Подробное решение параграф § 65 по биологии для учащихся 11 класса, авторов А.В. Теремов, Р.А. Петросова Углубленный уровень 2017
Вопрос. Рассмотрите рис. 283–284. Какую роль в круговоротах углерода и азота играют организмы? В чём проявляются функции живого вещества?
Ответ. Углерод является основным «строительным материалом» молекул органических соединений. Большинство наземных растений получают необходимый углерод, поглощая углекислый газ из атмосферы, концентрация которого там составляет 0,03%. Фитопланктон (микроскопические растения, плавающие в водных экосистемах) получают углерод их углекислого газ, растворенного в воде.
В процессе фотосинтеза растения – продуценты превращают углерод углекислого газа в углерод сложных органических соединений. Затем в процессе клеточного дыхания глюкоза и другие сложные органические соединения расщепляются и преобразуют углерод обратно в углекислый газ, для повторного использования продуцентами.
В круговороте углерода, а точнее наиболее подвижной его формы – углекислого газа, четко прослеживается трофическая цепь: продуценты (улавливают углерод из атмосферы при фотосинтезе), консументы (поглощают углерод вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков), редуценты (возвращают углерод вновь в круговорот).
Круговорот азота охватывает все области биосферы. Поглощение его растениями ограничено, так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и кислородом (N03- и NH4). И это при том, что запасы азота в атмосфере неисчерпаемы (78% от ее объема). Редуценты (деструкторы), а точнее почвенные бактерии, постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты. Часть нитратов попадает в процессе круговорота в подземные воды и загрязняет их.
Азот возвращается в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами. Правда, часть его окисляется в воздухе – во время грозовых разрядов – и поступает в почву с дождевой водой, но таким способом его фиксируется в 10 раз меньше, чем с помощью бактерий.
Вопрос 1. Докажите, что биосфера является глобальной экосистемой. Какими особенностями как глобальная экосистема она характеризуется?
Ответ. Как глобальная экосистема биосфера характеризуется рядом особенностей.
Во-первых, она является открытой биологической системой, в которой на входе имеется солнечная энергия, вода, минеральные вещества, а на выходе – вещества, образовавшиеся в процессе жизнедеятельности организмов и вынесенные из глобального биогеохимического круговорота.
Во-вторых, биосфера находится в состоянии динамического равновесия, которое проявляется в том, что изменение любого компонента вызывает дисбаланс, влекущий изменение других её элементов.
Вопрос 2. Как поддерживается в биосфере динамическое равновесие между её компонентами? Какова роль в поддержании динамического равновесия процессов, действующих по принципу обратной связи? Приведите примеры.
Ответ. Динамическое равновесие (в живой природе) – состояние относительного равновесия экологических систем, находящихся под действием внешних и внутренних сил (в том числе техногенного или антропогенного происхождения).
Динамическое равновесие поддерживается по принципу отрицательной или положительной обратной связи. В случае отрицательной обратной связи изменённые компоненты стремятся вернуть биосферу в исходное состояние, при положительной связи – стимулируют дальнейшее изменение в прежнем направлении.
Примером отрицательной обратной связи служат неоднократно происходившие в биосфере энергетические всплески, приводившие к расцвету различных групп автотрофных организмов. Они связывали избыток энергии в виде синтезированных органических соединений, что возвращало систему в исходное энергетическое состояние. Положительная обратная связь проявляется, например, при появлении в биосфере новых групп высокоорганизованных организмов, вступивших на путь биологического прогресса. Так, появление на определённом этапе эволюционного развития высших гоминид и современного человека повлекло за собой изменение многих компонентов биосферы – растительного и животного мира, почвы, рек, озёр, морей, полезных ископаемых, что существенно преобразовало живую оболочку нашей планеты, сделало человечество глобальной силой.
Вопрос 3. Какие круговороты называют большим и малым? В чём их сходство и различие?
Ответ. Все составляющие биосферу компоненты тесно взаимосвязаны. Стабильность биосферы поддерживается постоянно происходящим в ней круговоротом веществ. Круговороты разнообразны по масштабам и качеству явлений. Ещё до появления организмов на Земле существовал геологический, или большой, круговорот. Наиболее чётко он проявляется, например, в круговороте воды в природе. Для каждого вещества характерна своя скорость миграции в круговоротах. Например, вся вода на планете проходит через круговорот за 2 млн лет, весь кислород атмосферы – за 2 тыс. лет, а весь углекислый газ – за 300–500 лет.
С появлением живого вещества геологический круговорот дополнился биологическим, или малым, круговоротом, в котором ведущую роль стали играть организмы. В противоположность геологическому круговороту в биологическом перемещается незначительная часть веществ и ничтожное количество солнечной энергии. Однако энергия, вовлечённая живым веществом биосферы в биологический круговорот, благодаря автотрофным организмам преобразуется в продукцию первичного органического вещества, используемого в дальнейшем гетеротрофными организмами биосферы.
Вопрос 4. По рис. 283 опишите биогеохимический цикл углерода. Где может накапливаться углерод в биосфере? Какое это имеет значение для живого вещества?
Ответ. В атмосфере углерод входит в состав углекислого газа СО2, в меньшей мере – в состав метана СН4. В гидросфере СО2 растворен в воде, и общее его содержание намного превышает атмосферное. Океан служит мощным буфером регуляции СО2 в атмосфере: при повышении в воздухе его концентрации увеличивается поглощение углекислого газа водой. Некоторая часть молекул СО2 реагирует с водой, образуя угольную кислоту, которая затем диссоциирует на ионы НСО3- и СО32-. Эти ионы реагируют с катионами кальция или магния с выпадением в осадок карбонатов. Подобные реакции лежат в основе буферной системы океана, поддерживающей постоянство рН воды.
Углекислый газ атмосферы и гидросферы представляет собой обменный фонд в круговороте углерода, откуда его черпают наземные растения и водоросли. Фотосинтез лежит в основе всех биологических круговоротов на Земле. Высвобождение фиксированного углерода происходит в ходе дыхательной активности самих фотосинтезирующих организмов и всех гетеротрофов – бактерий, грибов, животных, включающихся в цепи питания за счет живого или мертвого органического вещества.
Особенно активно происходит возврат в атмосферу СО2 из почвы, где сосредоточена деятельность многочисленных групп организмов, разлагающих остатки отмерших растений и животных и осуществляется дыхание корневых систем растений. Этот интегральный процесс обозначается как «почвенное дыхание» и вносит существенный вклад в пополнение обменного фонда СО2 в воздухе. Параллельно с процессами минерализации органического вещества в почвах образуется гумус – богатый углеродом сложный и устойчивый молекулярный комплекс. Гумус почв является одним из важных резервуаров углерода на суше.
В условиях, где деятельность деструкторов тормозят факторы внешней среды (например, при возникновении анаэробного режима в почвах и на дне водоемов), органическое вещество, накопленное растительностью, не разлагается, превращаясь со временем в такие породы, как каменный или бурый уголь, торф, сапропели, горючие сланцы и другие, богатые накопленной солнечной энергией. Они пополняют собой резервный фонд углерода, надолго выключаясь из биологического круговорота. Углерод временно депонируется также в живой биомассе, в мертвом опаде, в растворенном органическом веществе океана и т.п. Однако основным резервным фондом углерода на пишете являются не живые организмы и не горючие ископаемые, а осадочные породы – известняки и доломиты. Их образование также связано с деятельностью живого вещества. Углерод этих карбонатов надолго захоронен в недрах Земли и поступает в круговорот лишь в ходе эрозии при обнажении пород в тектонических циклах.
В биогеохимическом круговороте участвуют лишь доли процента углерода от общего его количества на Земле. Углерод атмосферы и гидросферы многократно проходит через живые организмы. Растения суши способны исчерпать его запасы в воздухе за 4-5 лет, запасы в почвенном гумусе – за 300-400 лет. Основной возврат углерода в обменный фонд происходит за счет деятельности живых организмов, и лишь небольшая его часть (тысячные доли процента) компенсируется выделением из недр Земли в составе вулканических газов.
Вопрос 5. По рис. 284 опишите биогеохимический цикл азота. В каких формах азот могут использовать растения, животные и микроорганизмы?
Ответ. В атмосфере и живом веществе содержится менее 2% всего азота на Земле, но именно он поддерживает жизнь на планете. Азот входит в состав важнейших органических молекул – ДНК, белков, липопротеидов, АТФ, хлорофилла и др. В растительных тканях его соотношение с углеродом составляет в среднем 1 : 30, а в морских водорослях I : 6. Биологический цикл азота поэтому также тесно связан с углеродным.
Молекулярный азот атмосферы недоступен растениям, которые могут усваивать этот элемент только в виде ионов аммония, нитратов или из почвенных или водных растворов. Поэтому недостаток азота часто является фактором, лимитирующим первичную продукцию – работу организмов, связанную с созданием органических веществ из неорганических. Тем не менее атмосферный азот широко вовлекается в биологический круговорот благодаря деятельности особых бактерий (азотфиксаторов).
В круговороте азота большое участие также принимают аммонифицирующие микроорганизмы. Они разлагают белки и другие содержащие азот органические вещества до аммиака. В аммонийной форме азот частью вновь поглощается корнями растений, а частью перехватывается нитрифицирующими микроорганизмами, что противоположно функциям группы микроорганизмов – денитрификаторов.
В анаэробных условиях в почвах или водах они используют кислород нитратов для окисления органических веществ, получая энергию для своей жизнедеятельности. Азот при этом восстанавливается до молекулярного. Азотфиксация и денитрификация в природе приблизительно уравновешены. Цикл азота, таким образом, зависит преимущественно от деятельности бактерий, тогда как растения встраиваются в него, используя промежуточные продукты этого цикла и намного увеличивая масштабы циркуляции азота в биосфере за счет продуцирования биомассы.
Роль бактерий в круговороте азота настолько велика, что если уничтожить только 20 их видов, жизнь на нашей планете прекратится.
Небиологическая фиксация азота и поступление в почвы его окислов и аммиака происходит также с дождевыми осадками при ионизации атмосферы и грозовых разрядах. Современная промышленность удобрений фиксирует азот атмосферы в размерах, превышающих природную фиксацию азота, в целях увеличения продукции сельскохозяйственных растений.
Вопрос 6. В чём проявляется ритмичность явлений в биосфере? Проиллюстрируйте ответ примерами гравитационных и корпускулярных воздействий на биосферу. К чему это приводит? Какое значение это имеет для жизни на Земле?
Ответ. Для биосферы характерна определённая повторяемость явлений во времени, что связано с тектоническими процессами, вулканической деятельностью и изменениями геомагнитного поля нашей планеты. Существенное влияние на организмы оказывают гравитационные и корпускулярные воздействия. Первые связаны с изменениями орбит вращения Земли и Солнца. Вторые вызваны элементарными частицами, излучаемыми звёздами и распространяемыми в космическом пространстве.
Гравитационные воздействия являются причинами климатических циклов, сменяющихся на Земле с чёткой периодичностью в 0,4; 1,2; 2,5; 3,7 млн лет. Например, 400-тысячелетний цикл, называемый «биосферными часами», вызывает крупномасштабные изменения климата на нашей планете. В прошлом это приводило к неоднократному вымиранию или эволюционному расцвету отдельных групп организмов. Учёными было установлено, что около 350 млн лет назад в результате вулканической деятельности содержание углекислого газа в атмосфере девона и карбона увеличилось; это привело к бурному расцвету на планете лесов из плаунов, хвощей и папоротников, которые затем вымерли, образовав залежи каменного угля. «Кислородная вспышка» в мезозое (около 130 млн лет назад), явившаяся следствием фотосинтетической деятельности растений палеозойских лесов, способствовала впоследствии расцвету на Земле гигантских пресмыкающихся – динозавров.
Из корпускулярных воздействий на биосферу известно влияние 11-летнего ритма солнечной активности, открытое отечественным учёным А. Л. Чижевским. В октябре 1915 г. в докладе на тему «Периодическое влияние Солнца на биосферу Земли» он, проанализировав громадный фактологический материал из истории 80 стран мира за двадцать веков и сопоставив его с астрофизическими данными о вспышках на Солнце, сделал вывод об обусловленности процессов жизнедеятельности организмов Земли периодичностью солнечной активности. Идеи А. Л. Чижевского, развитые впоследствии наукой гелиобиологией (от греч. gelios – солнце, bios – жизнь и logos – учение), ознаменовали начало новой вехи в понимании влияния космических факторов на процессы, происходящие в биосфере.