Круговорот веществ и превращение. Круговорот веществ и превращение энергии в биосфере. Вредное влияние курения

Задачи урока:

Познакомить учащихся с сущностью круговоротов веществ и превращения энергии в биосфере, с простейшими циклами миграции атомов и веществ.
Научить школьников использовать полученные знания о процессах, происходящих в биосфере, для обоснования мероприятий по охране природы.
Продолжить формирование у учащихся отрицательного отношения к деятельности человека, наносящей ущерб природной среде.

Ход урока

На доске эпиграф:

“Ах, эта среда обитания!
Все связаны между собой
Обменом, цепями питания,
Составом, структурой, судьбой”.

1. Актуализация знаний: учитель обращает внимание учащихся на эпиграф и организует фронтальную беседу о биосфере как среде обитания живых организмов, основных свойствах живого вещества, роли живых организмов в биосфере, функциях живого вещества в ней (содержание беседы зависит от пройденного в данной теме материала).

2. Изучение новой темы на основе обобщения материала (рассказ учителя):

Учитель: Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами. В природе существует теснейшая взаимосвязь между всеми живыми организмами: зелеными растениями, животными, бактериями, грибами. Эта взаимосвязь реализуется через потоки вещества и энергии и может быть представлена в виде схемы (учитель демонстрирует слайд №2 приложения 1).

Круговорот веществ в биосфере поддерживается постоянным потоком энергии. Единственный источник внешней энергии на Земле – это излучение Солнца. Энергия, проходящая через биосферу нашей планеты, образует именно поток, а не круговорот!

Каждый живой организм получает энергию Солнца в прямом или измененном виде, а затем выделяет ее в окружающую среду или передает другим живым организмам. В обобщенной схеме энергия проходит сквозь живую оболочку и выделяется в среду в уже “отработанном” виде, в виде тепла, которое не может быть вновь усвоено живыми организмами.

Основную роль потребителей солнечной энергии выполняют зеленые растения, которые способны непосредственно усваивать световую энергию Солнца.

Если для круговорота веществ достаточно того запаса вещества, который имеется в биосфере, то поток энергии требует непрерывного поступления энергии извне – наша биосфера – открытая система.

Чтобы нагляднее представить себе роль энергии и вещества в жизненных процессах, сравним их с колесом мельницы, которое вращается под напором падающей с плотины воды. Колесо крутится, оставаясь на месте, и символизирует собой запас вещества в биосфере: его столько же сегодня, сколько было вчера, и завтра, не убавится и не прибавится. Но чтобы колесо вертелось, необходим постоянный приток нового количества воды. Поток воды бежит мимо колеса, вращая его. Так и поток энергии “крутит” колесо жизни на нашей планете, и его движение дает стимул “вращательному” движению вещества в биосфере.

Вместе с круговоротом веществ в биосфере осуществляется и круговорот (миграция) атомов конкретных химических элементов. Они переходят из организма в организм, затем - в неживую природу и снова в организм (учитель демонстрирует слайд №3 приложения 1).

Главенствующую роль в этом процессе играет вся масса живых организмов Земли (учитель демонстрирует слайд №4 приложения 1).“Живое вещество, – писал В.И. Вернадский, – охватывает и перестраивает химические процессы биосферы. Живое вещество есть самая мощная геологическая сила, растущая с ходом времени”.

Положение о круговороте атомов является одним из основных законов геохимии биосферы. Этот закон сводится к следующему: в сфере атомы участвуют в биологических круговоротах, в ходе которых они поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию во внешнюю среду. (Выделенные жирным шрифтом фразы ребята конспектируют).

В целом за определенный промежуток времени одно то же количество вещества биосферы совершает множество циклов. При этом различают два основных типа круговорота веществ: большой (геологический) и малый (биологический) (учитель демонстрирует слайд №6 приложения 1).Мы подробнее рассмотрим биологический круговорот наиболее типичных биофильных химических элементов.

3. Самостоятельная работа в группах.

Учитель предлагает классу разбиться на малые группы, каждая из которых получает задание для самостоятельной работы: в памяти компьютеров сохранена папка с файлами, содержащими список терминов (приложение 2) и заготовки схем круговоротов веществ (приложение 3 , приложение 4) для задания (см. слайд №7 приложения 1).

C помощью программы Paint учащимся необходимо восстановить схемы круговоротов данных элементов, вписав необходимые термины из списка приложения 2 , стрелками показать последовательность происходящих процессов и оформить получившиеся схемы рисунками.

