«Общая биология. 11 класс». В.Б. Захаров и др. (гдз)

Круговорот веществ в природе — главная функция биосферы

Вопрос 1. В чем заключается главная функция биосферы?
Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговоротов химических элементов. Глобальный биотический круговорот осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов. Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии Солнца создают органическое вещество, которое другими живыми существами (гетеротрофами-потребителями и деструкторами) разрушается, с тем чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы растениями для новых органических синтезов.

Вопрос 2. Расскажите о круговороте воды в природе.
Важная роль в глобальном круговороте веществ принадлежит циркуляции воды между океаном, атмосферой и верхними слоями литосферы. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на многие километры. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делая их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в океаны и моря. Подсчитано, что с поверхности Земли за 1 мин испаряется около 1 млрд. т воды (на образование 1 г водяного пара затрачивается 2,248 кДж). Энергия, затрачиваемая на испарение воды, возвращается в атмосферу (рис. 4.). Циркуляция воды между мировым океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле и основное условие взаимодействия растений и животных с неживой природой. Благодаря этому процессу происходит постепенное разрушение литосферы, перенос ее компонентов в глубины морей и океанов.

Рис. 4. Круговорот воды в биосфере

Вопрос 3. Какие организмы поглощают диоксид углерода из атмосферы?
Углерод — один из основных бтогенных элементов. В сухой массе живого вещества на него приходится приблизительно 15-18%. Ежегодно зеленые растения в процессе фотосинтеза усваивают из атмосферы до 170 млрд. тонн СО₂ (по другим данным — 105 млрд. тонн, из которых 32 млрд. тонн, возвращают в результате дыхания).

Вопрос 4. Каким образом связанный углерод вновь возвращается в атмосферу?
Все живые существа дышат, в результате этого процесса углерод, находящийся в органических веществах, в виде углекислого газа вновь поступает в атмосферу. Также углекислый газ образуется при минерализации органического вещества микроорганизмами. В живом веществе процессы ассимиляции углерода и его выделение при дыхании практически уравновешены. Только около 1 % углерода откладывается в виде торфа, то есть изымается из круговорота. В гидросфере углерод содержится в растворенном виде (углекислый газ, угольная кислота, ионы угольной кислоты). Здесь его запасы значительно больше, чем в атмосфере. Углерод гидросферы также используется живыми организмами в процессе фотосинтеза и для построения известковых скелетов (губки, кишечнополостные, моллюски и др.). Между Мировым океаном и гидросферой постоянно происходит обмен углеродом, причем в океане значительное количество углерода изымается из круговорота и откладывается в виде малорастворимых карбонатов.
В атмосферу углерод также поступает в результате хозяйственной деятельности человека: при сжигании органоминерального топлива — угля, газа, нефти и продуктов ее переработки и т.д. Диоксид углерода образуется при горении топлива и поступает в атмосферу при гниении органического вещества, брожении, дыхании, из осадочных пород за счет химических процессов, совершающихся при высоких температурах, при сжигании горючих материалов. Все это — углекислый газ биогенного происхождения. Меньшая доля СО₂ поступает в атмосферу из мантии Земли при вулканических извержениях (рис. 5.).
Весь запас СО₂ в атмосфере претерпевает круговорот через фотосинтез приблизительно за 300 лет.

Рис. 5. Круговорот углерода в биосфере

Вопрос 5. Опишите круговорот азота в природе.
Главный источник азота органических соединений — молекулярный азот в составе атмосферы. Переход его в доступные живым организмам соединения может осуществляться разными путями. Так, электрические разряды при грозах синтезируют из азота и кислорода воздуха оксиды азота, которые с дождевыми водами попадают в почву в форме селитры или азотной кислоты. Имеет место и фотохимическая фиксация азота. Живые организмы способны усваивать только связанный азот в форме нитратиона N0₃^— или иона аммония NH₄⁺ Поэтому азот является основным лимитирующим фактором питательных веществ в живых системах. Способностью связывать свободный азот обладают некоторые бактерии — этот процесс называется азотфиксацией. Азотфиксирующие бактерии обитают в клубеньках бобовых растений гороха, фасоли и других и преобразуют свободный азот N₂ в ион аммония NH₄⁺, который используется для построения аминокислот, белков и нуклеотидов. Большинство же растений, неспособных к фиксации азота, получают его из почвы в виде нитрат-иона N03- и ассимилируют его, превращая в ион аммония NH⁺. Гетеротрофные организмы поглощают азот в виде иона аммония NH₄⁺ при поедании биомассы других организмов. После смерти тела всех живых организмов разлагаются бактериями и грибами в присутствии кислорода, а соединения азота окисляются по схеме:

NH₄⁺ + 5/2О₂ → N0₃^— + 2Н₂О.

Таким же образом может происходить окисление аммиака нитрифицирующими бактериями, получающими энергию за счет окисления неорганических веществ, т.е. используя хемотрофный путь питания. Обратный процесс превращения связанного азота в инертный называется денитрификацией. Он происходит в бескислородных условиях под действием денитрифицирующих бактерий, использующих в качестве окислителя вместо кислорода нитрат-ион N0₃^—, по следующей схеме:

3С_орг + 2N0₃^—  → 3СО₂ + N₂.

Таким образом, замыкается круговорот азота, и запасы этого важнейшего биогенного элемента в живых системах не истощаются (Рис.6.).

Рис. 6. Круговорот азота в биосфере

Вопрос 6. Какую роль играют микроорганизмы в круговороте серы?
Сера попадает в почву в результате естественного разложения некоторых горных пород (серный колчедан FeS₂, медный колчедан CuFeS₂), а также как продукт разложения органических веществ (главным образом растительного происхождения). Через корневые системы сера поступает в растения, в организме которых синтезируются содержащие этот элемент аминокислоты цистин, цистеин, метионин. В организме животных сера содержится в очень малых количествах и попадает в них с кормом.
Сера из органических соединений попадает в почву благодаря разложению мертвых органических остатков микроорганизмами. В этом процессе органическая сера может быть восстановлена в S8 и минеральную серу или же окислена в сульфаты, которые поглощаются корнями растений, т.е. вновь вступают в круговорот. В наше время в круговорот вовлекается и сера промышленного происхождения (дымы), переносимая с дождевой водой.

Вопрос 7. Как деятельность человека влияет на круговорот серы, фосфора?
Процесс естественного круговорота фосфора в современных условиях интенсифицируется применением в сельском хозяйстве фосфорных удобрений, источником которых служат залежи минеральных фосфатов.В наше время в круговорот вовлекается и сера промышленного происхождения (дымы), переносимая с дождевой водой.
В результате деятельности человека биогенная миграция атомов резко ускоряется. При этом в одних местах возникает недостаток, а в других — избыток каких-то веществ. Примером служит повышенный выброс сернистого газа SО₂ в атмосферу при сжигании топлива. В окрестностях медеплавильных заводов избыток SO₂ в воздухе вызывает гибель растительности вследствие нарушений процессов фотосинтеза. В процессах круговорота фосфора около 60 тыс. тонн фосфора возвращается ежегодно на сушу в связи с выловом рыбы в океане. Для изготовления фосфорных удобрений ежегодно добывают 1—2 млн тонн фосфорсодержащих пород.