Объясните как в биосфере осуществляется круговорот углерода
Moto-sol.ru

Автомобильный портал

Объясните как в биосфере осуществляется круговорот углерода

Круговорот веществ в биосфере

Из этого урока вы узнаете о том, как миграция химических элементов объединяет в единое целое все многообразие живых организмов на Земле. Познакомитесь с основными путями миграции биогенных элементов – углерода, азота и кислорода, углубите свои знания о роли живого вещества в круговороте воды, поймете причины и механизмы функционирования биосферы, а также проникнете в смысл круговорота веществ и энергии в масштабах планеты.

Смысл круговорота живого вещества

За время существования Земли сменились миллиарды поколений живых организмов. Все они существовали за счет использования органических и неорганических веществ и энергии.

Необходимые живым существам ресурсы не исчерпываются и жизнь на Земле продолжается, поскольку существует круговорот веществ, т. е. циклический переход вещества и энергии между разными организмами. Благодаря ему вещество не скапливается локально, а постоянно возобновляется.

Ниже мы рассмотрим круговорот воды, циклы углерода и азота.

Роль воды в круговороте живого вещества

Вода нужна всем живым существам.

Вода – самое распространённое вещество в биосфере. Основные ее запасы (около 95%) сосредоточены в морях и океанах. Пресная вода сосредоточена в ледниках и вечных снегах, а также в подземных водах. Незначительная часть пресных вод находится в озерах, реках, болотах и атмосфере.

Живые организмы потребляют воду, используют её в процессе жизнедеятельности и отдают в виде жидких выделений или пара (вспомните, как потеет холодное стекло, если на него дышать).

Испарения выходят в атмосферу, а жидкая вода стекает и скапливается в крупнейших водных бассейнах (озерах, реках, морях, океанах). Под действием солнечной радиации вода испаряется в атмосферу, этот пар (облака) переносится на большие расстояния, и выпадает в виде осадков, становясь опять доступной для живых существ водой (рис. 1).

Рис. 1. Круговорот воды в природе. Важными участниками круговорота воды являются живые организмы. Растения разлагают воду в процессе фотосинтеза и выделяют при этом кислород.

Роль углерода в круговороте живого вещества

Углерод является основой всех органических веществ. Автотрофные организмы синтезируют органические вещества, используя в процессе фотосинтеза или хемосинтеза углекислый газ атмосферы (рис. 2).

Рис. 2. Процесс фотосинтеза происходит в организме растений (слева) в хлоропластах (справа). При этом фотосинтез осуществляется в две фазы: световую (разложение воды) и темновую (синтез глюкозы из СО2).

Гетеротрофные организмы употребляют автотрофов в пищу, используя готовые органические вещества. В процессе дыхания углеродные соединения окисляются и углерод выделяется гетеротрофами в атмосферу в виде углекислого газа (СО2), доступного для автотрофов (см. видео).

В некоторых случаях останки живых организмов могут скапливаться и формировать отложения торфа, каменного угля, сланцев или нефти. При этом углерод консервируется.

Азот – необходимый элемент белков и азотистых оснований (см. видео). Запасы азота в виде простого вещества N2 сосредоточены в атмосфере. Преобразовать атмосферный азот в доступную для живых организмов аммонийную форму могут лишь немногочисленные виды бактерий-азотфиксаторов (рис. 3).

Рис. 3. Бактериориза – результат симбиоза бактерий-азотфиксаторов с корнями растений из семейства Бобовых. Благодаря азотфиксаторам химически неактивный атмосферный азот возвращается в груговорот вещества и энергии в биосфере.

Роль азота в круговороте живого вещества

Животные, растения и грибы не способны усваивать атмосферный азот. Они вынуждены потреблять азот, связанный азотфиксирующими бактериями. Непосредственно потреблять азотфиксирующие микробы могут лишь некоторые микроорганизмы, простейшие или растения. Например, бобовые растения используют белок клубеньковых азотфиксирующих бактерий. Другие живые существа получают азот по пищевой цепочке.

После гибели живого существа органический азот может окисляться в нитраты в процессе нитрификации (см. видео) или опять выделяться в атмосферу в виде N2.

Такой азот (в виде растворимых нитратов) очень подвижен в почве и легко усваивается растениями. Скопление нитратов – это месторождения селитры. Селитра – важное удобрение в современном растениеводстве.

Весь доступный азот обычно находится внутри живых веществ. Нитраты могут снова восстанавливаться в процесс денитрификации (см. видео).

Этот процесс идет до конца с образованием молекулярного азота, который выделяется обратно в атмосферу. Аналогично протекают циклы и других биофильных элементов: фосфора, калия, кальция и т. д.

Основой любого цикла является, то что организмы потребляют и выделяют разные формы одного и того же элемента. Таким образом, элемент внутри биосферы обычно не может выпасть из круговорота.

Потери воды в засушливых зонах

Существует ряд аридных, или засушливых, регионов, где вода является дефицитным ресурсом (см. видео).

Потеря воды в таких регионах происходят не путем испарения влаги из почвы (временная ликвидация растительного покрова на полях), а из-за испарения влаги с поверхности листьев – транспирации.

