V živých bunkách prebieha mnoho enzymatických reakcií. Celý súbor týchto reakcií spájame so všeobecným konceptom metabolizmu, ale bolo by nesprávne myslieť si, že bunka nie je nič iné ako membránový vak, v ktorom enzýmy pôsobia náhodne, neusporiadane. Metabolizmus je vysoko koordinovaná a cieľavedomá bunková činnosť, ktorú zabezpečuje účasť mnohých vzájomne prepojených multienzýmových systémov. Plní štyri špecifické funkcie: 1) prísun chemickej energie, ktorá sa získava štiepením energeticky bohatých živín, ktoré sa do organizmu dostávajú z prostredia, alebo premenou zachytenej energie zo slnečného žiarenia; 2) premena molekúl potravy na stavebné bloky, ktoré bunka neskôr využije na stavbu makromolekúl; 3) zostavenie proteínov, nukleových kyselín, lipidov, polysacharidov a iných bunkových komponentov z týchto stavebných blokov; 4) syntéza a deštrukcia tých biomolekúl, ktoré sú nevyhnutné na vykonávanie akýchkoľvek špecifických funkcií danej bunky.

Hoci metabolizmus pozostáva zo stoviek rôznych enzymatických reakcií, centrálnych metabolických dráh, ktoré nás zvyčajne najviac zaujímajú, je málo a v princípe sú rovnaké vo všetkých živých formách. V tejto prehľadovej kapitole sa budeme zaoberať zdrojmi látok a energie pre metabolizmus, centrálnymi metabolickými dráhami používanými na syntézu a rozklad hlavných bunkových zložiek, mechanizmami zapojenými do prenosu chemickej energie a napokon tými experimentálnymi prístupmi, ktoré Používajú sa na štúdium metabolických dráh.

13.1. Živé organizmy sa podieľajú na cykle uhlíka a kyslíka

Našu úvahu začneme makroskopickými aspektmi metabolizmu, všeobecnou metabolickou interakciou medzi živými organizmami biosféry. Všetky živé organizmy možno rozdeliť do dvoch veľkých skupín v závislosti od chemickej formy, v ktorej sú schopné absorbovať uhlík pochádzajúci z prostredia. Autotrofné bunky ("samoživiace") môžu využívať atmosférický uhlík ako jediný zdroj uhlíka, z ktorého si budujú všetky svoje biomolekuly obsahujúce uhlík.

Do tejto skupiny patria fotosyntetické baktérie a bunky listov zelených rastlín. Niektoré autotrofy, ako napríklad sinice, môžu tiež využívať vzdušný dusík na syntézu všetkých svojich dusíkatých zložiek. Heterotrofné bunky ("živenie na úkor iných") nemajú schopnosť absorbovať atmosférické; musia prijímať uhlík vo forme dostatočne zložitých organických zlúčenín, ako je napríklad glukóza. Heterotrofy zahŕňajú bunky vyšších živočíchov a väčšinu mikroorganizmov. Autotrofy, ktoré si zabezpečujú všetko potrebné pre život, majú určitú nezávislosť, kým heterotrofy, ktoré potrebujú komplexné zdroje uhlíka, sa živia odpadovými produktmi iných buniek.

Medzi týmito dvoma skupinami je ešte jeden dôležitý rozdiel. Mnoho autotrofných organizmov vykonáva fotosyntézu, to znamená, že majú schopnosť využívať energiu slnečného žiarenia, zatiaľ čo heterotrofné bunky získavajú energiu, ktorú potrebujú, rozkladom organických zlúčenín produkovaných autotrofmi. V biosfére koexistujú autotrofy a heterotrofy ako účastníci jedného gigantického cyklu, v ktorom autotrofné organizmy budujú organické biomolekuly z atmosféry a niektoré z nich uvoľňujú do atmosféry kyslík. Heterotrofy využívajú organické produkty produkované autotrofmi ako potravu a vracajú ich do atmosféry. Týmto spôsobom prebieha nepretržitá cirkulácia uhlíka a kyslíka medzi svetom zvierat a rastlín. Zdrojom energie pre tento kolosálny proces je slnečné svetlo (obr. 13-1).

Autotrofné a heterotrofné organizmy možno rozdeliť do podtried. Existujú napríklad dve veľké podtriedy heterotrofov: aeróby a anaeróby. Aeróby žijú v prostredí obsahujúcom kyslík a oxidujú organické živiny molekulárnym kyslíkom.

Ryža. 13-1. Cyklus oxidu uhličitého a cyklus kyslíka medzi dvoma oblasťami biosféry Zeme, fotosyntetickou a heterotrofnou. Rozsah tohto cyklu je obrovský. Za rok v biosfére cykluje viac ako uhlík. Rovnováha medzi vzdelaním a spotrebou je jedným z dôležitých faktorov, ktoré určujú klímu na Zemi. Obsah v atmosfére sa za posledných 100 rokov zvýšil asi o 25 % v dôsledku zvyšujúceho sa spaľovania uhlia a ropy. Niektorí vedci tvrdia, že ďalšie zvýšenie množstva atmosféry bude mať za následok zvýšenie priemernej teploty atmosféry („skleník“); nie všetci s tým však súhlasia, pretože je ťažké presne určiť množstvá vytvorené a zapojené do opakovaných cyklov v biosfére, ako aj absorbované oceánmi. Trvá asi 300 rokov, kým všetko atmosferické prejde cez rastliny.

Anaeróby nepotrebujú kyslík na oxidáciu živín; žijú v prostredí bez kyslíka. Mnohé bunky, ako napríklad kvasinky, môžu existovať v aeróbnych aj anaeróbnych podmienkach. Takéto organizmy sa nazývajú fakultatívne anaeróby. Avšak pre obligátne anaeróby, ktoré nie sú schopné využívať kyslík, je ten druhý jed. Takými sú napríklad organizmy, ktoré žijú hlboko v pôde alebo na morskom dne. Väčšina heterotrofných buniek, najmä vyšších buniek, sú fakultatívne anaeróby, ale v prítomnosti kyslíka využívajú na oxidáciu živín aeróbne metabolické dráhy.

V tom istom organizme môžu rôzne skupiny buniek patriť do rôznych tried.

Napríklad vo vyšších rastlinách sú listové bunky obsahujúce zelený chlorofyl fotosyntetické autotrofy a koreňové bunky bez chlorofylu sú heterotrofy. Okrem toho zelené bunky listov vedú autotrofnú existenciu iba počas dňa. V noci fungujú ako heterotrofy a potrebnú energiu získavajú oxidáciou nimi syntetizovaných sacharidov na svetle.

V tomto článku vám odporúčame zvážiť, čo je biologický cyklus. Aké sú jeho funkcie a význam pre našu planétu. Pozornosť budeme venovať aj problematike zdroja energie na jej realizáciu.

Čo ešte potrebujete vedieť predtým, ako zvážime biologický cyklus, je, že naša planéta pozostáva z troch škrupín:

• litosféra (tvrdá škrupina, zhruba povedané, toto je zem, po ktorej chodíme);
• hydrosféra (kde možno pripísať všetku vodu, to znamená moria, rieky, oceány atď.);
• atmosféra (plynný obal, vzduch, ktorý dýchame).

Medzi všetkými vrstvami sú jasné hranice, ale sú schopné navzájom bez problémov preniknúť.

Cirkulácia látok

Všetky tieto vrstvy tvoria biosféru. Aký je biologický cyklus? Vtedy sa látky pohybujú po celej biosfére, a to v pôde, vzduchu, v živých organizmoch. Tento nekonečný obeh sa nazýva biologický cyklus. Je tiež dôležité vedieť, že všetko začína a končí v rastlinách.

