Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Функционирующее в биосфере живое вещество постоянно осуществляет круговорот веществ и превращение энергии. Для живых систем характерна аккумуляция химических элементов в своих телах. Аккумуляции противостоит минерализация, возникшая в результате разложения растительных остатков. Эти два процесса идут в каждом биогеоценозе. Аккумуляция преобладает там, где образуется живое вещество (поверхность океана и суши). Минерализация преобладает в местах разрушения органики (почва, дно океана). Продукты минерализации вновь используются продуцентами. биосфера хемосинтез фотосинтез вернадский
Согласно Вернадскому, живое вещество осуществляет в биосфере три основных функции. Газовая функция состоит в том, что зеленые растения выделяют при фотосинтезе кислород, а при дыхании - углекислый газ. Животные также выделяют углекислый газ, а многие бактерии образуют различные газы, восстанавливая азот, сероводород. Без деятельности живых организмов состав атмосферы был бы совершенно иным. Концентрационная функция осуществляется благодаря тому, что живые организмы захватывают необходимые химические элементы и накапливают их в местах своего обитания. Окислительно-восстановительная функция проявляется в окислении и восстановлении химических веществ в воде и на почве, в результате чего образуются отложения различных руд, бокситов, известняков. Эта функция в основном осуществляется бактериями. Круговорот веществ, как и все происходящие в природе процессы, требует постоянного притока энергии. Основу биологического круговорота, обеспечивающего существование жизни, составляет солнечная энергия и улавливающий ее хлорофилл зеленых растений. В круговороте веществ и энергии участвует каждый живой организм, поглощая из внешней среды одни вещества и выделяя из нее другие. Биогеоценозы, состоящие из большого числа видов живых организмов и костных компонентов среды, осуществляют циклы, по которым передвигаются атомы различных химических элементов (биогенная миграция атомов). Так, растения поглощают из внешней среды углекислый газ, воду, минеральные вещества и выделяют в нее кислород. Животные вдыхают выделенный растениями кислород, а, поедая их, усваивают синтезированные из воды и углекислого газа органические вещества и выделяют воду и углекислый газ. После гибели животные разлагаются при участии грибов и бактерий
При этом образуется дополнительное количество углекислого газа, а органические вещества превращаются в минеральные, которые попадают в почву, а потом снова усваиваются растениями. Таким образом, атомы основных химических элементов постоянно совершают миграцию через многие живые организмы и костную среду. Без миграции атомов жизнь на Земле не могла бы существовать: растения без животных и бактерий вскоре исчерпали бы запасы углекислого газа и минеральных веществ, а животные баз растений лишились бы источника энергии и кислорода
Основными характеристиками биосферы является биомасса и круговорот веществ и энергии. Биомасса представляет собой количество живого вещества на Земле. Как уже говорилось выше, биомасса подвержена постоянным изменениям. «Стараниями» продуцентов биомасса на Земле прирастает, редуцентов - опять превращается в неорганическое вещество. В год на Земле продуцируется 150-200 миллиардов тонн живого вещества. 75 % от этой массы приходится на сушу, 25 % - на океан.
В биосфере происходит постоянная циркуляция веществ и энергии. Энергия передается по цепям питания в экосистемах, и только небольшая ее часть используется на прирост биомассы. Неорганические вещества циркулируют по биогеохимическим циклам, которые представляют собой замкнутые пути, по которым различные химические вещества попадают в организмы и обратно. Они являются связующим звеном между биотическим и абиотическим компонентами экосистем и биосферы.
Одним из главных циклов на Земле является гидрологический, то есть цикл воды. Вода служит живым организмам источником водорода и сама по себе как составной компонент живых клеток. Схематически круговорот воды в биосфере представлен на схеме, приведенной ниже. Следует также сказать, что вода во время круговорота может находиться во всех своих агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном.
Кроме круговорота воды в биосфере важнейшими круговоротами являются круговороты углерода, азота, фосфора, кислорода и калия.
Аккумуляция поступающих в них химических веществ зависит от таких свойств почвы , как содержание гумуса, механический состав ,карбонатность , реакция среды , емкость поглощения . Очень большое влияние оказывает водный режим .
Хемосинтез и фотосинтез
Как вам уже известно, автотрофные организмы в зависимости от источника энергии разделяют на хемосинтезирующие и фотосинтезирующие. Хемосинтез. Хемосинтезирующие организмы (хемотрофи) для синтеза органических соединений используют энергию, которая высвобождается при преобразованиинеорганических соединений . До этих организмов относятся некоторые группы бактерий: нитрификуючи, бесцветные сиркобактерии, железобактериями подобное.
Нитрификуючи бактерии последовательно окиснюють аммиак (NH3) до нитритов (соли HNO2), а затем - до нитратов (соли HN03). Железобактериями получают энергию за счет окисления соединений двухвалентного железа до трехвалентного. Они участвуют в образовании залежей железных руд. Бесцветные сиркобактерии окиснюють сероводород и другие соединения серы до серной кислоты (H2S04).
Процесс хемосинтеза открыл в 1887 году выдающийся русский микробиолог С. Н. Виноградский. Хемосинтезирующие микроорганизмы играют исключительную роль в процессах превращения химических элементов в биогеохимических циклах. Биогеохимические циклы (биогеохимический круговорот веществ) - это обмен веществами и обеспечения потока энергии между различными компонентами биосферы, вследствие жизнедеятельности различных организмов, имеет циклический характер.
Фотосинтез. Фототрофы используют для синтеза органических соединений энергию света. Процесс образования органических соединений из неорганических благодаря превращению световой энергии в энергию химических связей называют фотосинтезом. К фототрофных организмов относятся зеленые растения (высшие растения, водоросли), некоторые животные (растительные жгутиковые), а также некоторые прокариоты - цианобактерии, пурпурные и зеленые сиркобактерии.
Исследовать процесс фотосинтеза начали еще во второй половине XVIII столетия. Ряд важных открытий в этом вопросе сделано во второй половине XIX века. Например, российский физиолог растений А.С. Фаминцын установил, что фотосинтез может происходить не только под воздействием солнечного света, но и при искусственном освещении. Важное открытие сделал выдающийся русский ученый К.А.Тимиря-зев, который теоретически обосновал и экспериментально доказал роль хлорофилла в поглощении света в процессе фотосинтеза. Он также обосновал положение о космической роли зеленых растений, которые, улавливая солнечные лучи и превращая световую энергию в энергию химических связей синтезируемых ими органических соединений, обеспечивающих сохранение и развитие жизни на Земле.
Кислород, который выделяют фотосинтетики, изменил состав атмосферы Земли. Из него постепенно сформировался озоновый экран, способный задерживать ультрафиолетовые солнечные лучи, губительно действующие на живые организмы суши. Таким образом, зеленые растения являются «посредниками» между космосом и всеми живыми существами на Земле.
В клетках высших растений фотосинтез происходит в специальных органеллах-хлоропластах.
Основными из фотосинтезирующих пигментов являются хлорофиллы. По своей структуре они напоминают гемм гемоглобина, но в этих соединениях вместо железа присутствует магний. Железо нужно растительным организмам для обеспечения синтеза молекул хлорофилла (если в растение железо не поступает, то у нее образуются бесцветные листья, способные к фотосинтезу). Большинство фотосинтезирующих организмов имеет разные хлорофиллы: хлорофилл а (обязательный), хлорофилл b (у зеленых растений), хлорофилл с (у диатомовых и бурых водорослей), хлорофилл d (у красных водорослей). Зеленые и пурпурные бактерии содержат особые бактериохлорофилл.
В основе фотосинтеза лежит окислительно-восстановительный процесс, связанный с переносом электронов от соединений поставщиков электронов (доноров) к соединениям, которые их воспринимают (акцепторов), с образованием углеводов и выделением в атмосферу молекулярного кислорода. Световая энергия превращается в энергию синтезированных органических соединений (углеводов) в особых структурах - реакционных центрах, содержащих хлорофилл а.
В процессе фотосинтеза в зеленых растений и цианобактерий участвуют две фотосистемы - первая (И) и вторая (II), имеющих различные реакционные центры и связанные между собой через систему переноса электронов.
Процесс фотосинтеза происходит в две фазы - световую и темно-ву. В световую фазу, реакции которой перебегают в мембранах особых структур хлоропластов - тилакоидов при наличии света (рис.36), фотосинтезирующие пигменты улавливают кванты света (фотоны). Поглощение фотонов приводит к «возбуждение» одного из электронов молекулы хлорофилла, который с помощью молекул - переносчиков электронов перемещается на внешнюю поверхность мембраны тилакоидов, приобретая определенной потенциальной энергии.
В фотосистеме / этот электрон может возвращаться на свой энергетический уровень и восстанавливать ее, а может передаваться следующей соединении, как НАДФ. Электроны, взаимодействуя с ионами водорода, которые есть в окружающей среде, восстанавливают это соединение:
Напомним, что когда определенное соединение отдает электрон - она окисляется, а когда присоединяет - возобновляется. Восстановленный НАДФ (НАДФ * Н2) впоследствии поставляет водород, необходимый для восстановления атмосферного CO2 к глюкозе (то есть соединения, в котором запасается энергия).
Подобные процессы происходят и в фотосистеме II. Возбужденные электроны, возвращаясь на свой энергетический уровень, могут передаваться фотосистеме И и таким образом ее восстанавливать. Фотосисте-ма II восстанавливается за счет электронов, которые поставляют молекулы воды. Под действием света при участии ферментов молекулы воды расщепляются (фотолиз воды) на протоны водорода и молекулярный кислород, который выделяется в атмосферу, а электроны используются на видновленняьфотосистемы.
Энергия, высвобожденная при возвращении электронов по внешней поверхности мембраны тилакоидов на предыдущий энергетический уровень, запасается в виде химических связей молекул АТФ, которые синтезируются при реакций в обоих фотосистема. Некоторая ее часть расходуется на испарение воды. Таким образом, при световой фазы фотосинтеза образуются богатые энергию (которая запасается в виде химических связей) соединения: синтезируется АТФ и возобновляется НАДФ. Как продукт фотолиза воды в атмосферу выделяется молекулярный кислород.
Реакции темповой фазы фотосинтеза протекают во внутренней среде (матриксе) хлоропластов как на свету, так и в другом случае. Как упоминалось ранее, в ходе реакций темновой фазы С02 восстанавливается до глюкозы благодаря энергии высвобождается при расщеплении АТФ, и за счет восстановленного НАДФ.
Соединением, воспринимает атмосферный С02, является рибульозобифос-Фат (пятиуглеродный сахар, соединенный с двумя остатками фосфорной кислоты). Процесс присоединения С02 катализирует фермент кар-боксилаза. В результате сложных и многоступенчатых химических реакций, каждую из которых катализирует свой специфический фермент, образуется конечный продукт фотосинтеза - глюкоза, а также восстанавливается акцептор С02 - рибульозобифосфат. С глюкозы в клетках растений могут синтезироваться полисахариды - крахмал, целлюлоза и т.п..
Итоговое уравнение процесса фотосинтеза в зеленых растений выглядит так:
В фотосинтезирующих прокариот есть определенные различия в течении световой и тем-новой фаз фотосинтеза. В прокариот отсутствуют пластиды, потому фотосинтезирующие пигменты расположены на внутренних выростах цитоплазматической мембраны, где и происходят реакции световой фазы. В зеленых и пурпурных бактерий, в отличие от цианобактерий, нет фотосистемы II, поставщиком электронов является не вода, а сероводород, молекулярный водород и некоторые другие соединения. Вследствие этого в этих групп бактерий в ходе фотосинтеза кислород не выделяется.
Значение фотосинтеза для биосферы трудно переоценить. Именно благодаря этому процессу улавливается световая энергия Солнца. Фотосинтезирующие организмы превращают ее в энергию химических связей синтезированных углеводов, а затем по цепям питания она передается гетеротрофным организмам. Следовательно, не будет преувеличением считать, что именно благодаря фотосинтезу возможно существование биосферы. Зеленые растения и цианобактерии, поглощая углекислый газ и выделяя кислород, влияют на газовый состав атмосферы. Весь атмосферный кислород имеет фотосинтетическое происхождения. Ежегодно благодаря фотосинтеза на Земле синтезируется около 150 млрд тонн органического вещества и выделяется свыше 200 млрд тонн свободного кислорода, который не только обеспечивает дыхание организмов, но и защищает все живое на Земле от губительного влияния коротковолновых ультрафиолетовых космических лучей (озоновый экран атмосферы).
Но в целом процесс фотосинтеза малоэффективен. В синтезированную органическое вещество переводится лишь 1-2% солнечной энергии. Это объясняется неполным поглощением света растениями, а также тем, что часть солнечного света отражается от поверхности Земли обратно в космос, поглощается атмосферой подобное. Производительность процесса фотосинтеза возрастает в условиях лучшего водоснабжения растений, их оптимального освещения, обеспечения углекислым газом, благодаря селекции сортов, направленной на повышение эффективности фотосинтеза подобное. Одной из самых культурных растений считают кукурузу, в которой достаточно высокий КПД фотосинтеза.
Автотрофы способны синтезировать органические соединения из неорганических, используя для этого или энергию, которая высвобождается в результате химических реакций (хемотрофных организмы), или энергию света (фототрофные организмы).
Хемотрофных организмы - исключительно прокариоты (нитрификуючи бактерии, железобактериями, сиркобактерии т.д.). Среди фототрофных организмов известны как прокариоты, так и эукариоты.
Фотосинтез - процесс преобразования световой энергии в энергию химических связей органических соединений, синтезируемых автотрофными организмами. Он имеет две фазы: световую и темновую. Световая фаза у растений осуществляется в особых образованиях хлоропластов-тилакоидов, где содержится пигмент хлорофилл.
Темновая фаза фотосинтеза происходит в строме хлоропластов.
Фотосинтез имеет исключительное значение для существования биосферы (атмосферный кислород преимущественно фотосинтетического происхождения).
Фотосинтез и хемосинтез
Фотосинтез -- процесс образования органических соединений из диоксида углерода (СО2) и воды с использованием и преобразованием энергии света. Происходит у зеленых растений, цианобактерий и водорослей.
Красный и синий свет улавливается фотосинтезирующим пигментом -- хлорофиллом, встроенным во внутреннюю мембрану пластид или в складки цитоплазматической мембраны прокариот. Зеленый свет отражается от листа, поэтому мы видим листья зелеными.
Фотосинтез подразделяется на реакции, вызываемые светом, и реакции, связанные с фиксацией углерода. Их не совсем точно называют световой и темновой фазами.
Световая фаза -- это этап, на котором энергия света, поглощенная хлорофиллом, преобразуется в химическую энергию АТФ и НАДФН2. Осуществляется на свету в мембранах гран при участии белков-переносчиков и АТФ-синтетазы.
Реакции, вызываемые светом, происходят на фотосинтетических мембранах гран хлоропластов:
* возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;
* восстановление акцепторов электронов -- НАДФ+ до НАДФН2:
2Н+ + 4е - +НАДФ+ -> НАДФН2;
* фотолиз воды, происходящий при участии квантов света:
2Н2O-> 4Н++ 4е- + O2.
Процесс происходит внутри тилакоидов гран хлоропластов;
* протоны водорода Н+ накапливаются в Н+-резервуаре внутри граны. Их накопление на внутренней стороне мембраны приводит к нарастанию разности потенциалов. При этом внутренняя сторона мембраны заряжается положительно, за счет протонов, а наружная -- отрицательно, за счет электронов;
* начинает работать протонная помпа, обеспечивающая движение протонов из тилакоидов в строму через канал АТФ-синтетазы под действием электрического поля. В строме же находится АДФ и остатки фосфорной кислоты, которые используются для синтеза АТФ.
Результатами световых реакций являются: образование кислорода, синтез АТФ, восстановление НАДФН2.
Темновая фаза -- процесс преобразования СO2 в глюкозу в строме хлоропластов с использованием энергии АТФ и НАДФН2.
Реакции фиксации углерода -- это последовательные преобразования СO2 в глюкозу:
* сначала происходит фиксация молекул С02 1-5-рибуло-зодифосфатом, при участии ферментов;
* затем диоксид постепенно восстанавливается до глюкозы при участии АТФ и НАДФН2 (Цикл Кальвина):
СO2 + 24Н -> С6Н12O6 + 6Н2O;
Рис. 12. Схема фотосинтеза
* помимо молекул глюкозы в строме образуются аминокислоты, нуклеотиды, спирты.
Суммарное уравнение фотосинтеза:
Значение фотосинтеза:
* фотосинтез обеспечивает производство исходных органических веществ, а следовательно, пищу для всех живых существ;
* в процессе фотосинтеза образуется свободный кислород, который необходим для дыхания организмов;
* кислородом образован защитный озоновый экран, предохраняющий организмы от вредного воздействия ультрафиолетового излучения;
* фотосинтез способствует снижению концентрации диоксида углерода в атмосфере.
Хемосинтез -- образование органических соединений из неорганических за счет энергии окислительно-восстановительных реакций соединений азота, железа, серы. Существует несколько видов хемосинтетических реакций:
* окисление аммиака до азотистой и азотной кислот нитрифицирующими бактериями:
* превращение двухвалентного железа в трехвалентное железобактериями:
* окисление сероводорода до серы или серной кислоты серобактериями:
Выделяемая энергия используется для синтеза органических веществ.
Роль хемосинтеза: бактерии-хемосинтетики разрушают горные породы, очищают сточные воды, участвуют в образовании полезных ископаемых.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Рассмотрение круговорота веществ как результата экофизиологической взаимосвязи автотрофов и гетеротрофов. Описание основных круговоротов - большого (геологического) и малого (биогеохимического). Функции живого вещества в биосфере (по Вернадскому В.И.).
презентация , добавлен 18.04.2012
Определение биосферы, ее эволюция, границы и состав, охрана. Свойства живого вещества. Биогенная миграция атомов. Биомасса, её распределение на планете. Роль растений, животных и микроорганизмов в круговороте веществ. Биосфера и превращение энергии.
контрольная работа , добавлен 15.09.2013
Обмен веществ со средой как специфическое свойство жизни. Общее значение продуцентов, консументов и редуцентов. Полный цикл редукции органического вещества. Уровни организации живой материи. Малый круговорот веществ в биосфере. Круговорот углерода и серы.
реферат , добавлен 01.01.2010
Понятие о биосфере. Структура и границы биосферы. Общая масса живых организмов. Распределение биомассы по планете. Круговорот веществ в природе как главная функция биосферы. Влияние человека на биосферу. Влияние загрязнения среды на здоровье человека.
презентация , добавлен 07.04.2012
Потоки вещества, энергии и деструкционные блоки в экосистемах. Проблемы биологической продуктивности. Пирамиды чисел, биомасс и энергии. Процессы трансформации вещества и энергии между биотой и физической средой. Биохимический круговорот веществ.
реферат , добавлен 26.06.2010
Понятие и структурные уровни биосферы, ее содержание и значение. История развития биосферы и этапы ее исследования учеными разных времен, учение Вернадского. Классификация и разновидности экосистем, круговорот вещества внутри них и отличительные черты.
курсовая работа , добавлен 18.04.2011
Понятие и биологическое значение потока энергии в сообществе, принципы и направления данного потока, влияющие на него факторы. Круговорот веществ в экосистеме. Критерии, характеризующие продуктивность сообщества. Сущность экологической сукцессии.
реферат , добавлен 08.07.2010
Биологический круговорот веществ, их абиогенные циклы. Показатели биогеохимического круговорота: биомасса, продукция, зольность. Уровни биогеохимических циклов, позволяющие выявить долю участия различных организмов в круговороте химических элементов.
презентация , добавлен 10.08.2015
Сущность понятия "биоэнергетика". Существенные признаки живого. Внешний и промежуточный обмен веществ и энергии. Метаболизм: понятие, функции. Три стадии катаболических превращений основных питательных веществ в клетке. Отличия катаболизма от анаболизма.
презентация , добавлен 05.01.2014
Обмен веществ и энергии как основная функция организма, его основные фазы и протекающие процессы - ассимиляции и диссимиляции. Роль белков в организме, механизм их обмена. Обмен воды, витаминов, жиров, углеводов. Регуляция теплообразования и теплоотдачи.
Круговорот веществ и энергии в экосистемах обусловлен жизнедеятельностью организмов и является необходимым условием их существования. Круговороты не замкнуты, поэтому химические элементы накапливаются во внешней среде и в организмах.
Углерод поглощается растениями в процессе фотосинтеза и выделяется организмами в процессе дыхания. Он так же накапливается в среде в виде топливных ископаемых, а в организмах в виде запасов органических веществ.
Азот превращается в соли аммония и нитраты в результате деятельности азотфиксирующих и нитрифицирующих бактерий. Затем, после использования соединений азота организмами и денитрификации редуцентами азот возвращается в атмосферу.
Сера находится в виде сульфидов и свободной серы в составе морских осадочных пород и почвы. Превращаясь в сульфаты, в результате окисления серобактериями, она включается в ткани растений, затем вместе с остатками их органических соединений подвергается воздействию анаэробных редуцентов. Образовавшийся в результате их деятельности сероводород снова окисляется серобактериями.
Фосфор содержится в составе фосфатов горных пород, в пресноводных и океанических отложениях, в почвах. В результате эрозии фосфаты вымываются и, в кислой среде переходят в растворимое состояние с образованием фосфорной кислоты, которая усваивается растениями. В тканях животных фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, костей. В результате разложения редуцентами остатков органических соединений, он снова возвращается в почвы, а затем в растения.
Биосфера – глобальная экосистема. Учение В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере. Живое вещество, его функции. Особенности распределения биомассы на Земле. Эволюция биосферы
Существуют два определения биосферы.
Первое определение. Биосфера – это населенная часть геологической оболочки Земли.
Второе определение. Биосфера – это часть геологической оболочки Земли, свойства которой определяется активностью живых организмов.
Второе определение охватывает более широкое пространство: ведь образовавшийся в результате фотосинтеза атмосферный кислород распределен по всей атмосфере и присутствует там, где нет живых организмов. Биосфера в первом смысле состоит из литосферы, гидросферы и нижних слоев атмосферы – тропосферы . Пределы биосферы ограничены озоновым экраном, находящимся на высоте 20 км, и нижней границей, находящейся на глубине около 4 км.
Биосфера во втором смысле включает всю атмосферу. Учение о биосфере и ее функциях разработал академик В.И. Вернадский. Биосфера – это область распространения жизни на Земле, включающая живое вещество (вещество, входящее в состав живых организмов), биокосное вещество, т.е. вещество, не входящее в состав живых организмов, но формирующееся за счет их активности (почва, природные воды, воздух), косное вещество, формирующееся без участия живых организмов.
Живое вещество, составляющее мене 0,001% массы биосферы, является наиболее активной частью биосферы. В биосфере происходит постоянная миграция веществ, как биогенного, так и абиогенного происхождения, в котором живые организмы играют основную роль. Круговорот веществ определяет устойчивость биосферы.
Основным источником энергии для поддержания жизни в биосфере является Солнце. Его энергия преобразуется в энергию органических соединений в результате фотосинтетических процессов, происходящих в фототрофных организмах. Энергия накапливается в химических связях органических соединений, служащих пищей растительноядным и плотоядным животным. Органические вещества пищи разлагаются в процессе обмена веществ и выводятся из организма. Выделенные или отмершие остатки разлагаются бактериям, грибами и некоторыми другими организмами. Образовавшиеся химические соединения и элементы вовлекаются в круговорот веществ. Биосфера нуждается в постоянном притоке внешней энергии, т.к. вся химическая энергия превращается в тепловую.
Функции биосферы. Газовая – выделение и поглощение кислорода и углекислого газа, восстановление азота. Концентрационная – накопление организмами химических элементов, рассеянных во внешней среде. Окислительно-восстановительная – окисление и восстановление веществ в ходе фотосинтеза и энергетического обмена. Биохимическая – реализуется в процессе обмена веществ. Энергетическая – связана с использованием и преобразованием энергии.
В результате биологическая и геологическая эволюции происходят одновременно и тесно взаимосвязаны. Геохимическая эволюция происходит под влиянием биологической эволюции.
Масса всего живого вещества биосферы составляет ее биомассу, равную примерно
2,4 × 10 12 т.
Организмы, населяющие сушу, составляют 99,87% от общей биомассы, биомасса океана –
0, 13%. Количество биомассы увеличивается от полюсов к экватору. Биомасса (Б) характеризуется:
– своей продуктивностью – приростом вещества, приходящегося на единицу площади (П);
– скоростью воспроизведения – отношением продукции к биомассе за единицу времени (П/Б).
Самыми продуктивными являются тропические и субтропические леса.
Часть биосферы, находящуюся под влиянием активной деятельности человека, называется ноосферой – сферой человеческого разума. Термин обозначает разумное влияние человека на биосферу в современную эпоху научно-технического прогресса. Однако, чаще всего, это влияние губительно для биосферы, что в свою очередь губительно для человечества.
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
Часть А
А1. Главная особенность биосферы:
1) наличие в ней живых организмов
2) наличие в ней неживых компонентов, переработанных живыми организмами
3) круговорот веществ, управляемый живыми организмами
4) связывание солнечной энергии живыми организмами
А2. Залежи нефти, каменного угля, торфа образовались в процессе круговорота:
1) кислорода
2) углерода
4) водорода
А3. Найдите неверное утверждение. Невосполнимые природные ресурсы, образовавшиеся в процессе круговорота углерода в биосфере:
2) горючий газ
3) каменный уголь
4) торф и древесина
А4. Бактерии, расщепляющие мочевину до ионов аммония и углекислого газа, принимают участие в круговороте
1) кислорода и водорода
2) азота и углерода
3) фосфора и серы
4) кислорода и углерода
А5. В основе круговорота веществ лежат такие процессы, как
1) расселение видов 3) фотосинтез и дыхание
2) мутации 4) естественный отбор
А6. Клубеньковые бактерии включают в круговорот
1) фосфор 3) углерод
2) азот 4) кислород
А7. Солнечная энергия улавливается
1) продуцентами
2) консументами первого порядка
3) консументами второго порядка
4) редуцентами
А8. Усилению парникового эффекта, по мнению ученых, в наибольшей степени способствует:
1) углекислый газ 3) двуокись азота
2) пропан 4) озон
А9. Озон, который образует озоновый экран, формируется в:
1) гидросфере
2) атмосфере
3) в земной коре
4) в мантии Земли
А10. Наибольшее количество видов находится в экосистемах:
1) вечнозеленых лесов умеренного пояса
2) влажных тропических лесов
3) листопадных лесов умеренного пояса
В круговороте веществ принимают участие все живые организмы, поглощающие из внешней среды одни вещества и выделяющие в нее другие. Так, растения потребляют из внешней среды углекислый газ, воду и минеральные соли и выделяют в нее кислород. Животные вдыхают кислород, выделенный растениями, а поедая их, усваивают синтезированные из воды и углекислого газа органические вещества и выделяют углекислый газ, воду и вещества непереваренной части пищи. При разложении бактериями и грибами отмерших растений и животных образуется дополнительное количество углекислого газа, а органические вещества превращаются в минеральные, которые попадают в почву и снова усваиваются растениями. Таким образом, атомы основных химических элементов постоянно совершают миграцию из одного организма в другой, из почвы, атмосферы и гидросферы - в живые организмы, а из них - в окружающую среду, пополняя таким образом неживое вещество биосферы. Эти процессы повторяются бесконечное число раз. Так, например, весь атмосферный кислород проходит через живое вещество за 2 тыс. лет, весь углекислый газ - за 200-300 лет. Круговорот веществ, как и все происходящие в природе процессы, требует постоянного притока энергии. Основой биогенного круговорота, обеспечивающего существование жизни, является солнечная энергия. Связанная в органических веществах энергия но ступеням пищевой цепи уменьшается, потому что большая ее часть поступает в окружающую среду в виде тепла или же тратится на осуществление процессов, происходящих в организмах, Поэтому в биосфере наблюдается поток энергии и ее преобразование. Таким образом, биосфера может быть устойчивой только при условии постоянного круговорота веществ и притока солнечной энергии.
Билет №9
1. Понятие о гене. Генетический код, его свойства.
Ген - структурная и функциональная единица наследственности живых организмов. Ген представляет собой последовательность ДНК, задающую последовательность определённого полипептида либо функциональной РНК. Гены (точнее, аллели генов) определяют наследственные признаки организмов, передающиеся от родителей потомству при размножении. При этом некоторые органеллы (митохондрии, пластиды) имеют собственную, определяющую их признаки, ДНК, не входящую в геном организма.
Генетический код - это свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.
Свойства генетического кода Триплетность - значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон) . Непрерывность - между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно. Неперекрываемость - один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов. (Не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки) . Однозначность - определённый кодон соответствует только одной аминокислоте. (Свойство не является универсальным. Кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты - цистеин и селеноцистеин)
Вырожденность (избыточность) - одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.
Универсальность - генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности - от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии)
Любое сообщество можно представить в виде пищевой сети, в которой сложно переплетены многочисленные пищевые цепи. По пищевым цепям происходит передача веществ и энергии в экосистеме от звена к звену. Каждое звено в цепи питания называют трофическим (от греч. trofo — питание ) уровнем.
Первый трофический уровень составляют продуценты, автотрофные организмы — растения и некоторые бактерии. В основном растения создают органические вещества из неорганических за счет использования энергии солнечного света (фотосинтез ), а бактерии — за счет энергии химических реакций окисления минеральных веществ (хемосинтез ).
Второй трофический уровень составляют растительноядные животные — консументы. Третий уровень — плотоядные животные (хищники
), четвертый уровень — животные, поедающие других плотоядных, и т. д. Многих животных невозможно отнести к одному уровню, так как они всеядны, могут получать энергию с нескольких разных трофических уровней Все консументы и редуценты — гетеротрофные организмы.
Разнообразные вещества и энергия перемещаются от одного трофического уровня к другому по цепям питания по мере поедания одних организмов другими, претерпевая многочисленные превращения На конечном этапе редуценты полностью разрушают органические вещества, превращают их в минеральные Подобные последовательные превращения веществ в экосистемах называют круговоротом. При этом вещества используются в круговороте многократно, а энергия — только один раз.
Значит, существование всех экосистем зависит от постоянного притока энергии извне.
Как же осуществляется энергетический обмен в экосистемах?
Всем организмам необходима энергия, а единственным источником практически всей энергии на Земле является Солнце.
Однако только 1% световой энергии Солнца улавливается растениями в процессе фотосинтеза и запасается в виде химической энергии, а 99% теряется в виде тепла и расходуется на испарение Запасенная растениями энергия передается от одного трофического уровня к другому по пищевым цепям Не вся энергия, содержащаяся в пище, переходит к организму, занимающему более высокий трофический уровень, например к хищнику. Часть энергии теряется во время превращения веществ пищи в молекулы тела хищника, а часть проходит через кишечный тракт хищника в неизменном виде.
Полученная организмом пища с заключенной в ней энергией расходуется двояким образом Большая ее часть используется на поддержание процессов жизнедеятельности клеток. Энергетические затраты на поддержание всех метаболических процессов называют тратой на дыхание. Меньшая часть усвоенной пищи идет на рост организма или откладывается в виде запасных питательных веществ. Таким образом, большая часть энергии (около 90%) при переходе с одного трофического уровня на другой теряется.
Если калорийность растительной пищи 1000 Дж, то при поедании ее раститель ноядным животным в теле последнего сохраняется всего 100 Дж, в теле хищника — 10 Дж.
Этот факт объясняет небольшую длину пищевых цепей, которые обычно состоят из 4-5 звеньев.
Энергия может быть восполнена только за счет ее поступления извне Без притока энергии в экосистемах не может быть круговорота веществ, они функционируют за счет непрерывного притока энергии, поступающей из окружающей среды.
Одним из способов выражения энергетической структуры сообщества является пирамида энергии, которая никогда не может быть перевернутой (то есть ее верхушка не может быть шире основания), так как поток энергии через трофические уровни всегда уменьшается от первого звена к последнему.
Определяется как способность выполнять работу и может превращается в различные формы: тепловую, световую, химическую, кинетическую (движения) и другие. Одна форма может быть преобразована в другую.
Превращение энергии и круговорот в природе необходимы для жизненно важных функций как рост и размножение любых организмов.
Материя определяется как все, что занимает пространство и имеет массу. Все материальные вещества, в том числе живые организмы сделаны из материи.
Откуда берется материя и какие превращения энергии происходят как необходимые составляющие для выживания живых организмов описано ниже.
Материя и энергия в земной системе
Некоторые типы материи были произведены при Большом взрыве, который сформировал Вселенную. Теория утверждает, что порядка 14 млрд лет назад произошедшая ядерная реакция сформировала ядра звезд различных типов. Земля и другие планеты, образованные из накопления тяжелых форм материи, начала дрейфовать в пространстве после Большого взрыва. Земля прошла через свой период накопления материи и энергии со времен начала нашей Солнечной системы, около 4,5 миллиарда лет назад.
Система Земли – включая ее живые и неживые компоненты вообще содержит небесконечное количества материи (за исключением небольшого количества входящей и выходящей из атмосферы Земли).
Как бесчисленные поколения живых организмов выживают на ограниченном количестве материи все эти 4,5 миллиарда лет?
Именно превращение энергии и круговорот из одной формы в другую позволяет жить на Земле живым существам.
Круговорот
Материя и энергия циклически осуществляют кругооборот через другие организмы, включая бактерии, животных и растения, поскольку жизнь возникла около 3,8 миллиарда лет назад.
Для большой части земной жизни организмы получают энергию прямо или косвенно от Солнца.
Как и все звезды, Солнце излучает электромагнитную энергию, которая включает свет в видимом, ультрафиолетом и ультракрасном спектрах также, как рентгеновские, микроволны, радио волны и гамма-излучение. Это излучение используется для превращения энергии из одной формы в другую.
Получение энергии живыми организмами
Важной составляющей частью всех живых организмов являются органические молекулы. Органические молекулы представляют собой соединения, содержащие углерод и водород атомы, могут включаться и другие типы атомов. Для того чтобы сформировались органические молекулы в природе происходит превращение энергии.
Организмы которые участвуют в формировании органических молекул являются производителями.
Производители – растения, водоросли, некоторые простейшие и многие прокариоты (одноклеточные живые организмы) потребляют энергию необходимую для получения органических молекул из солнечного света.
- Органические-молекулы биологического происхождения в составе углерода, водорода, кислорода и т.п.
- Неорганические-молекулы не содержат углерод который является основой всех живых существ.
Жизнь на Земле основана на углероде
Атом углерода имеет четыре электрона во внешней оболочке, которая может образовывать связь с другим атомом. Так как углерод способен образовывать четыре связи, атомы углерода могут образовывать цепи и кольца. В органических молекулах углерод связаны по крайней мере с одним водородом. Они встречаются в живых организмах и часто содержат другие типы атомов, включая кислород, азот, серу или фосфор.
Реагент неорганических продуктов
Напомним, реагенты принимают участие в химической реакции, но при этом сами не являются объектом обработки. Реагентом в превращениях является энергия. Процесс использования солнечного света для того, чтобы сделать органические молекулы из углекислого газа, или “отладки углерода” называется фотосинтезом.
Химическая реакция фотосинтеза записывается следующим образом:
углекислый газ + вода + энергия → органические вещества + кислород
- Углекислый газ, который не содержит водород, считается неорганическим соединением.
- В этой реакции, углекислый газ и вода – реактивы (вещества которые проходят реакции).
- Органические молекулы и кислород являются продуктами.
- Требуемая для превращения энергия считается реагентом.
Другие типы производителей могут приобретать ресурсы через неорганические химические реакции, процесс, называемый хемосинтезом. Однако, фотосинтез является основным источником органических молекул на Земле.
Фотосинтез, включая растения, осуществляет превращение энергии солнечного света в химическую. Много организмов, как животные и некоторые простейшие и бактерии, не могут превращать углекислый газ в органические молекулы, так как не могут приобрести ресурсы от солнечного света.
Живые организмы приобретают органическое вещество путём употребления в пищу продуктов, полученных от производителей или других потребителей.
Реагент органических продуктов
Органические молекулы имеют относительно высокое содержание ресурсов. Превращение энергии и её извлечение из органических молекул происходит посредством процесса, называемого клеточным дыханием.
Углекислый газ, вода и тепло отходы клетчатого дыхания.
Производители также могут использовать клеточное дыхание для извлечения энергии хранившейся в органических молекулах.
Реакцией на клеточное дыхание является обратная реакция фотосинтеза:
органические вещества + кислород → углекислый газ + вода + энергия
Разлагатели, в состав которых входят бактерии и грибы, потребляют органические вещества от отходов и некогда живых организмов, тем самым осуществляя круговорот веществ и энергии при переработке органического вещества в экосистеме.
Взаимодействие производителей, потребителей, редуцентов (останки живых существ) и неживой компоненты окружающей среды образуют экосистему. В экосистеме, потоки ресурсов для работы идут от производителей к потребителям и разлагателям. Однако, на каждом шаге только небольшое количество ресурсов передается, остальное теряется как тепло.
Обмен веществ и превращение энергии проходит через экосистему взаимно выгодно всем ее членам.
Кислород, который является отходом фотосинтеза, используется для клетчатого дыхания для большинства организмов.
Углекислый газ который представляет отходы клетчатого дыхания, используется для фотосинтеза.
Фотосинтетические производители используют энергию солнечного света для преобразования диоксида углерода и воды в органические молекулы. Потребители и редуценты используют клетчатое дыхание для того чтобы извлечь ресурсы от органических молекул, которые производят углекислый газ и воду.
Круговорот веществ между живыми и неживыми
Круговорот веществ и энергии между живыми и неживыми элементами Земли происходит путём биогеохимических циклов.
Биогеохимические циклы включают в себя перенос вещества через живые и неживые части экосистемы.
Биогеохимический цикл включает циклы различных элементов и молекул. Например, цикл углерода включает движение углерода от углекислого газа к органическому веществу и обратно в углекислый газ.
Биогеохимические циклы также связаны с биологическими процессами - например, вода испаряется из океана и снова падает в виде дождя.
Биогеохимические циклы могут быть нарушены деятельностью человека, как в настоящее время происходит с углеродным циклом. Уголь, нефть и природный газ, известные в качестве ископаемого топлива берутся из залежей некогда живых организмов, которые были захоронены под земной корой. Когда эти виды топлива сжигаются, углерод выделяется в виде углекислого газа. Пока много из этого углерода углекислого газа поглощается растениями и превращается обратно в виде живой материи.
Однако сегодня из-за сжигания ископаемого топлива количества углерода который был похоронен под земной корой и в процессе круговорота в природе сейчас находится в атмосфере Земли приближается к 750 гигатонн. Этот углекислый газ создает через парниковый эффект, который влияет на климат.
