Mnoge enzimske reakcije odvijaju se u živim ćelijama. Kombiniramo cijeli niz ovih reakcija s općim konceptom metabolizma, ali bilo bi pogrešno misliti da stanica nije ništa drugo do membranska vreća u kojoj enzimi djeluju na nasumičan, neuređen način. Metabolizam je visoko koordinirana i svrsishodna ćelijska aktivnost, koju obezbjeđuje učešće mnogih međusobno povezanih multienzimskih sistema. Obavlja četiri specifične funkcije: 1) snabdijevanje hemijskom energijom, koja se dobija cijepanjem energetski bogatih nutrijenata koji ulaze u tijelo iz okoline, ili pretvaranjem zarobljene energije iz sunčeve svjetlosti; 2) transformacija molekula hrane u gradivne blokove, koje kasnije ćelija koristi za izgradnju makromolekula; 3) sklapanje proteina, nukleinskih kiselina, lipida, polisaharida i drugih ćelijskih komponenti iz ovih gradivnih blokova; 4) sinteza i uništavanje onih biomolekula koje su neophodne za obavljanje bilo koje specifične funkcije date ćelije.

Iako se metabolizam sastoji od stotina različitih enzimskih reakcija, centralni metabolički putevi koji nas obično najviše zanimaju su mali i u principu isti u svim živim oblicima. U ovom preglednom poglavlju razmotrit ćemo izvore tvari i energije za metabolizam, centralne metaboličke puteve koji se koriste za sintezu i razgradnju glavnih ćelijskih komponenti, mehanizme uključene u prijenos kemijske energije i, konačno, one eksperimentalne pristupe koji koriste se za proučavanje metaboličkih puteva.

13.1. Živi organizmi učestvuju u ciklusu ugljenika i kiseonika

Počećemo naše razmatranje sa makroskopskim aspektima metabolizma, sa opštom metaboličkom interakcijom između živih organizama u biosferi. Svi živi organizmi mogu se podijeliti u dvije velike grupe, ovisno o kemijskom obliku u kojem su u stanju apsorbirati ugljik koji dolazi iz okoline. Autotrofne ćelije („samohrane“) mogu koristiti atmosferski ugljik kao jedini izvor ugljika, od kojeg grade sve svoje biomolekule koje sadrže ugljik.

Ova grupa uključuje fotosintetske bakterije i ćelije listova zelenih biljaka. Neki autotrofi, kao što su cijanobakterije, također mogu koristiti atmosferski dušik za sintezu svih svojih komponenti koje sadrže dušik. Heterotrofne ćelije ("hranjenje na račun drugih") nemaju sposobnost da apsorbuju atmosferske; moraju primiti ugljik u obliku dovoljno složenih organskih spojeva, kao što je, na primjer, glukoza. Heterotrofi uključuju ćelije viših životinja i većinu mikroorganizama. Autotrofi, koji sebi obezbjeđuju sve što je potrebno za život, imaju određenu samostalnost, dok se heterotrofi, kojima su potrebni složeni izvori ugljika, hrane otpadnim produktima drugih stanica.

Postoji još jedna bitna razlika između ove dvije grupe. Mnogi autotrofni organizmi provode fotosintezu, odnosno imaju sposobnost da koriste energiju sunčeve svjetlosti, dok heterotrofne stanice potrebnu energiju dobivaju razgradnjom organskih spojeva koje proizvode autotrofi. U biosferi autotrofi i heterotrofi koegzistiraju kao sudionici jednog gigantskog ciklusa u kojem autotrofni organizmi grade organske biomolekule iz atmosfere, a neki od njih ispuštaju kisik u atmosferu. Heterotrofi koriste organske proizvode koje proizvode autotrofi kao hranu i vraćaju ih u atmosferu. Na taj način se odvija kontinuirana cirkulacija ugljika i kisika između životinjskog i biljnog svijeta. Izvor energije za ovaj kolosalni proces je sunčeva svetlost (slika 13-1).

Autotrofni i heterotrofni organizmi se mogu podijeliti u podklase. Postoje, na primjer, dvije velike podklase heterotrofa: aerobni i anaerobi. Aerobi žive u okruženju koje sadrži kisik i oksidiraju organske hranjive tvari molekularnim kisikom.

Rice. 13-1. Ciklus ugljičnog dioksida i ciklus kisika između dva područja Zemljine biosfere, fotosintetske i heterotrofne. Obim ovog ciklusa je ogroman. Godinu dana u biosferi kruži više od ugljenika. Ravnoteža između obrazovanja i potrošnje jedan je od važnih faktora koji određuju klimu na Zemlji. Sadržaj u atmosferi se povećao za oko 25% u posljednjih 100 godina zbog sve većeg sagorijevanja uglja i nafte. Neki naučnici tvrde da će dalje povećanje količine atmosfere dovesti do povećanja prosječne temperature atmosfere („staklenika“); ne slažu se svi s tim, jer je teško tačno odrediti količine koje se formiraju i koje su uključene u ponovljene cikluse u biosferi, kao i koje apsorbuju okeani. Potrebno je oko 300 godina da sve atmosfere prođe kroz biljke.

Anaerobima nije potreban kiseonik za oksidaciju hranljivih materija; žive u okruženju bez kiseonika. Mnoge ćelije, kao što je kvasac, mogu postojati i u aerobnim i u anaerobnim uslovima. Takvi organizmi se nazivaju fakultativni anaerobi. Međutim, za obavezne anaerobe koji nisu u stanju da koriste kiseonik, ovaj drugi je otrov. Takvi su, na primjer, organizmi koji žive duboko u tlu ili na morskom dnu. Većina heterotrofnih ćelija, posebno viših ćelija, su fakultativni anaerobi, ali u prisustvu kiseonika koriste aerobne metaboličke puteve za oksidaciju hranljivih materija.

U istom organizmu različite grupe ćelija mogu pripadati različitim klasama.

Na primjer, kod viših biljaka, ćelije lista koje sadrže zeleni hlorofil su fotosintetski autotrofi, a ćelije korijena bez hlorofila su heterotrofi. Štaviše, zelene ćelije lišća vode autotrofnu egzistenciju samo tokom dana. Noću funkcioniraju kao heterotrofi i dobivaju energiju koja im je potrebna oksidirajući ugljikohidrate koje sintetiziraju na svjetlu.

U ovom radu predlažemo da razmotrite šta je biološki ciklus. Koje su njegove funkcije i značaj za našu planetu. Takođe ćemo obratiti pažnju na pitanje izvora energije za njegovu implementaciju.

Ono što još trebate znati prije nego što razmotrimo biološki ciklus je da se naša planeta sastoji od tri ljuske:

• litosfera (tvrda školjka, grubo rečeno, ovo je zemlja po kojoj hodamo);
• hidrosfera (gdje se može pripisati sva voda, odnosno mora, rijeke, okeani itd.);
• atmosfera (gasovita ljuska, vazduh koji udišemo).

Postoje jasne granice između svih slojeva, ali oni su u stanju da prodiru jedan u drugi bez ikakvih poteškoća.

Kruženje supstanci

Svi ovi slojevi čine biosferu. Šta je biološki ciklus? To je kada se tvari kreću kroz biosferu, naime u tlu, zraku, u živim organizmima. Ova beskrajna cirkulacija naziva se biološki ciklus. Također je važno znati da sve počinje i završava u biljkama.