Учитель знакомит учащихся с критериями оценки работы:

Правильность выбора компонентов круговорота;
Правильная последовательность происходящих процессов;
Творческий подход к оформлению работы;

Учитель демонстрирует через проектор модели круговоротов азота и углерода с компакт-диска Открытая биология. Версия 2,5. При необходимости производится повтор демонстраций.

Правильность выполнения работ проверяется во время обсуждения, при сравнении полученных схем со слайдами презентации (учитель демонстрирует слайды № 8 и 9 приложения 1).

Затем учащиеся формируют новые группы, в ходе работы которых происходит взаимообмен полученной информацией.

4. Изучение нового на основе обобщения изученного ранее материала (беседа):

Учитель: Все процессы природы находятся в закономерной связи и развитии. Любое нарушение этих связей, разрыв их порождают негативные явления, с которыми сталкивается как отдельный человек, так и все общество в целом.

С появлением человечества возникло сложное взаимодействие общества и природы, одним из проявлений которого является сдвиг в биосфере в сторону возникновения особых биогеоценозов антропогенного характера.

С помощью проектора демонстрируется видеофрагмент, посвященный прерыванию круговоротов при сборе урожая в агроценозе – одной из причин неустойчивости этого сообщества. Учитель обращает внимание на то, что возврат биогенных элементов приходится компенсировать внесением минеральных или органических удобрений.

Изменения, которые ранее производил человек, сводились к тому, что он брал (часто хищнически) у биосферы средства к существованию, но возвращал то, что могло быть использовано другими организмами в цепях питания. Биологические круговороты тотчас же включали результаты деятельности человека в свои циклы.

В настоящее время в связи с ростом народонаселения и технической революцией воздействие человека на биосферу стало необычайно сильным, качественно отличным от прежнего. Е.Б.Новиком это воздействие названо антибиогенным комплексом.

С помощью проектора демонстрируется видеофрагмент, посвященный аварии на Чернобыльской АЭС.

Антропогенное воздействие явилось причиной колоссальных сдвигов в биосфере.

(Учитель демонстрирует слайд №10 приложения 1 , глядя на схему, учащиеся дополняют её конкретными примерами. Возможны выступления ребят с подготовленными сообщениями, например о влиянии человека на круговорот углерода и т.п.).

Учитель: Назовите термины, которыми можно описать последствия негативного воздействия человека на глобальные биогенные круговороты.

Предполагаемые ответы: кислотные дожди, глобальное потепление, эвтрофикация водоемов и т.д.

5. Общие выводы урока (формулируются учащимися).

(Возможен вариант задания, который имеет смысл применить при недостатке времени – заполнение пропусков в тексте, который содержится в кейсе задания (приложение 5)):

Количество вещества, вовлекаемого в биосферные процессы, остается постоянным на протяжении целых геологических периодов.
В биосфере совершается многократный круговорот входящих в состав живых организмов веществ, атомов химических элементов и превращение энергии.
.В биосферу извне постоянно вливается поток солнечной энергии.
Биосферные круговороты возможны, так как живое вещество в биосфере постоянно выполняет следующие биогеохимические функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную.
В глобальном круговороте веществ непосредственное участие принимают зеленые растения, животные, грибы, бактерии.
Круговорот веществ и атомов химических элементов, превращение энергии осуществляются за счет таких процессов, как фотосинтез, дыхание, горение, брожение.
Влияние человека на процессы, протекающие в биосфере, все время возрастает, что требует регуляции его взаимоотношений с окружающей природой. Охрана природы – насущная потребность современности.

Учитель: (демонстрируя слайд № 11 приложения 1 , под звучащую тревожную музыку).

Биосфера функционирует как гигантская хорошо отлаженная экосистема, где организмы не только приспосабливаются к среде, но и сами создают и поддерживают на Земле условия, благоприятные для жизни. Совершая гигантский биологический круговорот веществ в биосфере, жизнь поддерживает стабильные условия для своего существования и существования в ней человека. Это обязывает человека иначе, более разумно относится к своей деятельности в биосфере.

Домашнее задание:

Учебник А.А.Каменского “Биология. Введение в общую биологию и экологию” § 6.3, записи в тетради, ответы на вопросы в конце параграфа.
Мини-сочинение рассуждение (по желанию учащихся):?

Верите ли вы в то, что человечеству удастся сохранить биосферу для будущих поколений? Если “да”, то в каком виде она будет сохранена? Почему вы так думаете? Если “нет”, то почему и каковы перспективы будущего человечества?

Использованные материалы.

Литература:

Кулев А.В. Общая биология. 11 класс. Метод. пособие. – СПб.: Паритет, 2004.
Пепеляева О.А., Сунцова И.В. Поурочные разработки по общей биологии: 9 класс.- М.:ВАКО, 2006.
Пономарева И.Н. Экология – М.: Вентана-Графф, 2001.

Электронные носители:

Биология, химия, экология. Электронное учебное издание. ООО “Физикон” 2005,ООО “Дрофа” 2005.CD-ROM.
Открытая биология. Версия 2,5.Полный интерактивный курс биологии. “Физикон”. “Новый Диск”. CD-ROM.
1С: Школа. Экология.10-11 классы. Учебное пособие. ЗАО “1С”, 2004 ООО “Дрофа”, 2004. CD-ROM.
Экология. Учебное электронное издание. МИЭМ,2004. CD-ROM.
Учитель биологии и экологии МОУ “Селковская СОШ” Сергиево-Посадского района Московской области Ерёмина Л.А.

Азотсодержащие органические вещества отмерших растений и животных, а также мочевина и мочевая кислота, выделяемые животными и грибами, расщепляются гнилостными {аммонифицирующими) бактериями до аммиака. Основная масса образующегося аммиака окисляется нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов, после чего вновь используется растениями. Некоторая часть аммиака уходит в атмосферу и вместе с углекислым газом и другими газообразными веществами выполняет функцию удержания тепла планеты.

Различные формы азотистых соединений почвы и водной среды могут восстанавливаться некоторыми видами бактерий до оксидов и молекулярного азота. Этот процесс называется денитрификацией. Его результатом является обеднение почвы и воды соединениями азота и насыщение атмосферы молекулярным азотом.

Процессы нитрификации и денитрификации были полностью сбалансированы вплоть до периода интенсивного использования человеком азотных минеральных удобрений в целях получения больших урожаев сельскохозяйственных растений.

Таким образом, роль живых организмов в круговороте азота является основной.

Эволюция биосферы. Современная структура биосферы и границы обитания современных организмов формировались постепенно. Они являются результатом долгой истории Земли, начиная с ее возникновения и до настоящего времени.

Доказательства развития биосферы многочисленны и бесспорны. Это прежде всего ископаемые остатки древних организмов. Изучая их, ученые установили главные этапы в истории развития органической жизни планеты. Предполагают, что за всю историю биосферы ее населяли, сменяя друг друга, примерно 500 млн. видов организмов.

Важнейший этап развития жизни на Земле тесно связан с изменением содержания кислорода в атмосфере и становлением озонового экрана. Древние фототрофные цианобактерии насытили кислородом первичный океан, благодаря которому водные организмы получили возможность осуществлять аэробное дыхание. Поступление кислорода в атмосферу обусловило образование мощного озонового слоя, поглощающего коротковолновое ультрафиолетовое излучение. Формирование озонового слоя позволило организмам выйти на сушу и заселить ее разнообразные местообитания . Это стало возможным тогда, когда содержание кислорода в атмосфере достигло величины, составляющей 10% от его современной концентрации. К концу палеозоя, в пермском периоде, концентрация кислорода в атмосфере достигла современного уровня.

Каждый период развития биосферы характеризовался свойственным ему комплексом условий среды и живых организмов. В кайнозойскую эру произошло становление человека, который в начале своей эволюции хорошо вписывался в природу. Перейдя к активной трудовой деятельности, человек вырвался из плена естественной природной зависимости. Человеческое общество с течением времени усиливало свое воздействие на природную среду. В настоящее время в эпоху НТР, совпавшей с бурным ростом численности населения планеты (демографический взрыв), деятельность человека соизмерима по своим последствиям на природную среду с действием самых мощных природных явлений.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Функционирующее в биосфере живое вещество постоянно осуществляет круговорот веществ и превращение энергии. Для живых систем характерна аккумуляция химических элементов в своих телах. Аккумуляции противостоит минерализация, возникшая в результате разложения растительных остатков. Эти два процесса идут в каждом биогеоценозе. Аккумуляция преобладает там, где образуется живое вещество (поверхность океана и суши). Минерализация преобладает в местах разрушения органики (почва, дно океана). Продукты минерализации вновь используются продуцентами. биосфера хемосинтез фотосинтез вернадский

