Круговорот веществ в природе


The Presentation inside:

Slide 0

Круговорот веществ в природе Понятие «Биосфера» в свете развития экосистемного анализа. Типы круговорота веществ. Структура и основные циклы биохеми-ческих круговоротов.


Slide 1

Развитие экосистемного анализа привело к возрожде-нию на новой экологической основе учения о биосфе-ре, принадлежащего В.И. Вернадскому, который в сво-их идеях намного опередил современную ему науку. Он разработал учение о биосфере («Биосфера»,1926), как глобальной единой системе Земли, где весь основ-ной ход геохимических и энергетических превращений определяется жизнью. Сущность его учения заключается в том, что высшая форма развития растений на земле – жизнь опосредует другие планетарные процессы.


Slide 2

Несомненно, что энергия, придающая биосфере ее обычный облик, имеет космическое происхождение. Она исходит из Солнца в форме лучистой энергии. Но именно живые организмы, совокупность жизни, прев-ращают эту лучистую космическую энергию в земную, химическую и создают бесконечное разнообразие на-шего мира. Значение организмов обусловлено их большим разно-образием, повсеместным распространением, длитель-ностью существования в истории Земли, избиратель-ным характером биохимической деятельности и исключительно высокой химической активностью по сравнению с другими компонентами природы.


Slide 3

Границы биосферы охватывают всю гидросферу, то есть водяную оболочку, верхнюю часть земной коры (литосферу) и нижнюю часть воздушной оболочки Земли (атмосферу) В атмосфере жизнь может существовать до высоты 10-15 км; перенос покоящихся зачатков происходит на высоте свыше 20км., т.е. уже в стратосфере. В гидросфере жизнь проникает до наибольших глубин Мирового океана, превышающих 11 км. В верхней части твердой оболочки (литосфере) жизнь ограничивается температурой горных пород и подзем-ных вод.


Slide 4

Однако по В. И. Вернадскому нижнюю границу биосферы следует проводить еще глубже. Постепенно накапливающиеся в океане толщи осадочных пород, происхождение которых связано с деятельностью живых существ – это тоже часть биосферы. Верхняя граница жизни биосферы, атмосферы определяется нарастанием с высотой ультрафио-летовой радиации. На высоте 25-27 км большую часть ультрафиолетового излучения солнца поглощает находящийся здесь тонкий слой воздушной среды – озоновый экран. Все живое, поднимающееся выше защитного слоя озона, погибает, хотя установленные на ракетах специальные ловушки выявили наличие микроорганизмов на высотах до 85 км.


Slide 5

Распределение жизни в биосфере отличается крайней неравномерностью. Она слабо развита в пустынях, тундрах, глубинах океана, высоко в горах, тогда как в других участках биосферы, чрезвычайно обильна и разнообразна. Наиболее высокая концентрация живого вещества на границах раздела основных сред – в почве, то есть в пограничном слое между литосферой, атмосферой, в поверхностных слоях океана, на дне водоемов и т.д. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В. И. Вернадский назвал «пленкой жизни».


Slide 6

Решающее значение в истории образования биосферы имело появление на Земле автотрофных растений, способных улавливать энергию солнечных лучей и синтезировать органическое вещество из минерального. Фотосинтез до работ В.И. Вернадского рассматривался как собственно биологический процесс, как процесс самоподдержания жизни путем улавливания лучистой энергии Солнца. В. И. Вернадский показал, что благодаря фотосинтезу меняется весь облик Земли.


Slide 7

Биохимические процессы, осуществляющиеся в орга-низме, представляют собой сложные организованные в циклы цепи реакций. На воспроизведение их в неживой природе потребовались бы огромные энергетические затраты. В живых организмах они протекают при пос-редстве белковых катализаторов – ферментов, пони-жающих энергию активации молекул на несколько порядков величин. Так как материалы и энергию для обменных реакций живые существа черпают в окру-жающей среде, они преобразуют среду уже тем только, что они живут. Вернадский подчеркивал, что живое вещество является самой активной формой материи во вселенной. Оно производит гигантскую геохимическую работу в биосфере, полностью преобразуя верхние оболочки земли за время своего существования.


