Сущность жизни



жүктеу 12.9 Mb.
бет33/47
Дата04.09.2018
өлшемі12.9 Mb.
1   ...   29   30   31   32   33   34   35   36   ...   47
Часть органического вещества , попадающего в условия , неблагоприятные для деятельности деструкторов , не минерализуются , а аккумулируются и депонируются в составе осадочных пород литосферы ( так образуются биогенные полезные ископаемые : каменный уголь, нефть, газ , известняки и др. , а также весь верхний слой литосферы )

  • 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 2 , 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 :

    1. поглощение и испарение растениями

    2. фотолиз в процессе фотосинтеза ( разложение на кислород и водород )

    3. 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 )

    Возникновение и эволюция биосферы


    • Живая материя , а вместе с ней и биосфера появилась на Земле вследствие возникновения жизни в процессе химической эволюции около 3,5 млрд лет назад , приведшей к образованию органических веществ ( белков и нуклеиновых кислот ) путём абиогенного синтеза

    • Первые формы жизни представляли собой биохимически простые прокариотические одноклеточные или неклеточные гетеротрофные и анаэробные структуры , получавших энергию путём малопродуктивного брожения ; позднее ( 2 –1,5 млрд. лет тому назад ) появились эукариотические организмы ( примитивная жизнь в воде не могла эволюционировать далее одноклеточной формы )

    • Факторы эволюции биосферы :

    1. Геологические и климатические изменения на планете

    2. Биологическая эволюция ( изменение видового состава и количества живых организмов )

    • Большую часть геологического времени эволюция жизни проходила в воде , была сосредоточена у дна и поэтому ограничивалась гидросферой ( жизнь на суше была невозможна из-за губительного ультрафиолетового излучения солнца )

    • Важным переломным этапом в эволюции древней биосферы было появление автотрофного способа питания , основанного на фото- и хемосинтезе органических веществ из неорганических за счёт световой или тепловой энергии ( единый ствол жизни разделился на царство животных и растений ) ; недостаток органических веществ создал давление отбора , приведшее к возникновению фотосинтеза

    • следствием автотрофности явилось появление в воде и атмосфере свободного кислорода , а также процесса дыхания ( окисления органических субстратов с выделением большого количества клеточной энергии ) ; первыми автотрофами были сине-зелёные водоросли ( цианобактерии )

    • С возникновением фотосинтеза произошёл переход от гетеротрофной восстановительной биосферы к автотрофной окислительной , какой она является по сей день

    • Прогрессивное увеличение кислорода в воде и диффузии его в атмосферу привело к изменению химического состава геосфер , формированию мощного озонового экрана , защитившего поверхность Земли от жёсткого ультрафиолета ( условие для экспансии жизни на сушу )

    • Развитие механизма аэробного дыхания привело к возникновению многоклеточных организмов около 600млн. лет назад ( начало кембрия ) , когда концентрация свободного кислорода в атмосфере достигло 3% ( это были мягкотелые беспозвоночные донные организмы )

    • В раннем палеозое ( силурийский период ) живое вещество в массовом количестве выходит на поверхность континентов ( сушу ) , сначала растения ( риниофиты , псилофиты ) , а потом животные – образуется наземная флора и фауна

    • Первоначально занимаются площади влажных тёплых областей , позднее сухие и засушливые

    • Завоевание материков живым веществом сопровождается резким возрастанием его массы ; оно стало резко преобладать над количеством океанической биомассы

    • Развитие зелёных растений суши обеспечило образование больших количеств кислорода и органических веществ , что привело к возникновению организмов с более высоким уровнем структурно-функциональной организации , широкому расселению и проникновению жизни в различные среды обитания , последующей прогрессивной эволюции

    • В огромной степени увеличивается воздействие живых организмов на геохомию океана , атмосферу литосферу , что приводит к формированию их современного химического состава ; живое вещество становится самой мощной преобразующей силой , изменяющей геосферы

    • С середины палеозоя темпы потребления кислорода живыми организмами , его расход в абиотических процессах и темпы его образования сравнялись ( с этого периода содержание кислорода в атмосфере стабилизировалось на уровне примерно 20% )

    • С появлением человеческого общества в развитии биосферы намечается переход от биогенеза , обуславливаемого факторами биологической эволюции , к ноогенезу – развитию под влиянием разумной созидательной деятельности человечества

    Этапы эволюции биосферы

    I этап – биогенез возникновение первичной биосферы с биотическим круговоротом , определяемое исключительно биологическими закономерностями развития



    II этап – ноогенез – развитие биосферы в результате возникновения и человеческого сознания , общества в процессе трудовой ( производственной ) деятельности


    Достарыңызбен бөлісу:
  • 1   ...   29   30   31   32   33   34   35   36   ...   47


    ©kzref.org 2019
    әкімшілігінің қараңыз

        Басты бет