Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Функционирующее в биосфере живое вещество постоянно осуществляет круговорот веществ и превращение энергии. Для живых систем характерна аккумуляция химических элементов в своих телах. Аккумуляции противостоит минерализация, возникшая в результате разложения растительных остатков. Эти два процесса идут в каждом биогеоценозе. Аккумуляция преобладает там, где образуется живое вещество (поверхность океана и суши). Минерализация преобладает в местах разрушения органики (почва, дно океана). Продукты минерализации вновь используются продуцентами. биосфера хемосинтез фотосинтез вернадский
Согласно Вернадскому, живое вещество осуществляет в биосфере три основных функции. Газовая функция состоит в том, что зеленые растения выделяют при фотосинтезе кислород, а при дыхании - углекислый газ. Животные также выделяют углекислый газ, а многие бактерии образуют различные газы, восстанавливая азот, сероводород. Без деятельности живых организмов состав атмосферы был бы совершенно иным. Концентрационная функция осуществляется благодаря тому, что живые организмы захватывают необходимые химические элементы и накапливают их в местах своего обитания. Окислительно-восстановительная функция проявляется в окислении и восстановлении химических веществ в воде и на почве, в результате чего образуются отложения различных руд, бокситов, известняков. Эта функция в основном осуществляется бактериями. Круговорот веществ, как и все происходящие в природе процессы, требует постоянного притока энергии. Основу биологического круговорота, обеспечивающего существование жизни, составляет солнечная энергия и улавливающий ее хлорофилл зеленых растений. В круговороте веществ и энергии участвует каждый живой организм, поглощая из внешней среды одни вещества и выделяя из нее другие. Биогеоценозы, состоящие из большого числа видов живых организмов и костных компонентов среды, осуществляют циклы, по которым передвигаются атомы различных химических элементов (биогенная миграция атомов). Так, растения поглощают из внешней среды углекислый газ, воду, минеральные вещества и выделяют в нее кислород. Животные вдыхают выделенный растениями кислород, а, поедая их, усваивают синтезированные из воды и углекислого газа органические вещества и выделяют воду и углекислый газ. После гибели животные разлагаются при участии грибов и бактерий
При этом образуется дополнительное количество углекислого газа, а органические вещества превращаются в минеральные, которые попадают в почву, а потом снова усваиваются растениями. Таким образом, атомы основных химических элементов постоянно совершают миграцию через многие живые организмы и костную среду. Без миграции атомов жизнь на Земле не могла бы существовать: растения без животных и бактерий вскоре исчерпали бы запасы углекислого газа и минеральных веществ, а животные баз растений лишились бы источника энергии и кислорода
Основными характеристиками биосферы является биомасса и круговорот веществ и энергии. Биомасса представляет собой количество живого вещества на Земле. Как уже говорилось выше, биомасса подвержена постоянным изменениям. «Стараниями» продуцентов биомасса на Земле прирастает, редуцентов - опять превращается в неорганическое вещество. В год на Земле продуцируется 150-200 миллиардов тонн живого вещества. 75 % от этой массы приходится на сушу, 25 % - на океан.
В биосфере происходит постоянная циркуляция веществ и энергии. Энергия передается по цепям питания в экосистемах, и только небольшая ее часть используется на прирост биомассы. Неорганические вещества циркулируют по биогеохимическим циклам, которые представляют собой замкнутые пути, по которым различные химические вещества попадают в организмы и обратно. Они являются связующим звеном между биотическим и абиотическим компонентами экосистем и биосферы.
Одним из главных циклов на Земле является гидрологический, то есть цикл воды. Вода служит живым организмам источником водорода и сама по себе как составной компонент живых клеток. Схематически круговорот воды в биосфере представлен на схеме, приведенной ниже. Следует также сказать, что вода во время круговорота может находиться во всех своих агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном.
Кроме круговорота воды в биосфере важнейшими круговоротами являются круговороты углерода, азота, фосфора, кислорода и калия.
Аккумуляция поступающих в них химических веществ зависит от таких свойств почвы , как содержание гумуса, механический состав ,карбонатность , реакция среды , емкость поглощения . Очень большое влияние оказывает водный режим .
Хемосинтез и фотосинтез
Как вам уже известно, автотрофные организмы в зависимости от источника энергии разделяют на хемосинтезирующие и фотосинтезирующие. Хемосинтез. Хемосинтезирующие организмы (хемотрофи) для синтеза органических соединений используют энергию, которая высвобождается при преобразованиинеорганических соединений . До этих организмов относятся некоторые группы бактерий: нитрификуючи, бесцветные сиркобактерии, железобактериями подобное.
Нитрификуючи бактерии последовательно окиснюють аммиак (NH3) до нитритов (соли HNO2), а затем - до нитратов (соли HN03). Железобактериями получают энергию за счет окисления соединений двухвалентного железа до трехвалентного. Они участвуют в образовании залежей железных руд. Бесцветные сиркобактерии окиснюють сероводород и другие соединения серы до серной кислоты (H2S04).
Процесс хемосинтеза открыл в 1887 году выдающийся русский микробиолог С. Н. Виноградский. Хемосинтезирующие микроорганизмы играют исключительную роль в процессах превращения химических элементов в биогеохимических циклах. Биогеохимические циклы (биогеохимический круговорот веществ) - это обмен веществами и обеспечения потока энергии между различными компонентами биосферы, вследствие жизнедеятельности различных организмов, имеет циклический характер.
Фотосинтез. Фототрофы используют для синтеза органических соединений энергию света. Процесс образования органических соединений из неорганических благодаря превращению световой энергии в энергию химических связей называют фотосинтезом. К фототрофных организмов относятся зеленые растения (высшие растения, водоросли), некоторые животные (растительные жгутиковые), а также некоторые прокариоты - цианобактерии, пурпурные и зеленые сиркобактерии.
Исследовать процесс фотосинтеза начали еще во второй половине XVIII столетия. Ряд важных открытий в этом вопросе сделано во второй половине XIX века. Например, российский физиолог растений А.С. Фаминцын установил, что фотосинтез может происходить не только под воздействием солнечного света, но и при искусственном освещении. Важное открытие сделал выдающийся русский ученый К.А.Тимиря-зев, который теоретически обосновал и экспериментально доказал роль хлорофилла в поглощении света в процессе фотосинтеза. Он также обосновал положение о космической роли зеленых растений, которые, улавливая солнечные лучи и превращая световую энергию в энергию химических связей синтезируемых ими органических соединений, обеспечивающих сохранение и развитие жизни на Земле.
Кислород, который выделяют фотосинтетики, изменил состав атмосферы Земли. Из него постепенно сформировался озоновый экран, способный задерживать ультрафиолетовые солнечные лучи, губительно действующие на живые организмы суши. Таким образом, зеленые растения являются «посредниками» между космосом и всеми живыми существами на Земле.
В клетках высших растений фотосинтез происходит в специальных органеллах-хлоропластах.
Основными из фотосинтезирующих пигментов являются хлорофиллы. По своей структуре они напоминают гемм гемоглобина, но в этих соединениях вместо железа присутствует магний. Железо нужно растительным организмам для обеспечения синтеза молекул хлорофилла (если в растение железо не поступает, то у нее образуются бесцветные листья, способные к фотосинтезу). Большинство фотосинтезирующих организмов имеет разные хлорофиллы: хлорофилл а (обязательный), хлорофилл b (у зеленых растений), хлорофилл с (у диатомовых и бурых водорослей), хлорофилл d (у красных водорослей). Зеленые и пурпурные бактерии содержат особые бактериохлорофилл.
В основе фотосинтеза лежит окислительно-восстановительный процесс, связанный с переносом электронов от соединений поставщиков электронов (доноров) к соединениям, которые их воспринимают (акцепторов), с образованием углеводов и выделением в атмосферу молекулярного кислорода. Световая энергия превращается в энергию синтезированных органических соединений (углеводов) в особых структурах - реакционных центрах, содержащих хлорофилл а.
В процессе фотосинтеза в зеленых растений и цианобактерий участвуют две фотосистемы - первая (И) и вторая (II), имеющих различные реакционные центры и связанные между собой через систему переноса электронов.
Процесс фотосинтеза происходит в две фазы - световую и темно-ву. В световую фазу, реакции которой перебегают в мембранах особых структур хлоропластов - тилакоидов при наличии света (рис.36), фотосинтезирующие пигменты улавливают кванты света (фотоны). Поглощение фотонов приводит к «возбуждение» одного из электронов молекулы хлорофилла, который с помощью молекул - переносчиков электронов перемещается на внешнюю поверхность мембраны тилакоидов, приобретая определенной потенциальной энергии.
В фотосистеме / этот электрон может возвращаться на свой энергетический уровень и восстанавливать ее, а может передаваться следующей соединении, как НАДФ. Электроны, взаимодействуя с ионами водорода, которые есть в окружающей среде, восстанавливают это соединение:
Напомним, что когда определенное соединение отдает электрон - она окисляется, а когда присоединяет - возобновляется. Восстановленный НАДФ (НАДФ * Н2) впоследствии поставляет водород, необходимый для восстановления атмосферного CO2 к глюкозе (то есть соединения, в котором запасается энергия).
Подобные процессы происходят и в фотосистеме II. Возбужденные электроны, возвращаясь на свой энергетический уровень, могут передаваться фотосистеме И и таким образом ее восстанавливать. Фотосисте-ма II восстанавливается за счет электронов, которые поставляют молекулы воды. Под действием света при участии ферментов молекулы воды расщепляются (фотолиз воды) на протоны водорода и молекулярный кислород, который выделяется в атмосферу, а электроны используются на видновленняьфотосистемы.
Энергия, высвобожденная при возвращении электронов по внешней поверхности мембраны тилакоидов на предыдущий энергетический уровень, запасается в виде химических связей молекул АТФ, которые синтезируются при реакций в обоих фотосистема. Некоторая ее часть расходуется на испарение воды. Таким образом, при световой фазы фотосинтеза образуются богатые энергию (которая запасается в виде химических связей) соединения: синтезируется АТФ и возобновляется НАДФ. Как продукт фотолиза воды в атмосферу выделяется молекулярный кислород.
Реакции темповой фазы фотосинтеза протекают во внутренней среде (матриксе) хлоропластов как на свету, так и в другом случае. Как упоминалось ранее, в ходе реакций темновой фазы С02 восстанавливается до глюкозы благодаря энергии высвобождается при расщеплении АТФ, и за счет восстановленного НАДФ.
Соединением, воспринимает атмосферный С02, является рибульозобифос-Фат (пятиуглеродный сахар, соединенный с двумя остатками фосфорной кислоты). Процесс присоединения С02 катализирует фермент кар-боксилаза. В результате сложных и многоступенчатых химических реакций, каждую из которых катализирует свой специфический фермент, образуется конечный продукт фотосинтеза - глюкоза, а также восстанавливается акцептор С02 - рибульозобифосфат. С глюкозы в клетках растений могут синтезироваться полисахариды - крахмал, целлюлоза и т.п..
Итоговое уравнение процесса фотосинтеза в зеленых растений выглядит так:
В фотосинтезирующих прокариот есть определенные различия в течении световой и тем-новой фаз фотосинтеза. В прокариот отсутствуют пластиды, потому фотосинтезирующие пигменты расположены на внутренних выростах цитоплазматической мембраны, где и происходят реакции световой фазы. В зеленых и пурпурных бактерий, в отличие от цианобактерий, нет фотосистемы II, поставщиком электронов является не вода, а сероводород, молекулярный водород и некоторые другие соединения. Вследствие этого в этих групп бактерий в ходе фотосинтеза кислород не выделяется.
Значение фотосинтеза для биосферы трудно переоценить. Именно благодаря этому процессу улавливается световая энергия Солнца. Фотосинтезирующие организмы превращают ее в энергию химических связей синтезированных углеводов, а затем по цепям питания она передается гетеротрофным организмам. Следовательно, не будет преувеличением считать, что именно благодаря фотосинтезу возможно существование биосферы. Зеленые растения и цианобактерии, поглощая углекислый газ и выделяя кислород, влияют на газовый состав атмосферы. Весь атмосферный кислород имеет фотосинтетическое происхождения. Ежегодно благодаря фотосинтеза на Земле синтезируется около 150 млрд тонн органического вещества и выделяется свыше 200 млрд тонн свободного кислорода, который не только обеспечивает дыхание организмов, но и защищает все живое на Земле от губительного влияния коротковолновых ультрафиолетовых космических лучей (озоновый экран атмосферы).
Но в целом процесс фотосинтеза малоэффективен. В синтезированную органическое вещество переводится лишь 1-2% солнечной энергии. Это объясняется неполным поглощением света растениями, а также тем, что часть солнечного света отражается от поверхности Земли обратно в космос, поглощается атмосферой подобное. Производительность процесса фотосинтеза возрастает в условиях лучшего водоснабжения растений, их оптимального освещения, обеспечения углекислым газом, благодаря селекции сортов, направленной на повышение эффективности фотосинтеза подобное. Одной из самых культурных растений считают кукурузу, в которой достаточно высокий КПД фотосинтеза.
Автотрофы способны синтезировать органические соединения из неорганических, используя для этого или энергию, которая высвобождается в результате химических реакций (хемотрофных организмы), или энергию света (фототрофные организмы).
Хемотрофных организмы - исключительно прокариоты (нитрификуючи бактерии, железобактериями, сиркобактерии т.д.). Среди фототрофных организмов известны как прокариоты, так и эукариоты.
Фотосинтез - процесс преобразования световой энергии в энергию химических связей органических соединений, синтезируемых автотрофными организмами. Он имеет две фазы: световую и темновую. Световая фаза у растений осуществляется в особых образованиях хлоропластов-тилакоидов, где содержится пигмент хлорофилл.
Темновая фаза фотосинтеза происходит в строме хлоропластов.
Фотосинтез имеет исключительное значение для существования биосферы (атмосферный кислород преимущественно фотосинтетического происхождения).
Фотосинтез и хемосинтез
Фотосинтез -- процесс образования органических соединений из диоксида углерода (СО2) и воды с использованием и преобразованием энергии света. Происходит у зеленых растений, цианобактерий и водорослей.
Красный и синий свет улавливается фотосинтезирующим пигментом -- хлорофиллом, встроенным во внутреннюю мембрану пластид или в складки цитоплазматической мембраны прокариот. Зеленый свет отражается от листа, поэтому мы видим листья зелеными.
Фотосинтез подразделяется на реакции, вызываемые светом, и реакции, связанные с фиксацией углерода. Их не совсем точно называют световой и темновой фазами.
Световая фаза -- это этап, на котором энергия света, поглощенная хлорофиллом, преобразуется в химическую энергию АТФ и НАДФН2. Осуществляется на свету в мембранах гран при участии белков-переносчиков и АТФ-синтетазы.
Реакции, вызываемые светом, происходят на фотосинтетических мембранах гран хлоропластов:
* возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;
* восстановление акцепторов электронов -- НАДФ+ до НАДФН2:
2Н+ + 4е - +НАДФ+ -> НАДФН2;
* фотолиз воды, происходящий при участии квантов света:
2Н2O-> 4Н++ 4е- + O2.
Процесс происходит внутри тилакоидов гран хлоропластов;
* протоны водорода Н+ накапливаются в Н+-резервуаре внутри граны. Их накопление на внутренней стороне мембраны приводит к нарастанию разности потенциалов. При этом внутренняя сторона мембраны заряжается положительно, за счет протонов, а наружная -- отрицательно, за счет электронов;
* начинает работать протонная помпа, обеспечивающая движение протонов из тилакоидов в строму через канал АТФ-синтетазы под действием электрического поля. В строме же находится АДФ и остатки фосфорной кислоты, которые используются для синтеза АТФ.
Результатами световых реакций являются: образование кислорода, синтез АТФ, восстановление НАДФН2.
Темновая фаза -- процесс преобразования СO2 в глюкозу в строме хлоропластов с использованием энергии АТФ и НАДФН2.
Реакции фиксации углерода -- это последовательные преобразования СO2 в глюкозу:
* сначала происходит фиксация молекул С02 1-5-рибуло-зодифосфатом, при участии ферментов;
* затем диоксид постепенно восстанавливается до глюкозы при участии АТФ и НАДФН2 (Цикл Кальвина):
СO2 + 24Н -> С6Н12O6 + 6Н2O;
Рис. 12. Схема фотосинтеза
* помимо молекул глюкозы в строме образуются аминокислоты, нуклеотиды, спирты.
Суммарное уравнение фотосинтеза:
Значение фотосинтеза:
* фотосинтез обеспечивает производство исходных органических веществ, а следовательно, пищу для всех живых существ;
* в процессе фотосинтеза образуется свободный кислород, который необходим для дыхания организмов;
* кислородом образован защитный озоновый экран, предохраняющий организмы от вредного воздействия ультрафиолетового излучения;
* фотосинтез способствует снижению концентрации диоксида углерода в атмосфере.
Хемосинтез -- образование органических соединений из неорганических за счет энергии окислительно-восстановительных реакций соединений азота, железа, серы. Существует несколько видов хемосинтетических реакций:
* окисление аммиака до азотистой и азотной кислот нитрифицирующими бактериями:
* превращение двухвалентного железа в трехвалентное железобактериями:
* окисление сероводорода до серы или серной кислоты серобактериями:
Выделяемая энергия используется для синтеза органических веществ.
Роль хемосинтеза: бактерии-хемосинтетики разрушают горные породы, очищают сточные воды, участвуют в образовании полезных ископаемых.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Рассмотрение круговорота веществ как результата экофизиологической взаимосвязи автотрофов и гетеротрофов. Описание основных круговоротов - большого (геологического) и малого (биогеохимического). Функции живого вещества в биосфере (по Вернадскому В.И.).
презентация , добавлен 18.04.2012
Определение биосферы, ее эволюция, границы и состав, охрана. Свойства живого вещества. Биогенная миграция атомов. Биомасса, её распределение на планете. Роль растений, животных и микроорганизмов в круговороте веществ. Биосфера и превращение энергии.
контрольная работа , добавлен 15.09.2013
Обмен веществ со средой как специфическое свойство жизни. Общее значение продуцентов, консументов и редуцентов. Полный цикл редукции органического вещества. Уровни организации живой материи. Малый круговорот веществ в биосфере. Круговорот углерода и серы.
реферат , добавлен 01.01.2010
Понятие о биосфере. Структура и границы биосферы. Общая масса живых организмов. Распределение биомассы по планете. Круговорот веществ в природе как главная функция биосферы. Влияние человека на биосферу. Влияние загрязнения среды на здоровье человека.
презентация , добавлен 07.04.2012
Потоки вещества, энергии и деструкционные блоки в экосистемах. Проблемы биологической продуктивности. Пирамиды чисел, биомасс и энергии. Процессы трансформации вещества и энергии между биотой и физической средой. Биохимический круговорот веществ.
реферат , добавлен 26.06.2010
Понятие и структурные уровни биосферы, ее содержание и значение. История развития биосферы и этапы ее исследования учеными разных времен, учение Вернадского. Классификация и разновидности экосистем, круговорот вещества внутри них и отличительные черты.
курсовая работа , добавлен 18.04.2011
Понятие и биологическое значение потока энергии в сообществе, принципы и направления данного потока, влияющие на него факторы. Круговорот веществ в экосистеме. Критерии, характеризующие продуктивность сообщества. Сущность экологической сукцессии.
реферат , добавлен 08.07.2010
Биологический круговорот веществ, их абиогенные циклы. Показатели биогеохимического круговорота: биомасса, продукция, зольность. Уровни биогеохимических циклов, позволяющие выявить долю участия различных организмов в круговороте химических элементов.
презентация , добавлен 10.08.2015
Сущность понятия "биоэнергетика". Существенные признаки живого. Внешний и промежуточный обмен веществ и энергии. Метаболизм: понятие, функции. Три стадии катаболических превращений основных питательных веществ в клетке. Отличия катаболизма от анаболизма.
презентация , добавлен 05.01.2014
Обмен веществ и энергии как основная функция организма, его основные фазы и протекающие процессы - ассимиляции и диссимиляции. Роль белков в организме, механизм их обмена. Обмен воды, витаминов, жиров, углеводов. Регуляция теплообразования и теплоотдачи.
Определяется как способность выполнять работу и может превращается в различные формы: тепловую, световую, химическую, кинетическую (движения) и другие. Одна форма может быть преобразована в другую.
Превращение энергии и круговорот в природе необходимы для жизненно важных функций как рост и размножение любых организмов.
Материя определяется как все, что занимает пространство и имеет массу. Все материальные вещества, в том числе живые организмы сделаны из материи.
Откуда берется материя и какие превращения энергии происходят как необходимые составляющие для выживания живых организмов описано ниже.
Материя и энергия в земной системе
Некоторые типы материи были произведены при Большом взрыве, который сформировал Вселенную. Теория утверждает, что порядка 14 млрд лет назад произошедшая ядерная реакция сформировала ядра звезд различных типов. Земля и другие планеты, образованные из накопления тяжелых форм материи, начала дрейфовать в пространстве после Большого взрыва. Земля прошла через свой период накопления материи и энергии со времен начала нашей Солнечной системы, около 4,5 миллиарда лет назад.
Система Земли – включая ее живые и неживые компоненты вообще содержит небесконечное количества материи (за исключением небольшого количества входящей и выходящей из атмосферы Земли).
Как бесчисленные поколения живых организмов выживают на ограниченном количестве материи все эти 4,5 миллиарда лет?
Именно превращение энергии и круговорот из одной формы в другую позволяет жить на Земле живым существам.
Круговорот
Материя и энергия циклически осуществляют кругооборот через другие организмы, включая бактерии, животных и растения, поскольку жизнь возникла около 3,8 миллиарда лет назад.
Для большой части земной жизни организмы получают энергию прямо или косвенно от Солнца.
Как и все звезды, Солнце излучает электромагнитную энергию, которая включает свет в видимом, ультрафиолетом и ультракрасном спектрах также, как рентгеновские, микроволны, радио волны и гамма-излучение. Это излучение используется для превращения энергии из одной формы в другую.
Получение энергии живыми организмами
Важной составляющей частью всех живых организмов являются органические молекулы. Органические молекулы представляют собой соединения, содержащие углерод и водород атомы, могут включаться и другие типы атомов. Для того чтобы сформировались органические молекулы в природе происходит превращение энергии.
Организмы которые участвуют в формировании органических молекул являются производителями.
Производители – растения, водоросли, некоторые простейшие и многие прокариоты (одноклеточные живые организмы) потребляют энергию необходимую для получения органических молекул из солнечного света.
- Органические-молекулы биологического происхождения в составе углерода, водорода, кислорода и т.п.
- Неорганические-молекулы не содержат углерод который является основой всех живых существ.
Жизнь на Земле основана на углероде
Атом углерода имеет четыре электрона во внешней оболочке, которая может образовывать связь с другим атомом. Так как углерод способен образовывать четыре связи, атомы углерода могут образовывать цепи и кольца. В органических молекулах углерод связаны по крайней мере с одним водородом. Они встречаются в живых организмах и часто содержат другие типы атомов, включая кислород, азот, серу или фосфор.
Реагент неорганических продуктов
Напомним, реагенты принимают участие в химической реакции, но при этом сами не являются объектом обработки. Реагентом в превращениях является энергия. Процесс использования солнечного света для того, чтобы сделать органические молекулы из углекислого газа, или “отладки углерода” называется фотосинтезом.
Химическая реакция фотосинтеза записывается следующим образом:
углекислый газ + вода + энергия → органические вещества + кислород
- Углекислый газ, который не содержит водород, считается неорганическим соединением.
- В этой реакции, углекислый газ и вода – реактивы (вещества которые проходят реакции).
- Органические молекулы и кислород являются продуктами.
- Требуемая для превращения энергия считается реагентом.
Другие типы производителей могут приобретать ресурсы через неорганические химические реакции, процесс, называемый хемосинтезом. Однако, фотосинтез является основным источником органических молекул на Земле.
Фотосинтез, включая растения, осуществляет превращение энергии солнечного света в химическую. Много организмов, как животные и некоторые простейшие и бактерии, не могут превращать углекислый газ в органические молекулы, так как не могут приобрести ресурсы от солнечного света.
Живые организмы приобретают органическое вещество путём употребления в пищу продуктов, полученных от производителей или других потребителей.
Реагент органических продуктов
Органические молекулы имеют относительно высокое содержание ресурсов. Превращение энергии и её извлечение из органических молекул происходит посредством процесса, называемого клеточным дыханием.
Углекислый газ, вода и тепло отходы клетчатого дыхания.
Производители также могут использовать клеточное дыхание для извлечения энергии хранившейся в органических молекулах.
Реакцией на клеточное дыхание является обратная реакция фотосинтеза:
органические вещества + кислород → углекислый газ + вода + энергия
Разлагатели, в состав которых входят бактерии и грибы, потребляют органические вещества от отходов и некогда живых организмов, тем самым осуществляя круговорот веществ и энергии при переработке органического вещества в экосистеме.
Взаимодействие производителей, потребителей, редуцентов (останки живых существ) и неживой компоненты окружающей среды образуют экосистему. В экосистеме, потоки ресурсов для работы идут от производителей к потребителям и разлагателям. Однако, на каждом шаге только небольшое количество ресурсов передается, остальное теряется как тепло.
Обмен веществ и превращение энергии проходит через экосистему взаимно выгодно всем ее членам.
Кислород, который является отходом фотосинтеза, используется для клетчатого дыхания для большинства организмов.
Углекислый газ который представляет отходы клетчатого дыхания, используется для фотосинтеза.
Фотосинтетические производители используют энергию солнечного света для преобразования диоксида углерода и воды в органические молекулы. Потребители и редуценты используют клетчатое дыхание для того чтобы извлечь ресурсы от органических молекул, которые производят углекислый газ и воду.
Круговорот веществ между живыми и неживыми
Круговорот веществ и энергии между живыми и неживыми элементами Земли происходит путём биогеохимических циклов.
Биогеохимические циклы включают в себя перенос вещества через живые и неживые части экосистемы.
Биогеохимический цикл включает циклы различных элементов и молекул. Например, цикл углерода включает движение углерода от углекислого газа к органическому веществу и обратно в углекислый газ.
Биогеохимические циклы также связаны с биологическими процессами - например, вода испаряется из океана и снова падает в виде дождя.
Биогеохимические циклы могут быть нарушены деятельностью человека, как в настоящее время происходит с углеродным циклом. Уголь, нефть и природный газ, известные в качестве ископаемого топлива берутся из залежей некогда живых организмов, которые были захоронены под земной корой. Когда эти виды топлива сжигаются, углерод выделяется в виде углекислого газа. Пока много из этого углерода углекислого газа поглощается растениями и превращается обратно в виде живой материи.
Однако сегодня из-за сжигания ископаемого топлива количества углерода который был похоронен под земной корой и в процессе круговорота в природе сейчас находится в атмосфере Земли приближается к 750 гигатонн. Этот углекислый газ создает через парниковый эффект, который влияет на климат.
Азотсодержащие органические вещества отмерших растений и животных, а также мочевина и мочевая кислота, выделяемые животными и грибами, расщепляются гнилостными {аммонифицирующими) бактериями до аммиака. Основная масса образующегося аммиака окисляется нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов, после чего вновь используется растениями. Некоторая часть аммиака уходит в атмосферу и вместе с углекислым газом и другими газообразными веществами выполняет функцию удержания тепла планеты.
Различные формы азотистых соединений почвы и водной среды могут восстанавливаться некоторыми видами бактерий до оксидов и молекулярного азота. Этот процесс называется денитрификацией. Его результатом является обеднение почвы и воды соединениями азота и насыщение атмосферы молекулярным азотом.
Процессы нитрификации и денитрификации были полностью сбалансированы вплоть до периода интенсивного использования человеком азотных минеральных удобрений в целях получения больших урожаев сельскохозяйственных растений.
Таким образом, роль живых организмов в круговороте азота является основной.
Эволюция биосферы. Современная структура биосферы и границы обитания современных организмов формировались постепенно. Они являются результатом долгой истории Земли, начиная с ее возникновения и до настоящего времени.
Доказательства развития биосферы многочисленны и бесспорны. Это прежде всего ископаемые остатки древних организмов. Изучая их, ученые установили главные этапы в истории развития органической жизни планеты. Предполагают, что за всю историю биосферы ее населяли, сменяя друг друга, примерно 500 млн. видов организмов.
Важнейший этап развития жизни на Земле тесно связан с изменением содержания кислорода в атмосфере и становлением озонового экрана. Древние фототрофные цианобактерии насытили кислородом первичный океан, благодаря которому водные организмы получили возможность осуществлять аэробное дыхание. Поступление кислорода в атмосферу обусловило образование мощного озонового слоя, поглощающего коротковолновое ультрафиолетовое излучение. Формирование озонового слоя позволило организмам выйти на сушу и заселить ее разнообразные местообитания . Это стало возможным тогда, когда содержание кислорода в атмосфере достигло величины, составляющей 10% от его современной концентрации. К концу палеозоя, в пермском периоде, концентрация кислорода в атмосфере достигла современного уровня.
Каждый период развития биосферы характеризовался свойственным ему комплексом условий среды и живых организмов. В кайнозойскую эру произошло становление человека, который в начале своей эволюции хорошо вписывался в природу. Перейдя к активной трудовой деятельности, человек вырвался из плена естественной природной зависимости. Человеческое общество с течением времени усиливало свое воздействие на природную среду. В настоящее время в эпоху НТР, совпавшей с бурным ростом численности населения планеты (демографический взрыв), деятельность человека соизмерима по своим последствиям на природную среду с действием самых мощных природных явлений.
Основой устойчивого развития экосистем являются:
- биологическое разнообразие,
- саморегуляция
- круговорот веществ.
Биологическое разнообразие – вариабельность живых организмов из всех источников, включая среди прочего наземные, морские и иные водные экосистемы и экологические комплексы, частью которых они являются; это понятие включает в себя разнообразие в рамках вида, между видами и разнообразие экосистем (Конвенция о биологическом разнообразии).
Биологическое разнообразие – разнообразие видов в конкретной экосистеме, на определенной территории или на всей планете.
В настоящее время науке известно около 2,5 млн видов, причем 74% видов связано с тропическим поясом, 24% - с умеренными широтами и 2% - с полярными районами. Считается, что этот список очень неполон, так как не выявлены многие мелкие животные (в частности, насекомые и паукообразные), грибы, бактерии (особенно в тропиках, где Б.р. самое высокое).
Ученые предполагают, что общее число видов на планете составляет от 5 до 30 млн. Биологическое разнообразие разных групп организмов существенно различается. Самая богатая видами группа организмов - насекомые. Их насчитывается почти 1,5 млн видов. Биологическое разнообразие обычно оценивается по отдельным группам организмов: указывается количество видов сосудистых растений (цветковых, голосеменных, папоротников, плаунов, хвощей), мхов, лишайников, крупных грибов, видимых глазом (их называют макромицетами), микроскопических грибов (микромицетов), водорослей, насекомых, почвенных животных (также видимых глазом, их называют мезофауной), птиц, млекопитающих, бактерий и т. д.
Аналогично по группам оценивается биологическое разнообразие водных экосистем (группы планктона и бентоса - фитопланктон, зоопланктон, фитобентос, зообентос, нектон, растения-макрофиты). Совокупность видов растений называется флорой , а видов животных - фауной . Между биологическим разнообразием разных трофических уровней отмечена зависимость «разнообразие порождает разнообразие»: чем больше видов-автотрофов, тем больше видов-гетеротрофов (консументов и редуцентов). Между биологическим разнообразием , устойчивостью экосистем и их биологической продукцией нет прямой связи. Более продуктивными могут быть экосистемы с невысоким биологическим разнообразием. Например, при удобрении лугов их биологическое разнообразие резко снижается, а продукция - увеличивается. Устойчивыми (т. е. способными самовосстанавливаться после нарушения) часто являются экосистемы с невысоким биологическим разнообразием , например, пустыни.
Биологическое разнообразие отдельных биоценозов определяется взаимодействием многих факторов , главные из которых следующие.
1. Благоприятность условий среды . В экосистемах с богатыми и хорошо увлажненными почвами и в теплом климате может быть больше видов, чем в экосистемах с бедными, холодными и очень сухими почвами. Впрочем, в тундрах снижение биологического разнообразия сосудистых растений компенсируется возрастанием биологического разнообразия мхов и лишайников, которые имеют очень мелкие размеры.
2. Общий «запас» видов ландшафта . Если ландшафт в прошлом был подвержен сильным нарушениям, которые обеднили его флору и фауну, то даже при благоприятных условиях и по прошествии после нарушения долгого времени биоценозы будут иметь весьма низкое биологическое разнообразие.
3. Режим нарушений . При умеренных нарушениях экосистем (легкий выпас, выборочная рубка леса или ветровал на ограниченной площади, периодические низовые пожары) биологическое разнообразие увеличивается. В таких условиях виды-доминанты не могут усилиться настолько, чтобы захватить «львиную долю» ресурсов. Возрастает биологическое разнообразие травяного яруса в пригородных лесах, если они умеренно нарушаются вытаптыванием. В то же время любое сильное нарушение снижает биологическое разнообразие.
Биологическое разнообразие зависит и от неоднородности территории. На равнине оно всегда будет ниже, чем в горной местности, где на ограниченной площади представлено много разных экотопов. Это связано с разной высотой участков над уровнем моря, разной экспозицией, разными геологическими породами (кислые граниты, щелочные известняки) и т. д.
Биологическое разнообразие - самый важный биологический индикатор состояния биосферы и входящих в ее состав биомов, который чутко реагирует на воздействия человека. В настоящее время четко проявляется тенденция снижения биологического разнообразия. С 1600 г. исчезло 63 вида млекопитающих и 74 вида птиц. В числе исчезнувших видов тур, тарпан, зебра-квагга, сумчатый волк, морская корова Стеллера, европейский ибис и др.
В современном мире ежедневно исчезает от 1 до 10 видов животных и еженедельно - 1 вид растений. Гибель одного вида растений ведет к уничтожению примерно 30 видов мелких животных (прежде всего насекомых и круглых червей - нематод), связанных с ним в процессе питания. Охрана биологического разнообразия является одним из важнейших требований при построении общества устойчивого развития.
Саморегуляция
– главное свойство экосистем: за счет биотических связей количество всех видов поддерживается на постоянном уровне. Саморегуляция позволяет экосистемам выдерживать неблагоприятные воздействия. Например, лес может сохраниться (восстановиться) после нескольких лет засухи, бурного размножения майских жуков и/или зайцев.
Растительные и животные организмы, находясь во взаимосвязи с неорганической средой, включаются в непрерывно происходящий в природе круговорот веществ и энергии . Выполняя основные биохимические функции, живые организмы создают в биосфере круговороты важнейших биогенных элементов (углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора и серы), которые попеременно переходят из живого вещества в неорганическую материю.
Круговорот веществ
Естественное циклическое движение химических элементов от одного компонента биосферы (или биоценоза) к другому, поддерживаемое потоком солнечной радиации. Основным средством этого круговорота служат пищевые связи живых организмов. В воздушный круговорот включается 98,3% веществ (02, Н2, N, С и др.), в водный -1,7% (Na, Mg, Fe, S, CI, К и др.).
Биологический круговорот
Обмен веществ и энергии между различными компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятельностью живых организмов и носящий циклический характер. Движущая сила этого процесса - поток энергии Солнца и деятельность живого вещества.
Круговорот углерода.
Углерод в природе находится в горных породах в виде известняка и мрамора. Большая часть углерода находится в атмосфере в виде углекислого газа. Из воздуха углекислый газ поглощается зелеными растениями, при фотосинтезе превращается в органические вещества, которые затем переходят по цепям питания, и снова углерод возвращается в атмосферу в виде углекислого газа, образующегося в результате метаболизма (дыхание, брожение), благодаря деятельности бактерий, разрушающих мертвые остатки растений и животных.
Круговорот азота
Биогеохимический процесс в биосфере, в котором участвуют организмы-редуценты, а также нитрифицирующие и клубеньковые бактерии. Азот - важный химический элемент, входящий в состав белков и нуклеиновых кислот. Основная масса азота поступает из атмосферы благодаря азотфиксирующим бактериям. Они усваивают его и переводят в химические соединения, способные усваиваться растениями. Затем азот передается по цепям питания и возвращается в свободном виде в атмосферу. Аммонификация - разложение (гниение) белков с образованием аммиака (минерализация органического вещества) - осуществляется редуцентами. Нитрификация - процесс окисления солей аммиака в соли азотной кислоты: I этап - превращение аммиака в нитриты; II этап - превращение нитритов в нитраты. Осуществляется почвенными нитрифицирующими бактериями (нитрозомонас, нитрозабактер). Денитрификация - разложение солей азотной кислоты до образования газообразного азота - осуществляется почвенными денитрифицирующими бактериями. Азотфиксация - образование азотистых соединений путем фиксации атмосферного азота свободноживущими почвенными бактериями (азотобактер) или бактериями, живущими в симбиозе с корнями бобовых растений (клубеньковые бактерии ризобиум).
Круговорот воды в биосфере .
Вода выпадает на поверхность Земли в виде осадков, образующихся из водяного пара атмосферы. Определенная часть выпавших осадков испаряется прямо с поверхности, возвращаясь в атмосферу водяным паром. Другая часть проникает в почву, всасывается корнями растений и затем, пройдя через растения, испаряется в процессе транспирации. Третья часть просачивается в глубокие слои подпочвы до водоупорных горизонтов, пополняя подземные воды. Четвертая часть в виде поверхностного, речного и подземного стока стекает в водоемы, откуда также испаряется в атмосферу. Наконец, часть используется животными и потребляется человеком для своих нужд. Вся испарившаяся и вернувшаяся в атмосферу вода конденсируется и вновь выпадает в качестве осадков.
Сера и фосфор , содержащиеся в горных породах, после их разрушения и эрозии попадают в почву (наземные экосистемы), часть фосфатов вовлекается в круговорот воды и уносится в море. Вместе с отмершими остатками фосфаты погружаются на дно. Одна часть из них используется, а другая теряется в глубинных отложениях. Из почвы серу и фосфор извлекают наземные растения, а из воды - водоросли. В результате деятельности редуцентов они вновь возвращаются в почву или в виде мертвого органического вещества оседают на дно и снова включаются в состав горных пород.
Таким образом, в результате круговорота веществ в биосфере происходит непрерывная биогенная миграция элементов .
Необходимые для жизни растений и животных химические элементы переходят из среды в организм. При разложении организмов эти элементы снова возвращаются в среду, откуда поступают в организм. В биогенной миграции элементов принимают участие различные организмы, в том числе и человек. В каждом биогеоценозе можно наблюдать биологический круговорот элементов - аккумуляцию и минерализацию. При наличии зеленых растений на поверхности суши и в верхних слоях моря образование живого вещества преобладает над минерализацией, а в почве и в глубинах моря - минерализация. Перенос химических элементов осуществляется также при переселении, миграциях, передвижениях живых организмов, спор, семян. Биогенная миграция атомов , осуществляемая микроорганизмами, превышает миграцию, производимую многоклеточными организмами. В последние десятилетия человеческая деятельность также оказывает влияние на миграцию атомов.
Биосфера прошла длительную эволюцию, в течение которой жизнь меняла формы, вышла из воды на сушу, изменила систему круговоротов. Благодаря биологическому круговороту веществ в биосфере жизнь поддерживает стабильные условия для своего существования и существования в ней человека.
Читайте также:
|
Круговорот веществ – это повторяющиеся химические, физические и биологические процессы превращения и перемещения веществ в природе. Вещества постоянно потребляются организмами из окружающей среды, но они в ней не заканчиваются. Благодаря круговороту, вещества приобрели свойство бесконечности. Питание, дыхание и размножение организмов и связанные с ними процессы создания, накопления, преобразования и распада органического вещества обеспечивают круговорот веществ и энергии. Движущими силами биогеохимического круговорота служат потоки энергии Солнца и деятельность живых организмов.
Круговорот веществ в экосистеме происходит благодаря наличию трех групп организмов: продуцентов,консументов иредуцентов, связанных между собой пищевыми цепями.
Продуценты –это автотрофные организмы (зеленые растения, сине-зеленые водоросли, хемосинтезирующие бактерии), создающие из неорганических веществ органические вещества, используя энергию света или химических реакций.
Консументы – потребители органического вещества. В роли консументов выступают обычно животные. Различают консументы первого порядка – растительноядные виды и второго порядка – плотоядные животные.
Редуценты – организмы, окончательно разрушающие органические соединения до минеральных. В экосистемах роль редуцентов выполняют в основном грибы и бактерии, а также другие мелкие организмы, перерабатывающие мертвые остатки растений и животных (личинки насекомых, почвенные клещи, черви, жуки навозники и др.)
Однако круговорот веществ требует постоянных затрат энергии. В отличие от химических элементов, многократно вовлекаемых в живые тела, энергия солнечных лучей, задержанная зелеными растениями, не может использоваться организмами бесконечно. Энергия не исчезает бесследно, она сохраняется в окружающем нас мире, но переходит из одной формы в другую. Любые превращения энергии сопровождаются потерями. В клетках живых существ энергия, обеспечивающая химические реакции, при каждой реакции частично превращается в тепловую, а тепло рассеивается организмом в окружающем пространстве. Сложная работа клеток и органов сопровождается, таким образом, потерями энергии из организма. Каждый цикл круговорота веществ требует все новых поступлений солнечной энергии.
Таким образом, жизнь на нашей планете осуществляется как постоянный круговорот веществ , поддерживаемый потоком солнечной энергии.
Многообразие пресмыкающихся, их приспособленность к наземному образу жизни. Объясните, почему они утратили свое господствующее положение на Земле. Назовите вымерших пресмыкающихся, обоснуйте причины их вымирания.
Пресмыкающиеся - первый настоящий класс наземных позвоночных животных, к которому принадлежит около 6 тыс. видов. К ним относятся змеи, ящерицы, черепахи, крокодилы, гаттерии и др.
В ходе завоевания суши пресмыкающиеся приобрели ряд приспособлений, защищающих от высыхания, помогающих размножаться в условиях суши:
1. Пятипалые конечности, расположенные по бокам туловища, помогают передвигаться на суше.
2. Кожа покрыта роговым покровом, защищающим тело от высыхания.
3. Воздухопроводящие пути - трахея, бронхи, в которых воздух увлажняется и не иссушает легкие.
4. Ячеистые легкие обеспечивают организм кислородом.
5. Внутреннее оплодотворение увеличивает шанс выживания половых клеток.
6. 
Появление защитных оболочек вокруг зародыша и яйцевых оболочек, обеспечивающих зародыш необходимым количеством питательных веществ дает возможность развиваться эмбриону на суше внутри яйца.
Однако пресмыкающиеся являются холоднокровными животными, температура тела которых зависит от среды обитания. Поэтому они обитают преимущественно в регионах с теплым и жарким климатом.
Пресмыкающиеся господствовали на Земле в мезозойскую эру. Это были разнообразные динозавры: хищные и растительноядные, летающие, бегающие, прыгающие и плавающие.
Но свое положение они утратили и уступили место млекопитающим и птицам, потому что на Земле произошло похолодание климата и в этих условиях преимущество получили теплокровные животные. Кроме того, у млекопитающих и птиц появились альвеолярные легкие, четырехкамерное сердце, усложнение в строении нервной системы, что дало им большое преимущество в выживании и приспособлении к разным условиям.
Дайте научное обоснование факторов, сохраняющих и разрушающих здоровье человека. Вредные и полезные привычки, их влияние на состояние здоровья. Объясните, почему в последнее время становится престижным вести здоровый образ жизни.
Здоровье человека - важнейшая жизненная ценность, поэтому каждый человек должен укреплять и беречь его. Он должен знать факторы, влияющие на здоровье и механизм их действия.
К факторам, нарушающим здоровье , относятся следующие:
Ø неправильное питание (отсутствие витаминов, неправильное соотношение в пище различных органических и неорганических соединений, т.е. пищевой дисбаланс, отравления) – приводят к нарушениям обмена веществ.
Ø курение, употребление алкоголя и наркотических средств – вызывают заболевания всех систем органов, нарушение психики.
Ø переохлаждение и перегревание организма – приводят к простудным заболевания и тепловым и солнечным ударам.
Ø гиподинамия - приводит к ожирению и нарушениям обмена веществ.
Ø травмы – приводят к нарушениям работы различных систем органов.
Ø облучение ультрафиолетовыми и рентгеновскими лучами – могут привести к мутациям и раку.
Ø отравление химическими веществами – могут привести к заболеваниям и смерти.
Ø умственное и физическое перенапряжение, стрессы - могут привести к заболеваниям сердечнососудистой системы и нервным расстройствам.
К факторам, сохраняющим здоровье человека , относятся:
Ø здоровый образ жизни (полноценное питание, физическая активность, закаливание организма и т.д.) – позволяет сохранять и укреплять иммунитет.
Ø проведение профилактических прививок (вакцинации) – защищает от инфекций.
Ø положительные эмоции – укрепляют иммунитет.
Доказано, что здоровье человека на 55-60% зависит от образа жизни, т.е. от самого человека. Поэтому для сохранения здоровья, каждый человек должен стремиться вести здоровый образ жизни.
Вредные привычки человека: курение, злоупотребление алкоголем, пристрастие к наркотикам, увлечение компьютерными играми, питание всухомятку, чтение в транспорте и др.
Вредное влияние курения:
Ø никотин вызывает резкое сужение кровеносных сосудов, что ухудшает питание тканей.
Ø повышает кровяное давление, способствует развитию гипертонии и других сердечнососудистых заболеваний,
Ø приводит к хроническому бронхиту, раку легких,
Ø приводит к нарушениям пищеварения и обмена веществ.
Ø пагубно действует на головной мозг, ухудшает внимание, память,
Ø приводит к преждевременному старению.
Курение особенно опасно в молодом возрасте.