Нарушения цикла углерода из-за вмешательства человека

Обычно залежи углерода, в виде угля, нефти, сланцев или карбонатов вовлекаются в круговорот углевода постепенно. За последние 100 лет человек извлек на поверхность и сжег огромное количество углеродного топлива. В результате количество углекислого газа в атмосфере увеличилось почти на треть. Депо углерода сейчас перемещается из-под земли в воздух (рис. 4).

Если вы нашли ошибку или неработающую ссылку, пожалуйста, сообщите нам – сделайте свой вклад в развитие проекта.

Круговорот веществ в биосфере

Урок 47. Введение в общую биологию и экологию 9 класс

Конспект урока “Круговорот веществ в биосфере”

Суша, воды и окружающее воздушное пространство, которые населены живыми существами – организмами, представляют биосферу земли.

О том, что окружающая среда напрямую влияет на развитие и распространение организмов, а организмы в свою очередь влияют на среду своего обитания, изменяя её физические и химические свойства.

Сами живые организмы состоят из различных химических веществ, и представляю живую массу – биомассу экосистемы.

А для существования, для поддержания жизни всех элементов экосистемы, необходим круговорот химических веществ и энергии, из внешней среды в живые организмы и обратно.

Но если энергия используется организмами только один раз, то химические элементы благодаря круговороту могут использоваться неоднократно.

Круговорот веществэто циклический переход вещества и энергии между разными организмами и средой. Благодаря ему вещества постоянно возобновляется.

Циркуляция веществ происходит за счёт гибели и разложения организмов.

И если бы этого не происходило, запас питательных веществ в конечном счёте исчерпался и жизнь на Земле прекратилась.

Благодаря солнечной энергии на Земле осуществляется два круговорота веществ большой, или геологический (абиотический), который затрагивает воздушные массы, воду, горные породы, минералы и другие природные компоненты.

Второй круговорот ─ малый, или биологический (биотический) – круговорот органических веществ, возникает на базе большого круговорота. Он затрагивает живые организмы.

Все химические элементы участвуют и в большом, и в малом круговороте веществ.

Циркуляция химических элементов в биосфере называется биогеохимическими циклами. Они осуществляют круговорот необходимых для жизни питательных веществ, которые называют биогенными элементами. То есть элементами, которые дают жизнь.

Некоторые из этих элементов крайне необходимы для существования их называют макротрофные вещества. Эти вещества составляют химическую основу тканей живых организмов.

Микротрофные вещества играют также большую роль для жизни организмов, однако не такую значительную как макротрофные.

К макротрофным веществам относят: углерод, водород, азот, кислород, фосфор, калий, магний и серу.

К микротрофным веществам, их ещё называют микроэлементы относят: железо, марганец, медь, цинк, бор, натрий, молибден, хлор. Недостаток этих элементов может привести к неблагоприятным последствиям.

Сегодня на уроке мы остановимся на некоторых макроэлементах, углероде, азоте и фосфоре. И рассмотрим их циклы, то есть круговороты данных веществ в природе.

Биогеохимический цикл углерода

Углерод в атмосфере и гидросфере находится в виде диоксида углерода (углекислого газа) СО2. В воздухе его содержится 0,046% по массе.

А в водах рек, морей и океанов в

60 раз больше. Углерод также входит в состав растений и животных, это примерно (

В организме человека углерод составляет 21 % от всей массы тела.

Это примерно 15 кг на 70 кг массы тела. 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани. Из организма выводиться в основном с выдыхаемым воздухом (углекислый газ) и мочой (мочевина).

Углерод в природе присутствует в нескольких основных формах: в виде метана содержится в мантии, коре, атмосфере и гидросфере; в виде угля, графита и алмаза в коре и мантии; в виде углекислого газа, в мантии, коре и атмосфере, и гидросфере; в виде сложных органических соединений углерод сосредоточен в биосфере, почве, и океане.

Цикл углерода является самым важным из всех биогеохимических циклов. Он включает множество сложных реакций.

В атмосферу углекислый газ поступает несколькими путями: при сгорании ископаемого топлива, выделение вулканических газов, а также из горячих минеральных источников, из поверхностных слоёв океанических вод, при дыхании, брожении, и гниении.

В процессе фотосинтеза поступивший в атмосферу углекислый газ поглощается растениями из тропосферы.

Затем в результате различных химических превращений из углекислого газа и воды с обязательным использованием энергии света, образуются органические вещества в частности глюкоза, в состав которой будет входит углерод.

Подсчитано что в результате фотосинтеза прирост растительной массы на суше равен 50 миллиардам тонн, а в воде 180 миллиардам тонн.

Далее гетеротрофные организмы консументы 1-го порядка поедают растения (продуцены). Поступившие углеводы превращаются в 6-углеродные сахара, жиры – в глицерин и жирные кислоты, а белки – в аминокислоты. Таким образом они используют уже готовые органические вещества. Консументы 2-го порядка, поедают консументов 1-го порядка.

Читать еще:  Что делать если залегли кольца в двигателе

Так углерод циркулирует дальше по трофическим уровням от одних организмов к другим. В процессе их жизнедеятельности часть органических веществ окисляется. Часть углерода идёт на построение их тел, часть выделяется в атмосферу в виде углекислого газа при дыхании. А оставшиеся часть с экскрементами или в результате гибели организма вновь возвращается из биосферы в геосферу.

Часть останков живых организмов скапливается, таким образом происходит консервация углерода в виде торфа, каменного угля и нефти.

