Конспект урока: Закономерности существования биосферы. Круговорот веществ в биосфере

Вступление

Биосфера — открытая биологическая система, в которой приток энергии приходит извне. Солнечная энергия преобразуется с помощью продуцентов в энергию химических связей в органических молекулах. Однако эти молекулы состоят из элементов окружающей среды. Органические и неорганические вещества состоят из одних и тех же атомов. Между живым и неживым веществом постоянно происходит циркуляция химических элементов. Живые организмы строят собственное тело из неорганических и органических соединений, последние синтезируются из элементов окружающей среды. В процессе жизнедеятельности организмов продуцируется ряд веществ, которые в конечном итоге попадают обратно в природу. 

Характеристика биосферы как глобальной экосистемы

Биосфера характеризуется рядом особенностей. Будучи открытой системой, она постоянно преобразовывается под влиянием внешних факторов. 

• Для биосферы характерна ритмичность, так как существуют суточные и сезонные ритмы, возникающие под действием космических сил. Самая весомая причина появления ритмов на Земле — вращение планеты вокруг солнца и вокруг собственной оси. Зимой и летом биотический компонент разнообразен.

Рис. 1. 11-летний солнечный цикл

В 1915 г. российский учёный Александр Леонидович Чижевский в докладе «Периодическое влияние Солнца на биосферу Земли» сформулировал принцип ритмичного изменения биосферы из-за 11-летнего ритма солнечной энергии. За этот период наблюдается всплеск солнечной радиации, которая приводит к увеличению численности продуцентов. Затем наступает период минимума солнечной активности. 

Кроме того, известен 400-летний цикл изменения климата на нашей планете вследствие изменения орбиты вращения Земли.

• Биосфера всегда находится в состоянии динамического равновесия. Любое влияние может привести к дисбалансу, которое повлечёт за собой появление обратной связи. Обратная связь может быть как положительной, так и отрицательной. При отрицательной обратной связи биосфера и все её компоненты стремятся вернуться в исходное состояние. При положительной — динамически развиваются в прежнем направлении.

С такой точки зрения появление высокоразвитого человечества приведёт к динамическому развитию биосферы.

Круговорот углерода

Циклическое движение через биоту можно проследить для многих элементов. В процессе круговорота конкретный химический элемент может включаться в состав сложных органических молекул. Перенос веществ по трофическим связям происходит быстро. Обмен веществом между неживой природой и живой происходит медленно.

Основным резервуаром углерода являются горные породы, горючие полезные ископаемые и придонные океанические осадки. 

Рис. 2. Круговорот углерода в биосфере

Основной источник углерода для живых организмов — диоксид углерода в воздухе или растворённый в воде. В процессе фотосинтеза продуценты превращают его в углеводы, из которых формируются другие органические молекулы. Далее в процессе клеточного дыхания органические молекулы окисляются до углекислого газа и попадают обратно в атмосферу. Но не весь углерод возвращается. Часть аккумулируется в виде гумуса или торфа. В определённых условиях через длительное время эти осадки могут образовывать залежи полезного ископаемого или топлива. Скорость перехода от биотического компонента в абиотический зависит от погодных условий, сезонных ритмов и местности. В настоящее время деятельность человека ускоряет переход углерода из абиотической среды. При сжигании топлива углерод переходит в диоксид углерода и метан. В обществе преобладает мнение, что высокая скорость мобилизации углерода приведёт к серьёзным последствиям и нарушению динамического равновесия биосферы.

Круговорот воды

Вода — необходимый компонент всех живых существ. Основным резервуаром в гидрологическом цикле служит мировой океан, содержащий 97 % всей воды на планете. Наземные и пресноводные организмы получают воду благодаря её испарению с поверхности водоёмов. Последующая конденсация приводит к конденсации и выпадению осадков. Часть осадков впитывается в почву, образуя запас подземных вод. Пресная вода накапливается и в ледниках. Для живых организмов наиболее важны запасы пресной воды. Гидрологический цикл играет существенную роль в формировании температурного режима земной поверхности. 

Одно из актуальных исследований — изучение взаимодействия углеродного и гидрологического циклов с точки зрения их совокупного влияния на климат.

Рис. 3. Круговорот воды в биосфере

Круговорот азота

 

Азот является важнейшим компонентом биологических молекул. Азот находится в газообразном состоянии, который инертен. Переводить атмосферный азот в доступную для организмов форму (нитриты и нитраты) способны лишь некоторые бактерии. Этот процесс называется азотфиксацией. Бактерии используют для этого фермент нитрогеназу и энергию молекулы АТФ. После этого соединения азота попадают в почву, а затем усваиваются растениями (в основном растениями семейства Бобовые). Все азотфиксаторы связывают азот в форме аммиака, но он сразу же используется для синтеза органических соединений, в первую очередь белков.

Рис. 4. Круговорот азота в биосфере

Человек научился синтезировать азотистые минеральные удобрения, что приводит к постепенному накоплению азота в доступных соединениях в почве. К чему это приведёт, покажет время.