Slide 8

Живое вещество в основном состоит из эле-ментов, являющихся водными и воздушными мигрантами, то есть образующих газообразные и растворимые соединения, причем 89, 9% массы живого вещества приходится на те 14 элементов, которые преобладают и в земной коре, хотя и в других соотношениях. Таким образом, жизнь - это химическое производное земной коры. В организмах обнаружены почти все элементы таблицы Менделеева, т.к. они характеризуются той же химией, что и неживая природа.


Slide 9

Для биосферы характерно не только присутствие живого вещества. Она обладает следующими тремя особенностями: в ней в значительных количествах содержится жидкая вода; на нее падает мощный поток энергии солнечных лучей; в биосфере находятся поверхности раздела между веществами, находящимися в трех фазах – твердой, жидкой и газообразной. В связи с этим для биосферы характерен непрерывный круговорот вещества, в котором активнейшую роль играют живые организмы. Биосфера аккумулирует и перераспределяет огромные потоки вещества и энергии.


Slide 10

Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ в природе – малый, или биохимический и большой, или геологический. Первый развивается на основе второго, оба взаимосвязаны и представляют собой как бы единый процесс. Геологический круговорот – это круговая циркуляция веществ между почвой, растениями, микроорганизма-ми, и животными, это также и круговорот веществ между океаном и сушей. Биологический круговорот – основа существо-вания биосферы. Он основан на способности одних организмов пользоваться отходами других. Все живые организмы выполняют в биосфере опреде-ленную роль.


Slide 11

Геологический круговорот Большой круговорот длится сотни миллионов лет. Горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвраща-ются на сушу с осадками, с извлеченными человеком из воды организмами. Крупные, но медленно протека-ющие геотектонические изменения (опускание матери-ков и поднятие морского дна, перемещение морей и океанов) приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс повторяется.


Slide 12

Границы геологического круговорота значи-тельно шире границ биосферы, его амплитуда захватывает слои земной коры далеко за ее пределами. И, самое главное, - в процессах указанного круговорота живые организмы играют второстепенную роль. Напротив, биологический круговорот вещества проходит в границах обитаемой биосферы и воплощает в себе уникальные свойства живого вещества планеты. Будучи частью большого, малый круговорот осуществляется на уровне биогеоценоза .


Slide 13

Биологический круговорот Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в органичес-кую среду с использованием энергии Солнца и химических реакций называется биогеохи-мическим циклом. Его часто называют большим биосферным кругом, имея в виду безостановочный плане-тарный процесс перераспределения вещества, энергии и информации, многократно входящих в непрерывно обновляющиеся экологические системы биосферы.


Slide 14

Биогеохимические круговороты в биосфере подраз-деляются на: 1) круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере или гидросфере ( азота, кислорода, диоксида углерода, водяных паров) и 2) круговороты осадочного типа с менее обширными ре-зервуарами в земной коре (фосфора, кальция, железа). В биосфере круговорот элемента будет быстрым и устойчивым только в том случае, если он не только растворим, но и летуч, т.е. если одно из его соедине-ний может, подобно воде, возвращаться на сушу через атмосферу.


Slide 15

Биологические круговороты несколько раз (в палеозой-ском, мезозойском и кайнозойском периодах) нару-шались, так как из круговоротов «выводились» излиш-ки, которые откладывались на дне океана, в глубинах земной коры в виде нефти, каменного угля, газа, извес-тняков и других минеральных веществ органического происхождения. Особенно важно подчеркнуть, что эти излишки не засоряли биосферу и не оказывали вред-ного влияния на течение самого процесса. Они в даль-нейшем под влиянием тех или иных тектонических и геологических процессов (вулканическая деятельность, подъем и опускание земной коры, изменение границ суши и воды и т.д.) вновь попадают в биологический круговорот.


Slide 16

Надо помнить, что никакие биохимические реакции на Земле не идут без воды, а наличие свободной воды является такой же важнейшей особенностью биосфе-ры, как и деятельность «живого вещества». Даже пределы активной жизни в биосфере обусловлены возможностью нахождения здесь воды в жидком сос-тоянии. Для живого организма связанная вода, не те-ряющая своих свойств, является непременным компо-нентом. Количество ее в живых организмах , за исклю-чением спор и инертных семян, колеблется от 60 до 99,7%.Вода играет огромную роль в жизнедеятель-ности организмов.


Slide 17

Круговорот воды В общих чертах круговорот воды всегда состоит из испарения, конденсации и осадков. Но он включает три основные "петли": поверхностного стока: вода становится частью поверхностных вод; испарения - транспирации: вода впитывается почвой, удерживается в качестве капиллярной воды, а затем возвращается в атмосферу, испаряясь с поверхности земли, или же поглощается растениями и выделяется в виде паров при транспирации наземными частями, прежде всего листьями; грунтовых вод: вода попадает под землю и движется сквозь нее, питая колодцы и родники и таким образом вновь попадая в систему поверхностных вод.


Slide 18


Slide 19

Круговорот воды осуществляется в основном непос-редственно за счет энергии Солнца, однако живые организмы оказывают на него важное регулирующее воздействие. В процессе переноса воды часто проис-ходит изменение агрегатного состояния последней (превращение жидкой воды в твердую, парообразную, и наоборот), что позволяет поддерживать равновесие между суммарным испарением и выпадением осадков. Круговорот воды является одним из грандиозных про-цессов на поверхности земного шара. Он играет глав-ную роль в связывании геологического и биотического круговоротов.


Slide 20

Различают малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. Если же водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится значительно сложнее. В этом случае часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая - питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем самым большой круговорот. Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу.


Slide 21

Общее количество потребляемой в мире воды из рек, водоносных пластов подземных вод и других природ-ных ресурсов за прошедшее столетие существенно возросло. За это время использование воды на челове-ка удвоилось. Половина проживающих на планете лю-дей сталкивается с серьезными проблемами нехватки воды в сельском хозяйстве, промышленности и здраво-охранении. Вода, доступная для наземных организмов, составляет всего около сотой доли процента от ее общего коли-чества. В то время как вода океанов могла бы покрыть всю планету слоем в 2700м, вода рек и океанов – в 0,4м, вода атмосферного пара – в 3см.


Slide 22

Круговорот азота Азот незаменим для живых организмов, так как являет-ся обязательным элементом белков. Хотя атмосфера содержит огромный запас азота ( 3,8 * 1015т) , Мировой океан – 2*1013 т, однако высшие организмы не могут усваивать молекулярный азот из-за его прочной связи между атомами. Ежегодно в биологическую продукцию вовлекается около 5*109 т азота. При осуществлении круговорота соединений азота главную роль играют микроорганизмы: азотфиксаторы, нитрификаторы, денитрификаторы, которые способствуют биологической фиксации азота воздуха, т.е. переводят его в усвояемую для живых организмов форму.


Slide 23

1.При гниении органических веществ значительная часть содержа-щегося в них азота превращается в аммиак, который под влияни-ем живущих в почве   трифицирующих бактерий окисляется затем в азотную кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве карбонатами, например с карбонатом кальция СаСОз, образует нитраты: 2HN0з + СаСОз = Са(NОз)2 + Н2СО3 2. Другим источником пополнения азотных соединений почвы яв-ляется жизнедеятельность так называемых азотобактерий, спо-собных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая образование характерных вздутий «клубеньков», почему они и получили название клубеньковых бактерий. Усваивая атмосфер-ный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества.


Slide 24

Также в атмосфере происходят процессы, которые приводят к разрыву этих связей у части молекул азота. В нижней атмосфере (тропосфере) при грозах воздух действием электрических разрядов локально разогревается до температуры 2000оС, что приводит к расщеплению части молекул азота и кислорода на ионизированные атомы, которые, реагируя друг с другом, образуют непрочную связь азота (NO), которая в свою очередь окисляется кислородом до более стабильной двуокиси: 2NO + O2>2NO2. В присутствии паров воды NO2 образует азотную кислоту: 3NO3 + H2O> 2HNO3+ NO Диссоциируя в воде, азотная кислота подкисляет атмосферные осадки: HNO3 > H+ +NO3- а нитратный ион (NO3) из почвенных растворов и водоемов легко усваивается растениями при любой реакции среды. Поступление доступного азота, образующегося при электрических разрядах в атмосфере, оценивается в 10 млн т/год.


Slide 25


Slide 26

Часть азота при гниении выделяется в атмосферу в свободном виде. Свободный азот выделяется также при горении органи-ческих веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют бактерии, которые при недостаточном доступе воздуха могут отнимать кислород от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих денитрифи-цирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) переходит в недоступную (свободный азот). Таким образом, далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его постепенно выделяется в свободном виде. Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы, возмеща-ющие потери азота.


