Между литосферой, гидросферой, атмосферой и живыми организмами Земли постоянно происходит обмен химическими элементами. Этот процесс имеет циклический характер: переместившись из одной сферы в другую, элементы вновь возвращаются в первоначальное состояние. Круговорот элементов имел место в течение всей истории Земли, насчитывающей 4,5 млрд. лет.
Гигантские массы химических веществ переносятся водами Мирового океана. В первую очередь это относится к растворенным газам - диоксиду углерода, кислороду, азоту. Холодная вода высоких широт растворяет газы атмосферы. Поступая с океаническими течениями в тропический пояс, она их выделяет, так как растворимость газов при нагревании уменьшается. Поглощение и выделение газов происходит также при смене теплых и холодных сезонов года.
Огромное влияние на природные циклы некоторых элементов оказало появление жизни на планете. Это, в первую очередь, относится к круговороту главных элементов органического вещества - углерода, водорода и кислорода, а также таких жизненно важных элементов как азот, сера и фосфор. Живые организмы оказывают влияние и на круговорот многих металлических элементов. Несмотря на то, что суммарная масса живых организмов Земли меньше массы земной коры в миллионы раз, растения и животные играют важнейшую роль в перемещении химических элементов.
Деятельность человека также оказывает влияние на круговорот элементов. Особенно заметным оно стало в последнее столетие. При рассмотрении химических аспектов глобальных изменений в круговоротах химических элементов следует учитывать не только изменения в природных круговоротах за счет добавления или удаления присутствующих в них химических веществ в результате обычных циклических или вызванных человеком воздействий, но и поступление в окружающую среду химических веществ, ранее не существовавших в природе. Рассмотрим один из наиболее важных примеров циклического перемещения и миграции химических элементов.
Углерод - основной элемент жизни - содержится в атмосфере в виде диоксида углерода. В океане и пресных водах Земли углерод находится в двух главных формах: в составе органического вещества и в составе взаимосвязанных неорганических частиц: гидрокарбонат-иона - , карбонат иона и растворенного диоксида углерода . Большое количество углерода сосредоточено в виде органических соединений в животных и растениях. Много "неживого" органического вещества имеется в почве. Углерод литосферы содержится также в карбонатных минералах (известняк, доломит, мел, мрамор). Часть углерода входит в состав нефти, каменного угля и природного газа.
Связующим звеном в природном круговороте углерода является диоксид углерода (рис. 1).
Упрощенная схема глобального цикла углерода. Числа в рамках отражают размеры резервуаров в миллиардах тонн - гигатоннах (Гт). Стрелки показывают потоки, а связанные с ними числа выражены в Гт/год.
Самыми крупными резервуарами углерода являются морские отложения и осадочные породы на суше. Однако большая часть этого вещества не взаимодействует с атмосферой, а подвергается круговороту через твердую часть Земли в геологических временных масштабах. Поэтому эти резервуары играют лишь второстепенную роль в сравнительно быстром цикле углерода, протекающем с участием атмосферы. Следующим по величине резервуаром является морская вода. Но и здесь глубинная часть океанов, где содержится основное количество углерода, не взаимодействует с атмосферой так быстро, как их поверхность. Самыми маленькими резервуарами являются биосфера суши и атмосфера. Именно небольшой размер последнего резервуара делает его чувствительным даже к незначительным изменениям процентного содержания углерода в других (больших) резервуарах, например, при сжигании ископаемых топлив.
Современный глобальный цикл углерода состоит из двух меньших циклов. Первый из них заключается в связывании диоксида углерода в ходе фотосинтеза и новом образовании его в процессе жизнедеятельности растений и животных, а также при разложении органических остатков. Второй цикл обусловлен взаимодействием диоксида углерода атмосферы и природных вод:
В последнее столетие в углеродный цикл существенные изменения внесла хозяйственная деятельность человека. Сжигание ископаемого топлива - угля, нефти и газа - привело к увеличению поступления диоксида углерода в атмосферу. Это не очень сильно влияет на распределение масс углерода между оболочками Земли, но может иметь серьезные последствия из-за усиления парникового эффекта.
Задание 1. Задание включает 50 вопросов, к каждому из них предложено 4 варианта ответа. На каждый вопрос выберите только один ответ, который вы считаете наиболее полным и правильным. Индекс выбранного ответа внесите в матрицу ответов.
1. Круговорот в природе химических элементов и воды, осуществляемый при участии живых организмов, изучает раздел науки:
а) палеонтологии;
б) молекулярной биологии;
в) сравнительной физиологии;
г) экологии.
Ответ: б
2. Клетки, сходные по строению, происхождению и выполняемым функциям, образуют:
а) ткани;
б) органы;
в) системы органов;
г) единый организм.
Ответ: а
3. Вирусы, проникая в клетку:
а) питаются рибосомами;
б) поселяются в митохондриях;
в) воспроизводят свой генетический материал;
г) отравляют клетку продуктами распада.
Ответ: в
4. В процессе фотосинтеза растения:
а) получают органические вещества из неорганических;
б) расщепляют сложные органические вещества до простых;
в) поглощают кислород и выделяют углекислый газ;
г) расходуют энергию.
Ответ: а
5. Приспособленность растений к опылению насекомыми характеризуется:
а) образованием большого количества пыльцы;
б) удлинением тычиночных нитей;
в) ранневесенним цветением;
г) наличием у цветка яркого венчика и нектара.
Ответ: г
6. Наличие в составе лишайника цианей обеспечивает:
а) поглощение влаги;
б) фотосинтез;
в) азотфиксацию;
г) защиту от механических повреждений.
Ответ: б
7. У диатомовых водорослей основным компонентом клеточной стенки является:
а) целлюлоза;
б) кремнезем;
в) хитин;
г) муреин.
Ответ: б
8. У гриба пенициллиума плодовое тело:
а) клейстотеций;
б) перитеций;
в) апотеций)
г) отсутствует.
Ответ: г
9. У водоросли хлореллы размножение осуществляется при помощи:
а) зооспор;
б) тетраспор;
в) автоспор;
г) синзооспор.