Согласно Вернадскому, живое вещество осуществляет в биосфере три основных функции. Газовая функция состоит в том, что зеленые растения выделяют при фотосинтезе кислород, а при дыхании - углекислый газ. Животные также выделяют углекислый газ, а многие бактерии образуют различные газы, восстанавливая азот, сероводород. Без деятельности живых организмов состав атмосферы был бы совершенно иным. Концентрационная функция осуществляется благодаря тому, что живые организмы захватывают необходимые химические элементы и накапливают их в местах своего обитания. Окислительно-восстановительная функция проявляется в окислении и восстановлении химических веществ в воде и на почве, в результате чего образуются отложения различных руд, бокситов, известняков. Эта функция в основном осуществляется бактериями. Круговорот веществ, как и все происходящие в природе процессы, требует постоянного притока энергии. Основу биологического круговорота, обеспечивающего существование жизни, составляет солнечная энергия и улавливающий ее хлорофилл зеленых растений. В круговороте веществ и энергии участвует каждый живой организм, поглощая из внешней среды одни вещества и выделяя из нее другие. Биогеоценозы, состоящие из большого числа видов живых организмов и костных компонентов среды, осуществляют циклы, по которым передвигаются атомы различных химических элементов (биогенная миграция атомов). Так, растения поглощают из внешней среды углекислый газ, воду, минеральные вещества и выделяют в нее кислород. Животные вдыхают выделенный растениями кислород, а, поедая их, усваивают синтезированные из воды и углекислого газа органические вещества и выделяют воду и углекислый газ. После гибели животные разлагаются при участии грибов и бактерий

При этом образуется дополнительное количество углекислого газа, а органические вещества превращаются в минеральные, которые попадают в почву, а потом снова усваиваются растениями. Таким образом, атомы основных химических элементов постоянно совершают миграцию через многие живые организмы и костную среду. Без миграции атомов жизнь на Земле не могла бы существовать: растения без животных и бактерий вскоре исчерпали бы запасы углекислого газа и минеральных веществ, а животные баз растений лишились бы источника энергии и кислорода

Основными характеристиками биосферы является биомасса и круговорот веществ и энергии. Биомасса представляет собой количество живого вещества на Земле. Как уже говорилось выше, биомасса подвержена постоянным изменениям. «Стараниями» продуцентов биомасса на Земле прирастает, редуцентов - опять превращается в неорганическое вещество. В год на Земле продуцируется 150-200 миллиардов тонн живого вещества. 75 % от этой массы приходится на сушу, 25 % - на океан.

В биосфере происходит постоянная циркуляция веществ и энергии. Энергия передается по цепям питания в экосистемах, и только небольшая ее часть используется на прирост биомассы. Неорганические вещества циркулируют по биогеохимическим циклам, которые представляют собой замкнутые пути, по которым различные химические вещества попадают в организмы и обратно. Они являются связующим звеном между биотическим и абиотическим компонентами экосистем и биосферы.

Одним из главных циклов на Земле является гидрологический, то есть цикл воды. Вода служит живым организмам источником водорода и сама по себе как составной компонент живых клеток. Схематически круговорот воды в биосфере представлен на схеме, приведенной ниже. Следует также сказать, что вода во время круговорота может находиться во всех своих агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном.

Кроме круговорота воды в биосфере важнейшими круговоротами являются круговороты углерода, азота, фосфора, кислорода и калия.

Аккумуляция поступающих в них химических веществ зависит от таких свойств почвы , как содержание гумуса, механический состав ,карбонатность , реакция среды , емкость поглощения . Очень большое влияние оказывает водный режим .

Хемосинтез и фотосинтез

Как вам уже известно, автотрофные организмы в зависимости от источника энергии разделяют на хемосинтезирующие и фотосинтезирующие. Хемосинтез. Хемосинтезирующие организмы (хемотрофи) для синтеза органических соединений используют энергию, которая высвобождается при преобразованиинеорганических соединений . До этих организмов относятся некоторые группы бактерий: нитрификуючи, бесцветные сиркобактерии, железобактериями подобное.

Нитрификуючи бактерии последовательно окиснюють аммиак (NH3) до нитритов (соли HNO2), а затем - до нитратов (соли HN03). Железобактериями получают энергию за счет окисления соединений двухвалентного железа до трехвалентного. Они участвуют в образовании залежей железных руд. Бесцветные сиркобактерии окиснюють сероводород и другие соединения серы до серной кислоты (H2S04).

Процесс хемосинтеза открыл в 1887 году выдающийся русский микробиолог С. Н. Виноградский. Хемосинтезирующие микроорганизмы играют исключительную роль в процессах превращения химических элементов в биогеохимических циклах. Биогеохимические циклы (биогеохимический круговорот веществ) - это обмен веществами и обеспечения потока энергии между различными компонентами биосферы, вследствие жизнедеятельности различных организмов, имеет циклический характер.

Фотосинтез. Фототрофы используют для синтеза органических соединений энергию света. Процесс образования органических соединений из неорганических благодаря превращению световой энергии в энергию химических связей называют фотосинтезом. К фототрофных организмов относятся зеленые растения (высшие растения, водоросли), некоторые животные (растительные жгутиковые), а также некоторые прокариоты - цианобактерии, пурпурные и зеленые сиркобактерии.

Исследовать процесс фотосинтеза начали еще во второй половине XVIII столетия. Ряд важных открытий в этом вопросе сделано во второй половине XIX века. Например, российский физиолог растений А.С. Фаминцын установил, что фотосинтез может происходить не только под воздействием солнечного света, но и при искусственном освещении. Важное открытие сделал выдающийся русский ученый К.А.Тимиря-зев, который теоретически обосновал и экспериментально доказал роль хлорофилла в поглощении света в процессе фотосинтеза. Он также обосновал положение о космической роли зеленых растений, которые, улавливая солнечные лучи и превращая световую энергию в энергию химических связей синтезируемых ими органических соединений, обеспечивающих сохранение и развитие жизни на Земле.

Кислород, который выделяют фотосинтетики, изменил состав атмосферы Земли. Из него постепенно сформировался озоновый экран, способный задерживать ультрафиолетовые солнечные лучи, губительно действующие на живые организмы суши. Таким образом, зеленые растения являются «посредниками» между космосом и всеми живыми существами на Земле.

В клетках высших растений фотосинтез происходит в специальных органеллах-хлоропластах.

Основными из фотосинтезирующих пигментов являются хлорофиллы. По своей структуре они напоминают гемм гемоглобина, но в этих соединениях вместо железа присутствует магний. Железо нужно растительным организмам для обеспечения синтеза молекул хлорофилла (если в растение железо не поступает, то у нее образуются бесцветные листья, способные к фотосинтезу). Большинство фотосинтезирующих организмов имеет разные хлорофиллы: хлорофилл а (обязательный), хлорофилл b (у зеленых растений), хлорофилл с (у диатомовых и бурых водорослей), хлорофилл d (у красных водорослей). Зеленые и пурпурные бактерии содержат особые бактериохлорофилл.

В основе фотосинтеза лежит окислительно-восстановительный процесс, связанный с переносом электронов от соединений поставщиков электронов (доноров) к соединениям, которые их воспринимают (акцепторов), с образованием углеводов и выделением в атмосферу молекулярного кислорода. Световая энергия превращается в энергию синтезированных органических соединений (углеводов) в особых структурах - реакционных центрах, содержащих хлорофилл а.

В процессе фотосинтеза в зеленых растений и цианобактерий участвуют две фотосистемы - первая (И) и вторая (II), имеющих различные реакционные центры и связанные между собой через систему переноса электронов.

Процесс фотосинтеза происходит в две фазы - световую и темно-ву. В световую фазу, реакции которой перебегают в мембранах особых структур хлоропластов - тилакоидов при наличии света (рис.36), фотосинтезирующие пигменты улавливают кванты света (фотоны). Поглощение фотонов приводит к «возбуждение» одного из электронов молекулы хлорофилла, который с помощью молекул - переносчиков электронов перемещается на внешнюю поверхность мембраны тилакоидов, приобретая определенной потенциальной энергии.

В фотосистеме / этот электрон может возвращаться на свой энергетический уровень и восстанавливать ее, а может передаваться следующей соединении, как НАДФ. Электроны, взаимодействуя с ионами водорода, которые есть в окружающей среде, восстанавливают это соединение:

Напомним, что когда определенное соединение отдает электрон - она окисляется, а когда присоединяет - возобновляется. Восстановленный НАДФ (НАДФ * Н2) впоследствии поставляет водород, необходимый для восстановления атмосферного CO2 к глюкозе (то есть соединения, в котором запасается энергия).

Подобные процессы происходят и в фотосистеме II. Возбужденные электроны, возвращаясь на свой энергетический уровень, могут передаваться фотосистеме И и таким образом ее восстанавливать. Фотосисте-ма II восстанавливается за счет электронов, которые поставляют молекулы воды. Под действием света при участии ферментов молекулы воды расщепляются (фотолиз воды) на протоны водорода и молекулярный кислород, который выделяется в атмосферу, а электроны используются на видновленняьфотосистемы.

Энергия, высвобожденная при возвращении электронов по внешней поверхности мембраны тилакоидов на предыдущий энергетический уровень, запасается в виде химических связей молекул АТФ, которые синтезируются при реакций в обоих фотосистема. Некоторая ее часть расходуется на испарение воды. Таким образом, при световой фазы фотосинтеза образуются богатые энергию (которая запасается в виде химических связей) соединения: синтезируется АТФ и возобновляется НАДФ. Как продукт фотолиза воды в атмосферу выделяется молекулярный кислород.

Реакции темповой фазы фотосинтеза протекают во внутренней среде (матриксе) хлоропластов как на свету, так и в другом случае. Как упоминалось ранее, в ходе реакций темновой фазы С02 восстанавливается до глюкозы благодаря энергии высвобождается при расщеплении АТФ, и за счет восстановленного НАДФ.

Соединением, воспринимает атмосферный С02, является рибульозобифос-Фат (пятиуглеродный сахар, соединенный с двумя остатками фосфорной кислоты). Процесс присоединения С02 катализирует фермент кар-боксилаза. В результате сложных и многоступенчатых химических реакций, каждую из которых катализирует свой специфический фермент, образуется конечный продукт фотосинтеза - глюкоза, а также восстанавливается акцептор С02 - рибульозобифосфат. С глюкозы в клетках растений могут синтезироваться полисахариды - крахмал, целлюлоза и т.п..

Итоговое уравнение процесса фотосинтеза в зеленых растений выглядит так:

В фотосинтезирующих прокариот есть определенные различия в течении световой и тем-новой фаз фотосинтеза. В прокариот отсутствуют пластиды, потому фотосинтезирующие пигменты расположены на внутренних выростах цитоплазматической мембраны, где и происходят реакции световой фазы. В зеленых и пурпурных бактерий, в отличие от цианобактерий, нет фотосистемы II, поставщиком электронов является не вода, а сероводород, молекулярный водород и некоторые другие соединения. Вследствие этого в этих групп бактерий в ходе фотосинтеза кислород не выделяется.

Значение фотосинтеза для биосферы трудно переоценить. Именно благодаря этому процессу улавливается световая энергия Солнца. Фотосинтезирующие организмы превращают ее в энергию химических связей синтезированных углеводов, а затем по цепям питания она передается гетеротрофным организмам. Следовательно, не будет преувеличением считать, что именно благодаря фотосинтезу возможно существование биосферы. Зеленые растения и цианобактерии, поглощая углекислый газ и выделяя кислород, влияют на газовый состав атмосферы. Весь атмосферный кислород имеет фотосинтетическое происхождения. Ежегодно благодаря фотосинтеза на Земле синтезируется около 150 млрд тонн органического вещества и выделяется свыше 200 млрд тонн свободного кислорода, который не только обеспечивает дыхание организмов, но и защищает все живое на Земле от губительного влияния коротковолновых ультрафиолетовых космических лучей (озоновый экран атмосферы).

Но в целом процесс фотосинтеза малоэффективен. В синтезированную органическое вещество переводится лишь 1-2% солнечной энергии. Это объясняется неполным поглощением света растениями, а также тем, что часть солнечного света отражается от поверхности Земли обратно в космос, поглощается атмосферой подобное. Производительность процесса фотосинтеза возрастает в условиях лучшего водоснабжения растений, их оптимального освещения, обеспечения углекислым газом, благодаря селекции сортов, направленной на повышение эффективности фотосинтеза подобное. Одной из самых культурных растений считают кукурузу, в которой достаточно высокий КПД фотосинтеза.

Автотрофы способны синтезировать органические соединения из неорганических, используя для этого или энергию, которая высвобождается в результате химических реакций (хемотрофных организмы), или энергию света (фототрофные организмы).

Хемотрофных организмы - исключительно прокариоты (нитрификуючи бактерии, железобактериями, сиркобактерии т.д.). Среди фототрофных организмов известны как прокариоты, так и эукариоты.

Фотосинтез - процесс преобразования световой энергии в энергию химических связей органических соединений, синтезируемых автотрофными организмами. Он имеет две фазы: световую и темновую. Световая фаза у растений осуществляется в особых образованиях хлоропластов-тилакоидов, где содержится пигмент хлорофилл.

Темновая фаза фотосинтеза происходит в строме хлоропластов.

