Круговорот углерода
Круговорот углерода начинается с процесса фотосинтеза, в
результате которого углерод углекислого газа превращается в глюкозу, из
которой в дальнейшем образуются все остальные вещества, входящие в состав живых
организмов. Растения поедаются животными, в результате углерод перемещается в
тела консументов. В процессе дыхания они выделяют углерод в форме
углекислого газа, т. е. круг замыкается. Мертвые тела животных и
растений и продукты их выделения служат пищей для редуцентов, которые завершают
цикл, окисляя всю органику до углекислого газа.
Помимо этого основного
кругооборота часть углерода откладывается некоторыми живыми организмами в
виде скелетных и защитных образований, например раковин. Углекислый кальций
этих образований далее образует осадочные породы, такие как мел, мрамор,
известняк, ракушечник. В этой форме углерод может задерживаться десятки и сотни
миллионов лет. Попадая на поверхность, эти породы подвергаются эрозии, в
результате чего часть углерода возвращается в круговорот. Кроме того, некоторое
количество углекислого газа выделяется при извержениях вулканов, а часть
органического углерода превращается в СО2 в результате
лесных пожаров.
Задание: Прочитайте текст. Какие функции живого вещества осуществляются с участием
углерода?
Какими живыми организмами? Запишите ответ в
инструктивную карту.
Круговорот азота.
В атмосфере содержится много азота (71 %) в форме
молекулярного азота N2 . Он недоступен для большинства живых
организмов. Только некоторые виды прокариот (клубеньковые бактерии, почвенные
бактерии родов азотобактер и клостридиум, цианобактерии) могут
превращать N2 в ионы аммония. В дальнейшем этот азот включается
в аминокислоты и белки. После гибели этих организмов органические
соединения азота снова превращают аммиак.
Почвенные бактерии окисляют аммоний в нитриты, а затем в
нитраты. В почву в конечном счете попадают азотистые продукты обмена животных,
которые также окисляются микроорганизмами. Нитраты и аммоний из почвы
поглощается корнями растений. В растения происходит восстановление нитратов
до аммония, который включается в аминокислоты и белки. Они служат пищей
животным, которые частично используют их для создания собственных белков, а
частично окисляются с образованием аммиака, мочевины, мочевой кислоты (в
зависимости от группы животных), которые выводятся в окружающую среду. Часть
аммония в почве определенной группой бактерий окисляется до N2.
Таким образом, круговорот практически полностью
осуществляется живыми организмами. Небольшое количество окислов азота,
образующихся в атмосфере во время грозовых разрядов, не играет большой роли в
круговороте.
Задание: Прочитайте текст. Какие функции живого вещества осуществляются
с участием углерода?
Какими живыми организмами? В чем
особенность круговорота азота?
Запишите ответ в инструктивную карту.
Круговорот фосфора.
В круговороте фосфора, в отличие от
круговоротов углерода и азота, отсутствует газовая фаза.
Фосфор в природе в больших количествах
содержится в таких минералах горных пород, как фосфориты и апатиты, и попадает
в наземные экосистемы в процессе их разрушения. Выщелачивание фосфора осадками
приводит к поступлению его в гидросферу и, соответственно, в водные экосистемы.
Растения поглощают фосфор в виде растворимых фосфатов из водного или
почвенного раствора и включают его в состав органических соединений — нуклеиновых
кислот, нуклеотидов (АДФ, АТФ), в липиды клеточных мембран. Другие
организмы получают фосфор по пищевым цепям.
В организмах позвоночных фосфор входит в
состав костной ткани, дентина. В процессе клеточного дыхания происходит окисление
органических соединений, содержащих фосфор, при этом образующиеся фосфаты
поступают в окружающую среду.
Организмы-редуценты минерализуют органические вещества мертвых
организмов, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты, которые вновь могут
быть использованы растениями. После неоднократного потребления фосфора
организмами на суше и в водной среде в конечном итоге он выводится в донные
осадки в виде нерастворимых фосфатов. B
после поднятия осадочных пород над уровнем моря в ходе большого круговорота
вновь начинают действовать процессы выщелачивания и биогенного разрушения.
Задание: Прочитайте текст. Какие функции живого
вещества осуществляются с участием фосфора?
Какими живыми организмами? В чем особенность круговорота
фосфора?
Запишите ответ в инструктивную карту.
Функции
живого вещества
1. Энергетическая
функция связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей
её по цепям питания, рассеиванием.
Эта
функция — одна из важнейших. В её основе лежит процесс фотосинтеза, в
результате которого происходит аккумуляция солнечной энергии и её последующее
перераспределение между компонентами биосферы.
Живые
организмы не просто зависят от лучистой энергии Солнца, они выступают как
гигантский аккумулятор (накопитель) и уникальный трансформатор
(преобразователь) этой энергии.
Это происходит следующим образом. Растения-автотрофы (и
микроорганизмы-хемотрофы) создают органическое вещество. Все остальные
организмы планеты — гетеротрофы. Они используют созданное органическое вещество
в пищу, что приводит к возникновению сложных последовательностей синтеза и
распада органических веществ. Это-то и является основой биологического
круговорота химических элементов в биосфере.
Стало
быть, живые организмы есть важнейшая биохимическая сила, преобразующая
земную кору.
Миграция и
разделение химических элементов на земной поверхности, в почве, в осадочных
породах, атмосфере и гидросфере осуществляются при непосредственном участии
живого вещества. Поэтому в геологическом разрезе живое вещество,
атмосфера, гидросфера и литосфера — это взаимосвязанные
части единой, непрерывно развивающейся планетарной оболочки —
биосферы.
2. Газовая функция — способность
изменять и поддерживать определённый газовый состав среды обитания и атмосферы
в целом.
Преобладающая
масса газов на планете имеет биогенное происхождение.
Пример:
кислород
атмосферы накоплен за счёт фотосинтеза. СО2 - в процессе дыхания,
гниения.
3. Концентрационная
функция — способность организмов концентрировать в своём теле рассеянные
химические элементы, повышая их содержание по сравнению с окружающей организмы
средой на несколько порядков.
Организмы
накапливают в своих телах многие химические элементы.
Пример:
среди них на
первом месте стоит углерод. Содержание углерода в углях по степени концентрации
в тысячи раз больше, чем в среднем для земной коры. Нефть — концентратор
углерода и водорода, так как имеет биогенное происхождение. Среди металлов по
концентрации первое место занимает кальций. Целые горные хребты сложены из
остатков животных с известковым скелетом. Концентраторами кремния являются
диатомовые водоросли, радиолярии и некоторые губки, йода — водоросли ламинарии,
железа и марганца — особые бактерии. Позвоночными животными накапливается
фосфор, сосредотачиваясь в их костях.
Результат
концентрационной деятельности — залежи горючих ископаемых, известняки, рудные
месторождения и т. п.
4. Окислительно-восстановительная
функция связана с интенсификацией под влиянием живого вещества процессов
как окисления благодаря обогащению среды кислородом, так и восстановления
прежде всего в тех случаях, когда идёт разложение органических веществ при
дефиците кислорода.
Пример:
восстановительные
процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также
метана. Это, в частности, делает практически безжизненными глубинные слои
болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Чёрном море).
Подземные
горючие газы являются продуктами разложения органических веществ растительного
происхождения, захороненных ранее в осадочных толщах.
5. Деструктивная
функция — разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности как
самих остатков органического вещества, так и косных веществ.
Основной
механизм этой функции связан с круговоротом веществ. Наиболее существенную роль
в этом отношении выполняют низшие формы жизни — грибы, бактерии (деструкторы,
редуценты).
6. Транспортная
функция — перенос вещества и энергии в результате активной формы
движения организмов.
Часто такой
перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях и
кочёвках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана
концентрационная роль сообществ организмов, например в местах их скопления
(птичьи базары и другие колониальные поселения).
Гипотеза
биохимической эволюции Опарина–Холдейна (гипотеза абиогенеза)
Возникновение
жизни на нашей планете произошло в несколько этапов эволюции:
- Абиогенный
синтез простых органических соединений.
- Образование
биополимеров.
- Установление
связей между биополимерами — образование коацерватов.
- Возникновение
мембран, отделяющих первые подобия живых организмов — протобионтов — от
окружающей среды.
- Возникновение
обмена веществ и энергии с окружающей средой.
- Появление
способности к самовоспроизведению.
Американские
исследователи Стэнли Миллер и Гарольд Юри в 1953 году в экспериментах показали,
как в далеком прошлом могли появляться биологически важные химические
соединения. Они подобрали разные газы в соотношении, близком к составу
древней атмосферы, и пропускали через эту смесь искровые разряды. В
результате получались такие биологически важные соединения, как муравьиная
и молочная кислоты, мочевина и аминокислоты (глицин, аланин, глутаминовая кислота,
аспарагиновая кислота). Миллер и Юри основывались в своих экспериментах на
представлениях 1950-х гг. о возможном составе земной атмосферы.
Собранный
аппарат представлял собой две колбы,
соединённые стеклянными трубками в цикл. Заполнявший систему газ представлял
собой смесь из метана (CH4), аммиака (NH3), водорода (H2)
и монооксида углерода (CO).
Одна колба была наполовину заполнена водой, которая при нагревании испарялась,
и водные пары попадали в верхнюю колбу, куда с помощью электродов подавались
электрические разряды, имитирующие разряды молний на ранней Земле. По охлаждаемой трубке конденсировавшийся
пар возвращался в нижнюю колбу, обеспечивая постоянную циркуляцию.
Слабая сторона
гипотезы Опарина-Холдейна заключается в том, что не удалось объяснить главную
проблему: как произошел качественный скачек от неживого к живому. Пробионты
или проклетки до сих пор не были получены экспериментальным путём. Поэтому до
конца непонятно, как возник генетический код и примитивное скопление
биополимеров смогло перейти от неживого пребывания в бульоне к воспроизводству,
питанию и дыханию.
Гипотеза самозарождения
Опыт
Франческо Реди
Он положил в четыре
сосуда мясо змеи, рыбы, угря и кусок говядины и закрыл их марлей, чтобы
сохранить доступ воздуха. Четыре других аналогичных сосуда он заполнил такими
же кусками мяса, но оставил их открытыми.
Через некоторое
время в мясе, лежавшем в открытых сосудах, появились личинки мух. В закрытых
горшках, куда мухи попасть не могли, никаких личинок обнаружено не было
Гипотеза биохимической эволюции.
Рассмотрите рисунок, прочитайте описание
опыта и выполните задание.
В XIX в. учёный Луи Пастер налил в колбу бульон,
затем оттянул и изогнул носик колбы так, чтобы воздух в колбу попадал, но
больше ничего проникнуть в колбу не могло. Затем он прокипятил колбу. В колбе
несколько недель ничего не происходило. Затем он отбил носик колбы, и уже через
несколько дней в колбе стало видно помутнение бульона.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.