Ответ: в
10. При хранении в теплом помещении картофель быстро сморщивается, так как в нем:
а) происходит фотосинтез;
б) накапливается крахмал;
в) интенсивно осуществляется процесс дыхания;
г) в нем образуется ядовитое вещество соланин и гормоны.
Ответ: в
11. Из перечисленных включений растительной клетки запасной белок содержит:
а) амилопласт;
б) хромопласт;
в) сферосома;
г) алейроновое зерно.
Ответ: г
12. Конечная почка побега липы называется:
а) верхушечной;
б) боковой;
в) придаточной;
г) спящей.
Ответ: а
13. Первые видоизмененные листья семенных растений, образующиеся в зародыше, – это:
а) семядоли;
б) семязачатки;
в) семяпочки;
г) семена.
Ответ: а
14. Основная функция палисадной ткани листа — осуществление:
а) газообмена;
б) транспирации;
в) фотосинтеза;
г) накопления воды.
Ответ: в
15. Побег или система побегов, несущие цветки, называется:
а) стеблем;
б) соцветием;
в) филлодием;
г) кладодием.
Ответ: б
16. Последовательная смена растительных сообществ во времени носит название:
а) инвазия;
б) интродукция;
в) реинтродукция;
г) сукцессия.
Ответ: г
17. Подземные метаморфозы побега – это:
а) усики, кладодии;
б) колючки, шипы;
в) корневище, клубень;
г) филлокладии, фасциации.
Ответ: в
18. Опыление цветков с помощью птиц называется:
а) анемофилия;
б) орнитофилия;
в) гидрофилия;
г) энтомофилия.
Ответ: б
19. Соплодие образуется у:
а) томата;
б) земляники;
в) ананаса;
г) граната.
Ответ: в
20. Кровеносная система у нематод:
а) замкнутая;
б) частично замкнутая;
в) незамкнутая;
г) отсутствует.
Ответ: г
21. Органами зрения у пауков являются:
а) 1 пара фасеточных глаз;
б) 4 пары простых глаз;
в) 1 пара фасеточных и 2 пары простых глаз;
г)1 пара фасеточных и 3 пары простых глаз.
Ответ: б
22. Для размножения пиявок и дождевых червей характерно то, что они:
а) раздельнополы;
б) бесполы и размножаются вегетативно;
в) гермафродиты;
г) представлены только партеногенетическими самками.
Ответ: в
23. Какая часть органа слуха, характерная для позвоночных животных, есть у рыб?
а) наружная ушная раковина;
б) внутреннее ухо;
в) барабанная перепонка;
г) слуховые косточки.
Ответ: б
24. Какие из перечисленных органов являются гомологами передних конечностей лошади?
а) щупальца осьминога;
б) крылья бабочки;
в) ласты пингвина;
г) клешни рака.
Ответ: в
25. Из перечисленных ниже акул наименее развитый рострум имеет:
а) китовая акула;
б) сельдевая акула;
в) тигровая акула;
г) катран.
Ответ: а
26. Основой для прикрепления рулевых перьев в скелете птиц является:
а) эпистрофей;
б)коракоид;
в) цевка;
г) пигостиль.
Ответ: г
27. На крайнем севере России восстанавливается исторический ареал:
а) белого медведя;
б) овцебыка;
в) песца;
г) северного оленя.
Ответ: б
28. Из названных костей черепа не имеет отношения к образованию аппарата среднего уха у млекопитающих:
а) гиомандибуляре;
б) квадратная;
в) сочленовная;
г) клиновидная.
Ответ: а
29. Полосатая окраска сумартранского барбуса является примером:
а) мимезии;
б) миметизма;
в) предупреждающей окраски;
г) маскирующей (расчленяющей) окраски.
Ответ: г
30. В биохимических реакциях метаболизма энергия запасается при:
а) синтезе АДФ из АМФ;
б) синтезе АТФ из АДФ и фосфатной группы;
в) соединении двух фосфатных групп;
г) распаде АТФ.
Ответ: б
31. Слюнные железы, постоянно вырабатывающие секрет:
а) околоушные и подчелюстные:
б) подчелюстные и подъязычные;
в) подъязычные и мелкие;
г) мелкие и околоушные.
Ответ: г
32. Фибриноген крови превращается в фибрин во время:
а) транспорта газов;
б) превращения глюкозы в гликоген;
в) превращения гликогена в глюкозу;
г) формирования кровяного сгустка.
Ответ: г
33. Максимальной парциальное давление СО2 в процессе дыхания у человека наблюдается в:
а) альвеолярном воздухе;
б) тканях;
в) составе венозной крови;
г) составе артериальной крови.
Ответ: б
34. Частоту и глубину дыхания в процессе гуморальной регуляции замедляет:
а) недостаток О2;
б) недостаток СО2;
в) избыток О2;
г) избыток СО2.
Ответ: б
35. Недостаток солей кальция в организме человека в первую очередь отразиться на:
а) проведении нервных импульсов;
б) свертывании крови;
в) росте;
г) пищеварении.
Ответ: б
36. Объем воздуха, который можно вдохнуть после спокойного выдоха называют:
а) резервным объемом вдоха;
б) дыхательным объемом;
в) резервным объемом выдоха;
г) остаточным объемом.
Ответ: а
37. Лимфа по лимфатическим сосудам проводится от тканей и органов непосредственно в:
а) венозное русло большого круга кровообращения;
б) артериальное русло большого круга кровообращения;
в) венозное русло малого круга кровообращения;
г) артериальное русло малого круга кровообращения.
Ответ: а
38. Возбудитель ВИЧ-инфекции (СПИДа) передается:
а) половым путем;
б) при рукопожатии;
в) при использовании общей посуды;
г) воздушно-капельным путем.
Ответ: а
39. Изменение просвета вен у человека происходит за счет ткани:
а) мышечной поперечнополосатой;
б) гладкой мышечной;
в) соединительной;
г) эпителиальной.
Ответ: б
40. В скелете человека неподвижно соединены между собой кости:
а) плечевая и локтевая;
б) грудного отдела позвоночника;
в) мозгового отдела черепа;
г) бедра и голени.