Фотосинтез имеет исключительное значение для существования биосферы (атмосферный кислород преимущественно фотосинтетического происхождения).

Фотосинтез и хемосинтез

Фотосинтез -- процесс образования органических соединений из диоксида углерода (СО2) и воды с использованием и преобразованием энергии света. Происходит у зеленых растений, цианобактерий и водорослей.

Красный и синий свет улавливается фотосинтезирующим пигментом -- хлорофиллом, встроенным во внутреннюю мембрану пластид или в складки цитоплазматической мембраны прокариот. Зеленый свет отражается от листа, поэтому мы видим листья зелеными.

Фотосинтез подразделяется на реакции, вызываемые светом, и реакции, связанные с фиксацией углерода. Их не совсем точно называют световой и темновой фазами.

Световая фаза -- это этап, на котором энергия света, поглощенная хлорофиллом, преобразуется в химическую энергию АТФ и НАДФН2. Осуществляется на свету в мембранах гран при участии белков-переносчиков и АТФ-синтетазы.

Реакции, вызываемые светом, происходят на фотосинтетических мембранах гран хлоропластов:

* возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;

* восстановление акцепторов электронов -- НАДФ+ до НАДФН2:

2Н+ + 4е - +НАДФ+ -> НАДФН2;

* фотолиз воды, происходящий при участии квантов света:

2Н2O-> 4Н++ 4е- + O2.

Процесс происходит внутри тилакоидов гран хлоропластов;

* протоны водорода Н+ накапливаются в Н+-резервуаре внутри граны. Их накопление на внутренней стороне мембраны приводит к нарастанию разности потенциалов. При этом внутренняя сторона мембраны заряжается положительно, за счет протонов, а наружная -- отрицательно, за счет электронов;

* начинает работать протонная помпа, обеспечивающая движение протонов из тилакоидов в строму через канал АТФ-синтетазы под действием электрического поля. В строме же находится АДФ и остатки фосфорной кислоты, которые используются для синтеза АТФ.

Результатами световых реакций являются: образование кислорода, синтез АТФ, восстановление НАДФН2.

Темновая фаза -- процесс преобразования СO2 в глюкозу в строме хлоропластов с использованием энергии АТФ и НАДФН2.

Реакции фиксации углерода -- это последовательные преобразования СO2 в глюкозу:

* сначала происходит фиксация молекул С02 1-5-рибуло-зодифосфатом, при участии ферментов;

* затем диоксид постепенно восстанавливается до глюкозы при участии АТФ и НАДФН2 (Цикл Кальвина):

СO2 + 24Н -> С6Н12O6 + 6Н2O;

Рис. 12. Схема фотосинтеза

* помимо молекул глюкозы в строме образуются аминокислоты, нуклеотиды, спирты.

Суммарное уравнение фотосинтеза:

Значение фотосинтеза:

* фотосинтез обеспечивает производство исходных органических веществ, а следовательно, пищу для всех живых существ;

* в процессе фотосинтеза образуется свободный кислород, который необходим для дыхания организмов;

* кислородом образован защитный озоновый экран, предохраняющий организмы от вредного воздействия ультрафиолетового излучения;

* фотосинтез способствует снижению концентрации диоксида углерода в атмосфере.

Хемосинтез -- образование органических соединений из неорганических за счет энергии окислительно-восстановительных реакций соединений азота, железа, серы. Существует несколько видов хемосинтетических реакций:

* окисление аммиака до азотистой и азотной кислот нитрифицирующими бактериями:

* превращение двухвалентного железа в трехвалентное железобактериями:

* окисление сероводорода до серы или серной кислоты серобактериями:

Выделяемая энергия используется для синтеза органических веществ.

Роль хемосинтеза: бактерии-хемосинтетики разрушают горные породы, очищают сточные воды, участвуют в образовании полезных ископаемых.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Рассмотрение круговорота веществ как результата экофизиологической взаимосвязи автотрофов и гетеротрофов. Описание основных круговоротов - большого (геологического) и малого (биогеохимического). Функции живого вещества в биосфере (по Вернадскому В.И.).

презентация , добавлен 18.04.2012

Определение биосферы, ее эволюция, границы и состав, охрана. Свойства живого вещества. Биогенная миграция атомов. Биомасса, её распределение на планете. Роль растений, животных и микроорганизмов в круговороте веществ. Биосфера и превращение энергии.

контрольная работа , добавлен 15.09.2013

Обмен веществ со средой как специфическое свойство жизни. Общее значение продуцентов, консументов и редуцентов. Полный цикл редукции органического вещества. Уровни организации живой материи. Малый круговорот веществ в биосфере. Круговорот углерода и серы.

