Биогеохимический цикл углерода доклад

Обновлено: 02.07.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Факультет биотехнологии и биологии

по дисциплине: Экология и рационально природопользование

студент 306 группы

направления 06.03.01 Биология

Кундев Владислав Сергеевич

Подход к познанию экосистем состоит в исследовании больших биогеохимических циклов (круговоротов), различные фазы которых протекают внутри разных экосистем. Речь идет о циркуляционном движении химических элементов абиотического происхождения, которые характерными для них путями попадают из окружающей среды в организмы и из организмов в окружающую среду. Минеральные элементы проникают в ткани растений и животных в процессе их роста и там входят в состав органических веществ; когда же после смерти организма эти элементы вновь попадают в окружающую среду, они перераспределяются, что сопровождается сложными транформациями и транслокациями, лишь после этого они попадают в новые организмы.

К главным циклам относят биогеохимические циклы углерода, воды, азота, фосфора, серы, биогенных катионов.

Эти циклы не изучаются во всем их объеме, то есть в масштабе биосферы; их отдельные частные фазы нередко ускользают от нашего внимания, так как протекают внутри мало изученных экосистем и к тому же образуют в них вторичные циклы. Иногда эти вторичные циклы связывают несколько экосистем, обеспечивая тем самым максимальное объединение той огромной системы, которую мы зовем биосферой.

В отличие от энергии, которая однажды использованная организмом, превращается в тепло и теряется для экосистемы, вещества циркулируют в биосфере, что и называется биогеохимическими круговоротами. Из 90 с лишним элементов, встречающихся в природе, около 40 нужны живым организмам. Наиболее важные для них и требующиеся в больших количествах: углерод, водород, кислород, азот. Кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза и расходуется организмами при дыхании. Азот извлекается из атмосферы благодаря деятельности азотофиксирующих бактерий и возвращается в неё другими бактериями.

Круговороты элементов и веществ осуществляются за счёт саморегулирующих процессов, в которых участвуют все составные части экосистем. Эти процессы являются безотходными. В природе нет ничего бесполезного или вредного, даже от вулканических извержений есть польза, так как с вулканическими газами в воздух поступают нужные элементы, например, азот.

Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере, действующий на всех этапах её развития, как и правило увеличения замкнутости биогеохимического круговорота в ходе сукцессии. В процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании биогеохимического круговорота. Ещё большую роль на биогеохимический круговорот оказывает человек. Но его роль осуществляется в противоположном направлении. Человек нарушает сложившиеся круговороты веществ, и в этом проявляется его геологическая сила, разрушительная по отношению к биосфере на сегодняшний день.

В результате антропогенной деятельности степень замкнутости биогеохимических круговоротов уменьшается. Хотя она довольно высока (для различных элементов и веществ она не одинакова), но тем не менее не абсолютна, что и показывает пример возникновения кислородной атмосферы. Иначе невозможна была бы эволюция (наивысшая степень замкнутости биогеохимических круговоротов наблюдается в тропических экосистемах – наиболее древних и консервативных).

Таким образом, следует говорить не об изменении человеком того, что не должно меняться, а скорее о влиянии человека на скорость и направление изменений и на расширение их границ, нарушающее правило меры преобразования природы. Последнее формулируется следующим образом: в ходе эксплуатации природных систем нельзя превышать некоторые пределы, позволяющие этим системам сохранять свойства самоподдержания. Нарушение меры как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения приводит к отрицательным результатам. Например, избыток вносимых удобрений столь же вреден, сколь и недостаток. Это чувство меры утеряно современным человеком, считающим, что в биосфере ему всё позволено.

Надежды на преодоление экологических трудностей связывают, в частности, с разработкой и введением в эксплуатацию замкнутых технологических циклов. Создаваемые человеком циклы превращения материалов считается желательным устраивать так, чтобы они были подобны естественным циклам круговорота веществ. Тогда одновременно решались бы проблемы обеспечения человечества невосполнимыми ресурсами и проблема охраны природной среды от загрязнения, поскольку ныне только 1 – 2% веса природных ресурсов утилизируется в конечном продукте.