Ответ: в
41. Печень выполняет в организме человека барьерную функцию, так как в ней:
а) глюкоза превращается в гликоген;
б) вырабатывается желчь;
в) обезвреживаются ядовитые вещества;
г) белки могут превращаться в жиры и углеводы.
Ответ: в
42. Наиболее чувствительны к недостатку кислорода клетки:
а) спинного мозга;
б) головного мозга;
в) печени и почек;
г) желудка и кишечника.
Ответ: б
43. У человека парасимпатическая нервная система:
а) усиливает работу кишечника;
б) повышает тонус скелетной мускулатуры;
в) увеличивает концентрацию сахара в крови;
г) учащает пульс.
Ответ: а
44. Белок состоит из 300 аминокислот. Сколько нуклеотидов в гене, который служит матрицей для синтеза белка?
а) 300;
б) 600;
в) 900;
г) 1200.
Ответ: в
45. Популяция является структурной единицей:
а) отряда;
б) семейства;
в) рода;
г) вида.
Ответ: г
46. Какой основной лимитирующий фактор для растений в степной зоне?
а) недостаток влаги;
б) высокая температура;
в) отсутствие перегноя;
г) интенсивное ультрафиолетовое излучение.
Ответ: а
47. Какие структуры клетки при митозе распределяются поровну между материнской и дочерней клеткой?
а) рибосомы;
б) митохондрии;
в) хлоропласты;
г) хромосомы.
Ответ: г
48. Какие структуры клетки не являются органоидами?
а) вакуоли;
б) лейкопласты;
в) митохондрии;
г) крахмальные зерна.
Ответ: г
49. Почему численность завезенных в Австралию кроликов возросла во много раз?
а) на новой территории не было хищников;
б) на континенте преобладает сухой климат;
в) питаются травянистыми растениями, пища в избытке;
г) для них характерна забота о потомстве.
Ответ: а
50. В процессе эволюции расселение вьюрков на разные острова Галапагосского архипелага привело к:
а) образованию новых видов;
б) обострению конкуренции между особями;
в) усилению действия абиотических факторов;
г) обострению внутривидовой борьбы.
Ответ: а
Задание 2. Вам предлагаются тестовые задания с тремя вариантами ответов из шести возможных. Занесите в матрицу правильные ответы, располагая цифры по порядку.
1. Каковы особенности строения и функций рибосом?
1) участвуют в реакциях окисления;
2) участвуют в синтезе белков;
3) отграничены от цитоплазмы мембраной;
4) состоят из двух частиц – большой и малой;
5) размещаются в цитоплазме и на каналах ЭПС;
6) размещаются в аппарате Гольджи.
Ответ: 2, 4, 5
2. По венам большого круга кровообращения у человека кровь течет:
1) от сердца;
2) к сердцу;
3) насыщенная углекислым газом;
4) насыщенная кислородом;
5) быстрее, чем в капиллярах;
6) медленнее, чем в капиллярах.
Ответ: 2, 3, 5
3. К ароморфозам относят:
1) возникновение хорды у животных;
2) образование пятипалых конечностей у наземных позвоночных;
3) наличие у коров четырехкамерного желудка;
4) наличие у комара колюще-сосущего ротового аппарата;
5) появление зеленой окраски покровов у кузнечиков;
6) возникновение полового размножения.
Ответ: 1, 2, 6
4. К безногим земноводным принадлежат:
1) разнозубые червяги;
2) веретеницы;
3) чешуеноги;
4) рыбозмеи;
5) хвостатые червяги;
6) безногие ящерицы.
Ответ: 1, 4, 5
5. К пластинчатожаберным рыбам относятся:
1) китовая акула;
2) латимерия;
3) катран;
4) мегалодон;
5) окунь;
6) корюшка.
Ответ: 1, 3, 4
6. Каково строение и функции митохондрий?
1) расщепляют биополимеры до мономеров;
2) характеризуются анаэробным способом получения энергии;
3) содержат граны;
4) имеют ферментативные комплексы на кристах;
5) окисляют органические вещества с образованием АТФ;
6) двумембранные органоиды.
Ответ: 4, 5, 6
7. Растения семейства Крестоцветные можно узнать по признакам:
1) цветок четырехчленного типа;
2) соцветие кисть;
3) цветок пятичленного типа;
4) соцветие корзинка;
5) плод стручок или стручочек;
6) плод боб.
Ответ: 1, 2, 5
8. Оптическая система глаза состоит из:
1) хрусталика;
2) стекловидного тела;
3) зрительного нерва;
4) желтого пятна сетчатки;
5) роговицы;
6) белочной оболочки.
Ответ: 1, 2, 5
9. В пищевых цепях экосистем:
Ответ: 1, 2, 6
10. Приспособления к жизни в воде, сформировавшиеся в процессе эволюции у китов:
1) превращение передних конечностей в ласты;
2) дыхание кислородом, растворенным в воде;
3) дыхание кислородом воздуха;
4) обтекаемая форма тела;
5) толстый подкожный слой жира;
6) постоянная температура тела.
Ответ: 1, 4, 5
Задание 3. Вам предлагаются тестовые задания в виде суждений, с каждым из которых следует либо согласиться, либо отклонить.
- Вирусы – неклеточная форма жизни.
- Ламинария относится к отделу Бурые водоросли.
- На корнях бобовых растений поселяются азотфиксирующие бактерии, называемые гнилостными.
- К суккулентам относятся ковыль и типчак.
- Устьица у водных растений расположены с нижней стороны листа.
- У всех беспозвоночных животных оплодотворение внешнее.
- Возбудителем малярии является малярийный плазмодий.
- Кишечнополостные животные имеют двустороннюю симметрию тела.
- Тело белой планарии покрыто реснитчатым эпителием.
- Сердце моллюсков состоит из желудочка и предсердия.
- Выделительная система пауков представлена почками.
- У рыб позади брюшных плавников имеется три отверстия – анальное, половое и мочевое.
- Позвоночник лягушки состоит из 3 отделов – шейного, туловищного и крестцового.
- Птицы не различают цвета.
- Снижение активности щитовидной железы замедляет рост и развитие у детей.
- В выдыхаемом воздухе содержится около 21% кислорода и 79% азота.
- Превращение артериальной крови в венозную происходит в капиллярах большого круга кровообращения.
- Процесс поглощения и переваривания чужеродных частиц называется пиноцитозом.
- Переход предков человека к прямохождению способствовал усилению обмена веществ.
- Самые крупные молекулы в живых клетках – молекулы ДНК.
Ответ: Правильно – 1, 2, 7, 9, 12, 15, 17, 20
Задание 4. Вам предлагаются тестовые задания, требующие установления соответствия.
1. Установите соответствие между грибом и типом питания.
Гриб:
А) пеницилл;
Б) фитофтора;
В) спорынья;
Г) дрожжи;
Д) головня;
Е) шампиньон.
Ответ: А-1, Б-2, В-2, Г-1, Д-2, Е-1
2. Установите соответствие между защитным свойством организма человека и видом иммунитета.
Свойства
А) наличие антител в плазме крови, полученных по наследству;
Б) получение антител с лечебной сывороткой;
В) образование антител в крови в результате вакцинации;
Г) наличие в крови сходных белков-антител у всех особей одного вида;
Д) передача с молоком матери младенцам;
Е) развивается сразу, сохраняется недолго.
Вид иммунитета:
1) активный;
2) пассивный;
3) врожденный.
Ответ: А-3, Б-2, В-1, Г-3, Д-2, Е-2
3. Установите соответствие между признаком и способом регуляции, для которого он характерен.
Признак:
А) скорость проведения информации сравнительно невысокая;
Б) является более древней формой взаимодействия клеток и органов;
В) эволюционно более поздний способ регуляции;
Г) осуществляется посредством электрических импульсов;
Д) осуществляется посредством химически активных веществ, поступающих в кровь, лимфу и тканевую жидкость;
Е) скорость проведения информации сравнительно высокая.
Способ регуляции:
1) нервная;
2) гуморальная.
Ответ: А-2, Б-2, В-1, Г-1, Д-2, Е-1
4. Установите соответствие между признаком моллюска большого прудовика и критерием вида, для которого он характерен.
Признак:
А) органы чувств – одна пара щупалец;
Б) коричневый цвет раковины;
В) населяет пресные водоемы;
Г) питается мягкими тканями растений;
Д) раковина спирально закручена;
Е) гермафродит.
Критерий вида:
1) морфологический;
2) экологический.
Ответ: А-1, Б-1, В-2, Г-2, Д-1, Е-1
Вконтакте
Круговорот веществ в биосфере – это «путешествие» определённых химических элементов по пищевой цепи живых организмов, благодаря энергии Солнца. В процессе «путешествия» некоторые элемент, по разным причинам, выпадают и остаются как правила, в земле. Их место занимают такие же, которые, обычно, попадают из атмосферы. Это максимально упрощенное описание того, что является гарантией жизни на планете Земля. Если такое путешествие почему-то прервется, то и существование всего живого прекратится.
Чтобы описать кратко круговорот веществ в биосфере необходимо поставить несколько отправных точек. Во-первых, из более чем девяноста химических элементов, известных и встречающихся в природе, для живых организмов, необходимо около сорока. Во-вторых, количество этих веществ ограничено. В-третьих, речь идет только о биосфере, то есть о жизнь содержащей оболочке земли, а, значит, о взаимодействиях между живыми организмами. В-четвертых, энергией, которая способствует круговороту, является энергия, поступающая от Солнца. Энергия, рождающаяся в недрах Земли в результате различных реакций, в рассматриваемом процессе участия не принимает. И последнее. Необходимо опередить точку отсчета этого «путешествия». Она условна, так как не может быть конца и начала у круга, но это необходимо для того, чтобы с чего-то начать описывать процесс. Начнем с самого нижнего звена трофической цепи – с редуцентов или могильщиков.
Ракообразные, черви, личинки, микроорганизмы, бактерии и прочие могильщики, потребляя кислород и используя энергию, перерабатывают неорганические химические элементы в органическую субстанцию, пригодную для питания живыми организмами и дальнейшего ее движения по пищевой цепи. Далее эти, уже органические вещества, едят консументы или потребители, к которым относятся не только животные, птицы, рыбы и тому подобное, но и растения. Последние являются продуцентами или производителями. Они, используя эти питательные вещества и энергию, вырабатывают кислород, который является основным элементом, пригодным для дыхания всего живого на планете. Консументы, продуценты и, даже редуценты погибают. Их останки, вместе с органическими веществами, находящимися в них, «падают» в распоряжение могильщиков.
И все повторяется вновь. Например, весь кислород, существующий в биосфере, делает свой оборот за 2000 лет, а углекислый газ за 300. Такой кругооборот принято называть биогеохимическим циклом.
Некоторые органические вещества в процессе своего «путешествия» вступают в реакции и взаимодействия с другими веществами. В результате образуются смеси, которые в том виде, в каком они есть, не могут быть переработаны редуцентами. Такие смеси остаются «храниться» в земле. Не все органические вещества, попадающие на «стол» могильщиков, не могут ими переработаться. Не все могут перегнить при помощи бактерий. Такие неперегнившие остатки попадают на хранение. Все, что остается на хранении или в резерве, выбывает из процесса и в круговорот веществ в биосфере не входят.
Таким образом, в биосфере круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов, можно разделить на две составляющие. Одна – резервный фонд – это часть вещества, которая не связана с деятельностью живых организмов и до времени в обороте не участвует. И вторая – это оборотный фонд. Он представляет собой лишь небольшую часть вещества, которая активно используется живыми организмами.
Атомы каких основных химических элементов столь необходимы для жизни на Земле? Это: кислород, углерод, азот, фосфор и некоторые другие. Из соединений, основным в кругообороте, можно назвать воду.
Кислород
Круговорот кислорода в биосфере следует начать с процесса фотосинтеза, в результате которого миллиарды лет назад он и появился. Он выделяется растениями из молекул воды под воздействием солнечной энергии. Кислород образуется также в верхних слоях атмосферы в ходе химических реакций в парах воды, где химические соединения разлагаются под воздействие электромагнитного излучения. Но это незначительный источник кислорода. Основным является фотосинтез. Кислород содержится и в воде. Хотя его там, в 21 раз меньше, чем в атмосфере.
Образовавшийся кислород используется живыми организмами для дыхания. Он также является окислителем для различных минеральных солей.
И человек является потребителем кислорода. Но с началом научно-технической революции, это потребление многократно возросло, так как кислород сжигается или связывается при работе многочисленных промышленных производств, транспорта, для удовлетворения бытовых и иных нужд в ходе жизнедеятельности людей. Существовавший до этого так называемый обменный фонд кислорода в атмосфере в размере 5% общего его объема, то есть вырабатывалось в процессе фотосинтеза столько кислорода, сколько его потреблялось. То теперь этого объема становиться катастрофически мало. Происходит потребление кислорода, так сказать, из неприкосновенного запаса. Оттуда, куда его уже некому добавить.
Незначительно смягчает эту проблему, что некоторая часть органических отходов не перерабатывается и не попадает под воздействие гнилостных бактерий, а остается в осадочных породах, образуя торф, уголь и тому подобные ископаемые.
Если результатом фотосинтеза является кислород, то его сырьем – углерод.
Азот
Круговорот азота в биосфере связан с образованием таких важнейших органических соединений, как: белки, нуклеиновые кислоты, липопротеиды, АТФ, хлорофилл и другие. Азот, в молекулярной форме, содержится в атмосфере. Вместе с живыми организмами — это всего около 2% всего, имеющего на Земле азота. В таком виде он может употребляться только бактериями и сине-зелёными водорослями. Для остального растительного мира в молекулярной форме азот не может служить питанием, а может перерабатываться лишь в виде неорганических соединений. Некоторые виды таких соединений образуются во время гроз и с дождевыми осадками попадают в воду и почву.
Самыми активными «переработчиками» азота или азотофиксаторами являются клубеньковые бактерии. Они поселяются в клетках корней бобовых и преобразовывают молекулярный азот в его соединения, пригодные для растений. После их отмирания, азотом обогащается и почва.
Гнилостные бактерии расщепляют азотосодержащие органические соединения до аммиака. Часть его уходит в атмосферу, а другая иными видами бактерий окисляется до нитритов и нитратов. Те, в свою очередь, поступают в качестве питания для растений и нитрифицирующими бактериями восстанавливаются до оксидов и молекулярного азота. Которые вновь попадают в атмосферу.
Таким образом, видно, что основную роль в кругообороте азота, играют различные виды бактерий. И если уничтожить хотя бы 20 таких видов, то жизнь на планете прекратится.
И опять установленный кругооборот был разорван человеком. Он для целей увеличения урожайности сельскохозяйственных культур, стал активно применять азотосодержащие удобрения.
Углерод
Круговорот углерода в биосфере неразрывно связан с кругооборотом кислорода и азота.
В биосфере схема круговорота углерода базируется на жизнедеятельности зеленых растений и их способности к превращению углекислого газа в кислород, то есть фотосинтезе.
Углерод взаимодействует с другими элементами различными способами и входит в состав практически всех классов органических соединений. Например, он входит в состав углекислого газа, метана. Он растворен в воде, где его содержание значительно больше чем в атмосфере.
Хотя по распространённости углерод не входит в десятку, но в живых организмах он составляет от 18 до 45% сухой массы.
Мировой океан служит регулятором содержания углекислого газа. Как только его доля в воздухе повышается, вода выравнивает положения, поглощая углекислый газ. Еще одним потребителем углерода в океане являются морские организмы, которые используют его для строительства раковин.
Круговорот углерода в биосфере основывается на наличии в атмосфере и гидросфере углекислого газа, который является своеобразным обменным фондом. Пополняется он за счет дыхания живых организмов. Бактерии, грибы и другие микроорганизмы, принимающие участие в процессе разложения органических остатков в почве, также участвуют в пополнении углекислым газом атмосферы.Углерод «консервируется» в минерализованных неперегнивших органических остатках. В каменном и буром угле, торфе, горючих сланцах и тому подобных отложениях. Но основным резервным фондом углерода являются известняки и доломиты. Содержащийся в них углерод «надежно спрятан» в глубине планеты и высвобождается лишь при тектонических сдвигах и выбросах вулканических газов при извержениях.
Благодаря тому, что процесс дыхания с выделение углерода и процесс фотосинтеза с его поглощением проходит через живые организмы очень быстро, в кругообороте участвует лишь незначительная доля всего углерода планеты. Если бы этот процесс был невзаимным, то растения только суши использовали весь углерод всего в течение 4-5 лет.
В настоящее время, благодаря деятельности человека, растительный мир не имеет недостатка с углекислым газом. Он пополняется сразу и одновременно из двух источников. Путем сжигания кислорода при работе промышленности производств и транспорта, а также в связи с использованием для работы этих видов человеческой деятельности тех «консервов» — угля, торфа, сланцев и так далее. Отчего содержание углекислого газа в атмосфере возросло на 25%.
Фосфор
Круговорот фосфора в биосфере неразрывно связан с синтезом таких органических веществ, как: АТФ, ДНК, РНК и другие.
В почве и воде содержание фосфора очень мало. Основные его запасы в горных породах, образовавшихся в далеком прошлом. С выветриванием этих пород начинается кругооборот фосфора.
Растениями фосфор усваивается лишь в виде ионов ортофосфорной кислоты. В основном это продукт переработки могильщиками органических остатков. Но если почвы имеют повышенный щелочной или кислотный фактор, то фосфаты практически в них не растворяются.
Фосфор является прекрасным питательным веществом для различного вида бактерий. Особенно сине-зеленой водоросли, которая при увеличенном содержании фосфора бурно развивается.
Тем не менее большая часть фосфора уносится с речными и другими водами в океан. Там он активно поедается фитопланктоном, а с ним морским птицам и другим видам животных. Впоследствии фосфор попадает на океаническое дно и формирует осадочные породы. То есть возвращается в землю, лишь под слоем морской воды.
Как видно кругооборот фосфора специфичен. Его трудно и назвать кругооборотом, так как он не замкнут.
Сера
В биосфере круговорот серы необходим для образования аминокислот. Он создает трехмерную структуру белков. В нем участвуют бактерии и организмы, потребляющие кислород для синтеза энергии. Они окисляют серу до сульфатов, а одноклеточные доядерные живые организмы, восстанавливают сульфаты до сероводорода. Кроме них, целые группы серобактерий, окисляют сероводород до серы и далее до сульфатов. Растения могут потреблять из почвы лишь ион серы — SO 2- 4. Таким образом, одни микроорганизмы являются окислителями, а другие восстановителями.
Местами накопления серы и ее производных в биосфере является океан и атмосфера. В атмосферу сера поступает с выделением сероводорода из воды. Кроме того, сера попадает в атмосферу в виде диоксида при сжигании на производствах и в бытовых нуждах горючего ископаемого топлива. В первую очередь угля. Там она окисляется и, превращаясь в серную кислоту в дождевой воде, с ней же выпадает на землю. Кислотные дожди сами по себе наносят существенный вред всему растительному и животному миру, а кроме этого, с ливневыми и талыми водами, попадают в реки. Реки несут ионы сульфатов серы в океан.
Содержится сера также в горных породах в виде сульфидов, в газообразном виде — сероводород и сернистый газ. На дне морей имеются залежи самородной серы. Но это все «резерв».
Вода
В биосфере нет более распространенного вещества. Его запасы в основном в солено-горьком виде вод морей и океанов – это около 97%. Остальное пресные воды, ледники и подземные и грунтовые воды.
Круговорот воды в биосфере условно начинается с ее испарения с поверхности водоемов и листьев растений и составляет примерно 500 000 куб. км. Обратно она возвращается в виде осадков, которые попадают либо непосредственно обратно в водоемы, либо, пройдя через почву и подземные воды.
Роль воды в биосфере и истории ее эволюции такова, что вся жизнь с момента своего появления, была полностью зависима от воды. В биосфере вода многократно через живые организмы прошла циклы разложения и рождения.
Кругооборот воды имеет под собой в большей степени физический процесс. Однако, животный и, особенно, растительный мир принимает в этом немаловажное участие. Испарения воды с поверхностных участков листьев деревьев таков, что, например, гектар леса испаряет в сутки до 50 тонн воды.
Если испарение воды с поверхностей водоемов естественно для ее кругооборота, то для континентов с их лесными зонами, такой процесс – единственный и главный способ его сохранения. Здесь кругооборот идет как бы в замкнутом цикле. Осадки образуются из испарений с поверхностей почвы и растений.
В процессе фотосинтеза растения используют водород, содержащийся в молекуле воды, для создания нового органического соединения и выделения кислорода. И, наоборот, в процессе дыхания, живые организмы, происходит процесс окисления и вода образуется снова.
Описывая кругооборот различный видов химических веществ, мы сталкиваемся с более активным влиянием человека на эти процессы. В настоящее время природа, за счет многомиллиардной истории своего выживания, справляется с регулированием и восстановлением нарушенных балансов. Но первые симптомы «болезни» уже есть. И это «парниковый эффект». Когда две энергии: солнечная и отраженная Землей, не защищают живые организмы, а, наоборот, усиливают одна другую. В результате чего повышается температура окружающей среды. Какие последствия такого повышения могут быть, кроме ускоренного таяния ледников, испарения воды с поверхностей океана, суши и растений?
Видео — Круговорот веществ в биосфере
Шкребова Светлана Владимировна,
учитель химии и биологии
МАОУ СОШ №38 г. Томска
Тема. Круговорот химических элементов в биосфере.
Тип урока: изучение новой темы.
Образовательные задачи: приобретение теоретических знаний о круговороте химических элементов в биосфере.
Развивающие задачи: формирование навыков применения теоретических знаний о круговороте химических элементов на практике (составление схем и таблиц), развитие умений анализировать информацию о взаимосвязи соединений азота и соединений углерода в биосфере, делать выводы о значимости круговорота химических элементов.
Воспитательные задачи: продолжить формирование навыков работы в малых группах, высказывать собственное мнение и выслушивать мнение товарища, адекватно воспринимать критику.
Методы обучения: словесные – лекция, беседа (технология развития критического мышления через чтение и письмо).
Ход урока:
Организационный момент.
Здравствуйте, ребята. Сегодня мы на уроке изучим новую тему «Круговорот химических веществ в биосфере»
Изучение нового материала.
Стадия вызова (ученики вспоминают уже известную им информацию).
Ребята, вы уже знаете, что каждое животное или растение является звеном в цепях питания своей экосистемы, обменивается веществами с неживой природой, следовательно - включено в круговорот веществ биосферы. Давай подумаем, что мы знаем о химических элементах, которые циркулируют между живыми организмами, атмосферой и почвой, гидросферой и литосферой. Ответьте на вопрос: что вы знаете о круговороте веществ в биосфере?
Каждый учащийся пишет у себя в тетради не менее трех и не более пяти фактов. Затем учащиеся в парах обсуждают и выявляют общие факты по предложенной тематике. По цепочке каждая пара предлагает только один факт, по их мнению, наиболее важный. Учитель, безоценочно, записывает все предложенные факты на доске. Когда все пары выскажутся, учащимся предлагается добавить на озвученные факты.
Стадия осмысления содержания (учитель сообщает ученикам новый материал).
Лекция
В биосфере, как и в каждой экосистеме, постоянно осуществляется круговорот углерода, азота, водорода, кислорода, фосфора, серы и других химических элементов.
Круговорот углерода. Углекислый газ поглощается растениями-продуцентами и в процессе фотосинтеза преобразуется в углеводы, белки, липиды и другие органические соединения. Эти вещества с пищей используют животные-консументы. Одновременно с этим в природе происходит обратный процесс. Все живые организмы дышат, выделяя углекислый газ, который поступает в атмосферу. Мертвые и растительные и животные остатки и экскременты животных разлагаются (минерализуются) микроорганизмами-редуцентами. Конечный продукт минерализации – углекислый газ – выделяется из почвы или водоемов в атмосферу. Часть углерода накапливается в почве в виде органических соединений. В течение 6-8 лет живые существа пропускают через себя весь углерод атмосферы. Ежегодно в процесс фотосинтеза вовлекается до 50 млрд. т углерода.
В морской воде углерод содержится в виде угольной кислоты и ее растворимых солей, но накапливается он в форме карбоната кальция CaCO 3 (мел, известняки, кораллы). Часть углерода в виде карбонатов надолго исключается из круговорота, образуя осадки на дне водоемов. Однако с течением времени в процессах горообразования осадочные массы поднимаются на поверхность в виде горных пород. В результате химических преобразований этих пород углерод карбонатов вновь вовлекается в круговорот. Углерод поступает в атмосферу также с выхлопными газами автомашин, с дымовыми выбросами заводов и фабрик. В процессе круговорота углерода в биосфере образуются энергетические ресурсы – нефть, каменный уголь, горючие газы, торф и древесина, которые широко используются человеком. Все эти вещества произведены фотосинтезирующими растениями за разное время. Возраст лесов – десятки и сотни лет; торфяников – тысячи лет; угля, нефти, газов – сотни миллионов лет. Следует учитывать, что древесина и торф – восполнимые ресурсы, т.е. воспроизводящиеся за относительно короткие промежутки времени, а нефть, горючий газ и уголь – ресурсы невосполнимые. Ограниченность и невосполнимость органического топлива ставят перед человеком сложную задачу овладения новыми источниками энергии – тепловой энергией земных недр, энергии ветра и океанических приливов и, разумеется, энергией Солнца. Ежегодно содержание углерода в атмосфере увеличивается на 3 млрд. т и может нарушить устойчивость биосферы.
Круговорот азота. Азот – незаменимый элемент. Он входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Круговорот азота тесно связан с круговоротом углерода. Частично азот поступает из атмосферы благодаря образованию оксида азота (IV ) из азота и кислорода под действием электрических разрядов во время гроз. Однако основная масса азота поступает в воду и почву благодаря фиксации азота воздуха свободноживущими бактериями и бактериями-симбионтами растений. В почве и воде живут фиксаторы азота – цианобактерии. Они обогащают почву азотом, когда их отмершие клетки минерализуются. Благодаря этому в почву ежегодно поступает около 25 кг азота на гектар. Самые эффективные фиксаторы азота – клубеньковые бактерии, живущие в корнях бобовых растений. Азот из разнообразных источников поступает к корням растений, поглощается ими и транспортируется в стебли и листья, где в процессе биосинтеза строятся белки. Белки растений служат основой азотного питания животных. После отмирания организмов белки под действием бактерий и грибов разлагаются с выделением аммиака. Аммиак частично потребляется растениями, а частично используется бактериями-редуцентами. В результате процессов жизнедеятельности некоторых бактерий аммиак превращается в нитраты. Нитраты, как и аммонийные ионы, потребляются растениями и микроорганизмами. Часть нитратов под действием особой группы бактерий восстанавливается до элементарного азота, выделяющегося в атмосферу. Так замыкается круговорот азота в природе.
Круговорот воды. Нагреваемые солнцем воды планеты испаряются. Вода, выпадающая в виде осадков, возвращается обратно в океан в качестве речных вод или грунтовых вод, перенося огромное количество неорганических и органических соединений. Живые организмы активно участвуют в круговороте воды, являющейся необходимым компонентом процессов метаболизма. На суше большая часть вод испаряется растениями, уменьшая водосток и препятствуя эрозии почвы. Лес замедляет таяние снега, и талая вода, постепенно стекая, хорошо увлажняет поля. Уровень грунтовых вод повышается. Влажные тропические леса смягчают жаркий экваториальный климат, задерживая и постепенно испаряя воду. Вырубка тропических лесов вызывает в близлежащих районах катастрофические засухи. Круговорот воды, регулируемый растительностью, - важнейшее условие поддержания жизни на Земле.
Круговорот серы. Сера входит в состав ряда аминокислот и белков. Соединения серы поступают в круговорот в основном в виде сульфидов из продуктов выветривания пород суши и морского дна. Ряд микроорганизмов (например, хемосинтезирующие бактерии) способны переводить сульфиды в доступную для растений форму - сульфаты. Растения и животные отмирают, минерализация их остатков редуцентами возвращает соединения серы в почву. Ресурсы серосодержащих полезных ископаемых весьма значительны, а избыток этого элемента в атмосфере приводит к кислотным дождям и нарушает процессы фотосинтеза. Количество серы в атмосфере существенно увеличивается при сжигании природного топлива.
Круговорот фосфора начинается вымыванием фосфорсодержащих соединений из горных пород и поступлением их в почву. Часть фосфора уносится в реки и моря, другая - усваивается растениями. Биогенный круговорот фосфора происходит по общей схеме: продуценты – консументы – редуценты. Значительные количества фосфора вносятся на поля с удобрениями. Около 60 тыс. т фосфора ежегодно возвращается на материк с выловом рыбы. Ресурсы фосфорсодержащих пород пока велики, но в будущем человечеству, вероятно, придется решать проблему возвращения фосфора в биогенный круговорот.
Рефлексия.
Учащиеся обсуждают лекцию и дополняют список фактов о круговороте веществ в биосфере. Учащиеся озвучивают новые сведения, и вычеркивает названые ранее неверные факты.
Закрепление новых знаний.
Учащимся предлагаются карточки с вопросами для закрепления нового материала по вариантам:
1. Почему перед человечеством стоит проблема овладения новыми источниками энергии?
2. Какова роль растений в круговороте химических элементов?
3. В чем особенности круговоротов азота, серы, фосфора?
Итог урока.
Сегодня на уроке вы узнали о роли круговорота веществ в биосфере и самостоятельно написали конспект и составили схемы круговорота веществ в биосфере.
9 классБилет №26
1. Круговороты химических элементов в природе (на примере углерода, кислорода и азота). Роль живых существ в круговороте химических элементов.
Круговороты химических элементов на Земле - повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющиеся более или менее циклический характер. Общий круговорот веществ складывается из отдельных процессов (круговорот воды, газов, химических элементов), которые не являются полностью обратимыми, т.к. происходит рассеивание вещества, изменение его состава и др.
С появлением жизни на Земле огромную роль в круговороте веществ играют живые организмы (круговорот кислорода, углерода, водорода, азота, кальция и др.биогенных элементов). Глобальное влияние на круговорот веществ и хим. элементов имеет деятельность человека, в результате которой возникают новые и изменяются сложившиеся в природе пути миграции веществ, появляются новые вещества и т.д.
Глубокое изучение превращений веществ и энергии в природе и учёт последствий деятельности человека – необходимое условие сохранения окружающей среды.
Рассмотрим круговороты некоторых химических элементов
Круговорот углерода
В природе происходит непрерывный процесс разрушения одних углеродосодержащих веществ и образование других. Органические вещества разрушаются при сгорании топлива, при дыхании, при гниении. Из них образуются более простые вещества, в том числе углекислый газ. Углекислый газ выделяется при разложении некоторых неорганических веществ, например, при обжиге известняка. Однако, его количество в атмосфере увеличивается медленно. Это объясняется тем, что оксид углерода (IV) участвует в фотосинтезе и атомы углерода снова переходят в состав органических веществ растений. Многие из них употребляются в пищу животными и человеком. Так происходит непрерывный круговорот углерода в природе.
Минералы и горные породы
(нефть, природный газ, уголь, графит - сжигание,
известняк, доломиты - прокаливание), вулканические газы
углекислый газ
растения
поглощают углекислый газ при фотосинтезе,
элемент углерод переходит в органические вещества
животные
органические вещества растений входят в состав пищи
для животных и человека
углекислый газ
процессы дыхания, брожения, гниения
сопровождаются образованием углекислого газа
(органические вещества превращаются в углекислый газ в результате реакций окисления)
Круговорот кислорода
Состав атмосферы за последние столетия изменился незначительно. В состав воздуха входят: азот (78%), кислород (21%), углекислый газ (0,03 %) и инертные газы (около 1%). Живые организмы в течение эволюции приспособились к определённому составу атмосферы, и даже небольшие изменения состава отрицательно влияют на живые организмы.
Кислород расходуется в огромных количествах на многие химические реакции: дыхание живых организмов, процессы гниения; хозяйственная деятельность человека: сжигание топлива, выплавка, резка и сварка металлов, многие производства (лекарственных веществ, азотной и серной кислот, удобрений, синтетических волокон, взрывчатых веществ, пластмасс и др.).
Но всё же общая масса кислорода в воздухе заметно не изменяется. Это объясняется процессом фотосинтеза, происходящего в зелёных растениях на свету. В результате фотосинтеза растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. В результате этого процесса масса кислорода в воздухе пополняется.
Кислород атмосферы
растения, животные, человек
поглощают при дыхании кислород, а выделяют углекислый газ
углекислый газ
растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород,
этот процесс называется фотосинтезом
кислород атмосферы
растения выделяют кислород при фотосинтезе
Круговорот азота
Химический элемент азот в виде простого вещества составляет большую часть атмосферы, в которой содержится по объёму 78%, входит в состав органических веществ, в частности в состав белков, из которых состоят живые организмы. В почве азот содержится в виде ионов аммония NH4+ и нитрат-ионов NO3-.
Зелёные растения нуждаются в азоте, он является основным питательным элементов наряду с фосфором и калием. Азот влияет на рост зелёной массы растений, при недостатке азота замедляется и прекращается их рост. При выращивании растений почва постепенно обедняется азотом, и может стать бесплодной.
При гниении и горении органических веществ часть связанного азота освобождается и уходит в атмосферу. Однако, в естественных условиях содержание связанного азота в почве не уменьшается, масса свободного азота в атмосфере так же не увеличивается. Чем это можно объяснить?
Оказывается, существуют бактерии, как свободно живущие в почве, так и поселяющиеся на корнях бобовых растений, которые усваивают атмосферный азот, переводя его в состав органических соединений. Небольшие количества азота связываются при грозовых разрядах: при этом образуются оксиды азота, оксид азота (IV) соединяясь с водой превращается в азотную кислоту, которая превращается в почве в нитраты.
В результате этих процессов происходит круговорот химических элементов в природе. При уборке урожая с полей выносится значительная часть азота, поэтому необходимо вносить азотные удобрения в почву, чтобы восполнить эту убыль.
Азот атмосферы
(содержание азота в атмосфере постоянно, составляет по объёму 78%)
Азот усваивают азотофиксирующие бактерии
превращают его в нитратную и аммонийную форму и органические вещества
Растения
(в растениях азот находится в виде органических веществ – белков, растительный белок служит пищей для животных и человека)
Животные и человек
Гниение, продукты обмена веществ, горение органических веществ
Азот атмосферы
Итак, рассмотрев круговороты некоторых химических элементов, мы убедились в том, что для них характерна цикличность, в круговороте участвуют различные звенья живой и неживой природы. В результате круговорота веществ поддерживается постоянный состав атмосферы, почвы, гидросферы.
Большую роль в круговороте веществ играют живые организмы: растения, животные и человек. В зелёных растениях неорганические вещества превращаются в органические в процессе фотосинтеза, в организме животных создаётся белки, необходимые для жизни человека (животные белки содержат все аминокислоты). Человек влияет на круговорот веществ своей хозяйственной деятельностью, очень часто его влияние оказывает вред природе.
Всякое неразумное вмешательство человека вызывает нарушение природного равновесия, поэтому необходимо изучать все стороны и звенья круговорота веществ и учитывать их особенности, для того, чтобы не нарушить естественное равновесие в природе.
