生物圏におけるサイクリングの機能は何ですか? 生物圏における物質の循環、地質学的および生化学的種、生物の意義生物の機能と意義

生きている細胞の中で多くの酵素反応が起こっています。これらの一連の反応全体を代謝の一般的な概念と組み合わせますが、細胞が、酵素がランダムに無秩序に作用する膜バッグにすぎないと考えるのは間違っています. 代謝は、相互接続された多くの多酵素システムの関与によって提供される、高度に調整された目的のある細胞活動です。それは 4 つの特定の機能を実行します。1) 化学エネルギーの供給。これは、環境から体内に入るエネルギー豊富な栄養素を分割することによって、または太陽光から捕獲されたエネルギーを変換することによって得られます。 2) 食品分子のビルディングブロックへの変換。これは、後で細胞が高分子を構築するために使用されます。 3) これらの構成要素からのタンパク質、核酸、脂質、多糖類およびその他の細胞成分の組み立て。 4) 特定の細胞の特定の機能を実行するために必要な生体分子の合成と破壊。

代謝は何百もの異なる酵素反応で構成されていますが、私たちが通常最も関心を持っている中心的な代謝経路はほとんどなく、原則としてすべての生物で同じです. この概要の章では、代謝のための物質とエネルギーの供給源、主要な細胞成分の合成と分解に使用される中心的な代謝経路、化学エネルギーの伝達に関与するメカニズム、そして最後に、それらの実験的アプローチについて考察します。代謝経路の研究に使用されます。

13.1. 生物は炭素と酸素のサイクルに参加しています

生物圏の生物間の一般的な代謝相互作用とともに、代謝の巨視的な側面から検討を始めます。すべての生物は、環境から炭素を吸収できる化学形態に応じて、2 つの大きなグループに分けられます。独立栄養細胞 (「自己摂食」) は、大気中の炭素を唯一の炭素源として使用でき、そこからすべての炭素含有生体分子を構築します。

このグループには、光合成細菌と緑の植物の葉の細胞が含まれます。シアノバクテリアなどの一部の独立栄養生物は、すべての窒素含有成分の合成に大気中の窒素を使用することもできます。従属栄養細胞 (「他者を犠牲にして摂食する」) には、大気を吸収する能力がありません。それらは、例えばグルコースなどの十分に複雑な有機化合物の形で炭素を受け取る必要があります。従属栄養生物には、高等動物およびほとんどの微生物の細胞が含まれます。生命に必要なすべてのものを提供する独立栄養生物は、一定の独立性を持っていますが、複雑な炭素源を必要とする従属栄養生物は、他の細胞の老廃物を食べます。

これら 2 つのグループには、もう 1 つの重要な違いがあります。多くの独立栄養生物は光合成を行います。つまり、それらは太陽光のエネルギーを使用する能力を持っていますが、従属栄養細胞は、独立栄養生物によって生成された有機化合物を分解することによって必要なエネルギーを取得します。生物圏では、独立栄養生物と従属栄養生物が単一の巨大なサイクルの参加者として共存し、独立栄養生物が大気から有機生体分子を構築し、それらの一部が大気中に酸素を放出します。従属栄養生物は、独立栄養生物によって生成された有機物を食物として使用し、それらを大気中に戻します。このようにして、動物界と植物界の間で炭素と酸素の絶え間ない循環が行われます。この巨大なプロセスのエネルギー源は太陽光です (図 13-1)。

独立栄養生物と従属栄養生物は、サブクラスに分類できます。たとえば、従属栄養生物には、好気性菌と嫌気性菌という 2 つの大きなサブクラスがあります。好気性生物は、酸素を含む環境に生息し、有機栄養素を分子状酸素で酸化します。

米。 13-1. 地球の生物圏の光合成と従属栄養の 2 つの領域間の二酸化炭素の循環と酸素の循環。このサイクルの規模は膨大です。生物圏の 1 年間は、炭素よりも多く循環します。教育と消費のバランスは、地球上の気候を決定する重要な要素の 1 つです。大気中の含有量は、石炭と石油の燃焼が増加したため、過去 100 年間で約 25% 増加しました。一部の科学者は、大気の量がさらに増加すると、大気 (「温室」) の平均温度が上昇すると主張しています。しかし、すべての人がこれに同意しているわけではありません。生物圏で生成され、繰り返されるサイクルに関与し、海洋に吸収される量を正確に決定することは困難だからです。すべての大気が植物を通過するには、約 300 年かかります。

嫌気性菌は栄養素を酸化するのに酸素を必要としません。彼らは無酸素環境に住んでいます。酵母などの多くの細胞は、好気性条件下と嫌気性条件下の両方で存在できます。そのような生物は通性嫌気性菌と呼ばれます。ただし、酸素を使用できない偏性嫌気性菌にとって、後者は毒です。たとえば、土壌の奥深くや海底に生息する生物です。ほとんどの従属栄養細胞、特に高等細胞は通性嫌気性菌ですが、酸素の存在下では好気性代謝経路を使用して栄養素を酸化します。

同じ生物では、細胞の異なるグループが異なるクラスに属することができます。

たとえば、高等植物では、緑色のクロロフィルを含む葉の細胞は光合成独立栄養生物であり、クロロフィルを含まない根の細胞は従属栄養生物です。さらに、葉の緑色の細胞は、日中だけ独立栄養的な存在を導きます。夜になると、彼らは従属栄養生物として機能し、光の中で合成された炭水化物を酸化することによって必要なエネルギーを得ます.