Теоретически замкнутые циклы превращения вещества возможны. Однако полная и окончательная перестройка индустрии по принципу круговорота вещества в природе не реальна. Хотя бы временное нарушение замкнутости технологического цикла практически неизбежно, например, при создании синтетического материала с новыми, неизвестными природе свойствами. Такое вещество вначале всесторонне апробируется на практике, и только потом могут быть разработаны способы его разложения с целью внедрения составных частей в природные круговороты.

Биогеохимическая история формирования состава атмосферы дает хороший пример воздействия живых организмов на окружающую среду. Современные данные показывают, что существующий состав атмосферной оболочки Земли представляет собой последнюю стадию долговременного процесса, в котором важнейшая роль принадлежала биогеохимической активности живой материи.

Масса атмосферы составляет около (5,14÷5,27)·1015 т [Walker,1977; Войтович, 1986]. Основная часть газовой массы (около 80%) находится в тропосфере. Именно здесь, где сосредоточена основная масса водных паров и взвешенных частиц, происходит активное взаимодействие физических, химических и биогеохимических процессов.

В настоящее время 99,8% газовой массы представлено азотом, кислородом и аргоном. Содержание воды сильно варьирует и не может быть охарактеризовано одной средней величиной. Лишь содержание азота и кислорода почти неизменно, тогда как содержание других газов сильно изменяется как в пространстве, так и во времени. Фотохимические реакции и многие биологические процессы ответственны за содержание ряда газов, находящихся в атмосфере в следовых количествах. В малых количествах в атмосфере обнаруживаются и инертные газы. Хорошо известно, что многие важнейшие биосферные фотохимические реакции также протекают в тропосфере.

В большинстве случаев наблюдаемые концентрации тропосферных соединений поддерживаются вследствие жизнедеятельности живой материи, прежде всего, микробов. Природные биогеохимические циклы азота и серы управляются биотой; однако в настоящее время эти циклы нарушаются под воздействием антропогенной активности. В отличие от других основных атмосферных газов, многие соединения серы и азота реактивны, имеют короткое время существования, их содержание сильно варьирует как во времени, так и в пространстве. Окислительные реакции и вымывание с дождями контролируют удаление этих соединений из тропосферы. В настоящее время содержание почти всех следов соединений серы и азота в тропосфере возрастает как следствие антропогенной активности и загрязнения атмосферы в глобальном масштабе.

Наиболее жизненно важными можно считать вещества, из которых, в основном, состоят белковые молекулы. К ним относятся углерод, азот, кислород, фосфор, сера.

2.1 Углерод

Табл ица 1 – Чистая первичная продуктивность в основных экосистемах Земли

Геохимический цикл углерода (круговорот углерода в природе) – это процесс, посредством которого углерод циркулирует между атмосферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами (биосферой).

Углерод: важнейший элемент

Когда вы в последний раз видели периодическую таблицу Менделеева? Возможно, вы помните таблицу, которая висела на стене в вашем школьном классе. В ней содержится вся ключевая информация о каждом элементе, существующем на Земле. Одни из элементов, представленных в таблице, редки и незнакомы, например иттрий и калифорний. Другие являются драгоценными и благородными, например, золото и серебро.

Но в периодической таблице есть один элемент, который незаменим для каждого живого организма. Он также входит в состав воздуха и постоянно циркулирует через нашу Землю, живые организмы и атмосферу. Этот элемент – углерод, и в этой статье мы рассмотрим очень важный процесс, называемый геохимическим циклом углерода.

Особенности круговорота углерода

Углерод – это элемент, который встречается во многих различных формах и местах нашей Земли и атмосферы. Как упоминалось ранее, он в больших количествах содержится в живых организмах. Без этого элемента мы бы даже не существовали. Ключевые молекулы, из которых состоит наш организм, такие как белки, углеводы и ДНК, содержат углерод в качестве основного компонента. Углерод также в изобилии присутствует в нашей атмосфере в форме углекислого газа или CO₂. Кроме того, углерод также содержится в Земле в виде ископаемого топлива.