Pod tým sa skrýva neuveriteľne zložitý proces. Akékoľvek látky z pôdy a atmosféry vstupujú do rastlín a potom do iných živých organizmov. Potom v telách, ktoré ich absorbovali, začnú aktívne produkovať ďalšie komplexné zlúčeniny, po ktorých sa tieto dostanú von. Dá sa povedať, že ide o proces, v ktorom sa prejavuje prepojenie všetkého na našej planéte. Organizmy sa navzájom ovplyvňujú, jediným spôsobom, akým existujeme dodnes.

Atmosféra nebola vždy taká, ako ju poznáme. Predtým bol náš vzduchový obal veľmi odlišný od súčasného, ​​konkrétne bol nasýtený oxidom uhličitým a amoniakom. Ako sa teda objavili ľudia, ktorí na dýchanie používajú kyslík? Mali by sme poďakovať zeleným rastlinám, ktoré dokázali preniesť stav našej atmosféry do takej podoby, akú ľudia potrebujú. Vzduch a rastliny pohlcujú bylinožravce, zaraďujú ich aj do jedálnička dravcov. Keď zvieratá uhynú, ich pozostatky spracujú mikroorganizmy. Takto sa získava humus potrebný pre rast rastlín. Ako vidíte, kruh je uzavretý.

Zdroj energie

Biologický cyklus je nemožný bez energie. Čo alebo kto je zdrojom energie pre organizáciu tejto výmeny? Naším zdrojom tepelnej energie je samozrejme hviezda Slnko. Biologický cyklus je jednoducho nemožný bez nášho zdroja tepla a svetla. Slnko hreje

• vzduch;
• pôda;
• vegetácie.

Pri zahrievaní sa vyparuje voda, ktorá sa začne hromadiť v atmosfére vo forme oblakov. Všetka voda sa nakoniec vráti na zemský povrch vo forme dažďa alebo snehu. Po návrate nasiakne pôdu a vysajú ju korene rôznych stromov. Ak sa vode podarilo preniknúť veľmi hlboko, doplní zásoby podzemnej vody a časť z nej sa dokonca vráti do riek, jazier, morí a oceánov.

Ako viete, keď dýchame, prijímame kyslík a vydychujeme oxid uhličitý. Stromy teda potrebujú slnečnú energiu, aby mohli spracovať oxid uhličitý a vrátiť kyslík do atmosféry. Tento proces sa nazýva fotosyntéza.

Biologické cykly

Začnime túto časť pojmom „biologický proces“. Je to opakujúci sa jav. Môžeme pozorovať, ktoré pozostávajú z biologických procesov neustále sa opakujúcich v určitých intervaloch.

Biologický proces je viditeľný všade, je vlastný všetkým organizmom žijúcim na planéte Zem. Je tiež súčasťou všetkých úrovní organizácie. To znamená, že ako vo vnútri bunky, tak aj v biosfére môžeme tieto procesy pozorovať. Rozlišujeme niekoľko typov (cyklov) biologických procesov:

• intraday;
• denný príspevok;
• sezónne;
• Výročný;
• trvalka;
• storočia staré.

Najvýraznejšie sú ročné cykly. Dodržiavame ich vždy a všade, len sa treba nad touto problematikou trochu zamyslieť.

Voda

Teraz vás pozývame, aby ste zvážili biologický cyklus v prírode na príklade vody, najbežnejšej zlúčeniny na našej planéte. Má mnoho schopností, čo mu umožňuje podieľať sa na mnohých procesoch vo vnútri aj mimo tela. Život všetkých živých vecí závisí od kolobehu H 2 O v prírode. Bez vody by sme neexistovali a planéta by bola ako púšť bez života. Je schopná zúčastniť sa všetkých životne dôležitých procesov. To znamená, že môžeme vyvodiť nasledujúci záver: všetky živé bytosti na planéte Zem jednoducho potrebujú čistú vodu.

Voda je však vždy kontaminovaná v dôsledku akýchkoľvek procesov. Ako si teda zabezpečiť nevyčerpateľné zásoby čistej pitnej vody? Príroda sa o to postarala, za existenciu tohto kolobehu vody v prírode by sme mali ďakovať. Už sme diskutovali o tom, ako sa to všetko deje. Voda sa vyparuje, zhromažďuje sa v oblakoch a padá ako zrážky (dážď alebo sneh). Tento proces sa nazýva „hydrologický cyklus“. Je založená na štyroch procesoch:

• odparovanie;
• kondenzácia;
• zrážky;
• odtok vody.

Existujú dva typy vodného cyklu: veľký a malý.

Uhlík

Teraz zvážime, ako sa biologické látky vyskytujú v prírode. Dôležité je vedieť aj to, že v percentuálnom zastúpení látok obsadzuje až 16. miesto. Možno ho nájsť vo forme diamantov a grafitu. A jeho percento v uhlí presahuje deväťdesiat percent. Uhlík je dokonca zahrnutý v atmosfére, ale jeho obsah je veľmi malý, asi 0,05 percenta.

V biosfére vďaka uhlíku jednoducho vzniká množstvo rôznych organických zlúčenín, ktoré potrebuje všetok život na našej planéte. Zvážte proces fotosyntézy: rastliny absorbujú oxid uhličitý z atmosféry a recyklujú ho, výsledkom čoho sú rôzne organické zlúčeniny.

Fosfor

Hodnota biologického cyklu je pomerne veľká. Ak aj prijmeme fosfor, nachádza sa vo veľkom množstve v kostiach, pre rastliny je potrebný. Hlavným zdrojom je apatit. Nachádza sa vo vyvretej hornine. Živé organizmy ho môžu získať z:

• pôda;
• vodné zdroje.

Nachádza sa aj v ľudskom tele, konkrétne je súčasťou:

• proteíny;
• nukleová kyselina;
• kostné tkanivo;
• lecitíny;
• armatúry a pod.

Práve fosfor je nevyhnutný pre akumuláciu energie v tele. Keď organizmus zomrie, vráti sa do pôdy alebo do mora. To prispieva k tvorbe hornín bohatých na fosfor. To má veľký význam v biogénnom cykle.

Dusík

Teraz sa pozrieme na cyklus dusíka. Predtým si všimneme, že tvorí asi 80 % celkového objemu atmosféry. Súhlasíte, toto číslo je celkom pôsobivé. Okrem toho, že dusík je základom zloženia atmosféry, nachádza sa v rastlinných a živočíšnych organizmoch. Môžeme sa s ním stretnúť vo forme bielkovín.

Čo sa týka kolobehu dusíka, môžeme povedať toto: dusičnany vznikajú zo vzdušného dusíka, ktorý syntetizujú rastliny. Proces tvorby dusičnanov sa nazýva fixácia dusíka. Keď rastlina odumrie a zhnije, dusík, ktorý obsahuje, sa dostane do pôdy vo forme amoniaku. Ten je spracovávaný (oxidovaný) organizmami žijúcimi v pôde, takže sa objavuje kyselina dusičná. Je schopný reagovať s uhličitanmi, ktoré sú nasýtené v pôde. Okrem toho je potrebné spomenúť, že dusík sa uvoľňuje aj v čistej forme v dôsledku rozkladu rastlín alebo v procese spaľovania.

Síra

Rovnako ako mnoho iných prvkov veľmi úzko súvisí so živými organizmami. Síra sa do atmosféry dostáva v dôsledku sopečných erupcií. Sulfidovú síru dokážu mikroorganizmy spracovať, a tak sa rodia sírany. Posledné sú absorbované rastlinami, síra je súčasťou éterických olejov. Čo sa týka tela, síru nájdeme v:

• aminokyseliny;
• bielkoviny.