Ispod se krije nevjerovatno složen proces. Sve tvari iz tla i atmosfere ulaze u biljke, a zatim u druge žive organizme. Zatim, u tijelima koja su ih apsorbirala, oni počinju aktivno proizvoditi druge složene spojeve, nakon čega potonji izlaze. Možemo reći da je ovo proces u kojem dolazi do izražaja povezanost svega na našoj planeti. Organizmi komuniciraju jedni s drugima, jedini način na koji postojimo do danas.

Atmosfera nije uvijek bila onakva kakva je poznajemo. Ranije je naš zračni omotač bio vrlo različit od sadašnjeg, naime, bio je zasićen ugljičnim dioksidom i amonijakom. Kako su se onda pojavili ljudi koji koriste kiseonik za disanje? Trebamo zahvaliti zelenim biljkama koje su uspjele dovesti stanje naše atmosfere u oblik koji je ljudima potreban. Biljojedi apsorbiraju zrak i biljke, a također su uključeni u jelovnik grabežljivaca. Kada životinje uginu, njihove ostatke obrađuju mikroorganizmi. Tako se dobija humus neophodan za rast biljaka. Kao što vidite, krug je zatvoren.

Izvor energije

Biološki ciklus je nemoguć bez energije. Šta ili ko je izvor energije za organizovanje ove razmjene? Naravno, naš izvor toplotne energije je zvezda Sunce. Biološki ciklus je jednostavno nemoguć bez našeg izvora topline i svjetlosti. Sunce grije

• zrak;
• tlo;
• vegetacije.

Tokom zagrijavanja voda isparava, koja se počinje akumulirati u atmosferi u obliku oblaka. Sva voda će se na kraju vratiti na površinu Zemlje u obliku kiše ili snijega. Nakon povratka, ona natapa zemlju i usisava je korijenje raznih stabala. Ako je voda uspjela da prodre vrlo duboko, tada obnavlja rezerve podzemne vode, a dio se čak vraća u rijeke, jezera, mora i okeane.

Kao što znate, kada udišemo upijamo kiseonik i izdišemo ugljen-dioksid. Dakle, drveću je potrebna sunčeva energija kako bi preradila ugljični dioksid i vratila kisik u atmosferu. Ovaj proces se naziva fotosinteza.

Biološki ciklusi

Počnimo ovaj dio s konceptom "biološkog procesa". To je pojava koja se ponavlja. Možemo uočiti koji se sastoji od bioloških procesa koji se stalno ponavljaju u određenim intervalima.

Biološki proces se može vidjeti svuda, on je svojstven svim organizmima koji žive na planeti Zemlji. Također je dio svih nivoa organizacije. Odnosno, i unutar ćelije i u biosferi, možemo posmatrati ove procese. Možemo razlikovati nekoliko tipova (ciklusa) bioloških procesa:

• unutar dana;
• dnevnice;
• sezonski;
• godišnji;
• višegodišnji;
• vekovima star.

Godišnji ciklusi su najizraženiji. Mi ih posmatramo uvek i svuda, samo treba malo razmisliti o ovom pitanju.

Voda

Sada vas pozivamo da razmotrite biološki ciklus u prirodi na primjeru vode, najčešćeg spoja na našoj planeti. Ima mnogo sposobnosti, što mu omogućava da učestvuje u mnogim procesima unutar i izvan tijela. Život svih živih bića zavisi od ciklusa H 2 O u prirodi. Bez vode nas ne bi bilo, a planeta bi bila poput beživotne pustinje. Ona je u stanju da učestvuje u svim vitalnim procesima. Odnosno, možemo izvući sljedeći zaključak: svim živim bićima na planeti Zemlji jednostavno je potrebna čista voda.

Ali voda je uvijek kontaminirana kao rezultat bilo kakvih procesa. Kako onda sebi osigurati neiscrpnu zalihu čiste vode za piće? Priroda se pobrinula za to, trebamo zahvaliti za postojanje tog kruženja vode u prirodi. Već smo razgovarali o tome kako se sve ovo dešava. Voda isparava, skuplja se u oblake i pada kao padavine (kiša ili snijeg). Ovaj proces se naziva "hidrološki ciklus". Zasnovan je na četiri procesa:

• isparavanje;
• kondenzacija;
• padavine;
• oticanje vode.

Postoje dvije vrste ciklusa vode: veliki i mali.

Karbon

Sada ćemo razmotriti kako se biološko događa u prirodi. Takođe je važno znati da po procentu supstanci zauzima tek 16. mesto. Može se naći u obliku dijamanata i grafita. A njegov postotak u uglju prelazi devedeset posto. Ugljik je čak uključen i u atmosferu, ali je njegov sadržaj vrlo mali, oko 0,05 posto.

U biosferi, zahvaljujući ugljiku, jednostavno se stvara masa raznih organskih spojeva potrebnih cijelom životu na našoj planeti. Razmotrimo proces fotosinteze: biljke apsorbiraju ugljični dioksid iz atmosfere i recikliraju ga, kao rezultat imamo razne organske spojeve.

Fosfor

Vrijednost biološkog ciklusa je prilično velika. Čak i ako uzmemo fosfor, on se nalazi u velikim količinama u kostima, neophodan je biljkama. Glavni izvor je apatit. Može se naći u magmatskim stijenama. Živi organizmi ga mogu dobiti iz:

• tlo;
• vodni resursi.

Nalazi se i u ljudskom tijelu, naime, dio je:

• proteini;
• nukleinska kiselina;
• koštano tkivo;
• lecitin;
• armature i tako dalje.

Upravo je fosfor neophodan za akumulaciju energije u organizmu. Kada organizam umre, vraća se u tlo ili u more. To doprinosi stvaranju stijena bogatih fosforom. Ovo je od velike važnosti u biogenom ciklusu.

Nitrogen

Sada ćemo pogledati ciklus azota. Prije toga napominjemo da čini oko 80% ukupne zapremine atmosfere. Slažem se, ova brojka je prilično impresivna. Osim što je osnova sastava atmosfere, dušik se nalazi u biljnim i životinjskim organizmima. Možemo ga upoznati u obliku proteina.

Što se tiče ciklusa dušika, možemo reći sljedeće: nitrati nastaju iz atmosferskog dušika, koji sintetiziraju biljke. Proces stvaranja nitrata naziva se fiksacija dušika. Kada biljka ugine i trune, dušik koji sadrži ulazi u tlo u obliku amonijaka. Ovo drugo prerađuju (oksidiraju) organizmi koji žive u tlu, pa se pojavljuje dušična kiselina. U stanju je da reaguje sa karbonatima, koji su zasićeni u tlu. Osim toga, treba napomenuti da se dušik također oslobađa u čistom obliku kao rezultat propadanja biljaka ili u procesu sagorijevanja.

Sumpor

Kao i mnogi drugi elementi, vrlo je blisko povezan sa živim organizmima. Sumpor ulazi u atmosferu kao rezultat vulkanskih erupcija. Sulfidni sumpor se može preraditi od strane mikroorganizama, tako da se rađaju sulfati. Potonje biljke apsorbiraju, sumpor je dio eteričnih ulja. Što se tiče tijela, sumpor možemo pronaći u:

• amino kiseline;
• proteini.

Je li izvanredni ruski naučnik akademik V.I. Vernadsky.

Biosfera- složeni vanjski omotač Zemlje, koji sadrži ukupnost živih organizama i onaj dio tvari planete koji je u procesu kontinuirane razmjene sa tim organizmima. Ovo je jedna od najvažnijih geosfera Zemlje, koja je glavna komponenta prirodnog okruženja koje okružuje čovjeka.

Zemlja je sastavljena od koncentričnih školjke(geosfere) i unutrašnje i spoljašnje. Unutrašnji su jezgro i plašt, a spoljašnji su: litosfera - kamena ljuska Zemlje, uključujući zemljinu koru (slika 1) debljine od 6 km (pod okeanom) do 80 km (planinski sistemi); hidrosfera - vodena školjka Zemlje; atmosfera- plinoviti omotač Zemlje, koji se sastoji od mješavine raznih plinova, vodene pare i prašine.

Na nadmorskoj visini od 10 do 50 km nalazi se ozonski omotač, čija je najveća koncentracija na visini od 20-25 km, koji štiti Zemlju od prekomjernog ultraljubičastog zračenja, koje je pogubno za organizam. Biosfera takođe pripada ovde (spoljnim geosferama).

biosfera - vanjski omotač Zemlje, koji uključuje dio atmosfere do visine od 25-30 km (do ozonskog omotača), gotovo cijelu hidrosferu i gornji dio litosfere do dubine od oko 3 km

Rice. 1. Shema strukture zemljine kore

(Sl. 2). Posebnost ovih dijelova je da ih naseljavaju živi organizmi koji čine živu tvar planete. Interakcija abiotski dio biosfere- vazduh, voda, stene i organske materije - biota dovelo do stvaranja tla i sedimentnih stijena.

Rice. 2. Struktura biosfere i odnos površina koje zauzimaju glavne strukturne jedinice

Krug supstanci u biosferi i ekosistemima

Sva hemijska jedinjenja dostupna živim organizmima u biosferi su ograničena. Iscrpljivost hemijskih supstanci pogodnih za asimilaciju često ometa razvoj određenih grupa organizama u lokalnim područjima kopna ili okeana. Prema riječima akademika V.R. Williams, jedini način da se daju konačna svojstva beskonačnog je da ga rotiramo duž zatvorene krive. Posljedično, stabilnost biosfere se održava zahvaljujući kruženju tvari i tokovima energije. Dostupan dva glavna ciklusa supstanci: veliki - geološki i mali - biogeohemijski.

Veliki geološki ciklus(Sl. 3). Kristalne stijene (magmatske) pod utjecajem fizičkih, kemijskih i bioloških faktora pretvaraju se u sedimentne stijene. Pijesak i glina tipični su sedimenti, produkti transformacije dubokih stijena. Međutim, do stvaranja sedimenata ne dolazi samo zbog uništavanja postojećih stijena, već i sintezom biogenih minerala - skeleta mikroorganizama - iz prirodnih resursa - oceanskih voda, mora i jezera. Rastresiti vodeni sedimenti, budući da su izolovani na dnu akumulacija novim delovima sedimentnog materijala, uronjeni do dubine, padajući u nove termodinamičke uslove (više temperature i pritisci), gube vodu, stvrdnjavaju se, pretvarajući se u sedimentne stene.

U budućnosti, ove stijene tonu u još dublje horizonte, gdje se odvijaju procesi njihove duboke transformacije u nove temperaturne i tlačne uvjete - procesi metamorfizma.

Pod utjecajem endogenih energetskih tokova, duboke stijene se pretapaju, formirajući magmu - izvor novih magmatskih stijena. Nakon izdizanja ovih stijena na površinu Zemlje, pod utjecajem procesa trošenja i transporta, ponovo se pretvaraju u nove sedimentne stijene.

Dakle, velika cirkulacija je posljedica interakcije sunčeve (egzogene) energije sa dubokom (endogenom) energijom Zemlje. On redistribuira supstance između biosfere i dubljih horizonata naše planete.

Rice. 3. Velika (geološka) cirkulacija tvari (tanke strelice) i promjena raznolikosti u zemljinoj kori (pune široke strelice - rast, isprekidane - smanjenje raznolikosti)

Veliki krug naziva se i ciklus vode između hidrosfere, atmosfere i litosfere, koji pokreće energija sunca. Voda isparava s površine vodenih tijela i kopna, a zatim se vraća na Zemlju u obliku padavina. Isparavanje premašuje padavine iznad okeana, i obrnuto nad kopnom. Ove razlike se kompenziraju riječnim tokovima. Kopnena vegetacija igra važnu ulogu u globalnom ciklusu vode. Transpiracija biljaka u određenim područjima zemljine površine može iznositi do 80-90% padavina koje padaju ovdje, au prosjeku za sve klimatske zone - oko 30%. Za razliku od velikog ciklusa, mali ciklus supstanci se dešava samo u biosferi. Odnos između velikog i malog ciklusa vode prikazan je na sl. četiri.

Ciklusi na planetarnoj skali nastaju iz bezbrojnih lokalnih cikličkih kretanja atoma potaknutih vitalnom aktivnošću organizama u pojedinim ekosistemima, te onih kretanja koja su uzrokovana djelovanjem krajobraznih i geoloških faktora (površinsko i podzemno otjecanje, erozija vjetrom, kretanje morsko dno, vulkanizam, izgradnja planina, itd.).

Rice. 4. Odnos između velikog geološkog ciklusa (GBC) vode i malog biogeohemijskog ciklusa (MBC) vode

Za razliku od energije, koju tijelo jednom iskoristi, pretvara se u toplinu i gubi, tvari u biosferi kruže stvarajući biogeohemijske cikluse. Od više od devedeset elemenata koji se nalaze u prirodi, živim organizmima je potrebno oko četrdeset. Najvažniji za njih su potrebni u velikim količinama - ugljik, vodonik, kisik, dušik. Ciklusi elemenata i supstanci odvijaju se kroz samoregulirajuće procese u kojima učestvuju sve komponente. Ovi procesi su bez otpada. Postoji zakon globalnog zatvaranja biogeohemijske cirkulacije u biosferi djeluje u svim fazama svog razvoja. U procesu evolucije biosfere, uloga biološke komponente u zatvaranju biogeokem.
kome ciklus. Čovek ima još veći uticaj na biogeohemijski ciklus. Ali njegova uloga se očituje u suprotnom smjeru (otvaraju se cirkulacije). Osnova biogeohemijske cirkulacije tvari je energija Sunca i hlorofil zelenih biljaka. Drugi najvažniji ciklusi - voda, ugljik, dušik, fosfor i sumpor - povezani su s biogeohemijom i doprinose tome.

Kruženje vode u biosferi

Biljke koriste vodeni vodonik tokom fotosinteze za izgradnju organskih jedinjenja, oslobađajući molekularni kiseonik. U procesima disanja svih živih bića, tokom oksidacije organskih jedinjenja, ponovo nastaje voda. U istoriji života, sva slobodna voda hidrosfere je više puta prolazila kroz cikluse raspadanja i novoformiranja u živoj materiji planete. Oko 500.000 km 3 vode učestvuje u kruženju vode na Zemlji svake godine. Krug vode i njegove rezerve prikazani su na sl. 5 (relativno).