Круговорот углерода – это, по сути, естественный способ повторного использования атомов углерода различными способами и в разных местах. Это процесс, при котором углерод перемещается из атмосферы в живые организмы и Землю, а затем обратно в атмосферу. Но как он работает и что заставляет углерод циркулировать?

Точно так же у нас есть фиксированное количество углерода на Земле и в атмосфере. Мы находимся в нашем собственном пузыре, и, по сути, практически ничто не выходит из нашего мира и не входит в него. Мы не получаем межгалактических поставок необходимых элементов, таких как углерод. Это означает, что весь углерод на Земле и в атмосфере, равен тому количеству, которое у нас всегда было. Итак, когда формируются новые организмы, необходим углерод для образования ключевых молекул, таких как белок и ДНК. Но откуда он берется? Вот тут и начинает работать круговорот углерода в природе.

Фотосинтез и клеточное дыхание

Как упоминалось ранее, углерод находится во многих различных формах и в разных местах. Мы уже знаем, что он находится в нашей атмосфере. Но только некоторые организмы действительно могут использовать атмосферный углерод. Давайте начнем с рассмотрения процесса фотосинтеза, посредством которого углерод в атмосфере в форме CO₂ используется растениями.

Растения могут производить органические вещества, используя несколько простых ингредиентов: CO₂, воду (или H₂O) и солнечную энергию. Это можно представить следующим уравнением:

6CO₂ (диоксид углерода) + 6H₂O (вода) + солнечный свет → C₆H₁₂O₆ (углевод) + 6O₂ (кислород)

Теперь вы можете видеть, что в процессе фотосинтеза атомы углерода были взяты из углекислого газа и использованы для создания C₆H₁₂O₆ или глюкозы. И куда пойдет углерод дальше?

Подумайте, кто может есть растения. Например, люди, которые должны добывать себе пищу, чтобы выжить. Итак, когда мы едим растительные продукты, мы получаем из них глюкозу. Когда мы едим мясо, мы также можем получить глюкозу, так как животные питаются растениями.

После переваривания глюкоза из растения расщепляется в наших клетках для выработки энергии. Этот процесс называется клеточным дыханием. По сути, это процесс, противоположный фотосинтезу, и его побочным продуктом является CO₂. Организмы избавляются от этих отходов, выдыхая их обратно в атмосферу. Каждый раз, когда вы дышите, вы участвуете в круговороте углерода, потому что выдыхаете CO₂. Таким образом, вы можете видеть, как углерод движется по всей планете и влияет на каждый организм.

Углерод в ископаемом топливе и деревьях

Некоторое количество углерода в нашем мире находится в подвешенном состоянии сотни или даже миллионы лет. Углерод задерживается в ископаемом топливе, таком как уголь и нефть. Ископаемое топливо состоит из трансформированных останков живых организмов и содержит много энергии. Мы сжигаем ископаемое топливо для получения энергии, и в этом процессе углерод возвращается в атмосферу в форме CO₂.

Еще одно место, где углерод задерживается на долгое время – это деревья. Поскольку деревья живут очень долго, углерод не циркулирует, пока дерево не умрет или не сгорит. Затем CO₂ выпускается обратно в атмосферу, и цикл продолжается, поскольку этот углерод снова используется растениями для создания пищи.

Разложение и углерод

Другой важный способ круговорота углерода в живых организмах – это разложение. Например, представьте, что сейчас осень, и листья меняют цвет и опадают на землю. Эти листья содержат углерод в виде глюкозы, образующийся в результате фотосинтеза. Когда листья падают на землю, они со временем разлагаются. Разложение высвобождает атомы углерода обратно в почву. И через процесс дыхания, в конечном итоге, этот углерод будет выпущен обратно в атмосферу в виде CO₂.

Подведение итогов

Круговорот углерода в природе – это процесс, при котором углерод перемещается между всеми оболочками Земли и живыми организмами. Растения забирают углекислый газ из воздуха и используют его для синтеза питательных веществ. Затем животные едят растения, и углерод накапливается в их телах или выделяется в виде CO₂ при дыхании. Углерод также возвращается в атмосферу при сжигании древесины и ископаемого топлива или разложении мертвых организмов.

Углерод относится к химическим элементам, без деятельности которых невозможна жизнь на нашей планете. Он находится в каждом атоме биологической структуры и берёт на себя функцию строительного материала. Перманентный (постоянный) процесс перемещения углерода из органических структур в неживые тела называется круговоротом углекислого газа на планете. Такая деятельность позволяет поддерживать способность к существованию каждого атома биосферы.

Круговорот углерода в природе

Атмосфера, водная среда и земля наполнены неорганическими соединениями, попадающими в пищевой тракт простейших живых существ (грибы, растения).
Последних поглощают высшие животные.
Когда эти создания погибают, мельчайшие организмы начинают перерабатывать мёртвую плоть обратно в состояние металла или соли.

Таким представляется общий принцип круговорота углекислого газа в природе. Однако, если рассматривать вопрос глубже, возникают различные нюансы.

Это интересно: энергетический и пластический обмен — процессы в клетке.

Дыхательный обмен

СО2 обнаруживается в воздухе и минеральных запасах земли. Он образуется вследствие процессов дыхания, горения и гниения. Флора легко усваивает углерод, трансформировавшийся в газ, а после перерабатывает его в органику. В структуре листьев растений происходит фотосинтез — процесс образования кислорода из хлорофилла и солнечного света. С помощью особых пигментов представители флоры вбирают и запасают энергию на биологических мембранах.

Качество и скорость поглощения зависит от категории самого растения. Животные обязаны своим существованием именно флоре, производящей в огромных количествах необходимый в дыхании кислород.

Деятельность мельчайших существ

Вирусы, бактерии и паразиты могут с большим правом называться началом и концом всякой пищевой цепи. Благодаря действию мельчайших существ высшие растения и представители животного мира получают необходимую энергию для существования. Умершие организмы попадают в структуру почвы или достигают дна океана. Без деятельности вирусов и бактерий плоть животных или тело растений оставались бы лежать в нетронутом состоянии. Перерабатывая мёртвую структуру, мельчайшие существа способствуют выделению углекислого газа или его простых соединений. Следовательно, питание получают живые организмы, а круговорот элементов начинается вновь.

Некоторые создания совсем не нуждаются в кислороде, чтобы расщепить мёртвую структуру. Анаэробные бактерии процветают в водной среде и способны образовывать чёрное сернистое железо, которое придаёт рекам или болотам характерный цвет.

Симбиоз — выгодное взаимодействие двух организмов — является частью круговорота углерода в биосфере. Некоторые животные неспособны расщепить клетчатку (целлюлозу), имеющую сложную структуру. Однако природа поместила в желудки парнокопытных полезные микроорганизмы. Последние легко справляются с расщеплением целлюлозы до простых элементов, получая при этом пищу. Желудок парнокопытных усваивает переработанную клетчатку.

Углерод на суше

В атмосфере находится треть этого элемента. Растениям, которые выступают главным звеном пищевой цепи, достаточно такого количества, чтобы получить необходимую энергию в процессе фотосинтеза. Травоядные животные приспособлены к употреблению листьев, кореньев и стеблей. Хищники созданы, чтобы поедать более слабых любителей флоры. Органические вещества, образовавшиеся после смерти плотоядного, проникают в глубокие слои грунта, где перерабатываются активными насекомыми, бактериями и вирусами.

Жизнедеятельность мельчайших организмов стимулирует образование солей и газов, которые внедряются в структуру растений. Макроэлементы могут надолго задержаться в глубоких слоях грунта, но чаще они высвобождаются в процессе горения торфа, метана и нефти. Круговорот веществ возобновляется.

Биогеохимический цикл углерода в океане

Процесс взаимодействия элементов в водной среде несколько сложнее, чем на земле. Углекислый газ долго растворяется в жидкости, и взаимодействие веществ замедлено. В гидросфере классифицируют три резервуара с этим элементом: поверхность, глубокие воды и область радиоактивных веществ. За переработку углекислоты отвечает планктон, находящийся в верхних слоях океана. Здесь начинается пищевая цепочка. Затем высшие организмы поглощают слабых, а погибая, опускаются на самое дно, где подвергаются тщательной переработке со стороны микроорганизмов.

Роль человека

Человек стремительно уменьшает количество растений на планете, что приводит к перенасыщению атмосферы углекислым газом.
На промышленных фабриках сжигается чрезмерное количество полезных ископаемых. Это провоцирует дисбаланс химических элементов в биосфере.
Антропогенная деятельность, по одной из версий, вызывает постепенное глобальное потепление. Парниковые газы задерживают отдачу инфракрасного излучения Землёй в космос, поэтому на планете растёт средняя температура. В числе последствий глобального потепления называется расширение Мирового океана, что приведёт к гибели большего количества представителей биосферы.

Значение круговорота

За миллионы лет существования планеты в её структуре накопилось огромное число углекислоты. В истории известны различные вариации процесса обмена (медленные, постепенные и катастрофические). Жизнь не обладала бы потенциалом к развитию, если исключить перемещение углерода из одних соединений в другие. Этот элемент представляется главным компонентом при построении всякой биологической системы:

Углеводы стимулируют рост растений и питают тела животных. Они распадаются в пищеварительном тракте.
Гликоген, образующийся в печени, выступает как дополнительный ресурс энергии для высших организмов.
Углерод — строительный материал белка, которой создаётся из аминокислот.

Значение элемента для поддержания жизненных процессов невозможно переоценить. Его циркуляция от органики к мёртвым объектам способствует расцвету новых структур и необходимому разрушению того, что устарело. На примере перемещения углерода легко проследить динамическую составляющую биологических процессов. Соленость воды вы найдете ответ по ссылке.

Новость

Автор

Редактор

Хорошо известно, что в природе всё взаимосвязано, и вещества, как и энергия, не исчезают бесследно, а лишь переходят из одной формы в другую. Возможно, не все помнят круговороты, или, как их по-научному называют, биогеохимические циклы, азота, углерода или серы — основных элементов, входящих в состав биоорганических веществ, но вот круговорот воды в природе, уверен, воспроизведет каждый. Вода поступает в виде дождя в почву, по грунтовым водам попадает в океан, излишки влаги испаряются с поверхности океана, пар конденсируется в тучи и снова вода возвращается в виде дождя на землю. Вот так же можно проследить круговорот углерода — основы жизни на Земле. В 2015 году, похоже, пришло время переосмыслить круговорот углерода в океане, согласовав его с последними открытиями биологов.

Как вообще выглядит биогеохимический цикл углерода?

Мы все дышим и выводим из организма углекислый газ (СО₂), то есть углерод. Многие думают, что кислород, который мы вдыхаем, превращается в СО₂, но это не так, иначе это можно было бы назвать атомной реакцией. Углекислый газ берется из окисления глюкозы, но не кислородом. Кислород в этом процессе превращается в воду. Глюкоза тоже содержит углерод — целых шесть атомов; кроме того, это соединение органическое. В нашем организме последовательно проходят три процесса: гликолиз в цитоплазме (бескислородное окисление глюкозы), окисление продуктов гликолиза в цикле Кребса в митохондриях и окислительное фосфорилирование в электрон-транспортной цепи на внутренней мембране митохондрий [1]. В основном в результате последнего процесса образуется АТФ — энергетическая валюта клетки. Как ни странно, но именно в этом цель дыхания, по крайней мере, клеточного. Итак, первый этап круговорота углерода — окисление органических веществ до СО₂ всеми живыми организмами.

Читатель, наверное, уже догадался, что второй этап этого цикла должен из СО₂ сделать органические вещества. Вот это под силу немногим живым существам. Некоторые бактерии, все водоросли и высшие растения (кроме паразитов) умеют это делать, а процесс называется фотосинтез [2]. Растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Даже здесь, вопреки бытующему мнению, кислород делается не из углекислого газа, а из воды в результате ее фотолиза — разложения под действием света. СО₂ фиксируется в хлоропласте растения на рибулозо-1,5-бис-фосфате, который впоследствии вступает в цепь биохимических превращений, известную как цикл Кальвина. В результате получаются углеводы, в том числе и глюкоза. Итак, в растениях замыкается биогеохимический цикл углерода, из неорганической формы углерод переходит в органическую.

Всех, кто умеет производить органические вещества подобно растениям, называют автотрофами (то есть они могут сами себя прокормить: αυτος — сам, τροφη — пища)*. Остальные живые организмы — гетеротрофы — могут лишь использовать органику, произведенную автотрофами, поедая их. Таким образом, у нас есть производители — преимущественно растения — и потребители — все остальные. В круговороте огромную роль играют и бактерии, разлагающие останки живых организмов, возвращая их углерод в цикл. Потребляемые ими в пищу вещества часто крайне специфичны [3, 4].

Почему интересен цикл углерода в океане?

Во-первых, в океане обитают крайне разнообразные организмы, большинство из которых одноклеточные. В процессе фотосинтеза они производят половину всех органических веществ на Земле [7]. Представляете, деревья и травы из миллионов клеток и незаметные невооруженным глазом микробы вносят равный вклад в цикл углерода?!

Во-вторых, в океане есть ограничения: для фотосинтеза нужен свет, а вода его поглощает. Только на глубине до 100–200 м возможен фотосинтез — вторая половинка нашего углеродного цикла, соединяющая неживое и живое.

В-третьих, морские экосистемы интересны разнообразными типами питания своих обитателей. Вот только рассматриваемые обитатели — одноклеточные. Представляете — быть разными, состоя всего из одной единственной клетки? Александра Ворден и ее коллеги в свежей статье в Science [7] сконцентрировали внимание на протистах, под которыми подразумевали одноклеточных эукариот.

Рисунок 2. Разнообразие типов питания морских протистов. Симбиоз, жизнь в фикосфере зажиточного соседа, миксотрофия, сапротрофия, паразитизм и хищничество сильно усложняют цикл углерода в океане. Рисунок из [7].

2. Хищники, активно охотящиеся на других одноклеточных меньшего размера, поглощающие их фагоцитозом и переваривающие внутри клетки — пример потребителей органики.

3. Осмотрофы и сапротрофы, предпочитающие переваривать почившие организмы за пределами своей клетки, транспортируют через свою мембрану уже измельченные органические вещества. Здесь пропадает зависимость размеров. Обычно кто-то больший кушает кого-то меньшего, а сапротрофы могут заточить любого.

4. Паразиты находят своего хозяина и потихоньку его кушают. На рисунке 2 показан цикл представителя динофлагеллят, зараженного родственником-паразитом Amoebophrya.

5. Симбионты находят своих друзей и помогают друг другу. Так, на шипах диатомовой водоросли живут бактерии, фиксирующие азот (рис. 2).

6. Миксотрофы — вообще необычные протисты: то автотрофы, то гетеротрофы. Они могут сами крутить собственный маленький цикл углерода: создавать органику, сжигать ее для получения АТФ до СО₂ и использовать этот же СО₂, чтобы снова создавать органику.

Интерес и сложность представляет то, что многие из этих протистов не поддаются культивированию в лаборатории, то есть искусственно построить цикл углерода таким, какой он есть в океане (рис. 3), не получится.

Рисунок 3. Модель углеродного цикла, предлагаемая А. Ворден и соавторами. Обратите внимание, как много стрелок, показывающих взаимодействие, как много нюансов. Рисунок из [7].

Тенденция современной науки — интеграция, переход к системной (а в этом случае — к экосистемной) биологии. С биогеохимическим циклом углерода связаны циклы азота и кремния. Кроме того, по циклу углерода можно понять, происходят ли изменения климата. Накопленные данные о разнообразии поведения протистов говорят об их чрезвычайной важности в круговороте углерода. Тем не менее данная статья лишь немного отодвигает ширму, за которой скрывается удивительный мир протистов.

Читайте также: