Основы экологии (биосфера): фотосинтез, круговорот воды, азота, углерода, энергии

Особенности кругооборота воды и некоторых веществ в биосфере

Круговорот веществ в биосфере – это «путешествие» определённых химических элементов по пищевой цепи живых организмов, благодаря энергии Солнца.

В процессе «путешествия» некоторые элемент, по разным причинам, выпадают и остаются как правила, в земле. Их место занимают такие же, которые, обычно, попадают из атмосферы.

Это максимально упрощенное описание того, что является гарантией жизни на планете Земля. Если такое путешествие почему-то прервется, то и существование всего живого прекратится.

В-третьих, речь идет только о биосфере, то есть о жизнь содержащей оболочке земли, а, значит, о взаимодействиях между живыми организмами. В-четвертых, энергией, которая способствует круговороту, является энергия, поступающая от Солнца.

Энергия, рождающаяся в недрах Земли в результате различных реакций, в рассматриваемом процессе участия не принимает. И последнее. Необходимо опередить точку отсчета этого «путешествия».

Она условна, так как не может быть конца и начала у круга, но это необходимо для того, чтобы с чего-то начать описывать процесс. Начнем с самого нижнего звена трофической цепи – с редуцентов или могильщиков.

Ракообразные, черви, личинки, микроорганизмы, бактерии и прочие могильщики, потребляя кислород и используя энергию, перерабатывают неорганические химические элементы в органическую субстанцию, пригодную для питания живыми организмами и дальнейшего ее движения по пищевой цепи. Далее эти, уже органические вещества, едят консументы или потребители, к которым относятся не только животные, птицы, рыбы и тому подобное, но и растения. Последние являются продуцентами или производителями. Они, используя эти питательные вещества и энергию, вырабатывают кислород, который является основным элементом, пригодным для дыхания всего живого на планете. Консументы, продуценты и, даже редуценты погибают. Их останки, вместе с органическими веществами, находящимися в них, «падают» в распоряжение могильщиков.

И все повторяется вновь. Например, весь кислород, существующий в биосфере, делает свой оборот за 2000 лет, а углекислый газ за 300. Такой кругооборот принято называть биогеохимическим циклом.

Пищевая цепь, резервный и обменный фонд

Некоторые органические вещества в процессе своего «путешествия» вступают в реакции и взаимодействия с другими веществами. В результате образуются смеси, которые в том виде, в каком они есть, не могут быть переработаны редуцентами. Такие смеси остаются «храниться» в земле.

Не все органические вещества, попадающие на «стол» могильщиков, не могут ими переработаться. Не все могут перегнить при помощи бактерий. Такие неперегнившие остатки попадают на хранение.

Все, что остается на хранении или в резерве, выбывает из процесса и в круговорот веществ в биосфере не входят.

Одна – резервный фонд – это часть вещества, которая не связана с деятельностью живых организмов и до времени в обороте не участвует. И вторая – это оборотный фонд.

Он представляет собой лишь небольшую часть вещества, которая активно используется живыми организмами.

Атомы каких основных химических элементов столь необходимы для жизни на Земле? Это: кислород, углерод, азот, фосфор и некоторые другие. Из соединений, основным в кругообороте, можно назвать воду.

Кислород

Круговорот кислорода в биосфере следует начать с процесса фотосинтеза, в результате которого миллиарды лет назад он и появился. Он выделяется растениями из молекул воды под воздействием солнечной энергии.

Кислород образуется также в верхних слоях атмосферы в ходе химических реакций в парах воды, где химические соединения разлагаются под воздействие электромагнитного излучения. Но это незначительный источник кислорода. Основным является фотосинтез.

Кислород содержится и в воде. Хотя его там, в 21 раз меньше, чем в атмосфере.

Образовавшийся кислород используется живыми организмами для дыхания. Он также является окислителем для различных минеральных солей.

И человек является потребителем кислорода. Но с началом научно-технической революции, это потребление многократно возросло, так как кислород сжигается или связывается при работе многочисленных промышленных производств, транспорта, для удовлетворения бытовых и иных нужд в ходе жизнедеятельности людей.