Krug kiseonika u biosferi

Svoju jedinstvenu atmosferu sa visokim sadržajem slobodnog kiseonika Zemlja duguje procesu fotosinteze. Formiranje ozona u visokim slojevima atmosfere usko je povezano sa ciklusom kiseonika. Kiseonik se oslobađa iz molekula vode i u suštini je nusproizvod fotosintetske aktivnosti u biljkama. Abiotički, kiseonik nastaje u gornjim slojevima atmosfere zbog fotodisocijacije vodene pare, ali ovaj izvor je samo hiljaditi deo procenta onih koji se dobijaju fotosintezom. Između sadržaja kiseonika u atmosferi i hidrosfere postoji pokretna ravnoteža. U vodi je oko 21 puta manje.

Rice. Slika 6. Šema ciklusa kiseonika: podebljane strelice - glavni tokovi snabdevanja i potrošnje kiseonika

Oslobođeni kiseonik se intenzivno troši na procese disanja svih aerobnih organizama i na oksidaciju različitih mineralnih jedinjenja. Ovi se procesi odvijaju u atmosferi, zemljištu, vodi, mulju i stijenama. Pokazalo se da je značajan dio kiseonika vezanog u sedimentnim stijenama fotosintetskog porijekla. Razmjenski fond O u atmosferi nije veći od 5% ukupne proizvodnje fotosinteze. Mnoge anaerobne bakterije također oksidiraju organsku materiju tokom anaerobnog disanja koristeći za to sulfate ili nitrate.

Za potpunu razgradnju organske tvari koju stvaraju biljke potrebna je potpuno ista količina kisika koja je oslobođena tokom fotosinteze. Zakopavanje organskih materija u sedimentne stijene, ugalj i treset poslužilo je kao osnova za održavanje fonda za razmjenu kisika u atmosferi. Sav kiseonik koji sadrži prolazi puni ciklus kroz žive organizme za oko 2000 godina.

Danas je značajan dio atmosferskog kisika vezan kao rezultat transporta, industrije i drugih oblika antropogenih aktivnosti. Poznato je da čovječanstvo već troši više od 10 milijardi tona slobodnog kisika od njegove ukupne količine od 430-470 milijardi tona dobivenih procesima fotosinteze. Ako se uzme u obzir da samo mali dio fotosintetskog kisika ulazi u fond za razmjenu, aktivnost ljudi u tom pogledu počinje poprimati alarmantne razmjere.

Ciklus kiseonika je usko povezan sa ciklusom ugljenika.

Krug ugljika u biosferi

Ugljik kao hemijski element je osnova života. Može se kombinirati s mnogim drugim elementima na različite načine, formirajući jednostavne i složene organske molekule koje su dio živih stanica. U pogledu rasprostranjenosti na planeti, ugljenik zauzima jedanaesto mjesto (0,35% težine zemljine kore), ali u živoj materiji u prosjeku čini oko 18 ili 45% suhe biomase.

U atmosferi je ugljenik uključen u sastav ugljen-dioksida CO 2 , u manjoj meri - u sastav metana CH 4 . U hidrosferi je CO 2 otopljen u vodi, a njegov ukupni sadržaj je mnogo veći od atmosferskog. Okean služi kao snažan tampon za regulaciju CO 2 u atmosferi: s povećanjem njegove koncentracije u zraku, povećava se apsorpcija ugljičnog dioksida u vodi. Neki od molekula CO 2 reaguju sa vodom, formirajući ugljičnu kiselinu, koja se zatim disocira na jone HCO 3 - i CO 2- 3. Ovi joni reaguju sa kationima kalcijuma ili magnezijuma i talože karbonate. Slične reakcije leže u osnovi puferskog sistema okeana, održavajući pH vode konstantnim.

Ugljični dioksid atmosfere i hidrosfere je zamjenski fond u ciklusu ugljika, odakle ga crpe kopnene biljke i alge. Fotosinteza je osnova svih bioloških ciklusa na Zemlji. Oslobađanje fiksiranog ugljika događa se tokom respiratorne aktivnosti samih fotosintetskih organizama i svih heterotrofa – bakterija, gljiva, životinja uključenih u lanac ishrane na račun žive ili mrtve organske tvari.

Rice. 7. Ciklus ugljika

Posebno je aktivan povratak CO 2 u atmosferu iz tla, gdje je koncentrisana aktivnost brojnih grupa organizama, razgrađujući ostatke uginulih biljaka i životinja i vrši se disanje korijenskog sistema biljaka. Ovaj integralni proces se naziva "disanjem tla" i daje značajan doprinos popunjavanju fonda za razmjenu CO 2 u zraku. Paralelno sa procesima mineralizacije organske materije, u tlima se formira humus - složen i stabilan molekularni kompleks bogat ugljenikom. Humus u tlu je jedan od važnih rezervoara ugljika na kopnu.

U uslovima u kojima je aktivnost destruktora inhibirana faktorima okoline (na primjer, kada se u tlu i na dnu vodenih tijela javlja anaerobni režim), organska tvar akumulirana vegetacijom se ne razgrađuje, pretvarajući se vremenom u stijene kao što je ugalj, treset, sapropel, uljni škriljci i drugi bogati akumuliranom sunčevom energijom. Oni nadopunjuju rezervni fond ugljika, dugo vremena isključeni iz biološkog ciklusa. Ugljik se također privremeno taloži u živoj biomasi, u mrtvom smeću, u otopljenoj organskoj tvari oceana itd. kako god glavni rezervni fond ugljenika na zapisu nisu živi organizmi i nisu zapaljivi fosili, već sedimentne stijene su krečnjaci i dolomiti. Njihovo formiranje je takođe povezano sa aktivnošću žive materije. Ugljik ovih karbonata dugo je zakopan u utrobi Zemlje i ulazi u cirkulaciju tek tokom erozije kada se stijene izlažu u tektonskim ciklusima.

Samo djelići procenta ugljika od njegove ukupne količine na Zemlji učestvuju u biogeohemijskom ciklusu. Ugljik iz atmosfere i hidrosfere stalno prolazi kroz žive organizme. Kopnene biljke su u stanju da iscrpe svoje rezerve u vazduhu za 4-5 godina, rezerve u tlu humusa - za 300-400 godina. Glavni povratak ugljika u fond za razmjenu događa se zbog aktivnosti živih organizama, a samo mali dio (hiljaditim dijelovima postotka) nadoknađuje se oslobađanjem iz unutrašnjosti Zemlje u sklopu vulkanskih plinova.

Trenutačno vađenje i spaljivanje ogromnih rezervi fosilnih goriva postaje moćan faktor u prijenosu ugljika iz rezervi u razmjenski fond biosfere.

Krug azota u biosferi

Atmosfera i živa materija sadrže manje od 2% ukupnog dušika na Zemlji, ali on je taj koji podržava život na planeti. Azot je deo najvažnijih organskih molekula – DNK, proteina, lipoproteina, ATP, hlorofila itd. U biljnim tkivima njegov odnos sa ugljenikom je u proseku 1:30, a u morskoj travi I:6. Biološki ciklus azota je stoga je takođe blisko povezan sa ugljenikom.

Molekularni dušik iz atmosfere nije dostupan biljkama, koje mogu apsorbirati ovaj element samo u obliku amonijevih jona, nitrata ili iz tla ili vodenih otopina. Stoga je nedostatak dušika često faktor koji ograničava primarnu proizvodnju – rad organizama povezan sa stvaranjem organskih tvari iz neorganskih. Ipak, atmosferski dušik je naširoko uključen u biološki ciklus zbog aktivnosti posebnih bakterija (fiksatora dušika).