Slide 27

Круговорот углерода Круговорот углерода, входящего в состав всех органических соединений, гораздо в большей степени, чем круговорот воды, зависит от деятельности живых организмов. Диоксид углерода атмосферы ассимилируется наземными растениями в ходе фотосинтеза и включается в состав органических веществ. В процессе дыхания растений, животных и микроорганизмов угле-род, содержащийся в организме, вновь переходит в атмосферу в виде СО2.Эти два процесса полностью уравновешены: лишь около 1% углерода, усвоенного растениями, откладывается в виде торфа и удаляется из круговорота. Удивительный факт: всего за 7-8 лет живые организмы пропускают через свои тела весь углерод, содержащийся в атмосфере.


Slide 28


Slide 29

Намного большее количество углерода, чем в атмосфере, содер-жится в растворенном виде в морях и океанах (в виде СО2, Н2СО3 и ее ионов). Этот углерод также доступен для усвоения живыми организмами и расходуется как в процессе фотосинтеза, так и на образование скелетов организмов, включающих карбонат кальция. Благодаря различным биологическим и химическим процессам между океанами и атмосферой идет интенсивный обмен углеродом, причем заметное количество его ( 3 млрд.т) ежегодно выводится из круговорота и осаждается в виде малорастворимых карбонатов ( солей угольной кислоты) в океанах. Диоксид углерода атмосферы и гидросферы обменивается и обновляется живыми организмами за 395 лет.


Slide 30

Круговорот кислорода Круговорот кислорода является планетарным процес-сом, связывающим атмосферу и гидросферу с земной корой. Основными узловыми звеньями его являются: образование свободного кислорода при фотосинтезе, последующие затраты на дыхание, протекание реакций окисления органических остатков и неорганических ве-ществ ( например, сжигание топлива) и других химичес-ких преобразований. Они способствуют образованию таких окисленных соединений, как диоксид углерода, вода, после чего указанные вещества вовлекаются в новый цикл фотосинтетических превращений. Подсчитано, что весь кислород атмосферы проходит через живое вещество Земли за 2 тысячи лет.


Slide 31


Slide 32

Ежегодное продуцирование кислорода зеленой расти-тельностью планеты составляет около 300 * 109 т. При этом почти ? этого количества выделяется раститель-ностью суши и лишь немногим более четверти – фото-синтезирующими организмами Мирового океана. Не-большая доля кислорода появляется в результате фотолиза (разложения воды на кислород и водород энергией света). В количественном отношении кислород – главная составляющая живой материи. Если учитывать вод, содержащуюся в тканях, то, например тело человека содержит 62,8% кислорода и 19,4% углерода.


Slide 33

Помимо вышеупомянутых основных элементов, которые принимают участие в биологическом круговороте веществ, важную роль играют так-же калий, фосфор, сера, натрий и некоторые другие элементы, входящие в состав питания растений. В той или иной степени все элемен-ты таблицы Д.И.Менделеева вовлечены в био-логический круговорот.


Slide 34

Круговорот фосфора Фосфор является одной из основных составляющих живого вещества. Он  входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутрь клеток. В различных минералах фосфор содержится в виде неорганического фосфатиона (PO43-). Фосфаты раст-воримы в воде, но не летучи. Растения поглощают PO43- из водного раствора и включают фосфор в сос-тав различных органических соединений, где он высту-пает в форме так называемого органического фосфата. По пищевым цепям фосфор переходит от растений ко всем прочим организмам экосистемы. При каждом пе-реходе велика вероятность окисления содержащего фосфор соединения в процессе клеточного дыхания для получения организмом энергии. Когда это проис-ходит, фосфат в составе мочи или ее аналога вновь поступает в окружающую среду, после чего снова мо-жет поглощаться растениями и начинать новый цикл.