Je vynikajúci ruský vedec akademik V.I. Vernadského.

Biosféra- komplexný vonkajší obal Zeme, ktorý obsahuje všetky živé organizmy a tú časť hmoty planéty, ktorá je v procese nepretržitej výmeny s týmito organizmami. Ide o jednu z najdôležitejších geosfér Zeme, ktorá je hlavnou zložkou prírodného prostredia obklopujúceho človeka.

Zem je tvorená sústrednými škrupiny(geosféry) vnútorné aj vonkajšie. Vnútorné sú jadro a plášť a vonkajšie sú: litosféra - kamenná škrupina Zeme vrátane zemskej kôry (obr. 1) s hrúbkou 6 km (pod oceánom) až 80 km (horské systémy); hydrosféra - vodná škrupina Zeme; atmosféru- plynný obal Zeme, pozostávajúci zo zmesi rôznych plynov, vodnej pary a prachu.

Vo výške 10 až 50 km sa nachádza ozónová vrstva s maximálnou koncentráciou vo výške 20-25 km, ktorá chráni Zem pred nadmerným ultrafialovým žiarením, ktoré je pre telo smrteľné. Patrí sem aj biosféra (do vonkajších geosfér).

Biosféra - vonkajší obal Zeme, ktorý zahŕňa časť atmosféry do výšky 25-30 km (po ozónovú vrstvu), takmer celú hydrosféru a vrchnú časť litosféry do hĺbky asi 3 km

Ryža. 1. Schéma stavby zemskej kôry

(obr. 2). Zvláštnosťou týchto častí je, že sú obývané živými organizmami, ktoré tvoria živú substanciu planéty. Interakcia abiotická časť biosféry- vzduch, voda, horniny a organické látky - biota viedli k tvorbe pôd a sedimentárnych hornín.

Ryža. 2. Štruktúra biosféry a pomer povrchov, ktoré zaberajú hlavné štruktúrne jednotky

Kolobeh látok v biosfére a ekosystémoch

Všetky chemické zlúčeniny dostupné pre živé organizmy v biosfére sú obmedzené. Vyčerpateľnosť chemických látok vhodných na asimiláciu často bráni rozvoju určitých skupín organizmov v miestnych oblastiach pevniny alebo oceánu. Podľa akademika V.R. Williams, jediný spôsob, ako poskytnúť konečné vlastnosti nekonečna, je prinútiť ho otáčať sa pozdĺž uzavretej krivky. V dôsledku toho je stabilita biosféry udržiavaná vďaka cirkulácii látok a energetických tokov. Dostupné dva hlavné cykly látok: veľký – geologický a malý – biogeochemický.

Veľký geologický cyklus(obr. 3). Kryštalické horniny (vyvrelé) sa vplyvom fyzikálnych, chemických a biologických faktorov premieňajú na sedimentárne horniny. Piesok a hlina sú typické sedimenty, produkty premeny hlbinných hornín. K tvorbe sedimentov však nedochádza len deštrukciou existujúcich hornín, ale aj syntézou biogénnych minerálov – kostry mikroorganizmov – z prírodných zdrojov – oceánskych vôd, morí a jazier. Voľné vodnaté sedimenty, keďže sú na dne nádrží izolované novými časťami sedimentárneho materiálu, ponorené do hĺbky, upadajúce do nových termodynamických podmienok (vyššie teploty a tlaky), strácajú vodu, tvrdnú a premieňajú sa na sedimentárne horniny.

V budúcnosti sa tieto horniny ponárajú do ešte hlbších horizontov, kde prebiehajú procesy ich hĺbkovej premeny na nové teplotné a tlakové pomery - procesy metamorfózy.

Vplyvom endogénnych energetických tokov sa pretavujú hlbinné horniny, pričom vzniká magma – zdroj nových vyvrelín. Po výstupe týchto hornín na povrch Zeme sa vplyvom procesov zvetrávania a transportu opäť premieňajú na nové sedimentárne horniny.

Veľký obeh je teda spôsobený interakciou slnečnej (exogénnej) energie s hlbokou (endogénnou) energiou Zeme. Prerozdeľuje látky medzi biosféru a hlbšie horizonty našej planéty.

Ryža. 3. Veľký (geologický) obeh látok (tenké šípky) a zmena diverzity v zemskej kôre (plné široké šípky - rast, čiarkované - pokles diverzity)

Veľký kruh nazývaný aj kolobeh vody medzi hydrosférou, atmosférou a litosférou, ktorý je poháňaný energiou slnka. Voda sa vyparuje z povrchu vodných plôch a pevniny a následne sa vracia na Zem vo forme zrážok. Vyparovanie prevyšuje zrážky nad oceánom a naopak nad pevninou. Tieto rozdiely sú kompenzované prietokmi riek. Pozemná vegetácia hrá dôležitú úlohu v globálnom vodnom cykle. Transpirácia rastlín v určitých oblastiach zemského povrchu môže byť až 80-90% zrážok, ktoré tu padajú, av priemere pre všetky klimatické zóny - asi 30%. Na rozdiel od veľkého cyklu sa malý cyklus látok vyskytuje iba v biosfére. Vzťah medzi veľkým a malým vodným cyklom je znázornený na obr. štyri.

Cykly v planetárnom meradle vznikajú z nespočetných lokálnych cyklických pohybov atómov poháňaných životnou činnosťou organizmov v jednotlivých ekosystémoch a pohybov, ktoré sú spôsobené pôsobením krajinných a geologických faktorov (povrchový a podzemný odtok, veterná erózia, pohyb morské dno, vulkanizmus, horská stavba atď.).

Ryža. 4. Vzťah medzi veľkým geologickým cyklom (GBC) vody a malým biogeochemickým cyklom (MBC) vody

Na rozdiel od energie, ktorú telo raz využíva, mení sa na teplo a stráca sa, látky v biosfére cirkulujú a vytvárajú biogeochemické cykly. Z viac ako deväťdesiatich prvkov, ktoré sa nachádzajú v prírode, potrebujú živé organizmy asi štyridsať. Najdôležitejšie pre nich sú potrebné veľké množstvá - uhlík, vodík, kyslík, dusík. Cykly prvkov a látok sa uskutočňujú prostredníctvom samoregulačných procesov, na ktorých sa podieľajú všetky zložky. Tieto procesy nie sú odpadové. Existuje zákon globálneho uzavretia biogeochemickej cirkulácie v biosfére funguje vo všetkých fázach svojho vývoja. V procese evolúcie biosféry, úloha biologickej zložky v uzavretí biogeochemickej
koho cyklus. Človek má ešte väčší vplyv na biogeochemický cyklus. Jeho úloha sa však prejavuje v opačnom smere (obehy sa otvárajú). Základom biogeochemického obehu látok je energia Slnka a chlorofyl zelených rastlín. Ďalšie najdôležitejšie cykly – voda, uhlík, dusík, fosfor a síra – sú spojené s biogeochémiou a prispievajú k nej.

Kolobeh vody v biosfére

Rastliny využívajú vodný vodík počas fotosyntézy na vytváranie organických zlúčenín, pričom uvoľňujú molekulárny kyslík. V procesoch dýchania všetkých živých bytostí sa pri oxidácii organických zlúčenín opäť tvorí voda. V histórii života všetka voľná voda hydrosféry opakovane prešla cyklami rozkladu a novotvorby v živej hmote planéty. Do kolobehu vody na Zemi sa ročne zapojí asi 500 000 km 3 vody. Kolobeh vody a jej zásoby sú znázornené na obr. 5 (v relatívnom vyjadrení).

Cyklus kyslíka v biosfére

Za svoju jedinečnú atmosféru s vysokým obsahom voľného kyslíka vďačí Zem procesu fotosyntézy. Tvorba ozónu vo vysokých vrstvách atmosféry úzko súvisí s kolobehom kyslíka. Kyslík sa uvoľňuje z molekúl vody a je v podstate vedľajším produktom fotosyntetickej aktivity v rastlinách. Abioticky kyslík vzniká vo vyšších vrstvách atmosféry fotodisociáciou vodnej pary, ale tento zdroj tvorí len tisíciny percent zdrojov dodávaných fotosyntézou. Medzi obsahom kyslíka v atmosfére a hydrosférou existuje pohyblivá rovnováha. Vo vode je to asi 21-krát menej.

Ryža. Obr. 6. Schéma kyslíkového cyklu: hrubé šípky - hlavné toky dodávky a spotreby kyslíka

Uvoľnený kyslík sa intenzívne vynakladá na procesy dýchania všetkých aeróbnych organizmov a na oxidáciu rôznych minerálnych zlúčenín. Tieto procesy prebiehajú v atmosfére, pôde, vode, kaloch a horninách. Ukázalo sa, že významná časť kyslíka viazaného v sedimentárnych horninách je fotosyntetického pôvodu. Výmenný fond O v atmosfére nie je viac ako 5% z celkovej produkcie fotosyntézy. Mnohé anaeróbne baktérie tiež oxidujú organickú hmotu počas anaeróbneho dýchania pomocou síranov alebo dusičnanov.

Na úplný rozklad organickej hmoty vytvorenej rastlinami je potrebné presne také množstvo kyslíka, aké sa uvoľnilo pri fotosyntéze. Pochovanie organických látok v sedimentárnych horninách, uhlí a rašeline slúžilo ako základ pre udržanie fondu výmeny kyslíka v atmosfére. Všetok kyslík, ktorý obsahuje, prechádza celým cyklom cez živé organizmy za približne 2000 rokov.

V súčasnosti je významná časť vzdušného kyslíka viazaná v dôsledku dopravy, priemyslu a iných foriem antropogénnej činnosti. Je známe, že ľudstvo už minie viac ako 10 miliárd ton voľného kyslíka z jeho celkového množstva 430-470 miliárd ton dodávaného procesmi fotosyntézy. Ak zoberieme do úvahy, že do výmenného fondu sa dostáva len malá časť fotosyntetického kyslíka, začína aktivita ľudí v tomto smere nadobúdať alarmujúce rozmery.

Cyklus kyslíka úzko súvisí s cyklom uhlíka.

Cyklus uhlíka v biosfére

Uhlík ako chemický prvok je základom života. Môže sa rôznymi spôsobmi kombinovať s mnohými ďalšími prvkami a vytvárať jednoduché a zložité organické molekuly, ktoré sú súčasťou živých buniek. Z hľadiska distribúcie na planéte zaberá uhlík jedenáste miesto (0,35 % hmotnosti zemskej kôry), no v živej hmote tvorí v priemere asi 18 alebo 45 % suchej biomasy.

V atmosfére je uhlík zahrnutý v zložení oxidu uhličitého CO 2 , v menšej miere - v zložení metánu CH 4 . V hydrosfére je CO 2 rozpustený vo vode a jeho celkový obsah je oveľa vyšší ako v atmosfére. Oceán slúži ako silný nárazník na reguláciu CO 2 v atmosfére: so zvýšením jeho koncentrácie vo vzduchu sa zvyšuje absorpcia oxidu uhličitého vodou. Niektoré z molekúl CO 2 reagujú s vodou za vzniku kyseliny uhličitej, ktorá sa potom disociuje na ióny HCO 3 - a CO 2- 3. Tieto ióny reagujú s katiónmi vápnika alebo horčíka za vzniku uhličitanov. Podobné reakcie sú základom nárazníkového systému oceánu, udržiavanie konštantného pH vody.

Oxid uhličitý atmosféry a hydrosféry je výmenným fondom v uhlíkovom cykle, odkiaľ ho čerpajú suchozemské rastliny a riasy. Fotosyntéza je základom všetkých biologických cyklov na Zemi. K uvoľňovaniu fixovaného uhlíka dochádza pri respiračnej aktivite samotných fotosyntetických organizmov a všetkých heterotrofov – baktérií, húb, živočíchov zaradených do potravinového reťazca na úkor živej alebo odumretej organickej hmoty.

Ryža. 7. Uhlíkový cyklus

Zvlášť aktívny je návrat CO 2 do atmosféry z pôdy, kde sa sústreďuje činnosť početných skupín organizmov, rozkladá sa zvyšky odumretých rastlín a živočíchov a uskutočňuje sa dýchanie koreňových systémov rastlín. Tento integrálny proces sa označuje ako „dýchanie pôdy“ a významne prispieva k doplňovaniu výmenného fondu CO 2 vo vzduchu. Paralelne s procesmi mineralizácie organickej hmoty sa v pôdach tvorí humus – komplexný a stabilný molekulárny komplex bohatý na uhlík. Pôdny humus je jedným z dôležitých rezervoárov uhlíka na súši.

V podmienkach, kde je činnosť deštruktorov brzdená environmentálnymi faktormi (napríklad, keď sa v pôdach a na dne vodných útvarov vyskytuje anaeróbny režim), organická hmota nahromadená vegetáciou sa nerozkladá a časom sa mení na horniny, ako je uhlie, rašelina, sapropely, ropná bridlica a iné bohaté na akumulovanú slnečnú energiu. Dopĺňajú rezervný fond uhlíka, pričom sú na dlhú dobu vypnuté z biologického cyklu. Uhlík sa tiež dočasne ukladá v živej biomase, v mŕtvom odpade, v rozpustenej organickej hmote oceánu atď. Avšak hlavný rezervný fond uhlíka na zápis nie sú živé organizmy a nie sú horľavé fosílie, ale sedimentárne horniny sú vápence a dolomity. Ich vznik súvisí aj s činnosťou živej hmoty. Uhlík týchto uhličitanov je na dlhú dobu pochovaný v útrobách Zeme a do obehu sa dostáva až pri erózii, keď sú horniny odkryté v tektonických cykloch.

Na biogeochemickom cykle sa zúčastňujú len zlomky percent uhlíka z jeho celkového množstva na Zemi. Atmosférický a hydrosférický uhlík opakovane prechádza cez živé organizmy. Pozemné rastliny sú schopné vyčerpať svoje zásoby vo vzduchu za 4-5 rokov, zásoby v pôdnom humuse - za 300-400 rokov. K hlavnému návratu uhlíka do výmenného fondu dochádza v dôsledku činnosti živých organizmov a len jeho malá časť (tisíciny percent) je kompenzovaná uvoľňovaním z vnútra Zeme ako súčasť sopečných plynov.

V súčasnosti sa ťažba a spaľovanie obrovských zásob fosílnych palív stáva silným faktorom presunu uhlíka zo zásoby do výmenného fondu biosféry.

Cyklus dusíka v biosfére

Atmosféra a živá hmota obsahujú menej ako 2 % všetkého dusíka na Zemi, no je to práve on, kto podporuje život na planéte. Dusík je súčasťou najdôležitejších organických molekúl - DNA, bielkovín, lipoproteínov, ATP, chlorofylu a pod.. V rastlinných tkanivách je jeho pomer s uhlíkom v priemere 1:30 a v morských riasach I:6. Biologický cyklus dusíka je preto tiež úzko súvisí s uhlíkom.

Molekulárny dusík atmosféry nie je dostupný pre rastliny, ktoré môžu tento prvok absorbovať len vo forme amónnych iónov, dusičnanov, prípadne z pôdnych či vodných roztokov. Nedostatok dusíka je preto často faktorom limitujúcim primárnu produkciu – prácu organizmov spojenú s tvorbou organických látok z anorganických. Napriek tomu sa atmosférický dusík vo veľkej miere podieľa na biologickom cykle vďaka aktivite špeciálnych baktérií (fixátorov dusíka).

Amonizujúce mikroorganizmy sa tiež podieľajú na cykle dusíka. Rozkladajú bielkoviny a iné organické látky obsahujúce dusík na amoniak. V amónnej forme je dusík čiastočne reabsorbovaný koreňmi rastlín a čiastočne zachytávaný nitrifikačnými mikroorganizmami, čo je v protiklade s funkciami skupiny mikroorganizmov - denitrifikátorov.

Ryža. 8. Cyklus dusíka

V anaeróbnych podmienkach v pôde alebo vo vodách využívajú kyslík dusičnanov na oxidáciu organickej hmoty, čím získavajú energiu pre svoju životnú činnosť. Dusík sa redukuje na molekulárny dusík. Fixácia dusíka a denitrifikácia v prírode sú približne vyrovnané. Cyklus dusíka tak závisí predovšetkým od aktivity baktérií, pričom rastliny doň vstupujú využívaním medziproduktov tohto cyklu a produkciou biomasy výrazne zvyšujú cirkuláciu dusíka v biosfére.

Úloha baktérií v cykle dusíka je taká veľká, že ak bude zničených len 20 ich druhov, život na našej planéte zanikne.

K nebiologickej fixácii dusíka a vstupu jeho oxidov a amoniaku do pôd dochádza aj pri zrážkach pri atmosférickej ionizácii a výbojoch bleskov. Moderný priemysel hnojív fixuje atmosférický dusík nad rámec prirodzenej fixácie dusíka s cieľom zvýšiť produkciu plodín.

V súčasnosti ľudská činnosť vo zvýšenej miere ovplyvňuje cyklus dusíka, najmä v smere prekračovania jeho premeny na viazané formy nad procesmi návratu do molekulárneho stavu.

Cyklus fosforu v biosfére

Tento prvok, nevyhnutný pre syntézu mnohých organických látok, vrátane ATP, DNA, RNA, je rastlinami absorbovaný iba vo forme iónov kyseliny ortofosforečnej (PO 3 4 +). Patrí k prvkom obmedzujúcim primárnu produkciu na súši a najmä v oceáne, keďže výmenný fond fosforu v pôdach a vodách je malý. Cirkulácia tohto prvku na škále biosféry nie je uzavretá.

Na súši rastliny čerpajú fosfáty z pôdy, ktoré uvoľňujú rozkladače z rozkladajúcich sa organických zvyškov. V alkalickej alebo kyslej pôde však rozpustnosť zlúčenín fosforu prudko klesá. Hlavný rezervný fond fosfátov je obsiahnutý v horninách vytvorených na dne oceánov v geologickej minulosti. Pri lúhovaní hornín časť týchto zásob prechádza do pôdy a vyplavuje sa do vodných útvarov vo forme suspenzií a roztokov. V hydrosfére sú fosfáty využívané fytoplanktónom, prechádzajú cez potravinové reťazce k iným hydrobiontom. V oceáne je však väčšina zlúčenín fosforu pochovaná so zvyškami živočíchov a rastlín na dne, po ktorých nasleduje prechod so sedimentárnymi horninami do veľkého geologického cyklu. V hĺbke sa rozpustené fosforečnany viažu s vápnikom a vytvárajú fosfority a apatity. V biosfére v skutočnosti existuje jednosmerný tok fosforu z hornín zeme do hlbín oceánu, preto je jeho výmenný fond v hydrosfére veľmi obmedzený.

Ryža. 9. Cyklus fosforu

Prízemné ložiská fosforitov a apatitov sa využívajú pri výrobe hnojív. Vniknutie fosforu do sladkej vody je jedným z hlavných dôvodov ich „kvitnutia“.

Cyklus síry v biosfére

Cyklus síry, nevyhnutný pre stavbu množstva aminokyselín, je zodpovedný za trojrozmernú štruktúru bielkovín a v biosfére je podporovaný širokým spektrom baktérií. V samostatných väzbách tohto cyklu sa zúčastňujú aeróbne mikroorganizmy, ktoré oxidujú síru organických zvyškov na sírany, ako aj anaeróbne síranové reduktory, ktoré redukujú sírany na sírovodík. Okrem uvedených skupín sírnych baktérií oxidujú sírovodík na elementárnu síru a ďalej na sírany. Rastliny absorbujú iba ióny SO 2-4 z pôdy a vody.

Krúžok v strede znázorňuje oxidačné (O) a redukčné (R) procesy, ktoré vymieňajú síru medzi dostupným síranom a sulfidom železa hlboko v pôde a sedimente.

Ryža. 10. Cyklus síry. Krúžok v strede znázorňuje oxidačné (0) a redukčné (R) procesy, ktoré vymieňajú síru medzi dostupným síranom a sulfidom železa hlboko v pôde a sedimente.

Hlavná akumulácia síry sa vyskytuje v oceáne, kde sú síranové ióny nepretržite dodávané z pevniny s riečnym odtokom. Keď sa sírovodík uvoľní z vôd, síra sa čiastočne vráti do atmosféry, kde sa oxiduje na oxid, ktorý sa v dažďovej vode mení na kyselinu sírovú. Priemyselné využitie veľkého množstva síranov a elementárnej síry a spaľovanie fosílnych palív uvoľňuje do atmosféry veľké množstvo oxidu siričitého. To poškodzuje vegetáciu, zvieratá, ľudí a slúži ako zdroj kyslých dažďov, ktoré prehlbujú negatívne účinky ľudského zásahu do kolobehu síry.

Rýchlosť obehu látok

Všetky cykly látok prebiehajú rôznymi rýchlosťami (obr. 11)

Cykly všetkých biogénnych prvkov na planéte sú teda podporované komplexnou interakciou rôznych častí. Vznikajú činnosťou skupín organizmov s rôznymi funkciami, systémom odtoku a vyparovania spájajúcim oceán a pevninu, procesmi cirkulácie vodných a vzdušných hmôt, pôsobením gravitačných síl, tektonikou litosférických dosiek, tektonikou litosférických platní, pôsobením gravitačných síl, vodnými a vzdušnými silami, pôsobením gravitačných síl. a inými rozsiahlymi geologickými a geofyzikálnymi procesmi.

Biosféra pôsobí ako jeden komplexný systém, v ktorom prebiehajú rôzne cykly látok. Hlavným motorom týchto cykly sú živou látkou planéty, všetkých živých organizmov, zabezpečujúce procesy syntézy, transformácie a rozkladu organickej hmoty.

Ryža. 11. Rýchlosť obehu látok (P. Cloud, A. Jibor, 1972)

Základom ekologického pohľadu na svet je myšlienka, že každá živá bytosť je obklopená mnohými rôznymi faktormi, ktoré na ňu vplývajú, ktoré spolu tvoria jej biotop – biotop. v dôsledku toho biotop - kus územia, ktorý je homogénny z hľadiska životných podmienok pre určité druhy rastlín alebo živočíchov(svah rokliny, mestský lesopark, malé jazero alebo časť veľkého, ale s homogénnymi podmienkami - pobrežná časť, hlbokomorská časť).

Organizmy charakteristické pre konkrétny biotop sú životné spoločenstvo, alebo biocenóza(živočíchy, rastliny a mikroorganizmy jazera, lúky, pobrežného pásu).

Životné spoločenstvo (biocenóza) tvorí jeden celok so svojím biotopom, ktorý je tzv ekologický systém (ekosystém). Ako príklad prírodných ekosystémov môže slúžiť mravenisko, jazero, jazierko, lúka, les, mesto, farma. Klasickým príkladom umelého ekosystému je vesmírna loď. Ako vidíte, neexistuje tu žiadna striktná priestorová štruktúra. Blízko pojmu ekosystém je pojem biogeocenóza.

Hlavnými zložkami ekosystémov sú:

• neživé (abiotické) prostredie. Sú to voda, minerály, plyny, ako aj organické látky a humus;
• biotické zložky. Patria sem: producenti alebo producenti (zelené rastliny), konzumenti alebo konzumenti (živé tvory, ktoré sa živia producentmi) a rozkladači alebo rozkladači (mikroorganizmy).

Príroda je mimoriadne hospodárna. Biomasa vytvorená organizmami (látka tiel organizmov) a energia v nich obsiahnutá sa teda prenáša na ostatných členov ekosystému: živočíchy jedia rastliny, tieto živočíchy jedia iné živočíchy. Tento proces sa nazýva potravinový alebo trofický reťazec. V prírode sa potravinové reťazce často pretínajú, vytváranie potravinovej siete.

Príklady potravinových reťazcov: rastlina – bylinožravec – predátor; obilnina - myš poľná - líška atď a potravná sieť sú znázornené na obr. 12.

Rovnovážny stav v biosfére je teda založený na interakcii biotických a abiotických faktorov prostredia, ktorá je udržiavaná vďaka neustálej výmene hmoty a energie medzi všetkými zložkami ekosystémov.

V uzavretých cykloch prírodných ekosystémov je spolu s inými povinná účasť dvoch faktorov: prítomnosť rozkladačov a neustály prísun slnečnej energie. V mestských a umelých ekosystémoch je málo alebo žiadne rozkladače, takže sa hromadia tekuté, pevné a plynné odpady, ktoré znečisťujú životné prostredie.

Ryža. 12. Potravinová sieť a smer toku hmoty

• úvodná lekcia je zadarmo;
• Veľký počet skúsených učiteľov (rodinných a rusky hovoriacich);
• Kurzy NIE na konkrétne obdobie (mesiac, šesť mesiacov, rok), ale na konkrétny počet hodín (5, 10, 20, 50);
• Viac ako 10 000 spokojných zákazníkov.
• Cena jednej hodiny s rusky hovoriacim učiteľom - od 600 rubľov, s rodeným hovorcom - od 1500 rubľov

Kolobeh látok v biosfére

Základom sebestačného života na Zemi sú biogeochemické cykly. Všetky chemické prvky používané v životných procesoch organizmov vykonávajú neustále pohyby, presúvajú sa zo živých tiel na zlúčeniny neživej prírody a naopak. Možnosť opakovaného použitia tých istých atómov robí život na Zemi prakticky večným za predpokladu, že je neustále dodávané správne množstvo energie.

Typy cyklov látok. Biosféru Zeme určitým spôsobom charakterizuje existujúca cirkulácia látok a tok energie. Cirkulácia látok – mnohonásobná účasť látok na procesoch prebiehajúcich v atmosfére, hydrosfére a litosfére vrátane tých vrstiev, ktoré sú súčasťou biosféry Zeme. Obeh látok sa uskutočňuje nepretržitým tokom (prúdením) vonkajšej energie Slnka a vnútornej energie Zeme.

V závislosti od hnacej sily, s určitou mierou konvencie, v rámci obehu látok možno rozlíšiť geologické, biologické a antropogénne cykly. Pred objavením sa človeka na Zemi boli vykonané iba prvé dve.

Geologický cyklus (veľký obeh látok v prírode) – obeh látok, ktorých hybnou silou sú exogénne a endogénne geologické procesy.

Endogénne procesy(procesy vnútornej dynamiky) prebiehajú vplyvom vnútornej energie Zeme. Ide o energiu uvoľnenú v dôsledku rádioaktívneho rozpadu, chemických reakcií tvorby minerálov, kryštalizácie hornín atď. Medzi endogénne procesy patria: tektonické pohyby, zemetrasenia, magmatizmus, metamorfóza. Exogénne procesy(procesy vonkajšej dynamiky) prebiehajú pod vplyvom vonkajšej energie Slnka. Exogénne procesy zahŕňajú zvetrávanie hornín a minerálov, odstraňovanie produktov deštrukcie z niektorých oblastí zemskej kôry a ich presun do nových oblastí, usadzovanie a hromadenie produktov deštrukcie s tvorbou sedimentárnych hornín. Exogénne procesy zahŕňajú geologickú aktivitu atmosféry, hydrosféry (rieky, dočasné toky, podzemné vody, moria a oceány, jazerá a močiare, ľad), ako aj živých organizmov a ľudí.

Najväčšie tvary terénu (kontinenty a oceánske zníženiny) a veľké tvary (hory a roviny) vznikli v dôsledku endogénnych procesov, zatiaľ čo stredné a malé tvary (údolia riek, kopce, rokliny, duny atď.), superponované na väčšie tvary terénu, - cez exogénne procesy. Endogénne a exogénne procesy sú teda vo svojom pôsobení opačné. Prvé vedú k vzniku veľkých terénnych útvarov, druhé k ich vyhladzovaniu.

Vyvreté horniny sa v dôsledku zvetrávania premieňajú na sedimentárne horniny. V mobilných zónach zemskej kôry sa ponoria hlboko do Zeme. Tam sa vplyvom vysokých teplôt a tlakov pretavia a tvoria magmu, ktorá vystupujúc na povrch a tuhnutím vytvára vyvreliny.

Geologická cirkulácia látok teda prebieha bez účasti živých organizmov a prerozdeľuje hmotu medzi biosféru a hlbšie vrstvy Zeme.

Biologický (biogeochemický) cyklus (malý cyklus látok v biosfére) – kolobeh látok, ktorých hybnou silou je činnosť živých organizmov. Na rozdiel od veľkého geologického cyklu prebieha v biosfére malý biogeochemický cyklus látok. Hlavným zdrojom energie cyklu je slnečné žiarenie, ktoré generuje fotosyntézu. V ekosystéme sú organické látky syntetizované autotrofmi z anorganických látok. Potom ich pohltia heterotrofy. V dôsledku vylučovania počas životnej činnosti alebo po smrti organizmov (autotrofov aj heterotrofov) dochádza k mineralizácii organických látok, teda k premene na anorganické látky. Tieto anorganické látky môžu byť znovu použité na syntézu organických látok pomocou autotrofov.

V biogeochemických cykloch by sa mali rozlišovať dve časti:

1) rezervný fond - ide o časť látky, ktorá nie je spojená so živými organizmami;

2) výmenný fond - oveľa menšia časť hmoty, ktorá sa priamo vymieňa medzi organizmami a ich bezprostredným prostredím. V závislosti od umiestnenia rezervného fondu možno biogeochemické cykly rozdeliť do dvoch typov:

1) Cykly typu plynu s rezervným fondom látok v atmosfére a hydrosfére (cykly uhlíka, kyslíka, dusíka).

2) Sedimentárne gyry s rezervným fondom v zemskej kôre (cirkulácia fosforu, vápnika, železa a pod.).

Cykly plynového typu sú dokonalejšie, pretože majú veľký výmenný fond, čo znamená, že sú schopné rýchlej samoregulácie. Sedimentárne cykly sú menej dokonalé, sú inertnejšie, keďže prevažná časť hmoty je obsiahnutá v rezervnom fonde zemskej kôry vo forme „neprístupnej“ pre živé organizmy. Takéto cykly sú ľahko narušené rôznymi druhmi vplyvov a časť vymieňaného materiálu opúšťa cyklus. Znova sa môže vrátiť do obehu iba v dôsledku geologických procesov alebo ťažbou živou hmotou. Zo zemskej kôry je však oveľa ťažšie extrahovať látky potrebné pre živé organizmy ako z atmosféry.

Intenzitu biologického cyklu určuje predovšetkým teplota okolia a množstvo vody. Takže napríklad biologický cyklus prebieha intenzívnejšie vo vlhkých tropických lesoch ako v tundre.

S príchodom človeka vznikla antropogénna cirkulácia, čiže metabolizmus látok. Antropogénny cyklus (výmena) – obeh (výmena) látok, ktorých hybnou silou je ľudská činnosť. Má dve zložky: biologický, spojené s fungovaním človeka ako živého organizmu, a technický, spojené s ekonomickými aktivitami ľudí (technogénny cyklus).

Geologické a biologické cykly sú do značnej miery uzavreté, čo sa nedá povedať o antropogénnom cykle. Preto často hovoria nie o antropogénnom cykle, ale o antropogénnom metabolizme. Otvorenosť antropogénneho obehu látok vedie k vyčerpávanie prírodných zdrojov a znečisťovanie životného prostredia – hlavné príčiny všetkých environmentálnych problémov ľudstva.

Cykly hlavných biogénnych látok a prvkov. Zvážte cykly najvýznamnejších látok a prvkov pre živé organizmy. Vodný cyklus patrí k veľkým geologickým a kolobeh biogénnych prvkov (uhlík, kyslík, dusík, fosfor, síra a iné biogénne prvky) - k malým biogeochemickým.

Vodný cyklus medzi pevninou a oceánom cez atmosféru sa vzťahuje na veľký geologický cyklus. Voda sa vyparuje z povrchu oceánov a buď sa prenáša na pevninu, kde padá vo forme zrážok, ktoré sa opäť vracajú do oceánu vo forme povrchového a podzemného odtoku, alebo padá vo forme zrážok na povrch. oceán. Na kolobehu vody na Zemi sa každoročne zúčastňuje viac ako 500 tisíc km3 vody. Vodný cyklus ako celok zohráva veľkú úlohu pri formovaní prírodných podmienok na našej planéte. Ak vezmeme do úvahy transpiráciu vody rastlinami a jej absorpciu v biogeochemickom cykle, celá zásoba vody na Zemi sa rozpadne a obnoví sa za 2 milióny rokov.

Cyklus uhlíka. Producenti zachytávajú oxid uhličitý z atmosféry a premieňajú ho na organické látky, konzumenti absorbujú uhlík vo forme organických látok telami producentov a konzumentov nižších rádov, rozkladače mineralizujú organické látky a vracajú uhlík do atmosféry vo forme oxidu uhličitého. . V oceánoch je kolobeh uhlíka komplikovaný tým, že časť uhlíka obsiahnutá v mŕtvych organizmoch klesá na dno a hromadí sa v sedimentárnych horninách. Táto časť uhlíka je vylúčená z biologického cyklu a vstupuje do geologického cyklu hmoty.

Lesy sú hlavným zásobníkom biologicky viazaného uhlíka, obsahujú až 500 miliárd ton tohto prvku, čo sú 2/3 jeho zásoby v atmosfére. Ľudský zásah do uhlíkového cyklu (spaľovanie uhlia, ropy, plynu, odvlhčovanie) vedie k zvýšeniu obsahu CO2 v atmosfére a rozvoju skleníkového efektu.

Cyklus CO2, teda čas, ktorý potrebuje všetok oxid uhličitý v atmosfére prejsť živou hmotou, je asi 300 rokov.

Kyslíkový cyklus. Cyklus kyslíka prebieha hlavne medzi atmosférou a živými organizmami. Voľný kyslík (0^) sa v podstate dostáva do atmosféry ako výsledok fotosyntézy zelených rastlín a je spotrebovaný v procese dýchania zvieratami, rastlinami a mikroorganizmami a pri mineralizácii organických zvyškov. Z vody a ozónu sa vplyvom ultrafialového žiarenia tvorí malé množstvo kyslíka. Veľké množstvo kyslíka sa spotrebuje na oxidačné procesy v zemskej kôre, pri sopečných erupciách atď. Hlavný podiel kyslíka produkujú suchozemské rastliny - takmer 3/4, zvyšok - fotosyntetické organizmy oceánov. Rýchlosť cyklu je asi 2 tisíc rokov.

Zistilo sa, že 23% kyslíka, ktorý sa tvorí v procese fotosyntézy, sa ročne spotrebuje na priemyselné a domáce potreby a toto číslo sa neustále zvyšuje.

Cyklus dusíka. Zásoba dusíka (N2) v atmosfére je obrovská (78 % jej objemu). Rastliny však nedokážu absorbovať voľný dusík, ale iba vo viazanej forme, hlavne vo forme NH4+ alebo NO3–. Voľný dusík z atmosféry je viazaný baktériami viažucimi dusík a premieňaný na formy dostupné pre rastliny. V rastlinách je dusík fixovaný v organickej hmote (v bielkovinách, nukleových kyselinách atď.) a prenáša sa pozdĺž potravinových reťazcov. Po smrti živých organizmov rozkladače mineralizujú organické látky a premieňajú ich na amónne zlúčeniny, dusičnany, dusitany a tiež na voľný dusík, ktorý sa vracia do atmosféry.

Dusičnany a dusitany sú vysoko rozpustné vo vode a môžu migrovať do podzemných vôd a rastlín a prenášať sa cez potravinové reťazce. Ak je ich množstvo príliš veľké, čo sa často pozoruje pri nesprávnom používaní dusíkatých hnojív, voda a potraviny sú znečistené a spôsobujú ľudské choroby.

Cyklus fosforu. Väčšina fosforu je obsiahnutá v horninách vytvorených v minulých geologických epochách. Fosfor je súčasťou biogeochemického cyklu v dôsledku zvetrávania hornín. V suchozemských ekosystémoch rastliny extrahujú fosfor z pôdy (hlavne vo forme PO43–) a zahrnú ho do organických zlúčenín (bielkoviny, nukleové kyseliny, fosfolipidy atď.) alebo ho nechajú v anorganickej forme. Ďalej sa fosfor prenáša cez potravinové reťazce. Po smrti živých organizmov a s ich výlučkami sa fosfor vracia späť do pôdy.

Pri nesprávnom používaní fosforečných hnojív, vodnej a veternej erózii pôd sa z pôdy odstraňuje veľké množstvo fosforu. Na jednej strane to vedie k nadmernej spotrebe fosforečných hnojív a vyčerpaniu zásob rúd obsahujúcich fosfor (fosfority, apatity atď.). Na druhej strane vstup veľkého množstva biogénnych prvkov ako fosfor, dusík, síra atď. z pôdy do vodných útvarov spôsobuje prudký rozvoj siníc a iných vodných rastlín („kvitnutie“ vody) a eutrofizácia nádrží. Väčšina fosforu sa však odnáša do mora.

Vo vodných ekosystémoch je fosfor prijímaný fytoplanktónom a prenášaný cez potravinový reťazec až k morským vtákom. Ich exkrementy buď okamžite padajú späť do mora, alebo sa najskôr nahromadia na brehu a potom sa aj tak spláchnu do mora. Z umierajúcich morských živočíchov, najmä rýb, sa fosfor opäť dostáva do mora a do kolobehu, no niektoré kostry rýb siahajú do veľkých hĺbok a fosfor v nich obsiahnutý sa opäť dostáva do sedimentárnych hornín, to znamená, že sa odpojí od biogeochemických cyklu.

Cyklus síry. Hlavný rezervný fond síry sa nachádza v sedimentoch a pôde, no na rozdiel od fosforu existuje rezervný fond v atmosfére. Hlavnú úlohu v zapojení síry do biogeochemického cyklu majú mikroorganizmy. Niektoré z nich sú redukčné činidlá, iné sú oxidačné činidlá.

V horninách sa síra vyskytuje vo forme sulfidov (FeS2 a pod.), v roztokoch - vo forme iónu (SO42–), v plynnej fáze vo forme sírovodíka (H2S) alebo oxidu siričitého (SO2) . V niektorých organizmoch sa síra hromadí v čistej forme a keď odumrú, na dne morí sa vytvoria ložiská pôvodnej síry.

V suchozemských ekosystémoch sa síra dostáva do rastlín z pôdy najmä vo forme síranov. V živých organizmoch sa síra nachádza v bielkovinách, vo forme iónov atď. Po smrti živých organizmov sa časť síry obnoví v pôde mikroorganizmami na H2S, druhá časť sa oxiduje na sírany a opäť sa zaradí do kolobehu. Vzniknutý sírovodík uniká do atmosféry, tam oxiduje a so zrážkami sa vracia do pôdy.

Spaľovanie fosílnych palív (najmä uhlia) ľuďmi, ako aj emisie z chemického priemyslu vedú k hromadeniu oxidu siričitého (SO2) v atmosfére, ktorý pri reakcii s vodnou parou padá na zem vo forme kyslých dažďov. .

Biogeochemické cykly nie sú také veľké ako geologické cykly a do značnej miery ich ovplyvňuje človek. Ekonomická činnosť narúša ich izoláciu, stávajú sa acyklickými.

Otázka 1. Aká je hlavná funkcia biosféry?

Hlavnou funkciou biosféry je zabezpečiť cirkuláciu chemických prvkov, čo sa prejavuje v obehu látok medzi atmosférou, pôdou, hydrosférou a živými organizmami.

Otázka 2. Povedzte nám o kolobehu vody v prírode.

Voda sa vyparuje a prúdi vzduchu ju unášajú na veľké vzdialenosti. Dopadá na zemský povrch vo forme zrážok, prispieva k ničeniu hornín, sprístupňuje ich rastlinám a mikroorganizmom, eroduje vrchnú vrstvu pôdy a spolu s chemickými zlúčeninami a suspendovanými organickými časticami v nej rozpustenými vstupuje do morí a oceánov. . Cirkulácia vody medzi oceánom a pevninou je základným článkom udržania života na Zemi.

Otázka 3. Zúčastňujú sa živé organizmy na kolobehu vody? Ak áno, doplňte schému zobrazenú na obrázku 113 a uveďte na nej účasť živých organizmov v cykle.

Rastliny sa podieľajú na kolobehu vody dvoma spôsobmi: extrahujú ju z pôdy a odparujú do atmosféry; Časť vody v rastlinných bunkách sa rozkladá počas fotosyntézy. V tomto prípade je vodík fixovaný vo forme organických zlúčenín a kyslík vstupuje do atmosféry.

Živočíchy konzumujú vodu na udržanie osmotickej a soľnej rovnováhy v tele a uvoľňujú ju do vonkajšieho prostredia spolu s metabolickými produktmi.

Otázka 4. Ktoré organizmy absorbujú oxid uhličitý z atmosféry?

Zelené rastliny v procese fotosyntézy využívajú oxid uhličitý a vodík z vody na syntézu organických zlúčenín a uvoľnený kyslík sa dostáva do atmosféry.

Otázka 5. Ako sa fixovaný uhlík vracia do atmosféry?

Rôzne živočíchy a rastliny dýchajú kyslík a konečný produkt dýchania, CO2, sa uvoľňuje do atmosféry.

Otázka 6. Nakreslite diagram kolobehu dusíka v prírode.

Otázka 7. Zamyslite sa a uveďte príklady, ako mikroorganizmy zohrávajú dôležitú úlohu v cykle síry.

Zlúčeniny síry s kovmi nachádzajúcimi sa hlboko v pôde a v morských sedimentárnych horninách - sulfidy - premieňajú mikroorganizmy na prístupnú formu - sírany, ktoré sú absorbované rastlinami. Pomocou baktérií sa uskutočňujú samostatné oxidačno-redukčné reakcie. Hlboko uložené sírany sa redukujú na H2S, ktorý stúpa a je oxidovaný aeróbnymi baktériami na sírany. Rozklad mŕtvol zvierat alebo rastlín zabezpečuje návrat síry do kolobehu.

Otázka 8. Strava každej osoby musí zahŕňať jedlá z rýb. Vysvetlite, prečo je to dôležité.

Spolu s ulovenými rybami sa na súš vracia približne 60 000 ton elementárneho fosforu. 70% všetkého fosforu, ktorý je obsiahnutý v našom tele, je sústredených v kostiach a zuboch. Spolu s vápnikom tvorí správnu štruktúru kostí a zabezpečuje ich mechanickú pevnosť. Za ideálny pomer fosforu a vápnika sa považuje 1 ku 2 alebo 3 ku 4. A ak sú povedzme rovnaké, tak kosť, ktorá postupne stráca vápnik, bude tvrdá, ale krehká, ako sklo, na prvý pohľad je dosť ťažké, aj keď je zároveň ľahké ho zlomiť.

Fosfor je hlavným nosičom energie, je súčasťou adenozíntrifosfátu (skrátene ATP), ktorý sa vstrebáva do krvi a dodáva energiu všetkým bunkám, ktoré ju potrebujú.

Otázka 9. Diskutujte v triede o tom, ako by sa zmenil kolobeh látok v prírode, keby na planéte zmizli všetky živé organizmy.

Všetky živé organizmy sa zúčastňujú obehu látok, pričom niektoré látky z vonkajšieho prostredia absorbujú a iné doň uvoľňujú. Rastliny teda spotrebúvajú oxid uhličitý, vodu a minerálne soli z vonkajšieho prostredia a uvoľňujú do neho kyslík. Živočíchy vdychujú kyslík, ktorý uvoľňujú rastliny, a keď ho jedia, asimilujú organické látky syntetizované z vody a oxidu uhličitého a uvoľňujú oxid uhličitý, vodu a látky z nestrávenej časti potravy. Pri rozklade mŕtvych rastlín a živočíchov baktériami a hubami vzniká dodatočné množstvo oxidu uhličitého a organické látky sa premieňajú na minerály, ktoré sa dostávajú do pôdy a sú opäť absorbované rastlinami. Atómy hlavných chemických prvkov teda neustále migrujú z jedného organizmu do druhého, z pôdy, atmosféry a hydrosféry do živých organizmov a z nich do prostredia, čím dopĺňajú neživú substanciu biosféry. Tieto procesy sa opakujú nekonečne veľakrát. Takže napríklad všetok atmosférický kyslík prechádza živou hmotou za 2 000 rokov, všetok oxid uhličitý - za 200 - 300 rokov.

Nepretržitý obeh chemických prvkov v biosfére po viac-menej uzavretých dráhach sa nazýva biogeochemický cyklus. Potreba takéhoto obehu sa vysvetľuje obmedzenou dostupnosťou ich zásob na planéte. Aby sa zabezpečila nekonečnosť života, chemické prvky sa musia pohybovať v kruhu. Zánikom živých organizmov by došlo k poruche obehu látok a energie a v dôsledku toho k zániku biosféry.