Далее из геосферы углекислота в процессе горения и брожения вновь возвращается в атмосферу.

Таким образом из геосферы и гидросферы углерод переходит в атмосферу.

Затем в ткани растений и животных, а после снова возвращается в атмосферу, воду и почву, становясь опять доступным для использования организмами.

Так как углерод необходим для существования любой формы жизни, всякое вмешательство в его круговорот влияет на количество и разнообразие живых организмов, способных существовать на Земле.

В результате активной промышленной деятельности человека происходит увеличение углекислого газа в атмосфере.

А это негативно сказывается как на здоровье человека, так и на целой экосистеме.

С 1850 года концентрация СО2 в атмосфере увеличилась на 31 %, а метана на 149 %. Причём по данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата увеличение СО2 в воздухе главным образом связано с вырубкой лесов.

Так повышенное содержание углекислого газа в атмосфере приводит к парниковому эффекту.

Парниковый эффектэто разогрев приземного слоя атмосферы, который возникает в результате захвата теплового излучения Солнца атмосферными газами.

Что приводит к увеличению температуры низких слоёв атмосферы, к таянию ледников Гренландии и Антарктиды, что приводит к затоплению части суши, на которой сейчас проживает почти / 4 часть населения.

Перейдём к изучению биогеохимического цикла азота.

Азот является одним из самых распространённых элементов Земли.

Вне пределов Земли азот обнаружен в газовых туманностях, солнечной атмосфере, на Уране, Нептуне и Титане.

Азот необходим для существования животных и растений.

Так же он входит в состав белков (16−18 % по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот (ДНК и РНК).

Азот входит в состав гемоглобина и хлорофилла.

Гемоглобин ─ это белок эритроцитов, необходимый для связывания кислорода. Хлорофилл ─ это зелёный пигмент, окрашивающий хлоропласты растений в зелёный цвет. При его участии осуществляется процесс фотосинтеза.

Значительное количество связанного азота содержится в живых организмах, «мёртвой органике» и дисперсном веществе морей и океанов.

Главным источником азота служит верхняя часть мантии, откуда он поступает в другие оболочки Земли с извержениями вулканов.

Атомы в молекуле азота связаны прочной тройной ковалентной связью, из-за чего он практически не вступает в реакции окисления-восстановления и в нормальных условиях без применения катализаторов не может использоваться растениями и животными.

А вот, например, цианобактерии синезелёные водоросли за счёт того, что они имеют ген, который отвечает за синтез фермента, нитрогеназы, способны фиксировать азот.

Азотфиксацияэто способность микроорганизмов восстанавливать стабильную молекулу азота до аммиака — служит основным источником биодоступного азота для всех обитателей нашей планеты.

Фиксация азота также осуществляют бактерии азотобактер.

Клубеньковые бактерии ризобиум в корнях бобовых, фиксируют азот и превращают его в нитраты.

Так как атомы в молекуле азота связаны прочной тройной связью, то для окисления требуются большие количества энергии (высокие температуры). Эти условия достигаются при разрядах молний, когда температура составляет 25000 °C и более. При этом происходит образование различных оксидов азота.

Таким способом благодаря разрядам молний фиксируется до 400 млн. т азота ежегодно. В атмосфере оксиды азота соединяются с дождевой водой, образуя азотную и азотистую кислоты.

Установлено, что с дождём и снегом на каждый гектар земли попадает около 6700 г азота.

Такими непростыми путями азот попадает в почву, где он превращается в нитриты и нитраты. Которые в свою очередь используются растениями. В тканях растений образуются белковые вещества, в состав которых будет включаться азот.

Животные поедая растения, усваивают синтезированные белковые вещества растений и превращают их в животные белки. В организме происходит окисление белков, в результате чего образуется мочевина, которая выводиться из организма с мочой. В состав которой будет входить азот.

После смерти животных и растений происходит разложение сложных белковых соединений. Где азотные соединения превращаются в аммиак и ионы аммония.

Эти процессы происходят благодаря деятельности микроорганизмов в аэробных и анаэробных условиях.

Доступный нитратный азот → в тканях растений и животных превращается в (белковый азот) → который переходит в мочевину → превращается в аммиак → азот в форме аммиака и соединений аммония, получающийся в процессах биогенной азотфиксации, быстро окисляется до нитратов и нитритов (этот процесс носит название нитрификации). Таким образом происходит круговорот азота в природе, или азотный цикл.

Цикл фосфора является одним из наиболее простых.

Фосфор образует около 190 минералов, важнейшими из которых являются апатит, фосфорит и другие.

Горные породы концентрируют в себе основные запасы фосфора. Которые в результате эрозии и разрушения отдают фосфаты наземным экосистемам.

Так же фосфор входит в состав ортофосфорной кислоты, нуклеотидов, нуклеиновых кислот, фосфолипидов, коферментов, ферментов; в состав косный ткани человека в виде гидроксилапатита, это 87% фосфора.

Так как в свободном состоянии фосфор не встречается из-за высокой химической активности. Поэтому в природе он существует в виде соединений. Например, наиболее устойчивые соединения ортофосфаты кальция или магния, бесцветные кристаллические вещества, практически нерастворимы в воде.

