Сущность жизни

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
  

• 
  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 )
  

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

Неорганические вещества

• 
  Биогенные элементы циркулируют в биосфере , т. е. совершают замкнутые биогеохимичесик циклы , которые функционируют под действием биологических ( жизнедеятельность ) и геологических факторов ( термин « биогеохимический цикл » ввёл в обиход В. И. Вернадский )
  
• 
  Биохимические циклы элементов существуют благодаря непрерывному потоку энергии от солнца в виде электромагнитного излучения и активной деятельности живых организмов планеты
  
• 
  Все геохимические циклы в биосфере неразрывно взаимосвязаны , вычленение цикла отдельного элемента возможно лишь умозрительно ; в циклах элементы обращаются в формах разнообразнейших соединений с другими элементами , например , в цикле азота происходят обязательные процессы связывания атомов азота со многими другими биогенными элементами ( Н₂ , О₂ )
  
• 
  Круговорот совершает не элемент как простое вещество , а его атомы в составе разнообразных соединений ( как органических и неорганических )
  
• 
  В ходе биохимических циклов атомы элементов проходили и проходят через живое вещество громадное число раз ( например , СО₂ атмосферы « оборачивается » через живые организмы Земли за 200 – 300 лет , а вся биосферная вода – за 2 млн . лет )
  
• 
  Замкнутость биогеохимических циклов элементов неполная ; определённая доля вещества выходит из активного биосферного оборота в медленно текущий геологический цикл ; за счёт такой неполной обратимости циклов произошло биогенное накопление кислорода и азота в атмосфере Земли и различных осадочных соединений в литосфере в виде ископаемых отложений – углерод в форме угля и нефти ( выход вещества из биосферного цикла происходит на время от несколько десятков и сотен до сотен тысяч и миллионов лет )
  
• 
  Биогеохимические циклы элементов на Земле – главное условие существования жизни и её эволюции
  
• 
  Глобальная хозяйственная деятельность человечества приводит к существенным изменениям и нарушениям естественных циклов многих элементов ; такие циклы становятся природно - анторопогенными ( циклы тяжёлых металлов – ртути , свинца , меди и др . , фосфора , азота , серы , калия и пр.) , что приводит к их значительной незамкнутости и нарушает отлаженный за миллионы лет механизм функционирования биосферы
  
• 
  Наряду с ключевыми циклами особо важных элементов - органогенов , серы , фосфора – большое значение для многих групп живых организмов имеют круговороты второстепенных элементов – ртути , бериллия , стронция , кадмия , фтора , меди
  
• 
  Существование биогеохимических циклов создаёт условия для саморегуляции системы , что придаёт биосфере устойчивость – постоянство процентного состава различных элементов в ней ( гомеостаз )
  
• 
  Различают круговороты газового типа с резервуарами неорганических соединений в атмосфере или океанах ( N₂ ,О₂ , СО₂ , Н₂О ) и круговороты осадочного типа с менее обширными резервуарами в земной коре ( Р , Са , Fе )
  

• 
  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 )

• 
  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 )
  

• 
  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
  

• 
  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
  

• 
  Весь кислород атмосферы проходит через живые организмы примерно за 2 тыс. лет
  

• 
  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
  

• 
  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 ( SO₄^2-- ), 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
  
• 
  
  

Серобактерии , архебактерии , дрожжи , плесни , микрогрибы Н₂S

• 
  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 )
  

• 
  Непрерывный поток солнечной энергии – главное условие существования биосферы и её эволюции
  

Поступление энергии

( солнечный свет )
Продуценты ( фотосинтез )

Трансформация Е_свет. в Е _химич.

- механическая

- осмотическая

- электрическая работа по обеспечению . - световая эндотермических процессов

- кинетическая разных трофических уровней

- потенциальная

• 
  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
  

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