この論文では、生物学的サイクルとは何かを考えてみることをお勧めします。私たちの惑星にとってのその機能と重要性は何ですか。また、その実現のためのエネルギー源の問題にも注意を払います。

生物学的サイクルを考える前に、他に知っておくべきことは、私たちの惑星は 3 つの殻で構成されているということです。

リソスフェア（ハードシェル、大まかに言えば、これは私たちが歩く地球です）;
水圏 (すべての水、つまり、海、川、海など);
大気（ガス殻、私たちが呼吸する空気）。

すべての層の間には明確な境界がありますが、それらは問題なく互いに浸透できます。

物質の循環

これらすべての層が生物圏を構成しています。生物周期とは？これは、物質が生物圏全体、つまり土壌中、空気中、生物内を移動するときです。この無限の循環を生物サイクルと呼びます。また、すべては植物に始まり、植物に終わることを知っておくことも重要です。

その下には、信じられないほど複雑なプロセスがあります。土壌や大気中のあらゆる物質が植物に入り、それから他の生物に入ります。次に、それらを吸収した体内で、他の複雑な化合物を積極的に生成し始め、その後後者が出てきます。これは地球上のあらゆるものの相互関係を表現するプロセスと言えます。生物は互いに相互作用し、今日まで私たちが存在する唯一の方法です。

雰囲気は常に私たちが知っている方法ではありませんでした。以前は、空気のエンベロープは現在のものとは大きく異なり、二酸化炭素とアンモニアで飽和していました。では、呼吸に酸素を使用する人々はどのようにして現れたのでしょうか。私たちは、大気の状態を人間が必要とする形にすることができた緑の植物に感謝しなければなりません. 空気と植物は草食動物に吸収され、捕食者のメニューにも含まれています。動物が死ぬと、その残骸は微生物によって処理されます。このようにして、植物の成長に必要な腐植が得られます。ご覧のとおり、円は閉じています。

エネルギー源

生物のサイクルはエネルギーなしには成り立ちません。この交流を組織するためのエネルギー源は何ですか、または誰ですか？もちろん、私たちの熱エネルギー源は恒星の太陽です。生物学的サイクルは、熱と光の供給源がなければ不可能です。太陽が熱くなる

空気;
土;
植生。

加熱中、水が蒸発し、雲の形で大気中に蓄積し始めます。すべての水は、最終的には雨や雪の形で地表に戻ってきます。帰ってきた彼女は、土に浸かり、さまざまな木の根に吸い上げられます。水が非常に深く浸透すると、地下水が補充され、その一部は川、湖、海、海に戻ります。

ご存知のように、私たちは息をするときに酸素を取り入れ、二酸化炭素を吐き出しています。そのため、樹木は二酸化炭素を処理して酸素を大気に戻すために太陽エネルギーを必要とします。このプロセスは光合成と呼ばれます。

生物周期

このセクションを「生物学的プロセス」の概念から始めましょう。それは繰り返される現象です。一定の間隔で絶え間なく繰り返される生物学的プロセスからなるものを観察できます。

生物学的プロセスはどこにでも見られ、地球上に住むすべての生物に固有のものです。また、組織のすべてのレベルの一部です。つまり、細胞内と生物圏の両方で、これらのプロセスを観察できます。生物学的プロセスのいくつかのタイプ（サイクル）を区別できます。

日中;
日当;
季節;
通年;
多年生;
何世紀も前。

年間サイクルが最も顕著です。私たちはいつでもどこでもそれらを観察していますが、この問題について少し考えてみる必要があります。

水

ここで、地球上で最も一般的な化合物である水の例を使用して、自然の生物学的サイクルを考えてみてください。体の内外の多くのプロセスに参加できるようにする多くの機能があります。すべての生物の生命は、自然界の H 2 O のサイクルに依存しています。水がなければ私たちは存在できず、地球は生命のない砂漠のようになってしまいます。彼女はすべての重要なプロセスに参加できます。つまり、次の結論を導き出すことができます。地球上のすべての生物は、単にきれいな水が必要です。

しかし、水はあらゆるプロセスの結果として常に汚染されています。では、きれいな飲料水を無尽蔵に供給するにはどうすればよいでしょうか。自然がこれを処理してくれたのです。私たちは自然の中に水循環が存在することに感謝しなければなりません。これがどのように起こるかについてはすでに説明しました。水は蒸発して雲となり、降水（雨や雪）として降る。このプロセスは「水循環」と呼ばれます。これは、次の 4 つのプロセスに基づいています。

蒸発;
結露;
降水;
水の流出。

水循環には、大小の 2 種類があります。

炭素

ここで、生物が自然界でどのように発生するかを検討します。また、物質の割合で 16 位しか占めていないことも重要です。ダイヤモンドとグラファイトの形で見つけることができます。そして石炭の割合は90％を超えています。炭素は大気にも含まれていますが、その含有量は非常に少なく、約 0.05% です。

生物圏では、炭素のおかげで、地球上のすべての生命に必要なさまざまな有機化合物の塊が簡単に作成されます。光合成のプロセスを考えてみましょう。植物は大気から二酸化炭素を吸収してリサイクルします。その結果、さまざまな有機化合物が得られます。

リン

生物サイクルの値は非常に大きいです。リンを摂取しても、骨に多く含まれており、植物に必要です。主な供給源はアパタイトです。それは火成岩で見つけることができます。生物は以下からそれを得ることができます：

土;
水資源。

それは人体にも見られます。つまり、次の一部です。

タンパク質;
核酸;
骨組織;
レシチン;
フィッティングなど。

体内のエネルギー蓄積に必要なのはリンです。生物は死ぬと土や海に還ります。これは、リンが豊富な岩石の形成に貢献します。これは、生体サイクルにおいて非常に重要です。

窒素

次に、窒素循環について見てみましょう。その前に、大気の総体積の約 80% を占めることに注意してください。同意します、この数字は非常に印象的です。窒素は、大気の組成の基礎となるだけでなく、植物や動物の生物にも見られます。タンパク質の形でそれを満たすことができます。

窒素循環に関しては、次のように言えます。硝酸塩は、植物によって合成される大気中の窒素から形成されます。硝酸塩を生成するプロセスは、窒素固定と呼ばれます。植物が枯れて腐ると、そこに含まれる窒素がアンモニアの形で土壌に入ります。後者は土壌に生息する生物によって処理（酸化）されるため、硝酸が発生します。土壌に飽和している炭酸塩と反応することができます。さらに、植物の腐敗や燃焼の過程で、窒素も純粋な形で放出されることに注意してください。

硫黄

他の多くの要素と同様に、それは生物と非常に密接に関連しています。硫黄は火山噴火の結果として大気中に入ります。硫化硫黄は微生物によって処理されるため、硫酸塩が生まれます。後者は植物に吸収され、硫黄は精油の一部です。体に関しては、硫黄を見つけることができます：

アミノ酸;
タンパク質。

ロシアの著名な科学者であり、V.I. ヴェルナツキー。

生物圏- 地球の複雑な外殻で、生物全体と、これらの生物との継続的な交換の過程にある惑星の物質の一部を含んでいます。これは、人間を取り巻く自然環境の主要な構成要素である、地球の最も重要な地圏の 1 つです。

地球は同心円でできている貝殻(地球圏) 内部と外部の両方。内側のものはコアとマントルであり、外側のものは次のとおりです。 リソスフェア -厚さ6km（海洋下）から80km（山系）の地殻（図1）を含む地球の石殻。 水圏 -地球の水殻; 雰囲気- さまざまなガス、水蒸気、ほこりの混合物で構成される、地球のガス状のエンベロープ。

高度 10 ～ 50 km にはオゾン層があり、高度 20 ～ 25 km で濃度が最大になり、身体に致命的な過剰な紫外線から地球を保護しています。生物圏もここに属します（外部地圏に）。

生物圏 -地球の外殻。高さ 25 ～ 30 km (オゾン層まで) までの大気の一部、水圏のほぼ全体、深さ約 3 km までのリソスフェアの上部が含まれます。

米。 1.地殻の構造のスキーム

（図2）。これらの部分の特異性は、地球の生命体を構成する生物が生息していることです。交流 生物圏の非生物的部分- 空気、水、岩石、有機物 - 生物相土壌と堆積岩の形成につながりました。

米。 2. 生物圏の構造と主要構造単位が占める表面積の割合

生物圏と生態系における物質循環

生物圏の生物が利用できるすべての化合物は限られています。同化に適した化学物質の枯渇性は、陸域または海域の特定の生物群の発達を妨げることがよくあります。 Academician V.R. によると、 Williams によると、無限の有限の性質を与える唯一の方法は、閉じた曲線に沿って回転させることです。その結果、物質の循環とエネルギーの流れによって生物圏の安定性が保たれています。利用可能 物質の 2 つの主要なサイクル: 大きい - 地質学的および小さい - 生物地球化学的。

大地循環（図3）。物理的、化学的、生物学的要因の影響下にある結晶岩（火成岩）は、堆積岩に変わります。砂と粘土は典型的な堆積物であり、深い岩石の変質の産物です。しかし、堆積物の形成は、既存の岩石の破壊によるだけでなく、海水、海、湖などの天然資源からの微生物の骨格である生体ミネラルの合成によっても発生します。ゆるい水っぽい堆積物は、堆積物の新しい部分によって貯水池の底に隔離され、深く沈み、新しい熱力学的条件 (より高い温度と圧力) に陥り、水を失い、硬化し、堆積岩に変化します。

将来、これらの岩石はさらに深い地平に沈み、そこで新しい温度と圧力条件への深い変容のプロセス、つまり変成作用のプロセスが行われます。

内因性のエネルギーの流れの影響下で、深い岩石が再溶融し、新しい火成岩の源であるマグマを形成します。これらの岩石が地表に上昇した後、風化と輸送のプロセスの影響を受けて、それらは再び新しい堆積岩に変わります。

したがって、大規模な循環は、太陽の (外因性の) エネルギーと地球の深い (内因性の) エネルギーとの相互作用によるものです。それは、生物圏と地球のより深い地平との間で物質を再分配します。

米。 3. 物質の大規模な (地質学的) 循環 (細い矢印) と地球の地殻における多様性の変化 (実線の広い矢印 - 成長、破線 - 多様性の減少)

大きな円水圏、大気、リソスフェアの間の水循環とも呼ばれ、太陽のエネルギーによって駆動されます。水は水域や陸地の表面から蒸発し、降水の形で地球に戻ります。海上では蒸発量が降水量を上回り、陸上ではその逆です。これらの違いは、川の流れによって補われます。土地植生は、地球規模の水循環において重要な役割を果たしています。地表の特定の地域における植物の蒸散は、ここに降る降水量の最大 80 ～ 90% であり、すべての気候帯の平均で約 30% です。大循環とは対照的に、物質の小循環は生物圏内でのみ発生します。大水循環と小水循環の関係を図に示します。四。

惑星規模のサイクルは、個々の生態系における生物の生命活動によって駆動される無数の局所的な原子の周期的な動きと、景観や地質学的要因の作用によって引き起こされるそれらの動き (地表および地下の流出、風食、海底、火山活動、造山など）。

米。 4. 水の大きな地質循環（GBC）と水の小さな生物地球化学的循環（MBC）の関係

エネルギーは一度体で使われ熱となって失われるのとは異なり、生物圏の物質は循環し、生物地球化学的循環を生み出しています。自然界に存在する 90 以上の元素のうち、生物は約 40 を必要とします。それらにとって最も重要なものは、炭素、水素、酸素、窒素など、大量に必要です。要素と物質のサイクルは、すべてのコンポーネントが参加する自己調整プロセスを通じて実行されます。これらのプロセスは無駄ではありません。存在する 生物圏における生物地球化学的循環の地球規模閉鎖の法則その開発のすべての段階で動作します。生物圏の進化の過程において、生物地球化学の閉鎖における生物学的要素の役割
誰のサイクル。人間は、生物地球化学的サイクルにさらに大きな影響を与えます。しかし、その役割は反対方向に現れます（循環が開かれます）。物質の生物地球化学的循環の基礎は、太陽のエネルギーと緑の植物のクロロフィルです。他の最も重要なサイクル - 水、炭素、窒素、リン、硫黄 - は生物地球化学に関連しており、それに貢献しています。

生物圏における水循環

植物は、光合成中に水の水素を使用して有機化合物を構築し、分子状酸素を放出します。すべての生物の呼吸の過程で、有機化合物の酸化中に、水が再び形成されます。生命の歴史の中で、水圏のすべての自由水は、惑星の生物の中で分解と新形成のサイクルを繰り返してきました。地球上の水循環には、毎年約 500,000 km 3 の水が関与しています。水循環とその埋蔵量を図1に示します。 5 (相対的に)。

生物圏における酸素循環

地球は、光合成のプロセスにより、遊離酸素の含有量が高い独特の大気を負っています。大気の上層部でのオゾンの形成は、酸素循環と密接に関係しています。酸素は水分子から放出され、本質的に植物の光合成活動の副産物です。非生物的には、酸素は水蒸気の光解離によって上層大気で発生しますが、この供給源は光合成によって供給される酸素の 1000 分の 1 パーセントにすぎません。大気と水圏の酸素含有量の間には可動平衡があります。水中では、約 21 分の 1 です。

米。図 6.酸素循環のスキーム：太い矢印 - 酸素の供給と消費の主な流れ

放出された酸素は、すべての好気性生物の呼吸プロセスとさまざまなミネラル化合物の酸化に集中的に費やされます。これらのプロセスは、大気、土壌、水、シルト、岩石で発生します。堆積岩に結合している酸素のかなりの部分が光合成起源であることが示されています。大気中の O の交換資金は、光合成の総生産量の 5% 以下です。多くの嫌気性細菌はまた、このために硫酸塩または硝酸塩を使用して、嫌気呼吸中に有機物を酸化します。

植物によって生成された有機物を完全に分解するには、光合成中に放出されたのとまったく同じ量の酸素が必要です。堆積岩、石炭、および泥炭中の有機物の埋没は、大気中の酸素交換基金を維持するための基礎として機能しました。そこに含まれるすべての酸素は、約 2000 年で生物を完全に循環します。

現在、大気中の酸素の大部分は、輸送、産業、その他の人為的活動の結果として結合しています。人類は、光合成プロセスによって供給される 4,300 ～ 4,700 億トンの総量から、すでに 100 億トン以上の遊離酸素を消費していることが知られています。光合成酸素のごく一部しか交換資金に入らないことを考慮すると、この点での人々の活動は驚くべき割合を獲得し始めます。

酸素循環は炭素循環と密接に関係しています。

生物圏における炭素循環

化学元素としての炭素は、生命の基本です。それはさまざまな方法で他の多くの要素と結合し、生きている細胞の一部である単純および複雑な有機分子を形成します. 地球上の分布に関しては、炭素は 11 位 (地球の地殻の重量の 0.35%) を占めていますが、生物では平均して乾燥バイオマスの約 18 または 45% です。

大気中の炭素は、二酸化炭素 CO 2 の組成に含まれていますが、メタン CH 4 の組成には含まれていません。水圏では、CO 2 が水に溶解しており、その総含有量は大気よりもはるかに高くなっています。海は、大気中の CO 2 を調整するための強力な緩衝材として機能します。空気中の CO 2 濃度が増加すると、水による二酸化炭素の吸収が増加します。 CO 2 分子の一部は水と反応して炭酸を形成し、HCO 3 - および CO 2-3 イオンに解離します. これらのイオンはカルシウムまたはマグネシウム陽イオンと反応して炭酸塩を沈殿させます. 同様の反応が海洋の緩衝系の根底にあります.水のpHを一定に保ちます。

大気と水圏の二酸化炭素は、炭素循環における交換基金であり、そこから陸生植物と藻類によって引き出されます。光合成は、地球上のすべての生物学的サイクルの根底にあります。固定炭素の放出は、光合成生物自体とすべての従属栄養生物 - 細菌、真菌、生きているまたは死んだ有機物を犠牲にして食物連鎖に含まれる動物 - の呼吸活動中に発生します。

米。 7. 炭素循環

特に活発なのは、多数の生物群の活動が集中し、死んだ植物や動物の残骸を分解し、植物の根系の呼吸が行われる土壌から大気へのCO 2の帰還です。この不可欠なプロセスは「土壌呼吸」と呼ばれ、空気中の CO 2 交換基金の補充に大きく貢献しています。有機物の無機化のプロセスと並行して、炭素が豊富な複雑で安定した分子複合体である腐植が土壌に形成されます。土壌腐植は、陸上の重要な炭素貯蔵庫の 1 つです。

デストラクタの活動が環境要因によって阻害される状況 (たとえば、土壌や水域の底で嫌気性環境が発生する場合) では、植生によって蓄積された有機物は分解されず、時間の経過とともに石炭などの岩石になります。泥炭、腐泥、オイルシェールなど、蓄積された太陽エネルギーが豊富です。それらは、長い間生物学的サイクルから切り離されているため、炭素の予備資金を補充します。炭素は、生きているバイオマス、死んだごみ、海洋の溶解有機物などにも一時的に蓄積されます。でも 書き込み時の炭素の主な準備金生物ではなく、燃える化石ではありませんが、 堆積岩は石灰岩とドロマイトです。それらの形成は、生物の活動にも関連しています。これらの炭酸塩の炭素は、地球の内部に長い間埋もれており、構造サイクルで岩石が露出する浸食中にのみ循環に入ります。

生物地球化学的サイクルに関与するのは、地球上の炭素の総量のわずか 1% だけです。大気および水圏の炭素は、生物を繰り返し通過します。陸上植物は、空気中の埋蔵量を4〜5年で、土壌腐植の埋蔵量を300〜400年で使い果たすことができます。交換基金への炭素の主な還元は、生物の活動が原因で発生し、火山ガスの一部としての地球内部からの放出によって埋め合わせられるのは、そのごく一部 (1000 分の 1 パーセント) にすぎません。

現在、化石燃料の膨大な埋蔵量の抽出と燃焼は、埋蔵量から生物圏の交換基金への炭素の移動の強力な要因になりつつあります。

生物圏における窒素循環

大気と生物に含まれる窒素は、地球上の全窒素の 2% 未満ですが、地球上の生命を支えているのは彼です。窒素は、DNA、タンパク質、リポタンパク質、ATP、クロロフィルなどの最も重要な有機分子の一部です。植物組織では、炭素との比率は平均で 1:30、海藻 I:6 です。窒素の生物学的サイクルは次のとおりです。したがって、炭素とも密接に関連しています。