Slide 35

В отличие, например, от углекислого газа, который, где бы он ни выделялся в атмосферу, свободно переносит-ся в ней воздушными потоками пока снова не усвоится растениями, у фосфора нет газовой фазы и, следова-тельно, нет "свободного возврата" в атмосферу. Попадая в водоемы, фосфор насыщает, а иногда и перенасыщает экосистемы. Обратного пути, по сути дела, нет. Что-то может вернуться на сушу с помощью рыбоядных птиц, но это очень небольшая часть общего количества, оказывающаяся к тому же вблизи побе-режья. Океанические отложения фосфата со временем поднимаются над поверхностью воды в результате геологических процессов, но это происходит в течение миллионов лет.


Slide 36

Следовательно, фосфат и другие минеральные биогены почвы циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие их "отходы" жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. В естественных экосистемах так в основном и происходит. Когда же в их функционирование вмешивается человек, он нарушает естественный круговорот, перевозя, например, урожай вместе с накопленными из почвы биогенами на большие расстояния к потребителям.


Slide 37


Slide 38

Круговорот серы Сера является важным составным элементом живого вещества. Большая часть ее в живых организмах находится в виде органических соединений. Кроме того, сера входит в состав некоторых биологически активных веществ: витаминов, а также ряда веществ, выступающих в качестве катализаторов окислительно-восстановительных процессов в организме и активизирующих некоторые ферменты. Основной источник серы, доступный живым существам, - это всевозможные сульфаты. Хорошая растворимость в воде многих сульфатов облегчает доступ неорганической серы в экосистемы. Поглощая сульфаты, растения их восстанавливают и вырабаты-вают серосодержащие аминокислоты.


Slide 39


Slide 40

Среднее содержание серы в земной коре оценивается в 0,047 %. В природе этот элемент образует свыше 420 минералов. В изверженных породах сера находится преимущест-венно в виде сульфидных минералов: пирита, пирро-нита, халькопирита , в осадочных породах содержится в глинах в виде гипсов, в ископаемых углях - в виде примесей серного колчедана и реже в виде сульфатов. Сера в почве находится преимущественно в форме сульфатов; в нефти встречаются ее органические сое-динения. В связи с окислением сульфидных минералов в про-цессе выветривания сера в виде сульфат иона перено-сится природными водами в Мировой океан.  Сера по-глощается морскими организмами, которые богаче ее неорганическими соединениями, чем пресноводные и наземные.


Slide 41

Следует уточнить, что термин «круговорот веществ» употребляется в переносном смысле. Истинный круговорот совершают элементы: углерод, кислород, водород, азот и др. На каждом этапе круговорота они входят в состав различных соединений – простых (вода) или сложных (живой белок), а иногда выступают в свободном состоянии. Поэтому более точно было бы говорить о круговороте элементов.


Slide 42

Правомочен и другой вопрос: почему энергия течет в одном направлении, а вещество «вращается» на мес-те, ведь известно, что материя неотделима от энергии? Это кажущееся противоречие объясняется тем, что в определении «неотделимость» материя понимается в самом широком смысле слова. Солнечная энергия приходит на Землю как бы в безвещественном виде, хотя в общем смысле она материальна ( Солнце, излучая энергию, теряет многие миллиарды тонн своей массы). Попав на планету и приведя в движение, образно, говоря, «жернова биосферы», энергия как бы стекает с них в форме теплового излучения. При этом тепло ( непревратимая далее энергия) переходит с вовлеченного в круговорот вещества в окружающую среду и навсегда покидает живую оболочку планеты.


Slide 43

Контрольные вопросы Что такое биосфера и чем она отличается от других оболочек планеты? Какие этапы круговорота азота могут осуществляться без участия живых организмов, а какие нет?


Slide 44

Литература Егоренков Л.И., Кочуров Б.И. Геоэкология: Учеб. Пособие.- Финансы и статистика, 2005.- 320с.: ил. Экология: Учебное пособие/ Под ред. Проф. В.В.Денисова.- 2-е изд., - Москва: ИКЦ «МарТ», Ростов-на-Дону,2004.- 672с. Пехов А.П. Биология с основами экологии. Серия «Учебники для вузов. Специальная литература» - СПб.: Издательство «Лань», 2000.- 672с. Биогеография с основами экологии: Учебник. – 4-е изд./ А.Г.Воро-нов, Н.Н.Дроздов, Д.А. Криволуцкий._ М.: Изд-во МГУ: Изд-во «Высшая школа», 2002.- 392с.


Slide 45


Slide 46


Slide 47


Slide 48


×

HTML:





Ссылка: