Сущность жизни
Вид материала | Документы |
СодержаниеЗакон однонаправленности потока энергии |
- В. П. Крючков Рассказы и пьесы, 957.62kb.
- Тематическое планирование курса «Обществознание», 10-11 классы, 470.24kb.
- Мировоззрение, его сущность, роль в жизни людей, 1231.6kb.
- Экзаменационные вопросы по философии, 16.84kb.
- Г. А. Василевич, доктор юридических наук, профессор сущность конституции, 68.32kb.
- Мы представляем фрагменты книги ш. А. Амонашвили «школа жизни» (М.: Издательский дом, 882.19kb.
- Прогнозирование и планирование: основные понятия, сущность и сфера применения. Изучив, 994.42kb.
- Программа для поступающих на направление подготовки магистратратуры 080200 «менеджмент», 256.74kb.
- Размножение и индивидуальное развитие организмов, 44.8kb.
- Закономерности возникновения жизни в космосе., 3156.97kb.
- Органогенные элементы осадочных пород в этом случае изымаются на неопределённое время из общего и биологического круговорота , являясь его своеобразным резервом ( включение депонированных элементов в круговорот происходит при метаморфичесих изменениях осадочных пород , а в последний период истории благодаря хозяйственной деятельности человека , активно разрабатывающего и использующего осадочные геологические породы ( полезные ископаемые ) ; атмосфера , океан и осадочные породы – долговременные резервуары биогенных элементов
- Биологический круговорот характеризуется следующими показателями
1 . Ёмкость биологического круговорота – количество химических элементов , находящихся одновременно в составе живого вещества
2. Скорость биологического круговорота – количество живого вещества , образующегося и разлагающегося в единицу времени
- Скорость биологических круговоротов на суше составляет годы и десятки лет , а в водных экосистемах – несколько дней или недель
- Различают круговороты газового типа с резервуаром неорганических соединений в атмосфере или океанах (N2 , О2 , СО2 , Н2О ) и круговороты осадочного типа с резервуарами в земной коре ( Са , Fe , Р , S , Mn , Si и др. )
- Следствием биотического круговорота биосферы является выполнение живым веществом геохимических функций : газовой , концентрационной , окислительно-восстановительной , биохимической
Биогенная миграция атомов ( закон биогенной миграции атомов В. И. Вернадского )
Закон биогенной миграции атомов – химические элементы литосферы ( земной поверхности ) и биосферы непрерывно мигрируют при участии живого вещества с использованием солнечной энергии , образуя более или менее замкнутые циклы ( биогеохимические круговороты )
- Закон утверждает биогенное происхождение всей земной поверхности , почвы , природных вод и приземной атмосферы , т. е. живое вещество – самая мощная геологическая и геохимическая сила , действующая на Земле и преобразующая её сферы
- За всё время существования биосферы атомы большинства элементов , входящих в её состав , многократно прошли через тела живых организмов , образовали залежи биогенных осадочных пород
- Для биогенной миграции свойственно накопление ( концентрация ) химических элементов в организмах и высвобождение их в результате минерализации отмершей биомассы ( детрита )
Общая схема биотического круговорота веществ ( биогенной миграции атомов )
Аккумуляция в виде
осадочных пород
Органические вещества консументы (гетеротрофы ) ; орг. остатки Редуценты
( биополимеры – белки , липиды , НК ) гетеротрофы
пищевые цепи , трофические уровни ( детритофаги )
I Продуценты
Автотрофы органические остатки после смерти
Зелёные растения
Фотосинтез , хемосинтез
Минерализация органических остатков
Неорганические вещества
( СО2 , Н2О , минеральные соли )
Биогеохимические циклы отдельных химических элементов
- Биогенные элементы циркулируют в биосфере , т. е. совершают замкнутые биогеохимичесик циклы , которые функционируют под действием биологических ( жизнедеятельность ) и геологических факторов ( термин « биогеохимический цикл » ввёл в обиход В. И. Вернадский )
- Биохимические циклы элементов существуют благодаря непрерывному потоку энергии от солнца в виде электромагнитного излучения и активной деятельности живых организмов планеты
- Все геохимические циклы в биосфере неразрывно взаимосвязаны , вычленение цикла отдельного элемента возможно лишь умозрительно ; в циклах элементы обращаются в формах разнообразнейших соединений с другими элементами , например , в цикле азота происходят обязательные процессы связывания атомов азота со многими другими биогенными элементами ( Н2 , О2 )
- Круговорот совершает не элемент как простое вещество , а его атомы в составе разнообразных соединений ( как органических и неорганических )
- В ходе биохимических циклов атомы элементов проходили и проходят через живое вещество громадное число раз ( например , СО2 атмосферы « оборачивается » через живые организмы Земли за 200 – 300 лет , а вся биосферная вода – за 2 млн . лет )
- Замкнутость биогеохимических циклов элементов неполная ; определённая доля вещества выходит из активного биосферного оборота в медленно текущий геологический цикл ; за счёт такой неполной обратимости циклов произошло биогенное накопление кислорода и азота в атмосфере Земли и различных осадочных соединений в литосфере в виде ископаемых отложений – углерод в форме угля и нефти ( выход вещества из биосферного цикла происходит на время от несколько десятков и сотен до сотен тысяч и миллионов лет )
- Биогеохимические циклы элементов на Земле – главное условие существования жизни и её эволюции
- Глобальная хозяйственная деятельность человечества приводит к существенным изменениям и нарушениям естественных циклов многих элементов ; такие циклы становятся природно - анторопогенными ( циклы тяжёлых металлов – ртути , свинца , меди и др . , фосфора , азота , серы , калия и пр.) , что приводит к их значительной незамкнутости и нарушает отлаженный за миллионы лет механизм функционирования биосферы
- Наряду с ключевыми циклами особо важных элементов - органогенов , серы , фосфора – большое значение для многих групп живых организмов имеют круговороты второстепенных элементов – ртути , бериллия , стронция , кадмия , фтора , меди
- Существование биогеохимических циклов создаёт условия для саморегуляции системы , что придаёт биосфере устойчивость – постоянство процентного состава различных элементов в ней ( гомеостаз )
- Различают круговороты газового типа с резервуарами неорганических соединений в атмосфере или океанах ( N2 ,О2 , СО2 , Н2О ) и круговороты осадочного типа с менее обширными резервуарами в земной коре ( Р , Са , Fе )
Круговорот азота
- Источник N2 – молекулярный , газообразный , атмосферный азот ( не усваивается большинством живых организмов , т. к . химически инертен ; растения способны усваивать лишь связанный с кислородом или водородом азот – аммиак NH3 , ионы аммония NH4+ , нитраты NО3-- , нитриты NO2--)
- Связывание атмосферного азота осуществляется в процессе биологической фиксации за счёт деятельности некоторых микроорганизмов – азотофиксаторов ( свободноживущие бактерии Azotobacter , симбиотические клубеньковые бактерии рода Rhizobium , сине-зелёные водоросли морского планктона)
- Азотофиксация может происходить в результате электрических разрядов молний , выпадая с дождями на поверхность почв и в процессе промышленной фиксации при производстве азотных удобрений человеком
- Фермент нитрогеназа бактерий азотофиксаторов расщепляет молекулярный азот и используют его атомы для построения аминогрупп ( - NH2 ) белков , нуклеиновых кислот и других органических соединений
- После смерти азотофиксаторов азот переходит в доступную для использования растениями форму в результате так называемой нитрификации с помощью нитрифицирующих бактерий
- При нитрификации происходит окисление иона аммония ( NH4+ ) до нитрита ( NO2--) , а потом нитрита до нитрата ( NO3-- ) , которые растворимы в воде и доступны для усвоения растениями
- Растения восстанавливают нитраты почвы , т. е. усваивают азот в составе белков и нуклеиновых кислот и передают его по пищевым сетям животным и грибам
- Круговорот азота заключается в том , что почвенные микроорганизмы ( редуценты ) разлагают мёртвые органические остатки животных и растений до ионов аммония , который конвертируется нитрифицирующими бактериями опять в растворимые соли нитритов и нитратов для следующих поколений растений и животных
- В почве происходит процесс денитрификации – восстановление нитритов и нитратов до газообразного молекулярного азота
- В процессе гниения трупов растений и животных часть нитратов с помощью почвенных анаэробных денитрифицирующих бактерий превращается в свободный молекулярный азот , который уходит в атмосферу ( в результате содержание азота в атмосфере остаётся постоянным )
- Денитрификация – главная причина потерь азота в земледелии , когда из вносимых человеком удобрений до половины связанного азота просто улетучивается
Промышленная фиксация
редуценты
Биологическая фиксация NH4+
N2
Грозы , молнии Животные ( консументы )
Нитрификация
Денитрифицирующие бактерии Нитритообразующие бактерии цепи питания
Денитрификация
NH3 Нитратообразующие бактерии NO2 Растения ( белки , НК )
Круговорот азота в биосфере
Круговорот фосфора
- Соединения фосфора играют важную роль в жизни организмов ; он входит в состав многих органических соединений , нуклеиновых кислот ( ДНК , РНК ) , АТФ , без него невозможен белковый синтез и обеспечение живых организмов энергией
- Главным источником фосфора служит горные породы ( аппатиты ) литосферы прошлых геологических эпох ; в процессе выветривания суши он переносится природными водами в Мировой океан , где переходит в состав фитопланктона и по сетям питания в ткани морских животных и рыб
- Отмершие остатки организмов приводят к накоплению фосфора на разных глубинах ; частичный возврат фосфора на сушу связан с поднятиями земной коры выше уровня моря , часть фосфора переносится на сушу морскими птицами и благодаря рыболовству ( птицы отлагают фосфор на островах и побережьях в виде гуано )
- В целом поток фосфора идёт в одном направлении – из наземных пород на дно моря ; деятельность человека ведёт к усиленной потере фосфора на суше , что делает его круговорот ещё менее замкнутым ; из всех макроэлементов фосфор – один из самых дефицитных , поэтому во многих экосистемах он выступает как лимитирующий ( сдерживающий жизнь ) фактор
- Из пород и почв фосфор извлекается в растворённом виде наземными растениями и перерабатываются ими в фосфорсодержащие органические вещества ( ДНК , РНК , АТФ и т. д. ) ; в организм животных фосфор попадает с растительной пищей ; в почву химически связанный фосфор попадает с органическими остатками растений и животных , минерализуется редуцентами до фосфатов , и в дальнейшем происходит повторение цикла
- К растениям фосфор попадает в виде фосфатов ( соединения фосфора растворимы только в кислых растворах и бескислородных средах и именно в таком виде пригодны для усвоения растениями )
Круговорот углерода
- Главный источник углерода – углекислый газ атмосферы и воды
- Круговорот углерода осуществляется благодаря процессам фотосинтеза и клеточного дыхания
- Круговорот начинается с фиксации углерода СО2 в процессе фотосинтеза наземными растениями , морскими водорослями и автотрофными прокариотами ( углерод ассимилируется в состав органических веществ )
- Органические вещества по цепям и сетям питания распространяется по клеткам всех живых организмов
- В процессе клеточного дыхания происходит окисление органических субстратов ( главным образом углеводов и жиров ) до СО2 и Н2О ( СО2 возвращается в атмосферу )
- Весь углерод атмосферы проходит через живые организмы за 7 – 8 лет ; часть углерода запасается в составе протоплазмы клеток и освобождается после смерти организмов после минерализации редуцентами
- Круговорот углерода в морях и океанах является таким же , как и в случае атмосферного углерода
- СО2 поступает в атмосферу также в результате сжигания топлива человеком и его промышленной деятельности , при пожарах , извержениях вулканов
- Значительное количество углерода миллионы лет было аккумулировано в составе углеродистых органогенных полезных ископаемых палеозоя ; человек , сжигая уголь , нефть , природный газ возвращает СО2 в атмосферу , делая его доступным для включения в круговорот на современном этапе
Круговорот кислорода
- Заключается в том , что атмосферный кислород используется растениями и животными при дыхании, в результате которого освобождается энергия , Н2О и СО2
- Источником кислорода является процесс фотосинтеза , при котором кислород , входящий в состав
молекул воды освобождается
- Весь кислород атмосферы проходит через живые организмы примерно за 2 тыс. лет
Круговорот воды
- Осуществляется за счёт солнечной энергии
- Регулируется со стороны живых организмов :
- поглощение и испарение растениями
- фотолиз в процессе фотосинтеза ( разложение на кислород и водород )
- функции воды в жизнедеятельности клетки и организма
- Под влиянием Солнца моря и океаны подвергаются испарению ; вода в виде пара поступает в атмосферу , переносится на огромные расстояния , а затем выпадает в виде дождей и снега на сушу , после чего через реки и грунтовые воды снова попадает в моря и океаны
- Круговорот воды лежит в основе в круговороте многих элементов , поскольку вода является универсальным растворителем , обеспечивающим поступление и функционирование большинства веществ в клетке и организме
- С поверхности Земли за 1 мин испаряется около 1 млрд. тонн воды
- Циркуляция воды между Мировым океаном и сушей представляет важнейшее условие поддержания жизни на Земле и является основным условием взаимодействия растений и животных с неживой природой
- Благодаря воде происходит постепенное разрушение литосферы , перенос её компонентов а глубины морей и океанов
Круговорот серы
- Сера- биогенный элемент живой материи ; содержится в белках в составе аминокислот ( до 2,5% ) , входит в состав витаминов , гликозидов , коферментов , имеется в растительных эфирных маслах
- Сера в изобилии присутствует в земной коре , в углях , сланцах , нефтях , природных газах ; в природе переходит из неорганических соединений в органические и обратно , осуществляя круговорот
- Источником серы для всех растений и микроорганизмов являются растворимые сульфаты ( SO42-- ), которые при ассимиляции восстанавливаются и включаются в состав органических соединений ( в составе радикалов аминокислот - цистеина , цистина , метионина ) ; животные получают серу в составе органических соединений при гетеротрофном питании
- При минерализации органических серосодержащих соединений ( отмершие растительные и животные остатки ) сапрофитными микроорганизмами сера освобождается в виде неорганического вещества – сероводорода (Н2S)
- Н2S окисляется как неорганическим , так и органическим путём с помощью бактерий и архебактерий до сульфатов , которые вновь включаются в состав растений , микроорганизмов и по сетям питания – животных
- В последнее время цикл серы подвергается сильному антропогенному воздействию , приводящему к накоплению токсичных соединений серы и нарушению её круговорота ( это SO2 , выделяемая ТЭЦ , отходы целлюлозно-бумажными и металлургическими заводами , разложение бытовых и с\х отходов
растения и микроорганизмы , усваивающий сульфаты
- серосодержащие органические соединения
- микроорганизмов , растений и животных
-
SO4 бактерии , разлагающие белки и другие с . серосодержащие органические соединения
Серобактерии , архебактерии , дрожжи , плесни , микрогрибы Н2S
Поток энергии в биосфере
- Источник энергии в биосфере – непрерывное электромагнитное излучение солнца и радиоактивная энергия
- 42% солнечной энергии отражается от облаков , атмосферой пыли и поверхности Земли в космическое пространство ; 15% - поглощаются атмосферой ( в частности , озоновым слоем )
- Оставшиеся 45% поглощается растениями и почвой ; из этого количества Землёй повторно излучается земной поверхностью и нагревает атмосферу ( более 20% ) , а 10% расходуется на испарение воды с поверхности Мирового океана
- Часть ( около 15 % ) попадающей на Землю солнечной энергии ( видимая часть спектра ) преобразуется растениями в процессе фотосинтеза в энергию химических связей сложных органических соединений ( углеводов , жиров , белков и т. д. ) ;
- В химических связях органических веществ энергия аккумулируется и сетям питания поступает к другим организмам ( гетеротрофам ) , где преобразуется в разные формы энергии , осуществляющие различные виды работы , необходимые для их жизнедеятельности ( механическая , осмотическая , электрическая , кинетическая , потенциальная , световая и т. д. )
- Высвобождение заключённой в органических соединениях энергии происходит в процессе дыхания или брожения
- Эти формы энергии в составе биосферы производят на Земле грандиозные геологические , климатические и биологические процессы : миграцию атомов , биогеохимические круговороты веществ и элементов , увеличение и распространение биомассы и её функции
- Частично солнечная энергия консервировалась в земной коре в виде органогенных ископаемых : уголь , нефть , торф , нефть
- В процессе использования всех видов энергии для обеспечения эндотермических процессов в клетке организме или биосфере часть энергии расходуется на произведение работы , а остальная часть рассеивается в виде тепла и необратимо теряется
- В конечном итоге вся поглощённая организмами в виде химических связей солнечная энергия возвращается в пространство в виде теплового излучения , поэтому для функционирования биосферы ей необходим непрерывный приток энергии извне
- Поток энергии в биосфере носит однонаправленный характер ( в отличие от циклического потока веществ )
Закон однонаправленности потока энергии – энергия , получаемая экосистемой ( биосферой ) передаётся по трофическим уровням ( от продуцентов к консументам , а потом – редуцентам ) и необратимо рассеивается в виде теплового излучения
- Непрерывный поток солнечной энергии – главное условие существования биосферы и её эволюции
Поступление энергии
( солнечный свет )
Продуценты ( фотосинтез )
Трансформация Есвет. в Е химич.
Трансформация в энергию :
- механическая
- осмотическая
- электрическая работа по обеспечению . - световая эндотермических процессов
- кинетическая разных трофических уровней
- потенциальная
Рассеивание энергии в виде тепла (Q )