Однако в водных растворах кислот эти вещества способны переходить в растворимые дигидрофосфаты, которые способны усваиваться растениями. Так неорганические фосфаты попадают в растения, где из них получаются органические фосфорсодержащие вещества, играющие огромную роль в обмене веществ (углеводов, жиров), в энергетическом обмене.

Животные поедают растения. При разложении трупов животных редуцентами, фосфор вновь возвращается в почву.

Из почвы фосфор смывается водотоками в озёра, реки, моря. Где он также включается в круговорот, по пищевым цепям питания. Часть фосфора возвращается обратно на сушу, благодаря птицам, которые поедают рыбу и других обитателей вод.

Биосфера Земли. Кругооборот углерода в биосфере

Тема. Биосфера Земли. Кругооборот углерода в биосфере.

Автор: Гомулина Н.Н.

Тип урока. Комбинированный урок.

Цель урока.

Изучить процесс биогенной миграции атомов углерода в биосфере.

Продолжить формирование естественнонаучной картины мира путем демонстрации единства процессов эволюции звезд и планетарных систем и эволюции жизни на Земле.

Продолжить формирование навыков работы с мультимедиа-объектами как источниками информации, преобразованию знаний из одной формы в другую.

Основные понятия. Биосфера. Биогенный цикл углерода. Круговороты воды, кислорода, углерода, азота и фосфора. Фотосинтез. Дыхание.

Мировоззренческий и развивающий аспекты урока. Формирование научного мировоззрения о биосфере. Использование интерактивных моделей и превращение информации в них в традиционные схемы.

Использование новых информационных технологий. Мультимедийный проектор, компьютер, желательно – интерактивная доска, курс «Открытая коллекция. Биология: теория эволюции, основы экологии, 10–11 классы»(Windows, Linux).

План урока.

Этапы урока

Время, мин.

Приемы и методы

I. Организационный момент. Актуализация знаний

Беседа учителя, организация класса

II. Изложение нового материала

III. Обобщение знаний. Работа с интерактивной моделью «Кругообращение веществ в природе»

Выступление учащихся с использованием интерактивной модели

IV. Закрепление материала, формирование умений и навыков

Ответы учащихся на вопросы теста. Работа с тестами для контроля усвоенного и проведения первичного закрепления материала

IV. Домашнее задание

Комментарии учителя по домашнему заданию

I. Организационный момент. Актуализация знаний.

Объяснение плана урока.

Деятельность живых организмов служит основой круговорота веществ в биосфере. Важнейшими из них являются круговороты воды, кислорода, углерода, азота и фосфора. Деятельность живых организмов составляет основу круговорота веществ в биосфере, одним из веществ является биогенный цикл углерода.

II. Изложение нового материала

Углерод – наиболее распространенный во Вселенной элемент, после водорода и гелия.

Концентрация по массе

Все элементы тяжелее гелия сформировались не в первые три минуты существования Вселенной, а в процессе эволюции звезд. Была незначительная примесь дейтерия (изотопа гелия) и лития, буквально доли процента, которые успели образоваться за первые три минуты. Только через миллиард лет после Большого взрыва первыми звездами в космос были выброшены тяжелые элементы, например, углерод, железо, золото и т. д.

Поэтому можно сказать, что и Солнце, и планеты Солнечной системы, и все живые существа образовались из химических элементов, когда-то выброшенных взрывами сверхновых звезд. Большинство химических элементов, начиная с углерода С и вплоть до железа Fe (самого устойчивого элемента Вселенной, располагающегося на пике графика удельной энергии связи), образуются в массивных горячих звездах в процессе их эволюции. В последнее время теоретически доказана важнейшая роль окиси углерода СО в процессе формирования протопланетных облаков, в их охлаждении, распаде на более мелкие сгустки. Таким образом, углерод – это не просто элемент, из которого состоят живые организмы, но и элемент, способствующий зарождению звезд и планет.

Кругооборот газа и пыли, а следовательно, и углерода.

На Землю углерод продолжает поступать из космоса и в настоящее время в виде космической пыли.

Углерод входит в состав разнообразных органических веществ, из которых построено все живое на Земле. В виде углекислого газа (СО2) он поглощается из атмосферы растениями, которые, в свою очередь, поедаются животными. Скорость усваивания углерода растениями составляет 1,5·10 11 т. в год (для сравнения, его общая масса в растениях составляет около 5·10 11 т., в животных – 5·10 9 т., а в атмосфере – 6,4·10 11 т.). В процессе фотосинтеза зеленый растения используют углекислоту и воду для синтеза органических соединений, выделяя в атмосферу кислород. В результате процессов окисления – дыхания (как животных, так и растений) и гниения – часть углерода возвращается обратно в атмосферу в виде углекислого газа.

Биосфера не является статичной и неизменной; с течением времени она эволюционирует. Важнейшим фактором при этом являются сами живые организмы. С момента своего возникновения они расширяли границы биосферы, изменяя ее состав. В результате этой деятельности за миллиарды лет появились горные породы и полезные ископаемые органического происхождения (известняки, каменный и бурый уголь, нефть).

Благодаря деятельности копро-, некро- и сапрофагов, углерод, содержащийся в продуктах выделения, а также в останках мертвых организмов, попадает в почву. Таким образом, осуществляется передача углерода по цепям питания. Накапливаясь в почве, углерод участвует в образовании гумуса.

Усвоение растениями углерода из атмосферы
(схема этапов фотосинтеза).

Часть углекислого газа растворяется в воде и участвует в формировании скелетов водных обитателей. Из останков мертвых организмов углерод попадает в почву и накапливается там, образуя гумус, торф, каменный уголь, нефть, природный газ. Таким образом, эта часть углерода выводится из активного круговорота. В активном круговороте участвует лишь небольшое количество углерода, поскольку его огромные запасы законсервированы в известняках и других породах.

Читать еще:  Как снять генератор на приоре

Исключение углерода из активного круговорота
(этапы захоронения скелета погибшего животного).

Человек вносит заметные изменения в круговорот углерода. Сжигание ископаемого топлива значительно повышает содержание углекислого газа в атмосфере, что увеличивает уровень парникового эффекта, а загрязнение океана нефтепродуктами приводит к гибели фитопланктона и снижает эффективность фотосинтеза.

III. Работа с интерактивной моделью «Кругообращение веществ в природе»

Интерактивная модель «Кругообращение веществ в природе» демонстрирует круговорот в природе четырех важнейших для жизнедеятельности веществ: воды, углерода, азота и фосфора. Работа с интерактивной моделью «Кругообращение веществ в природе» может быть запланирована только в части «Углерод» в рамках данного урока. Рекомендуется по данной модели организовать выступление учащихся (примерно троих) по каждому кадру модели, для этого ее рекомендуется останавливать, пользуясь кнопкой «Стоп».

IV. Закрепление материала, формирование умений и навыков

Является ли углерод самым распространенным элементом во Вселенной?

Нет, самый распространенный элемент – водород.

В чем заключается важнейшая роль окиси углерода СО в процессе формирования протопланетных облаков и образования звезд и планет?

В последнее время теоретически доказана важнейшая роль окиси углерода СО в процессе формирования протопланетных облаков, в их охлаждении, распаде на более мелкие сгустки. Таким образом, углерод – это не просто элемент, из которого состоят живые организмы, но и элемент, способствующий зарождению звезд и планет.

Продолжает ли поступать углерод из космоса в настоящее время?

Углерод продолжает поступать в виде космической пыли, которая оседает на почве и поступает в океан.

Что является основой круговорота веществ в биосфере? Каковы основные «приводные ремни» (источники энергии) этого процесса?

В каком виде углерод попадает из атмосферы в зеленые растения?

Одним из важнейших глобальных круговоротов является биогенный цикл углерода. Как известно, углерод входит в состав разнообразных органических веществ, из которых построено все живое на Земле. В виде углекислого газа (СО2) он поглощается из атмосферы растениями, которые, в свою очередь, поедаются животными. В процессе фотосинтеза зеленые растения используют углекислоту и воду для синтеза органических соединений, выделяя в атмосферу кислород. В результате дыхания (как животных, так и растений) часть углерода возвращается обратно в атмосферу в виде углекислого газа. Из останков мертвых организмов углерод попадает в почву и накапливается там, образуя гумус, торф, каменный уголь, нефть, природный газ. В активном круговороте участвует лишь небольшое количество углерода, поскольку его огромные запасы законсервированы в известняках и других породах.

Каким образом углерод вовлекается в биогенный круговорот из атмосферы?

Углерод входит в состав органических молекул, являясь важнейшим элементом для жизни. Продуценты в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ из атмосферы. При дыхании он выделяется обратно. Углерод передается по цепям питания. После гибели организмов редуценты разлагают органические вещества до углекислого газа и воды. Естественный биохимический цикл углерода замыкается.

Каким образом углерод из растений попадает в организм животных?

По цепям питания.

В результате каких процессов жизнедеятельности живых организмов углерод возвращается в атмосферу?

В процессе дыхания живых организмов.

Каким образом углерод мигрирует в почву?

Из останков мертвых организмов углерод попадает в почву и накапливается там, образуя гумус, торф, каменный уголь, нефть, природный газ.

Какова роль водной среды в биогенном круговороте углерода?

В воде часть углекислого газа растворяется и участвует в формировании скелетов водных обитателей (в том числе и коралловых рифов).

В каком виде углерод исключается из активного круговорота?

В виде ископаемых остатков и горных пород. В активном круговороте участвует лишь небольшое количество углерода, поскольку его огромные запасы законсервированы в известняках и других породах.

В образовании какой структуры организма животных углерод принимает непосредственное участие?

В образовании скелета. Углерод входит в состав органических молекул, являясь важнейшим элементом для жизни. Продуценты в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ из атмосферы. При дыхании он выделяется обратно. Углерод передается по цепям питания. После гибели организмов редуценты разлагают органические вещества до углекислого газа и воды. Естественный биохимический цикл углерода замыкается. В воде часть углекислого газа растворяется и участвует в формировании скелетов водных обитателей (в том числе и коралловых рифов). При отложении осадков и образовании полезных ископаемых углерод выпадает из цикла. Человек вносит заметные изменения в круговорот углерода. Сжигание ископаемого топлива (каменный уголь, нефть, газ) повышает содержание углекислого газа в атмосфере, что увеличивает уровень парникового эффекта. Загрязнение океана препятствует фотосинтезу.

Какова роль человека в изменении глобального круговорота углерода в биосфере?

Человек вносит заметные изменения в круговорот углерода. Сжигание ископаемого топлива значительно повышает содержание углекислого газа в атмосфере, что увеличивает уровень парникового эффекта, а загрязнение океана нефтепродуктами приводит к гибели фитопланктона и снижает эффективность фотосинтеза.

Тестовые задания рекомендуется проецировать на интерактивную доску, чтобы задание было видно всему классу. Опрос проводить фронтально, объясняя сложные вопросы. Обратить внимание, что вопросы по форме соответствуют заданиям групп А и В ЕГЭ.

Общий вид тестовых заданий виден на рисунке. В некоторых заданиях верными могут являться несколько дистракторов.

Задание «Последовательность этапов биогенного круговорота углерода» (соответствует типу заданий В7-В8 формата ЕГЭ)

1. В каком виде часть углерода возвращается в атмосферу?

В виде карбонатов.

В виде паров угольной кислоты.

В виде углекислого газа.

2. Какие из перечисленных полезных ископаемых имеют биогенное происхождение?

Биология в лицее

Сайт учителей биологии МБОУ Лицей № 2 г. Воронежа, РФ

Site biology teachers lyceum № 2 Voronezh city, Russian Federation

Круговорот углерода и кислорода

Углерод и кислород входят в состав практически всех органических веществ, из которых состоят живые организмы.

Круговорот углерода. Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой – углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры. Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями. Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем захоронении их в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород. Так, в далекие геологические эпохи сотни миллионов лет назад значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и давления превращался в нефть, природный газ и уголь, во что именно – зависело от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах. Теперь мы в огромных количествах добываем это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в определенном смысле завершаем круговорот углерода. Если бы ни этот процесс в истории планеты, вероятно, человечество имело бы сейчас совсем другие источники энергии, а может быть и совсем другое направление развития цивилизации.

Ежегодно в процесс фотосинтеза вовлекается 170 млрд т углекислого газа, 68 млрд т воды, а также около 6 млрд т азота, 2 млрд т фосфора, миллионы тонн калия, кальция, магния, серы, железа и др. элементов.

По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где CO2 переходит в H2CO3, HCO3 – , CO3 2- . Затем с помощью растворенного в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов CaCO3 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 имеется растительность, углекислый газ 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 CO2. Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания углекислого газа в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства и транспорта.

Наиболее важными звеньями круговорота углерода являются усвоение углекислого газа из воздуха зелёными растениями в процессе фотосинтеза и возвращение углекислого газа в атмосферу при дыхании, а также при разложении тел животных, питающихся растениями.

Круговорот кислорода. 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.
Круговорот кислорода — взаимообмен кислородом между средой и живыми организмами или их остатками. Основным источником возобновления кислорода на Земле является процесс фотосинтеза. Кислород используется всеми формами жизни (кроме анаэробов) в процессе дыхания.

Круговорот углерода, азота, фосфора, кислорода,воды

Круговорот углерода

Общие запасы углерода в биосфере составляют около 20 000 000 млрд т. Они более чем на 99% состоят из отложений СаСО3. Лишь около 10 000 млрд т углерода находится в виде ископаемого топлива (уголь, нефть, газ). В неживой органике углерода: в океане — 3000 млрд т, в почве — 700 млрд т. Содержание углерода в биомассе (млрд т): наземные растения — 450, поверхностные слои моря — 500, фито-, зоопланктон и рыбы — 1020. В атмосфере воздуха в виде СО2 — около 1000 млрд т.

Запасов углерода очень много, но лишь диоксид углерода СО2 воздуха представляет источник углерода, который усваивается растениями в количестве около 35 млрд т в год.

В процессе фотосинтеза СО2 превращается в сахара, жиры и другие вещества. Например:

Возврат углерода в атмосферу происходит в процессе дыхания животных и растений (около 10 млрд т), разложения организмов в почве (в виде СО2, углеводородов, меркаптанов; около 25 млрд т). Сверх биогенного, сбалансированного углерода в атмосферу поступает антропогенный диоксид углерода после сжигания углеродного топлива (уголь, нефть, газ, сланцы, лес и т.п.; 5 млрд т) и природный его диоксид — при извержении вулканов.

В морях и океанах некоторые организмы, умирая, опускаются на дно (в частности, скелеты фитопланктона) и образуют карбонатные осадочные породы, а неразложившееся органическое вещество — ископаемое углеродное топливо. Обмен СО2 воздуха с поверхностными морскими водами составляет: растворение в воде 100 млрд т, выделение из воды — 97 млрд т.

Читать еще:  Как снять тросик спидометра

Быстрый круговорот углерода связан с живыми организмами: а) потребление СО2 в процессе фотосинтеза органических веществ, б) выделение СО2 при дыхании организмов и разложении органики. Его длительность зависит от времени жизни организма. Так, углерод лесов совершает круговорот примерно за 30 лет средний срок жизни дерева. Леса являются главным потребителем СО2 на суше и основным хранилищем биологически связанного углерода. Они содержат около 2/3 его атмосферного запаса.

Медленный круговорот углерода включает ископаемое топливо, что исключает углерод из оборота на длительное время миллионы лет. Он возвращается в атмосферу в виде СО2 в результате сжигания ископаемого топлива человеком и при извержении вулканов.

Круговорот азота

Океан воздуха, окружающий Землю, содержит 78% азота. Однако большинство организмов неспособны непосредственно усваивать атмосферный азот. Они используют в основном связанный азот: нитраты, аммонийный и амидный азот.

Круговорот азота состоит из следующих процессов: получение связанного азота, использование его живыми организмами, преобразование соединений азота в свободный азот.

Варианты получения связанного азота (млн т/год): синтез оксидов азота в атмосфере грозовыми разрядами — 7,6; фиксирование атмосферного азота микроорганизмами — 30, бобовыми — 14, синезелеными водорослями — 10; синтез азотных удобрений человеком — 30. Всего около 92 млн т/год связанного азота.

Круговорот связанного азота в биосфере. Азот в форме нитратов используется растениями для синтеза протеинов, являющихся составной частью всех клеток растительных и животных организмов. Содержание азота в тканях около 3%. Протеины при отмирании служат питанием целой цепи почвенных организмов. Они, разлагая органическое вещество, переводят органический азот в аммиак. Другие бактерии переводят аммиак в нитраты. Последние снова используют растения, и цикл превращений азота в пищевой цепи повторяется.

Окисление азота аммиака до нитритов осуществляется с участием бактерий Nitrosomonos (реакция нитрификации):

NH3 + 1,5O2 — HNO2 + H2O + 273 кДж/моль. (1.2)

Выделяющейся при этом энергии вполне достаточно для существования этих бактерий. Это исключительный случай в живой природе, который позволяет поддерживать существование живых организмов без энергии Солнца. Они не потребляют энергию, запасенную в органических веществах, а используют энергию окисления неорганических веществ. Другие микроорганизмы способствуют окислению нитритов дальше до нитратов с выделением энергии в 71 кДж/моль, что позволяет им выживать, так же как и вышеуказанным бактериям.

Аммиак почвы может усваиваться растениями и без его нитрификации. При этом он включается в аминокислоты и становится частью белка растения, а после поедания растений переходит в животные белки. Белок возвращается в почву, где он распадается на аминокислоты, которые окисляются при участии бактерий до СО2, Н2О, NH3. И цикл повторяется.

Связанный азот в количестве 2-3 млн т/год в виде растворимых соединений попадает с водой в океан и надолго теряется для биосферы в донных отложениях. Эти потери в основном компенсируются соединениями азота из вулканических газов.

Денитрификация

Денитрификация это процесс освобождения связанного азота посредством его восстановления с участием бактерий денитрификаторов. Например:

Денитрификация идет в анаэробных условиях, т.е. в отсутствие кислорода как на суше (43 млрд т/год), так и в море (40 млрд т/год) с образованием 83 млрд т азота в год. На суше бактерии активны в почвах, богатых соединениями азота и углерода, особенно в навозе.

Несмотря на потери связанного азота из-за денитрификации (83 млрд т/год), в биосфере идет его накопление в количестве около 92 — 83 = 9 млрд т/год. Причина излишка — производство человеком избыточного количества азотных удобрений. Таким образом, круговорот азота нарушен на 10%, что становится опасным, так как вода загрязняется нитратами. Человечество ожидают новые осложнения из-за быстрого увеличения количества азотсодержащих отбросов в связи с резким возрастанием народонаселения и поголовья скота.

Круговорот фосфора

Значение фосфора для биосферы. Фосфор — составная часть важнейших для организмов органических соединений, например, таких как рибонуклеиновая (РНК) и дизоксирибонуклеиновая (ДНК) кислоты, входящих в состав сложных белков. Соединения, содержащие фосфор, играют существенную роль в дыхании и размножении организмов. При достатке фосфора повышается урожай, засухоустойчивость и морозоустойчивость растений, увеличивается в них содержание ценных веществ: крахмала в картофеле, сахарозы в свекле и т.п. Недостаток фосфора ограничивает продуктивность растительности в большей степени, чем недостаток любых других веществ, исключая воду.

Усвояемые соединения фосфора. Растения используют фосфор из почвенного раствора в виде соединений фосфорной кислоты — ионов Н2РО4 – , НРО4 2- . В почве их образуют три группы усвояемых фосфорных соединений: природные, органические и промышленные.

В земной коре фосфора довольно много — около 0,1% по массе. Разведанные запасы фосфатного сырья составляют около 26 млрд т. Известно примерно 120 фосфорсодержащих минералов: апатит, фосфориты, фосфаты алюминия, железа, магния и др. Однако все они трудно растворимы в воде и, следовательно, малоэффективны. Для растений фосфорные соединения доступны только после их дефосфорилирования — ферментативного расщепления организмами почвы. Доля такого фосфора в питании растений составляет 20-60%. Промышленность выпускает фосфорные удобрения, которые хорошо усваиваются растениями. Это двойной суперфосфат Са(Н2РО4)22О, фосфат аммония, нитрофоска и др.

Круговорот фосфора: а) усвоение растениями (продуцентами); б) потребление животными (консументами), редуцентами; в) дефосфорилирование. В природном круговороте фосфора имеется существенный его дефицит, около 2 млн т в год. Это потери его растворимых соединений, включенных в природный круговорот воды. Достигая с водой океана, они теряются на его дне в отложениях. В круговорот из океана возвращается лишь около 60 тыс. т фосфора в год в виде прибрежного гуано (помет и останки птиц, питающихся рыбой) и рыбной муки из выловленной рыбы. Считается, что круговорот фосфора — единственный в природе пример простого незамкнутого цикла. Человек, производя фосфорные водорастворимые удобрения, ускоряет убыль природных фосфатов, расходуя около 3 млн т в год апатита и фосфоритов. При таком расходе их хватит примерно на 10 тыс. лет.

Круговорот кислорода

Запасы кислорода в биосфере очень большие, примерно 50% ее массы. В ней он самый распространенный элемент. Основное количество связанного кислорода приходится на гидросферу и литосферу. В песке его около 53%, глине 56%, воде — 89%. Свободный кислород содержится в атмосфере в количестве 1 200 000 млрд т, что составляет лишь 0,01% его общего количества. Большая часть атмосферного кислорода — продукт фотосинтеза растений.

Схема круговорота кислорода: а) генерация растениями в процессе фотосинтеза (около 16 млрд т/год); б) потребление живыми организмами при дыхании; в) расход на окисление биогенного вещества.

Для высших форм жизни (растения, животные) пригодно аэробное дыхание — прямое окисление кислородом органики, например, глюкозы:

Большое количество энергии, которая выделяется при дыхании и окислении веществ в организме с участием кислорода, идет на поддержание жизнедеятельности высших организмов, которая требует значительных энергетических затрат, например, при перемещениях. Для низших организмов большое выделение тепла опасно. Они приспособились проводить окисление органики в анаэробных условиях (без О2) с помощью ферментов (см. выше).

Скорость круговорота кислорода в биосфере в нашу эпоху составляет около 2500 лет.

Небольшая часть кислорода постепенно уходит в осадочные породы: карбонаты, сульфаты. Однако эти процессы идут весьма медленно и в целом не влияют на главный круговорот атмосферного кислорода. Опасность представляет антропогенный фактор. Так, за последние 100 лет человеком при сжигании топлива изъято из атмосферы около 250 млрд т кислорода и добавлено около 380 млрд т СО2. Ежегодный прирост расхода кислорода человеком около 5%.

Круговорот воды

Воды на Земле много — 1,5 млрд км 3 , но пресных вод меньше 3%. Основная масса пресной воды — 29 млн км 3 (75%) — находится в ледниках Арктики и Антарктиды, около 13 млн км 3 — в атмосфере, 1 млн км 3 — в живых организмах. Лишь всего 0,003% воды, т.е. около 0,04 млн км 3 , представляют объем ежегодно возобновляемых водных ресурсов.

Большой круговорот воды (40-45 тыс. км 3 )

испарение воды в океанах и на суше под действием Солнца;

перенос паров воды с воздушными массами;

выпадение воды из атмосферы в виде дождя и снега;

поглощение воды растениями и почвой,

сток воды по поверхности суши и возвращение в моря и океаны. Этот круговорот воды хорошо замкнут. Он вместе с энергией Солнца является важнейшим фактором обеспечения жизни на Земле, так как при этом происходит перенос и перераспределение не только воды — основы жизни, но и тепла, поглощающегося при испарении воды и выделяющегося при ее конденсации.

Круговорот воды в экосистемах

Здесь различают 4 фазы:

перехват, т.е. поглощение воды листьями, кроной, до того как она достигнет почвы;

эвапотранспирация: (лат. evaporatio — испарение, transpirere — испарение растениями) — отдача воды экосистемой в атмосферу за счет ее биологического испарения растениями и испарения с поверхности почвы;

инфильтрация — просачивание воды в почву, затем перенос грунтовых вод и испарение;

сток — потеря воды экосистемой за счет ее стока в ручьи, реки и затем в моря, океаны.

Величина эвапотранспирации — это сумма биологической тран-спирации воды растениями и испарения ее с поверхности почвы. В Европе она оценивается как 3-7 тыс. т/га в год, из них около 1 тыс. т/га за год воды испаряется с поверхности почвы.

Велика биологическая транспирации воды растениями, что необходимо для извлечения питательных веществ и поддержания температурного режима тканей. Так, за день одна береза испаряет 75 л воды, бук — 100 л, липа — 200 л, 1 га леса — 50000 л.

Коэффициент транспирации — количество воды, транспирируемое растением в сезон для создания 1 кг сухого вещества. Он весьма велик и составляет от 300 до 1000 в зависимости от вида растения. Например, для получения 1 т зерна требуется от 250 до 550 т воды.

Пример схемы круговорота воды

Рассмотрим типичное распределение осадков, количество которых составило 770 мм/год.

Эвапотранспирация воды идет в объеме 400 мм/год и слагается из следующих видов (мм/год): перехват кронами — 10, транспирация растениями — 290, испарение с поверхности почвы — 100.

Поверхностный сток воды, равный испарению воды с поверхности моря, составляет 370 мм/год. Его слагаемые (мм/год):

подземный сток — 80

физическое испарение — 265

нужды человека — 25

Как видно из примера, растениями транспирируется почти 40% воды [« (290 / 770)-100%]. Однако на формирование биомассы используется лишь около 1% воды [« (10 / 770)-100%].

На бытовые нужды человеком расходуется порядка 3% воды.

В отличие от углерода, азота и фосфора вода проходит через экосистемы почти без потерь.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector