Круговорот веществ в природе

Круговорот веществ в природе

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

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

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

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

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

Круговорот веществ — это циклический переход вещества и энергии между разными организмами и средой. Благодаря ему вещества постоянно возобновляется.

Циркуляция веществ происходит за счёт гибели и разложения организмов.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Биогеохимический цикл углерода

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

А в водах рек, морей и океанов в ~60 раз больше. Углерод также входит в состав растений и животных, это примерно (~17,5 %).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таким образом из геосферы и гидросферы углерод переходит в атмосферу.

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

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

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

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

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

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

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

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

Перейдём к изучению биогеохимического цикла азота.

Азот является одним из самых распространённых элементов Земли.

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

Азот необходим для существования животных и растений.

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

Азот входит в состав гемоглобина и хлорофилла.

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

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

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

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

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

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

Фиксация азота также осуществляют бактерии азотобактер.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Цикл фосфора является одним из наиболее простых.

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

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

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

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

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

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

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