Оттуда, куда его уже некому добавить.

Незначительно смягчает эту проблему, что некоторая часть органических отходов не перерабатывается и не попадает под воздействие гнилостных бактерий, а остается в осадочных породах, образуя торф, уголь и тому подобные ископаемые.

Если результатом фотосинтеза является кислород, то его сырьем – углерод.

Азот

Круговорот азота в биосфере связан с образованием таких важнейших органических соединений, как: белки, нуклеиновые кислоты, липопротеиды, АТФ, хлорофилл и другие. Азот, в молекулярной форме, содержится в атмосфере. Вместе с живыми организмами — это всего около 2% всего, имеющего на Земле азота.

В таком виде он может употребляться только бактериями и сине-зелёными водорослями. Для остального растительного мира в молекулярной форме азот не может служить питанием, а может перерабатываться лишь в виде неорганических соединений.

Некоторые виды таких соединений образуются во время гроз и с дождевыми осадками попадают в воду и почву.

Гнилостные бактерии расщепляют азотосодержащие органические соединения до аммиака. Часть его уходит в атмосферу, а другая иными видами бактерий окисляется до нитритов и нитратов. Те, в свою очередь, поступают в качестве питания для растений и нитрифицирующими бактериями восстанавливаются до оксидов и молекулярного азота. Которые вновь попадают в атмосферу.

Таким образом, видно, что основную роль в кругообороте азота, играют различные виды бактерий. И если уничтожить хотя бы 20 таких видов, то жизнь на планете прекратится.

И опять установленный кругооборот был разорван человеком. Он для целей увеличения урожайности сельскохозяйственных культур, стал активно применять азотосодержащие удобрения.

Содержание азота в различных веществах сопоставляют с содержанием там углерода. Оборотные циклы этих двух элементов крепко связаны.

Углерод

Круговорот углерода в биосфере неразрывно связан с кругооборотом кислорода и азота.

В биосфере схема круговорота углерода базируется на жизнедеятельности зеленых растений и их способности к превращению углекислого газа в кислород, то есть фотосинтезе.

Углерод взаимодействует с другими элементами различными способами и входит в состав практически всех классов органических соединений. Например, он входит в состав углекислого газа, метана. Он растворен в воде, где его содержание значительно больше чем в атмосфере.

Мировой океан служит регулятором содержания углекислого газа. Как только его доля в воздухе повышается, вода выравнивает положения, поглощая углекислый газ. Еще одним потребителем углерода в океане являются морские организмы, которые используют его для строительства раковин.

Круговорот углерода в биосфере основывается на наличии в атмосфере и гидросфере углекислого газа, который является своеобразным обменным фондом. Пополняется он за счет дыхания живых организмов. Бактерии, грибы и другие микроорганизмы, принимающие участие в процессе разложения органических остатков в почве, также участвуют в пополнении углекислым газом атмосферы.

Углерод «консервируется» в минерализованных неперегнивших органических остатках. В каменном и буром угле, торфе, горючих сланцах и тому подобных отложениях. Но основным резервным фондом углерода являются известняки и доломиты.

Содержащийся в них углерод «надежно спрятан» в глубине планеты и высвобождается лишь при тектонических сдвигах и выбросах вулканических газов при извержениях.

Благодаря тому, что процесс дыхания с выделение углерода и процесс фотосинтеза с его поглощением проходит через живые организмы очень быстро, в кругообороте участвует лишь незначительная доля всего углерода планеты. Если бы этот процесс был невзаимным, то растения только суши использовали весь углерод всего в течение 4-5 лет.

В настоящее время, благодаря деятельности человека, растительный мир не имеет недостатка с углекислым газом. Он пополняется сразу и одновременно из двух источников.

Путем сжигания кислорода при работе промышленности производств и транспорта, а также в связи с использованием для работы этих видов человеческой деятельности тех «консервов» — угля, торфа, сланцев и так далее.

Отчего содержание углекислого газа в атмосфере возросло на 25%.

Фосфор

Круговорот фосфора в биосфере неразрывно связан с синтезом таких органических веществ, как: АТФ, ДНК, РНК и другие.

В почве и воде содержание фосфора очень мало. Основные его запасы в горных породах, образовавшихся в далеком прошлом. С выветриванием этих пород начинается кругооборот фосфора.

Растениями фосфор усваивается лишь в виде ионов ортофосфорной кислоты. В основном это продукт переработки могильщиками органических остатков. Но если почвы имеют повышенный щелочной или кислотный фактор, то фосфаты практически в них не растворяются.

Фосфор является прекрасным питательным веществом для различного вида бактерий. Особенно сине-зеленой водоросли, которая при увеличенном содержании фосфора бурно развивается.

Тем не менее большая часть фосфора уносится с речными и другими водами в океан. Там он активно поедается фитопланктоном, а с ним морским птицам и другим видам животных. Впоследствии фосфор попадает на океаническое дно и формирует осадочные породы. То есть возвращается в землю, лишь под слоем морской воды.

Как видно кругооборот фосфора специфичен. Его трудно и назвать кругооборотом, так как он не замкнут.

Сера

В биосфере круговорот серы необходим для образования аминокислот. Он создает трехмерную структуру белков. В нем участвуют бактерии и организмы, потребляющие кислород для синтеза энергии.

Они окисляют серу до сульфатов, а одноклеточные доядерные живые организмы, восстанавливают сульфаты до сероводорода. Кроме них, целые группы серобактерий, окисляют сероводород до серы и далее до сульфатов. Растения могут потреблять из почвы лишь ион серы — SO2-4.

Таким образом, одни микроорганизмы являются окислителями, а другие восстановителями.

В первую очередь угля. Там она окисляется и, превращаясь в серную кислоту в дождевой воде, с ней же выпадает на землю. Кислотные дожди сами по себе наносят существенный вред всему растительному и животному миру, а кроме этого, с ливневыми и талыми водами, попадают в реки.

Реки несут ионы сульфатов серы в океан.

Содержится сера также в горных породах в виде сульфидов, в газообразном виде — сероводород и сернистый газ. На дне морей имеются залежи самородной серы. Но это все «резерв».

Вода

В биосфере нет более распространенного вещества. Его запасы в основном в солено-горьком виде вод морей и океанов – это около 97%. Остальное пресные воды, ледники и подземные и грунтовые воды.

Круговорот воды в биосфере условно начинается с ее испарения с поверхности водоемов и листьев растений и составляет примерно 500 000 куб. км. Обратно она возвращается в виде осадков, которые попадают либо непосредственно обратно в водоемы, либо, пройдя через почву и подземные воды.

Роль воды в биосфере и истории ее эволюции такова, что вся жизнь с момента своего появления, была полностью зависима от воды. В биосфере вода многократно через живые организмы прошла циклы разложения и рождения.

Если испарение воды с поверхностей водоемов естественно для ее кругооборота, то для континентов с их лесными зонами, такой процесс – единственный и главный способ его сохранения. Здесь кругооборот идет как бы в замкнутом цикле. Осадки образуются из испарений с поверхностей почвы и растений.

В процессе фотосинтеза растения используют водород, содержащийся в молекуле воды, для создания нового органического соединения и выделения кислорода. И, наоборот, в процессе дыхания, живые организмы, происходит процесс окисления и вода образуется снова.

Описывая кругооборот различный видов химических веществ, мы сталкиваемся с более активным влиянием человека на эти процессы. В настоящее время природа, за счет многомиллиардной истории своего выживания, справляется с регулированием и восстановлением нарушенных балансов. Но первые симптомы «болезни» уже есть.

Какие последствия такого повышения могут быть, кроме ускоренного таяния ледников, испарения воды с поверхностей океана, суши и растений?

Видео — Круговорот веществ в биосфере

Источник: http://ecology-of.ru/eko-razdel/osobennosti-krugooborota-vody-i-nekotorykh-veshchestv-v-biosfere/

Круговорот углерода, азота, фосфора, кислорода,воды

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:

6CO2 + 6H2O + hv— С6H12O6 + 6O2. (1.1)

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.

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.

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:

C6H12O6 + 8HNO2 — 6CO2 + 10H2O + 12N2 + 2394 кДж/моль (1.3)

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.

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-, НРО42-. 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)2-Н2О, 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.

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.

C6H12O6 + 6O2 — 6CO2 + 6H2O + 2880 кДж/моль. (1.4)

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 км3, но пресных вод меньше 3%. Основная масса пресной воды — 29 млн км3 (75%) — находится в ледниках Арктики и Антарктиды, около 13 млн км3 — в атмосфере, 1 млн км3 — в живых организмах. Лишь всего 0,003% воды, т.е. около 0,04 млн км3, представляют объем ежегодно возобновляемых водных ресурсов.

Большой круговорот воды (40-45 тыс. км3)

1. испарение воды в океанах и на суше под действием Солнца;

2. перенос паров воды с воздушными массами;

3. выпадение воды из атмосферы в виде дождя и снега;

4. поглощение воды растениями и почвой,

5. 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:

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

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

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

4. 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.

Статьи из той же категории

Источник: https://www.aboutecology.ru/ucheniya_o_biosfere/krugovorot_veschestva_v_biosfere/krugovorot_ugleroda_azota_fosfora_kisloroda_vodyi.html

Круговорот веществ в биосфере. Видеоурок. Биология 11 Класс

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.

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.

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

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.

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).

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).

Рис. 4. Выбросы продуктов переработки нефти и газа в атмосферу

Потери азота в биосфере

Поступление азота в организмы связано с высокозатратным процессом – азотфиксацией. Зафиксированный азот долго циркулирует внутри биосферы. Однако он постепенно теряется в процессе денитрификации – это основная причина потери азота биосферой.

Поэтому в сельском хозяйстве используют азотные удобрения.

Список литературы

1. А.А. Каменский, Е.А. Криксунов, В.В. Пасечник. Общая биология, 10–11 класс. – М.: Дрофа, 2005. По ссылке скачать учебник: (Источник) 
2. Д.К. Беляев. Биология 10–11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 11-е издание, стереотипное. – М.: Просвещение, 2012. – 304 с. (Источник) 
3. В.Б. Захаров, С.Г. Мамонтов, Н.И. Сонин, Е.Т. Захарова. Биология 11 класс. Общая биология. Профильный уровень. – 5-е издание, стереотипное. – М.: Дрофа, 2010. – 388 с. (Источник) 
4. В.И. Сивоглазов, И.Б. Агафонова, Е.Т. Захарова. Биология 10–11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 6-е издание, дополненное. – М.: Дрофа, 2010. – 384 с. (Источник) 

Домашнее задание

1. Как происходит круговорот воды в природе? Каким образом в этом процессе участвуют живые организмы?
2. Опишите круговорот важнейшего биогенного элемента углерода в природе. В описании обратите внимание на взаимодействие автотрофов и гетеротрофов с оболочками Земли.
3. Как происходит круговорот азота? Каковы функции азота в организме?
4. Почему исчезновение азотфиксаторов может привести к необратимой деградации биосферы?
5. Опишите круговорот макроэлементов, например кальция.
6. Обсудите с друзьями и родными, как человеческая деятельность влияет на круговорот биогенных элементов.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Источник: https://interneturok.ru/lesson/biology/11-klass/osnovy-ekologii/krugovorot-veschestv-v-biosfere

Конспект урока “Биогеохимический круговорот веществ и энергии в биосфере”

:

Оборудование: таблицы по общей биологии, иллюстрирующие круговороты углерода и азота; карточки-задания для само­стоятельной работы в парах.

Ребята, на прошлом уроке мы познакомились со «Структурой биосферы и функциями ее живого вещества». Развитие учения о биосфере, как было выяснено на прошлом уроке, принадлежит Вернадскому.

II. Проверка домашнего задания пройдет в два этапа:

1. Домашним заданием вам было подготовить сообщение об ученом-экологе Вернадском. 2-3 минуты.

2. Работа с тестом (до 5 минут).

( 3. Устная проверка. Дополнительное задание.)

1. Итак, кто готов зачитать свое сообщение.

2. Индивидуальная работа с тестами (см. приложение).

Время на выполнение 5 минут.

Чтобы проверить, как вы выполнили тесты, обменяйтесь ими и сравните ответы работ с ответами, которые вывешены на доске.

( за 5-6 правильных ответов оценка 3, за 7-8 оценка 4, за 9-10 оценка 5.)

1. Что такое живое вещество?

III.

А теперь попробуйте узнать тему нашего сегодняшнего урока по словам, которые я вам сейчас скажу:

« По современным представлениям, биосфера – своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.»

Как вы думаете, о чем пойдет речь на сегодняшнем уроке?

Правильно, о круговороте веществ в природе. Да, это главное на сегодняшнем уроке.

Но тема, которую определила я, звучит немного по-другому.

Говорят, что Это утверждение, мы либо подтвердим, либо опровергнем в конце урока.

Главной функцией биосферы является обеспечение круговорота веществ, в ходе которого происходит постоянный процесс движения и перераспределения вещества.

Основной движущей силой кругово­ротов веществ на нашей планете является живое вещество. А что такое живое вещество? Так хорошо. А вот по мнению Вернадского «Живое вещество, охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы.

Живое вещество есть самая мощная геологическая сила, растущая с ходом времени».

Круговороты разнообразны по масштабам и качеству явлений, и они осуществляются с участием всех компонентов биосферы и входят в состав единого биогеохимического круговорота.

Биогеохимический круговорот – это обмен веществ и превращение энергии между различными компонентами биосферы, связанные с деятельностью ее организмов.

(запись в тетрадь)

Круговорот углерода и азота вы будете изучать самостоятельно, в парах.

(Угле – род, аз – от.) на выполнение этого задания вам отводится 10 минут. Итак, приступим. По окончании выполнения задания, выслушивается короткое сообщение детей по плану, заранее составленным.

Круговорот углерода

Основным элементом, слагающим все живые организмы на Земле, слу­жит углерод. Он входит в состав сложных органических соединений — бел­ков, жиров, углеводов.

Углерод в биосфере Земли представлен наиболее подвижной формой — углекислым газом. Его источником в биосфере 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 его поглощении в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и последующем захоронении их в лито­сфере в виде торфа, угля, горючих сланцев, рассеянной органики осадочных горных пород.

По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбо­натной системы в различных водоемах, где углекислый газ переходит в угольную кислоту, в гидрокарбонат-ионы и карбонат-ионы. Затем с помо­щью растворенного в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов (СаСО,) биогенным и абиогенным путем, в результате чего воз­никают мощные толщи известняков.

1. В пределах суши, где Имеется растительность, углекислый газ погло­щается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду.

2. Поглощенный углекислый газ в процессе фотосинтеза с гибелью рас­тений и животных освобождается в ходе окисления органических веществ.

3. Особое место в современном круговороте углерода занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание углекислого газа в атмосфере.

Круговорот азота

Круговорот азота в биосфере практически полностью поддерживается бактериями. Азот как химический элемент входит в важнейшие органиче­ские соединения: белки, нуклеиновые кислоты и энергоносители (АТФ, АДФ, НАДФ), т.е. необходим всем живым существам.

Свободного молеку­лярного азота в атмосфере более чем достаточно. Однако фиксация азота в живом веществе нашей планеты осуществляется ограниченным количеством живых существ.

Только некоторые микроорганизмы почв и поверхности ми­рового океана способны расщеплять молекулярный азот и использовать его для построения белков и других органических соединений живого вещества.

Атмосферный азот поглощается при жизнедеятельности азотфиксирующими бактериями и некоторыми водорослями, которые синтезируют нитраты, дос­тупные для использования растениями биосферы.

В почвах происходит процесс нитрификации, который состоит из цепи реакций, когда при участии микроорганизмов происходит окисление иона аммония (NH„+) до нитрита (N02) или нитрита до нитрата (N03).

Восстановление нитритов и нитратов до газообразных соединений молекулярного азота или его оксидов составляет сущность процессов денитрификации.

В малых количествах атмосферный азот связывается с кислородом в процессе грозовых разрядов, а затем с дождями выпадает на поверхность почв.

1. .

Но для того чтобы биогеохимический круговорот являлся непрерывным, для этого необходим постоянный поток энергии, связанный с деятельностью живого вещества. Организмы нуждаются в энергии для поддержания своей жизнедеятельности. В биосфере энергия существует в нескольких формах:

– механическая

– химическая

– тепловая

– электрическая

– световая

– ядерная;

Энергия может из одной формы перейти в другую, что называется преобразованием энергии, и подчиняется закону сохранения энергии, который гласит:

Энергия может превращаться из одной формы в другую, но не может быть создана или уничтожена.

Основным источником энергии в биосфере является энергия Солнца. Она нагревает атмосферу и гидросферу, вызывает передвижение воздушных масс, океанических течений, испарения воды, таяние снега.

Автотрофные организмы, главным образом зеленые растения, в результате реакций фотосинтеза преобразуют солнечную энергию в энергию химических связей созданных органических веществ

Гетеротрофы, главным образом животные, преобразуют химическую энергию в другие ее формы, например механическую, электрическую, тепловую, световую.

. Если для круговорота веществ достаточно того запаса вещества, который имеется в биосфере, то поток энергии требует непрерывного по­ступления энергии извне.

Чтобы нагляднее представить себе роль энергии и вещества в жизненных процессах,

В заключении давайте попробуем сформулировать выводы обо всем сказанном сегодня на уроке.

1.

(запись в тетрадь выводов по уроку)

Мы рассмотрели сегодня круговороты веществ в биосфере, какие? и энергии в биосфере.

Узнали много нового и интересного. Но это еще не все. В природе существует еще несколько биогеохимических круговоротов, а именно воды, серы, фосфора. И это мы рассмотрим на следующем уроке.

Оценки за урок. Всем спасибо.

Домашнее задание: параграф 47, стр. 235,-236, 239-240. Подготовить сообщение о круговороте воды

Задание для группы «Углерод»

1. Прочитайте текст «Круговорот углерода».

2. Проанализируйте соответствующую схему, иллюстрирующую биогео­химический цикл углерода (учебник стр. 239).

3. Ответьте на вопросы: в результате каких процессов углерод может ис­ключаться из круговорота и вновь возвращаться в него? Каковы, на ваш взгляд, последствия накопления углекислого газа в атмосфере в результате антропогенного воздействия?

Задание для группы «Азот»

1. Прочитайте текст «Круговорот азота».

2. Проанализируйте соответствующую схему, иллюстрирующую биогео­химический цикл азота (учебник стр. 239)

3. Ответьте на вопросы: какова роль растений и животных в круговороте азота? В результате какого процесса происходит превращение соединений аммиака в нитриты и нитраты, которые в дальнейшем могут превращаться в атмосферный азот?

4. Составьте план пересказа текста и подготовьте краткое устное сооб­щение для выступления.

Способы использования солнечной энергии на Земле.

Источник: https://infourok.ru/konspekt-uroka-biogeohimicheskiy-krugovorot-veschestv-i-energii-v-biosfere-1227005.html

Биогеохимические циклы углерода, азота, фосфора — урок. Биология, Общие биологические закономерности (9–11 класс)

Циркуляция химических элементов (веществ) в биосфере называется биогеохимическими циклами.

Обмен химических элементов между живыми организмами и неорганической средой называют биогеохимическим круговоротом, или биогеохимическим циклом.

Живые организмы играют в этих процессах решающую роль.
Необходимые для жизни элементы условно называют биогенными (дающими жизнь) элементами, или питательными веществами. Различают две группы питательных веществ:

• К макротрофным веществам относятся элементы, которые составляют химическую основу тканей живых организмов. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера.
• Микротрофные вещества включают в себя элементы и их соединения, также необходимые для существования живых систем, но в исключительно малых количествах. Такие вещества часто называют микроэлементами. Это железо, марганец, медь, цинк, бор, натрий, молибден, хлор, ванадий и кобальт. Недостаток микроэлементов может оказывать сильное влияние на живые организмы (в частности, ограничивать рост растений), так же как и нехватка биогенных элементов.

Биогенные элементы благодаря участию в круговороте могут использоваться неоднократно. Запасы биогенных элементов непостоянны: некоторая их часть связана и входит в состав живой биомассы, что снижает количество, остающееся в среде экосистемы.

И если бы растения и другие организмы в конечном счете не разлагались, запас питательных веществ исчерпался бы и жизнь на Земле прекратилась.

Отсюда можно сделать вывод, что активность гетеротрофных организмов, в первую очередь редуцентов, — решающий фактор поддержания круговорота биогенных элементов и сохранения жизни.

Биогеохимический цикл углерода

Рассмотрим биогеохимический цикл углерода. Естественным источником углерода, используемого растениями для синтеза органического вещества, служит углекислый газ, входящий в состав атмосферы или находящийся в растворенном состоянии в воде. Основные звенья круговорота углерода показаны на рисунке.

Дыхание, брожение и сгорание топлива возвращают углекислый газ в атмосферу.
Запасы углерода в атмосфере оцениваются в 700 млрд т, а в гидросфере — в 50 000 млрд т. Согласно расчетам, за год в результате фотосинтеза прирост растительной массы на суше и в воде равен соответственно 50 и 180 млрд т.

Биогеохимический цикл азота

Циркуляция биогенных элементов обычно сопровождается их химическими превращениями.

Нитратный азот, например, может превращаться в белковый, затем переходить в мочевину, превращаться в аммиак и вновь синтезироваться в нитратную форму под влиянием микроорганизмов.

В биохимическом цикле азота действуют различные механизмы, как биологические, так и химические. Схема циркуляции азота в биосфере представлена на рисунке.

Биогеохимический цикл фосфора

Одним из наиболее простых циклов является цикл фосфора. Основные запасы фосфора содержат различные горные породы, которые постепенно (в результате разрушения и эрозии) отдают свои фосфаты наземным экосистемам. Фосфаты потребляют растения и используют их для синтеза органических веществ.

Там, где они образуют большие колонии, гуано добывают как очень ценное удобрение.

Некоторые организмы могут играть исключительно важную роль в круговороте фосфора. Моллюски, например, фильтруя воду и извлекая оттуда мелкие организмы, их остатки, захватывают и удерживают большое количество фосфора.

Несмотря на то что роль моллюсков в пищевых цепях прибрежных морских сообществ невелика (они не образуют плотных скоплений с высокой биомассой, их пищевая ценность невысока), эти организмы имеют первостепенное значение как фактор, позволяющий сохранить плодородие той зоны моря, где они обитают.

Популяции моллюсков подобны природным аккумуляторам, только вместо электроэнергии они накапливают и удерживают фосфор, необходимый для поддержания жизни в прибрежных зонах морей. Иначе говоря, популяция этих организмов более важна для экосистемы как “посредник” в обмене веществом между живой и неживой природой (сообществом и биотопом).

Этот пример — хорошая иллюстрация того, что ценность вида в природе не всегда зависит от таких показателей, как его обилие или сырьевые качества. Эта ценность может проявляться лишь косвенно и не всегда обнаруживается при поверхностном исследовании.

Источники:

Каменский А. А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Биология. 9 класс // ДРОФА
Каменский А. А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10-11 класс // ДРОФА

http://900igr.net

http://www.studmed.ru/view/lekcii-ekologiya_b85c352111d.html

Источник: https://www.yaklass.ru/p/biologia/obschie-biologicheskie-zakonomernosti/osnovy-ekologii-13908/biosfera-13976/re-683557c9-1a09-4354-8161-cfd820615fb7

Методическая разработка по экологии (10 класс) по теме: УРОК ЭКОЛОГИИ В 10 КЛАССЕ «КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА В БИОСФЕРЕ»

Приложение 3.

Метановое море, метановое небо 

Само небо подсказывает тему, пишет имя ее на своем полотнище, «на каждом вздохе рассвета» (П. Элюар).

Небо не синее, не лазурное, не звездное, не бездонное, а дымчатое — огромная посудина, в которую перетекают испарения Земли, ее гарь и чад.

Содержание окиси углерода и озона становится темой новостей, и как, может быть, думаешь, провожая «год расшатавшейся погоды», через какое-то время темой новостей станет концентрация метана.

Начну с цифр. Сколько всего метана ежегодно попадает в атмосферу? Не менее 500 миллионов тонн.

Причем повинны в этом прежде всего мы сами, наша манера хозяйствовать: две трети метана, поступающего в атмосферу, антропогенного происхождения.

На протяжении ХХ столетия содержание метана в атмосфере практически удвоилось, а ведь это — третий по значению парниковый газ после водяного пара и углекислого газа.

Тут стоит упомянуть о результатах исследования немецкого ученого Дитера Клея, поскольку оно осталось малозамеченным: за последние 45 лет количество водяных паров в стратосфере по неясным пока причинам возросло на 75 процентов. Возможно, что повышение средней температуры планеты в данный период наполовину обусловлено именно этим явлением.

В отличие от стратосферных паров воздуха, происхождение метана тщательно исследовано. Метан выделяется при разработке нефтяных месторождений (100 миллионов тонн ежегодно) и возделывании риса (50 миллионов); метановыми пузырьками бурлят сточные воды (20); он улетучивается при сжигании отходов (30) и хранении их на свалках (30).

Наконец, до 80 миллионов тонн метана ежегодно выделяют в атмосферу стада коров. Журнал «Знание — сила» уже отмечал, что «количество метана, выделяемого всем мировым поголовьем коров, сравнимо разве что с количеством выхлопных газов, выброшенных в атмосферу всеми автомобилями мира» (2001, № 6).

Около 160 миллионов тонн метана образуется в результате естественных процессов, протекающих в природе, в основном в болотных топях и некоторых водоемах.

Очевидно, здесь происходит таяние запасов гидрата метана, сформировавшихся под высоким гидростатическим давлением (глубина исследованной части озера достигает 1400 метров). Этот процесс сопровождается выделением пузырьков газа.

По оценке геологов, таяние началось ввиду заметного прогрева дна озера, вызванного притоком тепла из недр планеты.

Особую тревогу вызывает положение в северных широтах, где выделение метана преобладает над его потреблением. Еще в 1989 году на страницах нашего журнала (№ 7) член-корреспондент АН СССР Г.

А ведь при глобальном потеплении именно в северных районах планеты изменения климата будут особенно велики («Знание — сила», 2002, № 7).

Сказанное уже подтверждается фактами, хотя на фоне событий «большого стиля» — наводнений в Причерноморье или Центральной Европе — эти факты не привлекают внимания. Так, никакой интерес СМИ не проявили к опубликованному этим летом докладу американского сенатора Теда Стеффенса.

Между тем он сообщал, что за последние тридцать лет средние летние температуры в штате Аляска возросли на 2,8 градуса, а средние зимние температуры — на 5,6 градуса (!).

«Стало, несомненно, теплее, — говорит Гленн Джадай, метеоролог из Аляскинского университета. — Положительных результатов потепления придется ждать еще долго, негативные видны уже сейчас».

Площадь ледяного покрова у побережья Аляски, начиная с 1978 года, сократилась на 14 процентов. Дома в Фэрбенксе, стоявшие когда-то на мерзлотном грунте, теперь грозят рухнуть. Перемены замечаются в животном и растительном мире.

Так, сосновая тайга на Аляске сейчас поражена короедами. Разумеется, подобные процессы затрагивают и наш, российский Крайний Север.

Источник: https://nsportal.ru/shkola/ekologiya/library/2013/02/24/urok-ekologii-v-10-klasse-krugovorot-ugleroda-v-biosfere