Mikroorganizmi koji amonifikuju takođe imaju važnu ulogu u ciklusu azota. Oni razgrađuju proteine ​​i druge organske tvari koje sadrže dušik u amonijak. U amonijevom obliku dušik se dijelom reapsorbuje u korijenu biljaka, a dijelom presreta nitrifikacijskim mikroorganizmima, što je suprotno funkcijama grupe mikroorganizama - denitrifikatora.

Rice. 8. Ciklus azota

U anaerobnim uvjetima u tlu ili vodama, oni koriste kisik iz nitrata za oksidaciju organske tvari, dobivajući energiju za svoju životnu aktivnost. Dušik se redukuje u molekularni dušik. Fiksacija dušika i denitrifikacija u prirodi su približno uravnoteženi. Ciklus dušika stoga pretežno ovisi o aktivnosti bakterija, dok biljke u njega ulaze koristeći međuproizvode ovog ciklusa i uvelike povećavaju cirkulaciju dušika u biosferi kroz proizvodnju biomase.

Uloga bakterija u ciklusu azota je tolika da ako se uništi samo 20 njihovih vrsta, život na našoj planeti će prestati.

Nebiološka fiksacija dušika i ulazak njegovih oksida i amonijaka u tlo također se javlja kod padavina tokom atmosferske jonizacije i munje. Moderna industrija đubriva fiksira atmosferski dušik koji je veći od prirodnog fiksiranja dušika kako bi se povećala proizvodnja usjeva.

Trenutno ljudska aktivnost sve više utiče na ciklus azota, uglavnom u pravcu prevazilaženja njegove konverzije u vezane forme u odnosu na procese vraćanja u molekularno stanje.

Krug fosfora u biosferi

Ovaj element, neophodan za sintezu mnogih organskih supstanci, uključujući ATP, DNK, RNK, biljke apsorbuju samo u obliku jona ortofosforne kiseline (PO 3 4 +). Spada u elemente koji ograničavaju primarnu proizvodnju kako na kopnu, tako i posebno u okeanu, jer je razmjenski fond fosfora u tlu i vodama mali. Cirkulacija ovog elementa na skali biosfere nije zatvorena.

Na kopnu biljke izvlače fosfate iz tla, koje razlagači oslobađaju iz raspadajućih organskih ostataka. Međutim, u alkalnom ili kiselom tlu, topljivost fosfornih spojeva naglo opada. Glavni rezervni fond fosfata sadržan je u stijenama stvorenim na dnu oceana u geološkoj prošlosti. U toku ispiranja stijena, dio ovih rezervi prelazi u tlo i ispire se u vodena tijela u obliku suspenzija i otopina. U hidrosferi, fosfate koristi fitoplankton, prolazeći kroz lance ishrane do drugih hidrobionta. Međutim, u okeanu je većina jedinjenja fosfora zakopana s ostacima životinja i biljaka na dnu, nakon čega slijedi prijelaz sa sedimentnim stijenama u veliki geološki ciklus. Na dubini, otopljeni fosfati se vezuju za kalcijum, formirajući fosforite i apatite. U biosferi, zapravo, postoji jednosmjerni tok fosfora iz stijena kopna u dubine okeana, stoga je njegov razmjenski fond u hidrosferi vrlo ograničen.

Rice. 9. Ciklus fosfora

Prizemne naslage fosforita i apatita koriste se u proizvodnji đubriva. Ulazak fosfora u slatku vodu jedan je od glavnih razloga njihovog "cvjetanja".

Krug sumpora u biosferi

Krug sumpora, neophodan za izgradnju niza aminokiselina, odgovoran je za trodimenzionalnu strukturu proteina, a u biosferi ga podržava širok spektar bakterija. Aerobni mikroorganizmi, koji oksidiraju sumpor organskih ostataka u sulfate, kao i anaerobni reduktori sulfata, koji redukuju sulfate u sumporovodik, učestvuju u zasebnim karikama ovog ciklusa. Osim navedenih grupa sumpornih bakterija, oksidiraju sumporovodik u elementarni sumpor i dalje u sulfate. Biljke apsorbuju samo jona SO 2-4 iz zemlje i vode.

Prsten u sredini ilustruje procese oksidacije (O) i redukcije (R) koji razmjenjuju sumpor između raspoloživog sulfatnog bazena i bazena željeznog sulfida duboko u tlu i sedimentu.

Rice. 10. Ciklus sumpora. Prsten u sredini ilustruje procese oksidacije (0) i redukcije (R) koji razmjenjuju sumpor između raspoloživog sulfatnog bazena i bazena željeznog sulfida duboko u tlu i sedimentu.

Glavna akumulacija sumpora se dešava u okeanu, gde se sulfatni joni kontinuirano snabdevaju sa kopna sa rečnim oticanjem. Kada se sumporovodik oslobodi iz voda, sumpor se djelimično vraća u atmosferu, gdje se oksidira u dioksid, pretvarajući se u sumpornu kiselinu u kišnici. Industrijska upotreba velikih količina sulfata i elementarnog sumpora i sagorijevanje fosilnih goriva oslobađaju velike količine sumpor-dioksida u atmosferu. Ovo šteti vegetaciji, životinjama, ljudima i služi kao izvor kiselih kiša, što pogoršava negativne efekte ljudske intervencije u ciklusu sumpora.

Brzina cirkulacije tvari

Svi ciklusi supstanci odvijaju se različitim brzinama (slika 11)

Dakle, ciklusi svih biogenih elemenata na planeti su podržani složenom interakcijom različitih dijelova. Nastaju delovanjem grupa organizama sa različitim funkcijama, sistemom oticanja i isparavanja koji povezuje okean i kopno, procesima kruženja vodenih i vazdušnih masa, dejstvom gravitacionih sila, tektonikom litosferskih ploča, i drugim velikim geološkim i geofizičkim procesima.

Biosfera djeluje kao jedinstven složen sistem u kojem se odvijaju različiti ciklusi supstanci. Glavni motor ovih ciklusi su živa supstanca planete, svih živih organizama, obezbeđivanje procesa sinteze, transformacije i razgradnje organske materije.

Rice. 11. Brzina cirkulacije tvari (P. Cloud, A. Jibor, 1972.)

Osnova ekološkog pogleda na svijet je ideja da je svako živo biće okruženo mnogim različitim faktorima koji na njega utiču, a koji zajedno čine njegovo stanište – biotop. shodno tome, biotop - deo teritorije koji je homogen u pogledu uslova života za određene vrste biljaka ili životinja(nagib jaruge, urbana park šuma, malo jezero ili dio većeg, ali sa homogenim uslovima - primorski dio, dubokovodni dio).

Organizmi karakteristični za određeni biotop su životna zajednica, odnosno biocenoza(životinje, biljke i mikroorganizmi jezera, livade, obalnog pojasa).

Životna zajednica (biocenoza) čini jedinstvenu cjelinu sa svojim biotopom koji se naziva ekološki sistem (ekosistem). Mravinjak, jezero, bara, livada, šuma, grad, farma mogu poslužiti kao primjer prirodnih ekosistema. Klasičan primjer vještačkog ekosistema je svemirski brod. Kao što vidite, ovdje ne postoji stroga prostorna struktura. Pojam je blizak konceptu ekosistema biogeocenoza.

Glavne komponente ekosistema su:

• neživo (abiotičko) okruženje. To su voda, minerali, gasovi, kao i organske materije i humus;
• biotičke komponente. Tu spadaju: proizvođači ili proizvođači (zelene biljke), potrošači ili potrošači (živa bića koja se hrane proizvođačima) i razlagači, ili razlagači (mikroorganizmi).

Priroda je izuzetno ekonomična. Dakle, biomasa koju stvaraju organizmi (tvar tijela organizama) i energija sadržana u njima se prenose na druge članove ekosistema: životinje jedu biljke, te životinje jedu druge životinje. Ovaj proces se zove prehrambeni ili trofički lanac. U prirodi se lanci ishrane često ukrštaju, formiranje mreže hrane.

Primjeri lanaca ishrane: biljka - biljožder - grabežljivac; žitarica - poljski miš - lisica itd. i mreža ishrane prikazani su na sl. 12.

Dakle, stanje ravnoteže u biosferi zasniva se na interakciji biotičkih i abiotskih faktora životne sredine, koja se održava usled kontinuirane razmene materije i energije između svih komponenti ekosistema.

U zatvorenim ciklusima prirodnih ekosistema, uz ostale, obavezno je učešće dva faktora: prisustvo razlagača i stalno snabdevanje sunčevom energijom. U urbanim i veštačkim ekosistemima ima malo ili nimalo razlagača, pa se tečni, čvrsti i gasoviti otpad akumuliraju, zagađujući životnu sredinu.

Rice. 12. Mreža hrane i smjer toka materije

• uvodna lekcija je besplatno;
• Veliki broj iskusnih nastavnika (maternji i ruski);
• Kursevi NE za određeni period (mjesec, šest mjeseci, godina), već za određeni broj časova (5, 10, 20, 50);
• Preko 10.000 zadovoljnih kupaca.
• Cijena jedne lekcije sa nastavnikom koji govori ruski - od 600 rubalja, sa izvornim govornikom - od 1500 rubalja

Krug supstanci u biosferi

Osnova samoodrživog života na Zemlji su biogeohemijski ciklusi. Svi hemijski elementi koji se koriste u životnim procesima organizama vrše stalna kretanja, krećući se od živih tijela do spojeva nežive prirode i obrnuto. Mogućnost ponovnog korištenja istih atoma čini život na Zemlji praktično vječnim, pod uslovom da se konstantno isporučuje odgovarajuća količina energije.

Vrste ciklusa supstanci. Biosferu Zemlje na određeni način karakterizira postojeće kruženje tvari i protok energije. Kruženje supstanci – višestruko učešće tvari u procesima koji se odvijaju u atmosferi, hidrosferi i litosferi, uključujući i one slojeve koji su dio Zemljine biosfere. Kruženje supstanci odvija se kontinuiranim protokom (protokom) vanjske energije Sunca i unutrašnje energije Zemlje.

U zavisnosti od pokretačke sile, sa određenim stepenom konvencije, unutar kruženja supstanci mogu se razlikovati geološki, biološki i antropogeni ciklusi. Prije pojave čovjeka na Zemlji, izvršena su samo prva dva.

Geološki ciklus (velika cirkulacija tvari u prirodi) – kruženje tvari čija su pokretačka snaga egzogeni i endogeni geološki procesi.

Endogeni procesi(procesi unutrašnje dinamike) nastaju pod uticajem unutrašnje energije Zemlje. To je energija koja se oslobađa kao rezultat radioaktivnog raspada, hemijskih reakcija stvaranja minerala, kristalizacije stijena itd. Endogeni procesi uključuju: tektonska kretanja, zemljotrese, magmatizam, metamorfizam. Egzogeni procesi(procesi spoljašnje dinamike) odvijaju se pod uticajem spoljašnje energije Sunca. Egzogeni procesi uključuju trošenje stijena i minerala, uklanjanje produkata destrukcije iz nekih područja zemljine kore i njihovo prenošenje u nova područja, taloženje i akumulaciju produkata razaranja uz formiranje sedimentnih stijena. Egzogeni procesi obuhvataju geološku aktivnost atmosfere, hidrosfere (rijeke, privremeni potoci, podzemne vode, mora i okeani, jezera i močvare, led), kao i živih organizama i ljudi.

Najveći oblici reljefa (kontinenti i okeanske depresije) i veliki oblici reljefa (planine i ravnice) nastali su endogenim procesima, dok su srednji i mali oblici reljefa (rečne doline, brda, jaruge, dine, itd.), superponirani na veće reljefne oblike, - kroz egzogenih procesa. Dakle, endogeni i egzogeni procesi su suprotni po svom djelovanju. Prvi dovode do formiranja velikih reljefa, a drugi do njihovog zaglađivanja.

Magmatske stijene se pretvaraju u sedimentne stijene kao rezultat vremenskih prilika. U pokretnim zonama zemljine kore, uranjaju duboko u Zemlju. Tamo se pod utjecajem visokih temperatura i pritisaka pretapaju i formiraju magmu koja, izdižući se na površinu i stvrdnjavajući, formira magmatske stijene.

Dakle, geološka cirkulacija tvari odvija se bez sudjelovanja živih organizama i preraspoređuje materiju između biosfere i dubljih slojeva Zemlje.

Biološki (biogeohemijski) ciklus (mali ciklus supstanci u biosferi) – ciklus supstanci, čija je pokretačka snaga aktivnost živih organizama. Za razliku od velikog geološkog ciklusa, mali biogeohemijski ciklus supstanci odvija se unutar biosfere. Glavni izvor energije ciklusa je sunčevo zračenje koje stvara fotosintezu. U ekosustavu, organske tvari sintetiziraju autotrofi iz neorganskih tvari. Zatim ih konzumiraju heterotrofi. Kao rezultat izlučivanja tokom životne aktivnosti ili nakon smrti organizama (i autotrofa i heterotrofa), organske tvari prolaze kroz mineralizaciju, odnosno transformaciju u neorganske tvari. Ove anorganske supstance mogu se ponovo koristiti za sintezu organskih supstanci od strane autotrofa.

U biogeohemijskim ciklusima treba razlikovati dva dela:

1) rezervni fond - to je dio supstance koja nije povezana sa živim organizmima;

2) fond za razmenu - mnogo manji dio materije koji se direktno razmjenjuje između organizama i njihove neposredne okoline. Ovisno o lokaciji rezervnog fonda, biogeohemijski ciklusi se mogu podijeliti u dvije vrste:

1) Ciklusi gasnog tipa sa rezervnim fondom tvari u atmosferi i hidrosferi (kruženja ugljika, kisika, dušika).

2) Sedimentni vrtlozi sa rezervnim fondom u zemljinoj kori (kruženje fosfora, kalcijuma, gvožđa itd.).

Ciklusi gasnog tipa su savršeniji, jer imaju veliki fond razmene, što znači da su sposobni za brzu samoregulaciju. Sedimentni ciklusi su manje savršeni, oni su inertniji, jer je najveći dio materije sadržan u rezervnom fondu zemljine kore u obliku "nepristupačnom" živim organizmima. Takvi ciklusi se lako poremete raznim vrstama utjecaja, a dio razmijenjenog materijala napušta ciklus. Može se ponovo vratiti u cirkulaciju samo kao rezultat geoloških procesa ili vađenjem živom materijom. Međutim, mnogo je teže izdvojiti tvari neophodne za žive organizme iz zemljine kore nego iz atmosfere.

