.

Роль живых организмов в биологическом круговороте

Язык: русский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 1201
Скачать документ

Реферат на тему:

Роль живых организмов в биологическом круговороте

Введение

Круговорот биологический – явление непрерывного характера, циклического,
закономерного, но не равномерного во времени и пространстве
перераспределения веществ, энергии и информации в пределах экологических
систем различного иерархического уровня организации – от биогеоценоза до
биосферы. Круговорот веществ в масштабах всей биосферы называют большим
кругом, а в пределах конкретного биогеоценоза – малым кругом
биотического обмена.

Академик В.И. Вернадский первым постулировал тезис о важнейшей роли
живых организмов в формировании и поддержании основных физико-химических
свойств оболочек Земли. В его концепции биосфера рассматривается не
просто как пространство, занятое жизнью, а как целостная функциональная
система, на уровне которой реализуется неразрывная связь геологических и
биологических процессов. Основные свойства жизни, обеспечивающие эту
связь, – высокая химическая активность живых организмов, их подвижность
и способность к самовоспроизведению и эволюции. В поддержании жизни как
планетарного явления важнейшие значение имеет разнообразие ее форм,
отличающихся набором потребляемых веществ и выделяемых в окружающую
среду продуктов жизнедеятельности. Биологическое разнообразие – основа
формирования устойчивых биогеохимических циклов вещества и энергии в
биосфере Земле.

Вопросы о роли живых организмов в малом круговороте рассматривали такие
ученые, педагоги как Николайкин Н.И., Шилов И.А., МелеховаО.П. и др.

1. Роль живых организмов в биологическом круговороте

Специфическое свойство жизни – обмен веществ со средой. Любой организм
должен получать из внешней среды определенные вещества как источники
энергии и материал для построения собственного тела. Продукты
метаболизма, уже непригодные для дальнейшего использования, выводят
наружу. Таким образом, каждый организм или множество одинаковых
организмов в процессе своей жизнедеятельности ухудшают условия своего
обитания. Возможность обратного процесса – поддержания жизненных условий
или даже их улучшения, – определяется тем, что биосферу населяют разные
организмы с разным типом обмена веществ.

В простейшем виде набор качественных форм жизни представлен
продуцентами, консументами и редуцентами, совместная деятельность
которых обеспечивает извлечение определенных веществ из внешней среды,
их трансформацию на разных уровнях трофических цепей и минерализацию
органического вещества до составляющих, доступных для очередного
включения в круговорот (основные элементы, мигрирующие по цепям
биологического круговорота, – углерод, водород, кислород, калий. Фосфор,
сера и т.д.).

Продуценты – это живые организмы, которые способны синтезировать
органическое вещество из неорганических составляющих с использованием
внешних источников энергии. (Отметим, что получение энергии извне –
общее условие жизнедеятельности всех организмов; по энергии все
биологические системы – открытые) их называют также автотрофами,
поскольку они сами снабжают себя органическим веществом. В природных
сообществах продуценты выполняют функцию производителей органического
вещества, накапливаемого в тканях этих организмов. Органическое вещество
служит и источником энергии для процессов жизнедеятельности; внешняя
энергия используется лишь для первичного синтеза.

Все продуценты по характеру источника энергии для синтеза органических
веществ подразделяются на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов. Первые
используют для синтеза энергию солнечного излучения в части спектра с
длиной волны 380-710 нм. Эго главным образом зеленые растения, но к
фотосинтезу способны и представители некоторых других царств
органического мира. Среди них особое значение имеют цианобактерии
(сине-зеленые «водоросли»), которые, по-видимому, были первыми
фотосинтетиками в эволюции жизни на Земле. Способны к фотосинтезу также
многие бактерии, которые, правда, используют особый пигмент –
бактериохлорин – и не выделяют при фотосинтезе кислород. Основные
исходные вещества, используемые для фотосинтеза,- диоксид углерода и
вода (основа для синтеза углеводов), а также азот, фосфор, калий и
другие элементы минерального питания.

Создавая органические вещества на основе фотосинтеза, фотоавтотрофы,
таким образом, связывают использованную солнечную энергию, как бы
запасая ее. Последующее разрушение химических связей ведет к
высвобождению такой «запасенной» энергии. Это относятся не только к
использованию органического топлива; «запасенная» в тканях растений
энергия передается в виде пищи по трофическим цепям и служит основой
потоков энергии, сопровождающих биогенный круговорот веществ.

Хемоавтотрофы в процессах синтеза органического вещества используют
энергию химических связей. К этой группе относятся только прокариоты:
бактерии, архебактерии и отчасти сине-зеленные. Химическая энергия
высвобождается в процессах окисления минеральных веществ.
Экзотермические окислительные процессы используются нитрифицирующими
бактериями (окисляют аммиак до нитритов, а затем до нитратов),
железобактериями (окисление закисного железа до окисного),
серобактериями (сероводород до сульфатов). Как субстрат для окисления
используется также метан, СО и некоторые другие вещества.

При всем многообразия конкретных форм продуцентов-автотрофов их общая
биосферная функция едина и заключается в вовлечении элементов неживой
природы в состав тканей организмов и таким образом в общий биологический
круговорот. Суммарная масса автотрофов-продуцентов составляет более 95 %
массы всех живых организмов в биосфере.

Консументы. Живые существа, не способные строить свое тело на базе
использования неорганических веществ, требующие поступления
органического вещества извне, в составе пищи, относятся к группе
гетеротрофных организмов, живущих за счет продуктов, синтезированных
фото- или хемоситетиками. Пища, извлекаемая тем или иным способом из
внешней среды, используется гетеротрофами на построение собственного
тела и как источник энергии для различных форм жизнедеятельности. Таким
образом, гетеротрофы используют энергию, запасенную автотрофами в виде
химических связей синтезированных ими органических веществ. В потоке
веществ по ходу круговорота они занимают уровень потребителей, облигатно
связанных с автотрофами организмами (консументы 1 порядка) или с другими
гетеротрофами, которыми они питаются (консументы II порядка).

К консументам относятся огромное количество живых организмов из разных
таксонов. Их нет лишь среди цианобактерий и водорослей. Из высших
растений к консументам относятся бесхлорофилльные формы, паразитирующие
на других растениях; частично положение консументов занимают и растения
со смешанным питанием (например, насекомоядные типа росянки). Все
животные – консументы, и их роль в поддержании устойчивого биогенного
круговорота очень велика.

Общее значение консументов в круговороте веществ своеобразно и
неоднозначно. Они не обязательны в прямом процессе круговорота:
искусственные замкнутые модельные системы, составленные из зеленых
растений и почвенных микроорганизмов, при наличии влаги и минеральных
солей могут существовать неопределенно долгое время за счет фотосинтеза,
деструкции растительных остатков и вовлечения высвобожденных элементов в
новый круговорот. Но это возможно лишь в стабильных лабораторных
условиях. В природной обстановке возрастает вероятность гибели таких
простых систем от многих причин. «Гарантами» устойчивости круговорота и
оказываются в первую очередь консументы.

В процессе собственного метаболизма гетеротрофы разлагают полученные в
составе пищи органические вещества и на этой основе строят вещества
собственного тела. Трансформация первично продуцированных автотрофами
веществ в организмах консументов ведет к увеличению разнообразия живого
вещества. Разнообразие же необходимое условие устойчивости любой
кибернетической системы на фоне внешних и внутренних возмущений. Живые
системы – от организма до биосферы в целом – функционируют по
кибернетическому принципу обратных связей.

Животные, составляющие основную часть организмов-консументов, отличаются
подвижностью, способностью к активному перемещению в пространстве. Этим
они эффективно участвуют в миграции живого вещества, дисперсии его по
поверхности планеты, что, с одной стороны, стимулирует пространственное
расселение жизни, а с другой служит своеобразным «гарантийным
Механизмом» на случай уничтожения жизни в каком-либо месте в силу тех
или иных причин.

Примером такой «пространственной гарантии может служить широко известная
катастрофа на о. Кракатау: в результате извержения вулкана в 1883 г.
жизнь на острове была полностью уничтожена, но в течение всего 50 лет
восстановилась – было зарегистрировано порядка 1200 видов. Заселение шло
главным образом за счет не затронутых извержением Явы, Суматры и
соседних островов, откуда разными путями растения и животные вновь
заселили покрытый пеплом и застывшими потоками лавы остров. При этом
первыми (уже через 3 года) на вулканическом туфе и пепле появились
пленки цианобактерий. Процесс становления устойчивых сообществ на
острове продолжается; лесные ценозы еще находятся на ранних стадиях
сукцессии и сильно упрощены по структуре.

Наконец, чрезвычайно важна роль консументов, в первую очередь животных,
как регуляторов интенсивности потоков вещества и энергии по трофическим
цепям. Способность к активной авторегуляции био- массы и темпов ее
изменения на уровне экосистем и популяций отдельных видов в конечном
итоге реализуется в виде поддержания соответствия темпов создания и
разрушения органического вещества в глобальных системах круговорота.
Участвуют в такой регуляторной системе не только консументы, но
последние (особенно животные) отличаются наиболее активной и быстрой
реакцией на любые возмущении баланса биомассы смежных трофических
уровней.

В принципе система регулирования потоков вещества в биогенном
круговороте, основанная на комплементарности составляющих эту систему
экологических категорий живых организмов, работает по принципу
безотходного производства. Однако в идеале этот принцип соблюден быть не
может в силу большой сложности взаимодействующих процессов и влияющих на
них факторов. Результатом нарушения полноты круговорота явились
отложения нефти, каменного угля, торфа, сапропелей. Все эти вещества
несут в себе энергию, первоначально запасенную в процессе фотосинтеза.
Использование их человеком – как бы «отставленное во времени» завершение
циклов биологического круговорота.

Редуценты. К этой экологической категории относятся
организмы-гетеротрофы, которые, используя в качестве пищи мертвое
органическое вещество (трупы, фекалия, растительный опад и пр.), в
процессе метаболизма разлагают его до неорганических составляющих.

Частично минерализация органических веществ идет у всех живых
организмов. Так, в процессе дыхания выделяется СО2, из организма
выводятся вода, минеральные соли, аммиак и т.д. Истинными редуцентами,
завершающий цикл разрушения органических веществ, следует поэтому
считать лишь такие организмы, которые выделяют во внешнюю среду только
неорганические вещества, готовые к вовлечению в новый цикл.

В категорию редуцентов входят многие виды бактерий и грибов. По
характеру метаболизма это организмы-восстановители. Так,
девитрифицирующие бактерии восстанавливают азот до элементарного
состояния, сулъфатредуцирующие бактерия – серу до сероводорода. Конечные
продукты разложения органических веществ – диоксид углерода, вода,
аммиак, минеральные соли. В анаэробных условиях разложение идет дальше –
до водорода; образуются также углеводороды.

Полный цикл редукции органического вещества более сложен и вовлекает
большее число участников. Он состоит из ряда последовательных звеньев, в
череде которых разные организмы-разрушители поэтапно превращают
органические вещества сначала в более простые формы и только после этого
в неорганические составляющие действием бактерий и грибов.

Уровни организации живой материи. Совместная деятельность продуцентов,
консументов и редуцентов определяет непрерывное поддержание глобального
биологического круговорота веществ в биосфере Земли. Этот процесс
поддерживается закономерными взаимоотношениями составляющих биосферу
пространственно-функциональных частей и обеспечивается особой системой
связей, выступающих как механизм гомеостазирования биосферы –
поддержания ее устойчивого функционирования на фоне изменчивых внешних и
внутренних факторов. Поэтому биосферу можно рассматривать как глобальную
экологическую систему, обеспечивающую устойчивое поддержание жизни в ее
планетарном проявлении.

Любая биологическая (в том числе и экологическая) система
характеризуется специфической функцией, упорядоченными взаимоотношениями
составляющих систему частей (субсистем) и основывающимися на этих
взаимодействиях регуляторными механизмами, определяющими целостность и
устойчивость системы на фоне колеблющихся внешних условий. Из сказанного
выше ясно, что биосфера в ее структуре и функции соответствует понятию
биологической (экологической) системы.

На уровне биосферы как целого осуществляется всеобщая функциональная
связь живого вещества с неживой природой. Ее структурно-функциональными
составляющими (подсистемами), на уровне которых осуществляются
конкретные циклы биологического круговорота, являются биогеоценозы
(экосистемы).

2. Малый круговорот веществ в биосфере

Биологический (биогеохимический) круговорот (малый круговорот веществ в
биосфере) – круговорот веществ, движущей силой которого является
деятельность живых организмов. Биогеохимический круговорот веществ
совершается в пределах биосферы. Главным источником энергии круговорота
является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. В экосистеме
органические вещества синтезируют автотрофами из неорганических веществ.
Затем он потребляются гетеротрофами. В результате выделения в процессе
жизнедеятельности или после гибели организмов органические вещества
подвергаются минерализации, т.е. превращению в неорганические вещества.
Эти неорганические могут быть вновь использованы для синтеза автотрофами
органических веществ.

В биогеохимических круговоротах следует различать две части:

1. резервный фонд – это часть вещества, не связанная с живыми
организмами;

2. обменный фонд – значительно меньшая часть вещества, которая связана
прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением.

В зависимости от расположения резервного фонда биогеохимические
круговороты можно разделить на два типа:

1. круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и
гидросфере (круговороты углерода, кислорода, азота);

2. круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре
(круговороты фосфора, кальция, железа и д.р.).

Круговороты газового типа совершенны, т.к. обладают большим обменным
фондом, а значит способы к быстрой саморегуляции. Круговороты осадочного
типа менее совершенны, они более инертны, т.к. основная масса вещества
содержится в резервном фонде земной коре в «недоступном» живым
организмам виде. Такие круговороты легко нарушаются от различного рода
воздействий, и часть обмениваемого материала выходит из круговорота.
Возвратиться опять круговорот она может лишь в результате геологических
процессов или путем извлечения живым веществом. Однако извлечь нужные
живым организмам вещества из земной коры гораздо сложнее, чем из
атмосферы.

Интенсивность биологического круговорота в первую очередь определяется
температурой окружающей среды и количеством воды. Так, например,
биологический круговорот интенсивнее протекает во влажных тропических
лесах, чем в тундре. Кроме того, в тундре биологические процессы
протекают только в теплое время года.

Продуценты, консументы, детритофаги и редуценты экосистемы, поглощая и
выделяя различные вещества, взаимодействуют между собой четко и
согласованно. Органические вещества и кислород, образуемые
фотосинтезирующими растениями, – важнейшие продукты питания и дыхания
консументов. В то же время выделяемые консументами диоксид углерода и
минеральные вещества навоза и мочи являются биогенами, столь
необходимыми продуцентами. Поэтому вещества в экосистемах совершают
практически полный круговорот, попадая сначала в живые организмы, затем
в абиотическую среду и вновь возвращаясь в живое. Вот один из основных
принципов функционирования экосистем: получение ресурсов и переработка
отходов происходят в процессе круговорота всех элементов.

Рассмотрим круговороты наиболее значимых для живых организмов веществ и
элементов. К малому биогеохимическому круговороту биогенных элементов
относятся: углерод, азот, фосфор, сера и др.

2.1 Круговорот углерода

Углерод существует в природе во многих формах, в том числе в составе
органических соединений. Неорганическое вещество, лежащее в основе
биогенного круговорота этого элемента, – диоксид углерода (СО2). В
природе СО2 входит в состав атмосферы, а также находится в растворенном
состоянии в гидросфере. Включение углерода в состав органических веществ
происходит в процессе фотосинтеза, в результате которого на основе СО2 и
Н2О образуются сахара. В дальнейшем другие процессы биосинтеза
преобразуют эти углероды в более сложные, а также в протеиды, липиды.
Все эти соединения не только формируют ткани фотосинтезирующих
организмов, но и служат источником органических веществ для животных и
незеленных растений.

В процессе дыхания все организмы окисляют сложные органические вещества;
конечный продукт этого процесса, СО2, выводится во внешнюю среду, где
вновь может вовлекаться в процесс фотосинтеза.

Углеродсодержащие органические соединения тканей живых организмов после
их смерти подвергаются биологическому разложению
организмами-редуцентами, в результате чего углерод в форме углекислоты
вновь поступает в круговорот. Этот процесс составляет сущность так
называемого почвенного дыхания.

При определенных условиях в почве разложение накапливающихся мертвых
остатков идет замедленным темпом – через образование сапрофагами гумуса,
минерализация которого воздействием грибов и бактерий может идти с
различной, в том числе и с низкой, скоростью. В некоторых случаях цепь
разложения органического вещества бывает неполной. В частности,
деятельность сапрофагов может подавляться недостатком кислорода или
повышенной кислотностью. В этом случае органические остатки
накапливаются в виде торфа; углерод не высвобождается и круговорот
приостанавливается. Аналогичные ситуации возникали и в прошлые
геологические эпохи, о чем свидетельствуют отложения каменного угля и
нефти.

В гидросфере приостановка круговорота углерода связана с включением СО2
в состав СаСО3 в виде известняков, мела, кораллов. В этом случае углерод
выключается из круговорота на целые геологические эпохи. Лишь поднятие
органогенных пород над уровнем моря приводит к возобновлению круговорота
через выщелачивание известняков атмосферными осадками. А также биогенным
путем – действием лишайников, корней растений.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они
содержат до 500 млрд тонн этого элемента, что составляет 2/3 его запаса
в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода приводит в
возрастанию содержания СО2 в атмосфере и развитию парникового эффекта.

Скорость круговорота СО2, т.е. время, за которое весь углекислый газ
атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.

2.2 Круговорот азота

Главный источник азота органических соединений – молекулярный азот в
составе атмосферы. Переход его в доступные живым организмам соединения
может осуществляться разными путями. Так, электрические разряды при
грозах синтезируют из азота и кислорода воздуха оксида азота, которые с
дождевыми водами попадают в почву в форме селитры или азотной кислоты.
Имеет место и фотохимическая фиксация азота.

Более важной формой усвоения азота является деятельность
азот-фиксирующих микроорганизмов, синтезирующих сложные протеиды.
Отмирая, они обогащают почву органическим азотом, который быстро
минерализируются. Таким путем в почву ежегодно поступает около 25 кг
азота на 1 га.

Наиболее эффективная фиксация азота осуществляется бактериями,
формирующими симбиотические связи с бобовыми растениями. Образуемый ими
органический азот диффундирует в ризосферу, а также включается в
наземные органы растения-хозяина. Таким путем в наземных и подземных
органах растений на 1 га накапливается за год 150-400 кг азота.

Существуют азотфиксирующие микроорганизмы, образующие симбиоз и другими
растениями. В водной среде и на очень влажной почве непосредственную
фиксацию атмосферного азота осуществляют цианобактерии. Во всех этих
случаях азот попадает в растения в форме нитратов. Эти соединения через
корни и проводящие пути доставляются в листья, где используются для
синтеза протеинов; последние служат основой для азотного питания
животных.

Экскреты и мертвые организмы составляют базу цепей питания
организмов-сапрофагов, разлагающих органические соединения с постепенным
превращением органических азотсодержащих веществ в неорганические.
Конечным звеном этой редукционной цепи оказываются аммонифицирующие
организмы, образующие аммиак, который затем может войти в цикл
нитрификации. Таким образом цикл азота может быть продолжен.

В то же время происходит постоянное возвращение азота в атмосферу
действием бактерий-денитрификаторов, которые разлагают нитраты до N2.
Эти бактерии активны в почвах, богатых азотом и углеродом. Благодаря их
деятельности ежегодно с 1 га почвы улетучиваются до 50-60 кг азота.

Азот может выключаться из круговорота путем аккумуляции в глубоководных
осадках океана. В известной мере это компенсируется выделением
молекулярного N2 в составе вулканических газов.

2.3 Круговорот фосфора

Из всех макроэлементов (элементов, необходимых для всего живого в
больших количествах) фосфор – один из самых редких в доступных
резервуарах на поверхности Земли. В природе фосфор в больших количествах
содержится в ряде горных пород. В процессе разрушения этих пород он
попадает в наземные экосистемы или выщелачивается осадками и в конце
концов оказывается в гидросфере. В обоих случаях этот элемент вступает в
пищевые цепи. В большинстве случаев организмы-редуценты минерализуют
органические вещества, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты,
которые вновь могут быть использованы растениями и таким образом снова
вовлекаются в круговорот.

В океане часть фосфатов с отмершими органическими остатками попадает в
глубинные осадки и накапливается там, выключаясь из круговорота. Процесс
естественного круговорота фосфора в современных условиях
интенсифицируется применением в сельском хозяйстве фосфорных удобрений,
источником которых служат залежи минеральных фосфатов. Это может быть
поводом для тревоги, поскольку соли фосфора при таком использовании
быстро выщелачиваются, а масштабы эксплуатации минеральных ресурсов все
время растут. Составляя в настоящее время около 2 млн. тонн в год.

2.4 Круговорот серы

Основной резерв фонд серы находится в отложении и почве, но в отличие от
фосфора имеется резервный фонд и в атмосфере. Главная роль в вовлечение
серы в биогеохимический круговорот принадлежит микроорганизмами. Одни из
них восстановители, другие – окислители.

В горных породах сера встречается в виде сульфидов, в растворах – в
форме иона, в газообразной фазе в виде сероводорода или сернистого газа.
В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде (S) и при их
отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.

По содержанию в морской среде сульфат-ион занимает второе место после
хлора и является основной доступной формой серы, которая потребляется
автотрофами и включается в состав белков.

В наземных экосистемах сера поступает в растения из почвы в основном в
виде сульфатов. В живых организмах сера содержится в белках, в виде
ионов и т.д. После гибели живых организмов часть серы восстанавливается
в почве микроорганизмами до HS, другая часть окисляется до сульфатов и
вновь включается в круговорот. Образовавшийся сероводорода улетучивается
в атмосферу, там окисляется и возвращается в почву с осадками.

Сжигание человеком ископаемого топлива, а также выбросы химической
промышленности, приводит к накоплению в атмосфере сернистого газа (SO),
который реагируя с парами воды, выпадает на землю в виде кислотных
дождей.

Биогеохимические циклы в значительной степени подвержены влиянию
человека. Хозяйственная деятельность нарушает их замкнутость, они
становятся ацикличными.

Заключение

Сложные взаимоотношения, поддерживающие устойчивый круговорот веществ, а
с ним и существование жизни как глобального явления нашей планеты,
сформировались на протяжении длительной истории Земли.

Совместная деятельность различных живых организмов определяет
закономерный круговорот отдельных элементов и химических соединений,
включающий введение их в состав живых клеток, преобразования химических
веществ в процессах метаболизма, выделение в окружающую среду и
деструкцию органических веществ, в результате которой высвобождаются
минеральные вещества, вновь включающиеся в биологические циклы.

Таким образом, процессы круговорота происходят в конкретных экосистемах,
но в полном виде биогеохимические циклы реализуются лишь на уровне
биосферы в целом. А совместная деятельность качественных форм жизни
обеспечивает извлечение определенных веществ из внешней среды, их
трансформацию на разных уровнях трофических цепей и минерализацию
органического вещества до составляющих, доступных для очередного
включения в круговорот (основные элементы, мигрирующие по цепям
биологического круговорота, – углерод, водород, азот, калий, кальций и
др.).

Список литературы

1. Колесников С.И. Экология. – Ростов на Дону: «Феникс», 2003.

2. Петров К.М. Общая экология: Взаимодействие общества и природы: Учебн.
пособие. 2-е изд.- СПб.; Химия, 1998.

3. Николайкин Н.И. Экология.: Учеб. для вузов/ Николайкин Н.Н.,
Николайкина Н.Е., Мелехина О.П. – 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Дрофа,
2003.

4. Хотунцев Ю.Л. Экология и экологическая безопасность: Учеб. пособие
для студ. высш. пед. учеб. заведений. – М.: Издательский центр
«Академия», 2002.

5. Шилов И.А. Экология: Учеб. для биол. и мед. спец. вузов И.А.
Шилов.-4-е изд., испр.- М.: Высшая школа, 2003.

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2020