ее регионе, что непосредственно отражается на характере биоценоза, его видовом составе и других особенностях, определяемых биотопом. Недостаток доступной для организма воды в тех или иных областях препятствует заселению территории этих областей живыми организмами или чрезвычайно ограничивает число видов. Сохраняются те из них, которые способны довольствоваться малым количеством жидкости. Вода лимитирующий фактор в пустыне.
В природе большие запасы воды находятся в земной коре, где она связана в горных породах, а также сосредоточена в более глубоких недрах мантии Земли. Вклад этой воды в движение жидкости через экосистему незначительный. Наиболее ощутим выброс водяных паров при извержении вулканов. Основные запасы доступной организмам воды находятся в гидросфере, включающей океаны, моря, озера, водохранилища: реки, почвенную влагу, подземные воды. Мировые запасы слагаются из жидкой (пресная и соленая), твердой (пресная) и газообразной (пресная) воды. Воды всех геосфер, включая биосферу, взаимодействуют между собой. Подсчитано, что с поверхности океана в атмосферу за год в результате испарения поступает 319 1012 тонн воды, а с поверхности суши — 59 1012 тонн. В мировой океан в виде дождя и снега возвращается 283 1012 тонн воды и 95 1012 тонн на сушу, где она просачивается в почву, грунтовые воды, попадает в озера, реки, водохранилища и часть ее с речными и подземными стоками возвращается снова в океан. Количество выпавших осадков, как и испарение воды, неодинаковое в разных областях планеты и в разное время года. Большая часть воды, попадающей из атмосферы на сушу в виде осадков, имеет океаническое происхождение. Из тучи и облаков в океан ее «выливается» больше (75%), чем на сушу (25%).
Пресная вода это вода, концентрация солей в которой не превышает 1 г/кг; при концентрации солей в воде до 25 г/кг ее называют солоноватой; в соленой воде концентрация солей выше 25 г/кг. В мировом запасе преобладает соленая вода.
Твердая вода ледники на вершине гор, в Антарктиде, Гренландии, островах Ледовитого океана основной мировой запас пресной воды.
Испарение воды, конденсация пара в атмосфере, перемещение воздушных масс в результате неравномерного их нагревания и вызванное этим движение облаков, а также возникающие на суше стоки, несущие воду в океан все это обусловливает постоянный водообмен между материками и океанами через атмосферу. Эта гигантская работа по перемещению воды требует большой затраты энергии, источником которой является Солнце. Глобальный «поток» воды на планете не минует биосферу и проходит через живое вещество. Большое количество воды с наземной экосистемы попадает в атмосферу благодаря испарению ее растениями. Первичная продукция наземных растений составляет примерно 11 х1010 тонн сухого вещества; при создании каждого грамма продукции растение теряет 500 г воды при транспирации. Следовательно, за год в атмосферу только за счет транспирационного процесса поступает 55 х1012 тонн окиси водорода. Суммарное годовое испарение воды с поверхности Земли составляет 378 х1012 тонн. Для этого должна быть затрачена энергия, равная 2 х1020 ккал, что соответствует пятой части от той, которая поступает на Землю от Солнца.
Экологические кризисы
Скачать презентацию Функции живого вещества Биохимический круговорот веществ и поток
Биогенные круговороты.ppt