Intenzitet biološkog ciklusa prvenstveno je određen temperaturom okoline i količinom vode. Tako, na primjer, biološki ciklus se odvija intenzivnije u vlažnim tropskim šumama nego u tundri.

Pojavom čovjeka nastala je antropogena cirkulacija, odnosno metabolizam tvari. Antropogeni ciklus (razmjena) – cirkulacija (razmjena) supstanci, čija je pokretačka snaga ljudska aktivnost. Ima dvije komponente: biološki, povezan sa funkcionisanjem čoveka kao živog organizma, i tehnički, povezane sa ekonomskim aktivnostima ljudi (tehnogeni ciklus).

Geološki i biološki ciklusi su uglavnom zatvoreni, što se ne može reći za antropogeni ciklus. Stoga se često ne govori o antropogenom ciklusu, već o antropogenom metabolizmu. Otvorenost antropogenog kruženja supstanci dovodi do iscrpljivanje prirodnih resursa i zagađenje životne sredine – glavni uzroci svih ekoloških problema čovječanstva.

Ciklusi glavnih biogenih supstanci i elemenata. Razmotrite cikluse najznačajnijih supstanci i elemenata za žive organizme. Krug vode spada u velike geološke, a ciklusi biogenih elemenata (ugljenik, kiseonik, azot, fosfor, sumpor i drugi biogeni elementi) - u male biogeohemijske.

Vodeni ciklus između kopna i okeana kroz atmosferu odnosi se na veliki geološki ciklus. Voda isparava s površine okeana i ili se prenosi na kopno, gdje pada u obliku padavina, koje se ponovo vraćaju u okean u obliku površinskog i podzemnog oticanja, ili pada u obliku padavina na površinu okeana. okean. Više od 500 hiljada km3 vode učestvuje u kruženju vode na Zemlji svake godine. Vodeni ciklus u cjelini igra veliku ulogu u oblikovanju prirodnih uslova na našoj planeti. Uzimajući u obzir transpiraciju vode od strane biljaka i njenu apsorpciju u biogeohemijskom ciklusu, cjelokupna zaliha vode na Zemlji propada i obnavlja se za 2 miliona godina.

Ciklus ugljenika. Proizvođači hvataju ugljični dioksid iz atmosfere i pretvaraju ga u organske tvari, potrošači apsorbiraju ugljik u obliku organskih tvari s tijelima proizvođača i potrošača nižeg reda, razlagači mineraliziraju organske tvari i vraćaju ugljik u atmosferu u obliku ugljičnog dioksida. . U okeanima je ciklus ugljika kompliciran činjenicom da dio ugljika sadržanog u mrtvim organizmima tone na dno i akumulira se u sedimentnim stijenama. Ovaj dio ugljika je isključen iz biološkog ciklusa i ulazi u geološki ciklus materije.

Šume su glavni rezervoar biološki vezanog ugljika, sadrže do 500 milijardi tona ovog elementa, što je 2/3 njegovih rezervi u atmosferi. Ljudska intervencija u ciklusu ugljenika (sagorevanje uglja, nafte, gasa, dehumifikacija) dovodi do povećanja sadržaja CO2 u atmosferi i razvoja efekta staklene bašte.

Brzina ciklusa CO2, odnosno vrijeme potrebno da sav ugljični dioksid u atmosferi prođe kroz živu tvar, je oko 300 godina.

Ciklus kiseonika. Ciklus kiseonika se uglavnom odvija između atmosfere i živih organizama. U osnovi, slobodni kisik (0^) ulazi u atmosferu kao rezultat fotosinteze zelenih biljaka, a troši se u procesu disanja životinja, biljaka i mikroorganizama te prilikom mineralizacije organskih ostataka. Mala količina kiseonika nastaje iz vode i ozona pod uticajem ultraljubičastog zračenja. Velika količina kiseonika se troši na oksidativne procese u zemljinoj kori, tokom vulkanskih erupcija itd. Glavni udio kisika proizvode kopnene biljke - skoro 3/4, a ostatak - fotosintetski organizmi oceana. Brzina ciklusa je oko 2 hiljade godina.

Utvrđeno je da se 23% kiseonika, koji nastaje u procesu fotosinteze, godišnje potroši za industrijske i kućne potrebe, a ta brojka se stalno povećava.

Ciklus azota. Zalihe azota (N2) u atmosferi su ogromne (78% njene zapremine). Međutim, biljke ne mogu apsorbirati slobodni dušik, već samo u vezanom obliku, uglavnom u obliku NH4+ ili NO3–. Slobodni dušik iz atmosfere vezuju bakterije koje fiksiraju dušik i pretvaraju se u oblike dostupne biljkama. U biljkama se dušik fiksira u organskoj tvari (u proteinima, nukleinskim kiselinama itd.) i prenosi se duž lanaca ishrane. Nakon smrti živih organizama, razlagači mineraliziraju organske tvari i pretvaraju ih u amonijeva jedinjenja, nitrate, nitrite, te u slobodni dušik koji se vraća u atmosferu.

Nitrati i nitriti su vrlo topljivi u vodi i mogu migrirati u podzemne vode i biljke i prenijeti se lancima ishrane. Ako je njihova količina pretjerano velika, što se često opaža kod nepravilne upotrebe dušičnih gnojiva, tada su voda i hrana zagađeni i uzrokuju bolesti ljudi.

Ciklus fosfora. Najveći dio fosfora sadržan je u stijenama formiranim u prošlim geološkim epohama. Fosfor je uključen u biogeohemijski ciklus kao rezultat trošenja stijena. U kopnenim ekosistemima biljke izvlače fosfor iz tla (uglavnom u obliku PO43–) i uključuju ga u organska jedinjenja (proteini, nukleinske kiseline, fosfolipidi itd.) ili ga ostavljaju u neorganskom obliku. Nadalje, fosfor se prenosi kroz lance ishrane. Nakon smrti živih organizama i sa njihovim izlučevinama, fosfor se vraća u tlo.

Nepravilnim korištenjem fosfornih gnojiva, vodenom i vjetrom erozije tla, velike količine fosfora se uklanjaju iz tla. S jedne strane, to dovodi do prekomjerne potrošnje fosfornih gnojiva i iscrpljivanja rezervi ruda koje sadrže fosfor (fosforiti, apatiti, itd.). S druge strane, ulazak velikih količina biogenih elemenata kao što su fosfor, dušik, sumpor itd. iz tla u vodena tijela, uzrokuje brzi razvoj cijanobakterija i drugih vodenih biljaka („cvjetanje“ vode) i eutrofikacija rezervoari. Ali većina fosfora se odnosi u more.

U vodenim ekosistemima, fosfor preuzima fitoplankton i prenosi se kroz lanac ishrane do morskih ptica. Njihov izmet ili odmah pada nazad u more, ili se prvo nakuplja na obali, a onda se ionako ispire u more. Iz umirućih morskih životinja, posebno riba, fosfor ponovo ulazi u more i ulazi u ciklus, ali neki od skeleta riba dosežu velike dubine, a fosfor koji se nalazi u njima ponovo ulazi u sedimentne stijene, odnosno isključuje se iz biogeohemije. ciklus.

Ciklus sumpora. Glavni rezervni fond sumpora nalazi se u sedimentima i tlu, ali za razliku od fosfora, rezervni fond postoji u atmosferi. Glavna uloga u uključivanju sumpora u biogeohemijski ciklus pripada mikroorganizmima. Neki od njih su redukcioni agensi, drugi su oksidanti.

U stijenama se sumpor javlja u obliku sulfida (FeS2, itd.), u otopinama - u obliku jona (SO42–), u plinovitoj fazi u obliku sumporovodika (H2S) ili sumpordioksida (SO2) . U nekim organizmima sumpor se akumulira u svom čistom obliku, a kada umru, na dnu mora nastaju naslage prirodnog sumpora.

U kopnenim ekosistemima, sumpor ulazi u biljke iz tla uglavnom u obliku sulfata. U živim organizmima sumpor se nalazi u proteinima, u obliku jona itd. Nakon smrti živih organizama, dio sumpora se obnavlja u tlu pomoću mikroorganizama u H2S, drugi dio se oksidira u sulfate i ponovo uključuje u ciklus. Nastali sumporovodik izlazi u atmosferu, tamo oksidira i vraća se u tlo s padavinama.

Ljudsko sagorevanje fosilnih goriva (posebno uglja), kao i emisije iz hemijske industrije, dovode do akumulacije sumpor-dioksida (SO2) u atmosferi, koji, reagujući sa vodenom parom, pada na zemlju u obliku kiselih kiša. .

Biogeohemijski ciklusi nisu tako veliki kao geološki ciklusi i na njih u velikoj meri utiču ljudi. Ekonomska aktivnost narušava njihovu izolaciju, oni postaju aciklični.

Pitanje 1. Koja je glavna funkcija biosfere?

Osnovna funkcija biosfere je da obezbijedi cirkulaciju hemijskih elemenata, što se izražava u kruženju supstanci između atmosfere, tla, hidrosfere i živih organizama.

Pitanje 2. Recite nam nešto o kruženju vode u prirodi.

Voda isparava i prenosi se zračnim strujama na velike udaljenosti. Padajući na površinu kopna u obliku padavina, doprinosi uništavanju stijena, čini ih dostupnim biljkama i mikroorganizmima, erodira gornji sloj tla i ide zajedno s kemijskim spojevima i suspendiranim organskim česticama otopljenim u njemu u mora i oceane. . Kruženje vode između okeana i kopna ključna je karika u održavanju života na Zemlji.

Pitanje 3. Da li živi organizmi učestvuju u ciklusu vode? Ako jeste, dopunite dijagram prikazan na slici 113, naznačujući na njemu učešće živih organizama u ciklusu.

Biljke učestvuju u ciklusu vode na dva načina: izvlače je iz tla i isparavaju u atmosferu; Deo vode u biljnim ćelijama se razgrađuje tokom fotosinteze. U ovom slučaju, vodik je fiksiran u obliku organskih spojeva, a kisik ulazi u atmosferu.

Životinje troše vodu kako bi održale osmotsku ravnotežu i ravnotežu soli u tijelu i otpuštale je u vanjsko okruženje zajedno s produktima metabolizma.

Pitanje 4. Koji organizmi apsorbuju ugljični dioksid iz atmosfere?

U procesu fotosinteze, zelene biljke koriste ugljični dioksid i vodik iz vode za sintetizaciju organskih spojeva, a oslobođeni kisik ulazi u atmosferu.

Pitanje 5. Kako se fiksirani ugljenik vraća u atmosferu?

Razne životinje i biljke udišu kisik, a krajnji produkt disanja, CO2, ispušta se u atmosferu.

Pitanje 6. Nacrtajte dijagram ciklusa azota u prirodi.

Pitanje 7. Razmislite i navedite primjere kako mikroorganizmi igraju važnu ulogu u ciklusu sumpora.

Spojevi sumpora s metalima koji se nalaze duboko u tlu i morskim sedimentnim stijenama - sulfidi - mikroorganizmi pretvaraju u pristupačan oblik - sulfate, koje apsorbiraju biljke. Uz pomoć bakterija provode se odvojene oksidaciono-redukcijske reakcije. Duboko ležeći sulfati redukuju se u H2S, koji se diže i oksidira ga aerobnim bakterijama u sulfate. Razlaganje leševa životinja ili biljaka osigurava povratak sumpora u ciklus.

Pitanje 8. Ishrana svake osobe mora uključivati ​​riblja jela. Objasnite zašto je to važno.

Otprilike 60.000 tona elementarnog fosfora vraća se na kopno zajedno sa ulovljenom ribom. 70% ukupnog fosfora, koji se nalazi u našem tijelu, koncentrisano je u kostima i zubima. Zajedno sa kalcijumom formira pravilnu strukturu kostiju i osigurava njihovu mehaničku čvrstoću. Idealnim omjerom fosfora i kalcija smatra se 1 prema 2 ili 3 prema 4. A ako su, recimo, jednaki, tada će kost, postepeno gubeći kalcij, postati tvrda, ali lomljiva, kao staklo, na prvi pogled. prilično je tvrd, iako ga je u isto vrijeme lako slomiti.

Fosfor je glavni nosilac energije, dio je adenozin trifosfata (skraćeno ATP), koji se apsorbira u krv i isporučuje energiju svim stanicama kojima je potrebna.

Pitanje 9. Razgovarajte u razredu kako bi se ciklus supstanci u prirodi promijenio da svi živi organizmi nestanu na planeti.

Svi živi organizmi sudjeluju u kruženju tvari, apsorbirajući neke tvari iz vanjskog okruženja, a druge ispuštajući u njega. Tako biljke troše ugljični dioksid, vodu i mineralne soli iz vanjskog okruženja i oslobađaju kisik u njega. Životinje udišu kisik koji oslobađaju biljke, a kada ih pojedu, asimiliraju organske tvari sintetizirane iz vode i ugljičnog dioksida i oslobađaju ugljični dioksid, vodu i tvari iz neprobavljenog dijela hrane. Kada mrtve biljke i životinje razgrađuju bakterije i gljive, stvara se dodatna količina ugljičnog dioksida, a organske tvari se pretvaraju u minerale koji ulaze u tlo i ponovno ih apsorbiraju biljke. Dakle, atomi glavnih kemijskih elemenata neprestano migriraju iz jednog organizma u drugi, iz tla, atmosfere i hidrosfere u žive organizme, a iz njih u okoliš, nadoknađujući tako neživu tvar biosfere. Ovi procesi se ponavljaju beskonačan broj puta. Tako, na primjer, sav atmosferski kisik prolazi kroz živu tvar za 2 tisuće godina, sav ugljični dioksid - za 200-300 godina.

Kontinuirano kruženje hemijskih elemenata u biosferi duž više ili manje zatvorenih puteva naziva se biogeohemijski ciklus. Potreba za takvom cirkulacijom objašnjava se ograničenom dostupnošću njihovih rezervi na planeti. Da bi osigurali beskonačnost života, hemijski elementi se moraju kretati u krug. Nestankom živih organizama došlo bi do kvara u cirkulaciji supstanci i energije, i kao rezultat toga, do smrti biosfere.