大気中の分子状窒素は植物には利用できず、植物はこの元素をアンモニウムイオン、硝酸塩の形で、または土壌や水溶液からのみ吸収できます. したがって、窒素の欠乏は、多くの場合、一次生産 (無機物から有機物を作り出すことに関連する生物の働き) を制限する要因となります。それにもかかわらず、大気中の窒素は、特殊なバクテリア (窒素固定菌) の活動により、生物学的サイクルに広く関与しています。

アンモニア化微生物も窒素循環に重要な役割を果たします。それらは、タンパク質やその他の窒素含有有機物質をアンモニアに分解します。アンモニウムの形では、窒素は植物の根によって部分的に再吸収され、微生物グループ - 脱窒菌の機能とは反対の硝化微生物によって部分的に遮断されます。

米。 8. 窒素循環

土壌や水中での嫌気的条件下では、硝酸塩の酸素を利用して有機物を酸化し、生命活動のエネルギーを得ています。窒素は分子窒素に還元されます。自然界における窒素固定と脱窒はほぼバランスがとれています。したがって、窒素循環は主に細菌の活動に依存しますが、植物はこの循環の中間生成物を使用してバイオマスの生産を通じて生物圏の窒素循環を大幅に増加させます。

窒素循環におけるバクテリアの役割は非常に大きいため、バクテリアの 20 種が破壊されるだけで、地球上の生命は消滅してしまいます。

窒素の非生物学的固定とその酸化物とアンモニアの土壌への侵入は、大気のイオン化と雷放電中の降雨でも発生します。現代の肥料産業は、作物の生産量を増やすために、自然の窒素固定を超えて大気中の窒素を固定しています。

現在、人間の活動は窒素循環にますます影響を与えており、主に分子状態に戻るプロセスを超えて結合形態への変換を超えています。

生物圏におけるリン循環

この要素は、ATP、DNA、RNA を含む多くの有機物質の合成に必要であり、オルトリン酸イオン (PO 3 4 +) の形でのみ植物に吸収されます。土壌と水中のリンの交換資金が小さいため、陸上と特に海洋の両方で一次生産を制限する要素に属します。生物圏の規模でのこの要素の循環は閉じられていません。

陸上では、植物は土壌からリン酸塩を取り込み、分解者によって腐敗する有機残留物から放出されます。ただし、アルカリ性または酸性の土壌では、リン化合物の溶解度が急激に低下します。リン酸塩の主要な埋蔵量は、地質学的過去に海底で作られた岩石に含まれています。岩石の浸出の過程で、これらの埋蔵量の一部が土壌に入り、懸濁液や溶液の形で水域に洗い流されます。水圏では、リン酸塩は植物プランクトンによって使用され、食物連鎖を介して他の水生生物に渡されます。しかし、海洋ではほとんどのリン化合物が動植物の残骸とともに海底に埋もれ、その後、堆積岩と大きな地質循環へと移行します。深部では、溶解したリン酸塩がカルシウムと結合し、リン酸塩とアパタイトを形成します。実際、生物圏では、陸地の岩石から海の深さまでリンが一方向に流れているため、水圏でのリンの交換資金は非常に限られています。

米。 9. リン循環

リン酸塩とアパタイトの地上堆積物は、肥料の生産に使用されます。淡水へのリンの侵入は、それらの「ブルーム」の主な理由の1つです。

生物圏における硫黄循環

多数のアミノ酸の構築に必要な硫黄のサイクルは、タンパク質の三次元構造に関与しており、生物圏ではさまざまな細菌によってサポートされています。有機残留物の硫黄を硫酸塩に酸化する好気性微生物と、硫酸塩を硫化水素に還元する嫌気性硫酸塩還元剤は、このサイクルの別々のリンクに参加しています。列挙された硫黄細菌のグループに加えて、それらは硫化水素を元素硫黄に、さらに硫酸塩に酸化します。植物は、土壌と水から SO 2-4 イオンのみを吸収します。

中央のリングは、利用可能な硫酸塩プールと土壌および堆積物の奥深くにある硫化鉄プールとの間で硫黄を交換する酸化 (O) および還元 (R) プロセスを示しています。

米。 10. 硫黄循環。中央のリングは、利用可能な硫酸塩プールと土壌および堆積物の奥深くにある硫化鉄プールとの間で硫黄を交換する酸化 (0) および還元 (R) プロセスを示しています。

硫黄の主な蓄積は海洋で発生し、硫酸イオンは河川の流出によって陸地から継続的に供給されます。硫化水素が水から放出されると、硫黄は部分的に大気に戻され、そこで二酸化物に酸化され、雨水中で硫酸に変わります. 大量の硫酸塩と元素硫黄の工業的使用と化石燃料の燃焼により、大量の二酸化硫黄が大気中に放出されます。これは植生、動物、人に害を及ぼし、酸性雨の原因となり、硫黄サイクルへの人間の介入の悪影響を悪化させます。

物質の循環速度

物質のすべてのサイクルは、異なる速度で発生します (図 11)。

このように、地球上のすべての生体要素のサイクルは、さまざまな部分の複雑な相互作用によってサポートされています。それらは、さまざまな機能を持つ生物群の活動、海洋と陸地をつなぐ流出と蒸発のシステム、水と気団の循環のプロセス、重力の作用、リソスフェアプレートテクトニクスによって形成されます。そして、他の大規模な地質学的および地球物理学的プロセスによって。

生物圏は、さまざまな物質の循環が起こる単一の複雑なシステムとして機能します。 これらのメインエンジン サイクルは地球の生命体であり、すべての生物であり、有機物の合成、変換、分解のプロセスを提供します。

米。 11. 物質の循環速度 (P. Cloud, A. Jibor, 1972)

生態学的な世界観の基本は、すべての生物はそれに影響を与える多くの異なる要因に囲まれており、それらが一緒になって生息地、つまりビオトープを形成しているという考えです。その結果、 ビオトープ - 特定の種類の植物や動物の生活条件が均一な領域（峡谷の斜面、都市森林公園、小さな湖、または大きな湖の一部ですが、均質な条件 - 沿岸部、深海部）。

特定のビオトープに特徴的な生物は、 ライフコミュニティ、またはbiocenosis（湖、牧草地、沿岸帯の動物、植物、微生物）。

生命群集（バイオセノシス）は、ビオトープと呼ばれる単一の全体を形成します。 生態系（生態系）。蟻塚、湖、池、牧草地、森林、都市、農場は、自然の生態系の例として役立ちます。人工生態系の典型的な例は宇宙船です。ご覧のとおり、ここには厳密な空間構造はありません。エコシステムの概念に近いのは、 バイオジオセノシス。

エコシステムの主な構成要素は次のとおりです。

無生物（非生物）環境。これらは、水、ミネラル、ガス、有機物、腐植です。
バイオ成分。これらには、生産者または生産者 (緑の植物)、消費者または消費者 (生産者を食べる生き物)、および分解者または分解者 (微生物) が含まれます。

自然は非常に経済的です。したがって、生物によって作成されたバイオマス（生物の体の物質）とそれらに含まれるエネルギーは、生態系の他のメンバーに転送されます。動物は植物を食べ、これらの動物は他の動物に食べられます。このプロセスは 食物連鎖または栄養連鎖。自然界では食物連鎖が交差することが多く、 食物網を形成しています。

食物連鎖の例: 植物 - 草食動物 - 捕食者。穀物 - 野ネズミ - キツネなどと食物網を図に示します。 12.

したがって、生物圏における平衡状態は、生態系のすべての構成要素間の物質とエネルギーの継続的な交換により維持される生物的および非生物的環境要因の相互作用に基づいています。

自然生態系の閉鎖的なサイクルでは、他の要因とともに、分解者の存在と太陽エネルギーの絶え間ない供給という 2 つの要因の参加が必須です。都市や人工の生態系には分解者がほとんどまたはまったくいないため、液体、固体、気体の廃棄物が蓄積し、環境を汚染しています。

米。 12.食物網と物質の流れの方向

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生物圏における物質の循環

地球上での自立生活の基本は、 生物地球化学的循環. 生物の生命過程で使用されるすべての化学元素は、生物から無生物の化合物へ、またその逆に移動しながら、絶え間ない動きをします。同じ原子を繰り返し使用する可能性があるため、適切な量のエネルギーが常に供給されていれば、地球上の生命は事実上永遠になります。

物質のサイクルの種類。地球の生物圏は、既存の物質循環とエネルギーの流れによって、ある意味で特徴付けられます。 物質の循環 – 地球の生物圏の一部である層を含む、大気、水圏、およびリソスフェアで発生するプロセスへの物質の複数の関与。物質の循環は、太陽の外部エネルギーと地球の内部エネルギーの連続的な流れ（流れ）によって行われます。

原動力に応じて、ある程度の慣習があり、物質の循環の中で、地質学的、生物学的、人為的サイクルを区別することができます。人間が地球に現れる前に、最初の2つだけが実行されました。

地質循環（自然界の物質の大循環） – 外因性および内因性の地質学的プロセスを推進力とする物質の循環。

内因性プロセス（内部ダイナミクスのプロセス）は、地球の内部エネルギーの影響下で発生します。これは、放射性崩壊、鉱物形成の化学反応、岩石の結晶化などの結果として放出されるエネルギーです。内因性プロセスには、構造運動、地震、火成活動、変成作用が含まれます。 外因性プロセス（外部ダイナミクスのプロセス）は、太陽の外部エネルギーの影響下で進行します。外因性プロセスには、岩石や鉱物の風化、地殻の一部の領域からの破壊生成物の除去と新しい領域への移動、堆積岩の形成による破壊生成物の堆積と蓄積が含まれます。外因性プロセスには、大気、水圏（河川、一時的な小川、地下水、海と海、湖と沼、氷）、生物と人間の地質学的活動が含まれます。

最大の地形 (大陸と海洋の窪地) と大きな地形 (山と平野) は内因性のプロセスによって形成されましたが、中規模および小規模の地形 (川の谷、丘、峡谷、砂丘など) は、より大きな地形に重ね合わされて形成されました。外因性プロセス。したがって、内因性プロセスと外因性プロセスは、その作用が反対です。前者は大きな地形の形成につながり、後者はそれらの平滑化につながります。

火成岩は、風化によって堆積岩に変わります。地球の地殻の移動ゾーンでは、それらは地球の奥深くに突入します。そこでは、高温と高圧の影響下で、それらが再溶融してマグマを形成し、マグマが地表に上昇して固化し、火成岩を形成します。

このように、物質の地中循環は生物の関与なしに進行し、生物圏と地球のより深い層の間で物質を再分配します。

生物学的（生物地球化学的）サイクル（生物圏における物質の小さなサイクル） – 生物の活動を原動力とする物質の循環。大きな地質学的サイクルとは対照的に、物質の小さな生物地球化学的サイクルは生物圏内で起こります。サイクルの主なエネルギー源は、光合成を生成する太陽放射です。生態系では、無機物から独立栄養生物によって有機物が合成されます。その後、それらは従属栄養生物によって消費されます。生命活動中または生物（独立栄養生物と従属栄養生物の両方）の死後の排泄の結果として、有機物質は無機物質への変換、つまり無機化を受けます。これらの無機物質は、独立栄養生物による有機物質の合成に再利用できます。

生物地球化学サイクルでは、次の 2 つの部分を区別する必要があります。

1) 積立金 -それは生物に関連していない物質の一部です。

2) 為替資金 -生物とその周辺環境との間で直接交換される物質のごく一部。準備金の場所に応じて、生物地球化学的サイクルは次の 2 つのタイプに分けることができます。

1) ガスタイプのサイクル大気中および水圏中の物質の予備資金（炭素、酸素、窒素の循環）。

2) 堆積循環地球の地殻に予備資金があります（リン、カルシウム、鉄などの循環）。

ガスタイプのサイクルは、大きな交換資金を持っているため、より完全です。つまり、迅速な自己調整が可能です。物質の大部分は、生物が「アクセスできない」形で地球の地殻の準備金に含まれているため、堆積サイクルは完全ではなく、より不活性です。このようなサイクルは、さまざまな影響によって容易に乱され、交換された物質の一部がサイクルから外れます。地質学的プロセスの結果として、または生物による抽出によってのみ、循環に戻ることができます。しかし、地球の地殻から生物に必要な物質を抽出することは、大気から抽出するよりもはるかに困難です。

生物学的サイクルの強さは、主に周囲温度と水の量によって決まります。たとえば、ツンドラ地帯よりも湿気の多い熱帯林では、生物学的サイクルがより集中的に進行します。

人類の出現により、物質の人為的循環または代謝が生じました。 人為的循環（交換） – 人間の活動を原動力とする物質の循環（交換）。次の 2 つのコンポーネントがあります。 生物学的、生物としての人間の機能に関連し、 テクニカル、人々の経済活動に関わる （技術サイクル）。

地質学的および生物学的サイクルは大部分が閉じられており、人為的サイクルについては言えません。したがって、彼らはしばしば人為的循環についてではなく、人為的代謝について話します。物質の人為的循環の開放性は、 天然資源の枯渇と環境汚染 –人類のすべての環境問題の主な原因。

主な生体物質と要素のサイクル。生物にとって最も重要な物質と要素のサイクルを考えてみましょう。水循環は大きな地質学に属し、生物起源の要素（炭素、酸素、窒素、リン、硫黄、その他の生物起源の要素）の循環は小さな生物地球化学に属します。

水循環 陸と海が大気を通過することは、大きな地質循環を意味します。水は海の表面から蒸発し、陸地に運ばれ、そこで降水の形で落ち、再び地表と地下の流出の形で海に戻るか、地表への降水の形で落ちます。海。毎年 50 万 km3 以上の水が地球上の水循環に関与しています。全体として、水循環は地球の自然条件を形成する上で重要な役割を果たしています。植物による水の蒸散と生物地球化学サイクルにおけるその吸収を考慮に入れると、地球上の水の供給全体が減衰し、200万年で回復します。

炭素循環。 生産者は大気中の二酸化炭素を捕獲して有機物に変換し、消費者は生産者と下層の消費者の体で炭素を有機物の形で吸収し、分解者は有機物を無機化し、二酸化炭素の形で炭素を大気に戻します。 . 海洋では、死んだ生物に含まれる炭素の一部が海底に沈み、堆積岩に蓄積するという事実によって、炭素循環が複雑になります。炭素のこの部分は、生物学的サイクルから除外され、物質の地質学的サイクルに入ります。

森林は生物学的に結合した炭素の主な貯蔵庫であり、最大 5,000 億トンのこの元素を含んでおり、これは大気中の貯蔵量の 2/3 に相当します。炭素循環への人間の介入 (石炭、石油、ガスの燃焼、除湿) は、大気中の CO2 含有量の増加と温室効果の発生につながります。

CO2 循環速度、つまり、大気中のすべての二酸化炭素が生物を通過するのにかかる時間は、約 300 年です。

酸素循環。 酸素循環は主に大気と生物の間で行われます。基本的に、遊離酸素 (O^) は、緑の植物の光合成の結果として大気に入り、動物、植物、微生物による呼吸の過程で消費され、有機残留物の無機化中に消費されます。紫外線の影響で、水とオゾンから少量の酸素が生成されます。大量の酸素は、火山噴火などの際に、地球の地殻での酸化プロセスに費やされます。酸素の大部分は陸上植物によって生成され、残りは海洋の光合成生物によって生成されます。周期は約2000年です。

光合成の過程で形成される酸素の 23% が産業用および家庭用のニーズのために毎年消費されることが確立されており、この数値は常に増加しています。

窒素循環。 大気中の窒素 (N2) の貯蔵量は膨大です (その体積の 78%)。しかし、植物は遊離窒素を吸収することはできず、主に NH4+ または NO3– の形で結合した形でのみ吸収します。大気中の遊離窒素は、窒素固定バクテリアによって結合され、植物が利用できる形に変換されます。植物では、窒素は有機物（タンパク質、核酸など）に固定され、食物連鎖に沿って移動します。生物の死後、分解者は有機物を無機化し、それらをアンモニウム化合物、硝酸塩、亜硝酸塩、さらには遊離窒素に変換し、大気に戻します。

硝酸塩と亜硝酸塩は水に非常に溶けやすく、地下水や植物に移行し、食物連鎖を通じて移動する可能性があります。窒素肥料の不適切な使用でよく見られるように、その量が過度に多い場合、水と食物が汚染され、人間の病気を引き起こします。

リンサイクル。 リンの大部分は、過去の地質時代に形成された岩石に含まれています。リンは、岩石の風化の結果として、生物地球化学サイクルに含まれています。陸上生態系では、植物は土壌からリンを抽出し (主に PO43– の形で)、それを有機化合物 (タンパク質、核酸、リン脂質など) に含めるか、無機の形のままにします。さらに、リンは食物連鎖を通じて移動します。生物の死後、その分泌物とともに、リンは土壌に戻ります。

リン肥料の不適切な使用、土壌の水と風による侵食により、大量のリンが土壌から除去されます。一方では、これはリン肥料の過剰消費とリン含有鉱石（リン酸塩、アパタイトなど）の埋蔵量の枯渇につながります。一方、リン、窒素、硫黄などの生物起源の元素が土壌から水域に大量に侵入すると、シアノバクテリアやその他の水生植物が急速に発達し（水の「開花」）、 富栄養化貯水池。しかし、リンの大部分は海に運ばれます。

水生生態系では、リンは植物プランクトンに取り込まれ、食物連鎖を通じて海鳥に運ばれます。彼らの排泄物はすぐに海に落ちるか、最初に海岸に蓄積してから海に洗い流されます. 死にかけている海洋動物、特に魚から、リンは再び海に入り、サイクルに入りますが、魚の骨格の一部は非常に深くなり、それらに含まれるリンは再び堆積岩に入ります。サイクル。

硫黄循環。 硫黄の主な予備資金は堆積物と土壌にありますが、リンとは異なり、大気中に予備資金があります。生物地球化学サイクルにおける硫黄の関与における主な役割は、微生物に属しています。それらのいくつかは還元剤であり、他は酸化剤です。

岩石では、硫黄は硫化物 (FeS2 など) の形で、溶液ではイオン (SO42–) の形で、気相では硫化水素 (H2S) または二酸化硫黄 (SO2) の形で発生します。 . 一部の生物では、硫黄が純粋な形で蓄積され、それらが死ぬと、海底に天然硫黄の堆積物が形成されます。

陸上生態系では、硫黄は主に硫酸塩の形で土壌から植物に入ります。生物では、硫黄はイオンなどの形でタンパク質に含まれています。生物の死後、硫黄の一部は微生物によって土壌中でH2Sに復元され、残りの部分は硫酸塩に酸化されて再びサイクルに含まれます。生成された硫化水素は大気中に放出され、そこで酸化され、沈殿とともに土壌に戻ります。

人間による化石燃料 (特に石炭) の燃焼や化学産業からの排出により、大気中に二酸化硫黄 (SO2) が蓄積し、水蒸気と反応して酸性雨の形で地面に落下します。 .

生物地球化学的循環は地質学的循環ほど大きくなく、人間の影響を大きく受けます。経済活動は彼らの孤立を破り、非循環的になります。

質問 1. 生物圏の主な機能は何ですか?

生物圏の主な機能は、化学元素の循環を確保することです。これは、大気、土壌、水圏、および生物間の物質の循環で表されます。

Question 2. 自然界の水循環について教えてください。

水は蒸発し、気流によって長距離にわたって運ばれます。降水の形で地表に落ち、岩石の破壊に寄与し、植物や微生物がアクセスできるようにし、上部の土壌層を侵食し、化学化合物やそれに溶解した浮遊有機粒子と一緒に海や海に流れ込みます。 . 海と陸の間の水の循環は、地球上の生命を維持する上で不可欠なリンクです。

質問 3. 生物は水循環に参加していますか? 「はい」の場合、図 113 に示されている図を完成させ、その上に生物がサイクルに参加していることを示します。

植物は 2 つの方法で水循環に参加します。土壌から水を抽出し、大気中に蒸発させます。植物細胞内の水の一部は、光合成中に分解されます。この場合、水素は有機化合物の形で固定され、酸素は大気中に入ります。

動物は、体内の浸透圧と塩分のバランスを維持するために水を消費し、代謝産物とともに外部環境に放出します。

質問 4. 大気から二酸化炭素を吸収する生物は何ですか?

緑の植物は光合成の過程で二酸化炭素と水からの水素を使って有機化合物を合成し、放出された酸素は大気中に入ります。

質問 5. 固定炭素はどのようにして大気に戻されますか?

さまざまな動植物が酸素を呼吸し、呼吸の最終生成物である CO2 が大気中に放出されます。

問題 6. 自然界の窒素循環の図を描いてください。

質問 7. 微生物が硫黄サイクルでどのように重要な役割を果たしているかを考え、例を挙げてください。

土壌の奥深くや海洋堆積岩の中にある金属を含む硫黄化合物 - 硫化物 - は、微生物によってアクセス可能な形 - 植物に吸収される硫酸塩に変換されます。バクテリアの助けを借りて、別々の酸化還元反応が行われます。深部にある硫酸塩は H2S に還元され、上昇して好気性バクテリアによって硫酸塩に酸化されます。動物や植物の死体の分解により、硫黄がサイクルに確実に戻ります。

質問 8. 各人の食事には魚料理が含まれている必要があります。これが重要である理由を説明してください。

約 60,000 トンのリン元素が、捕獲された魚とともに陸に戻されます。私たちの体に含まれるリンの70％は、骨や歯に集中しています。カルシウムとともに骨の正しい構造を形成し、骨の機械的強度を確保します。リンとカルシウムの理想的な比率は、1対2または3対4であると考えられています。そして、それらが等しい場合、骨は徐々にカルシウムを失い、硬くなりますが、ガラスのように脆くなります。同時にそれを壊すのは簡単ですが、かなり難しいです。

リンは主なエネルギー担体であり、アデノシン三リン酸（略してATP）の一部であり、血液に吸収され、エネルギーを必要とするすべての細胞にエネルギーを供給します.

質問 9. 地球上ですべての生物が消滅した場合、自然界の物質の循環がどのように変化するかについてクラスで話し合います。

すべての生物は物質の循環に参加し、外部環境からいくつかの物質を吸収し、他の物質を外部環境に放出します。したがって、植物は外部環境から二酸化炭素、水、ミネラル塩を消費し、酸素を放出します。動物は植物が放出する酸素を吸い込み、それを食べることで水と二酸化炭素から合成された有機物を同化し、食べ物の未消化部分から二酸化炭素と水と物質を放出します。死んだ植物や動物が細菌や菌類によって分解されると、追加の量の二酸化炭素が形成され、有機物がミネラルに変換されて土壌に入り、再び植物に吸収されます。したがって、主要な化学元素の原子は、ある生物から別の生物へ、土壌、大気、水圏から生物へ、そしてそれらから環境へと絶えず移動し、生物圏の無生物物質を補充しています。これらのプロセスは無限に繰り返されます。したがって、たとえば、すべての大気中の酸素は2千年で生物を通過し、すべての二酸化炭素は200〜300年で通過します。

多かれ少なかれ閉鎖された経路に沿った生物圏の化学元素の継続的な循環は、生物地球化学的循環と呼ばれます。そのような循環の必要性は、地球上の埋蔵量が限られていることによって説明されます。生命の無限性を確保するために、化学元素は円を描いて移動する必要があります。生物がいなくなると、物質やエネルギーの循環が滞り、結果として生物圏が死滅します。