реферат , добавлен 01.01.2010

Понятие о биосфере. Структура и границы биосферы. Общая масса живых организмов. Распределение биомассы по планете. Круговорот веществ в природе как главная функция биосферы. Влияние человека на биосферу. Влияние загрязнения среды на здоровье человека.

презентация , добавлен 07.04.2012

Потоки вещества, энергии и деструкционные блоки в экосистемах. Проблемы биологической продуктивности. Пирамиды чисел, биомасс и энергии. Процессы трансформации вещества и энергии между биотой и физической средой. Биохимический круговорот веществ.

реферат , добавлен 26.06.2010

Понятие и структурные уровни биосферы, ее содержание и значение. История развития биосферы и этапы ее исследования учеными разных времен, учение Вернадского. Классификация и разновидности экосистем, круговорот вещества внутри них и отличительные черты.

курсовая работа , добавлен 18.04.2011

Понятие и биологическое значение потока энергии в сообществе, принципы и направления данного потока, влияющие на него факторы. Круговорот веществ в экосистеме. Критерии, характеризующие продуктивность сообщества. Сущность экологической сукцессии.

реферат , добавлен 08.07.2010

Биологический круговорот веществ, их абиогенные циклы. Показатели биогеохимического круговорота: биомасса, продукция, зольность. Уровни биогеохимических циклов, позволяющие выявить долю участия различных организмов в круговороте химических элементов.

презентация , добавлен 10.08.2015

Сущность понятия "биоэнергетика". Существенные признаки живого. Внешний и промежуточный обмен веществ и энергии. Метаболизм: понятие, функции. Три стадии катаболических превращений основных питательных веществ в клетке. Отличия катаболизма от анаболизма.

презентация , добавлен 05.01.2014

Обмен веществ и энергии как основная функция организма, его основные фазы и протекающие процессы - ассимиляции и диссимиляции. Роль белков в организме, механизм их обмена. Обмен воды, витаминов, жиров, углеводов. Регуляция теплообразования и теплоотдачи.

В биоценозах все популяции видов связаны друг с другом сложной пищевой сетью. Солнечная энергия поступает в организмы животных из растений, которые черпают запасы вещества и энергии из неживой природы. В итоге любой биоценоз представляет некое единство со своим биотопом, создавая целостную систему, которую называют экосистемой . Организованная в экосистемы жизнь на Земле продолжается уже миллионы лет, не прерываясь. Экосистемы бывают разных масштабов, наземные и водные: пруд с его обитателями, озеро, море, океан, небольшой лес, целая тайга, степь, пустыня – все это природные экосистемы. Аквариум, сад, пшеничное поле – экосистемы, созданные человеком.

Наземные экосистемы, связанные с участками однородной растительности, называют биогеоценозами . Таковы, например, ельник кисличный, ельник зеленомошный, березняк разнотравный, сфагновое болото, луг, ковыльная степь и т.п.

В названии "биогеоценоз" подчеркивается тесная взаимосвязь ("ценоз") живых ("био–") и неживых ("гео–") компонентов на определенном участке земной поверхности. Учение о биогеоценозе и сам термин создал крупный российский ученый–ботаник В.Н.Сукачев.

Экосистем на Земле очень много. Существенным свойством каждой из них является круговорот веществ и потоки энергии .из-за большой роли живых организмов круговорот веществ в экосистемах часто называют биологическим круговоротом веществ .

Биологический круговорот веществ является главным условием существования экосистемы.

Круговорот веществ в биогеоценозе осуществляется благодаря наличию в нем четырех неотъемлемых компонентов

- Назовите неотъемлемые компоненты биогеоценоза .

1) абиотического компонента (запаса биогенных веществ и солнечной энергии); 2) продуцентов (создающих органическое вещество); 3) консументов (потребляющих органическое вещество); 4) редуцентов (разлагающих мертвое органическое вещество).

Энергия, химические вещества и организмы связаны между собой потоками энергии и круговоротом веществ

От чего зависит устойчивость экосистемы?

(Биогеоценозы (экосистемы) устойчивы лишь в том случае, когда все четыре компонента, входящие в их состав, поддерживают круговорот веществ достаточно полно.)

Круговорот веществ поддерживается в биогеоценозах (экосистемах) постоянным притоком все новых и новых порций энергии. Хотя по закону сохранения энергии она не исчезает бесследно, а лишь переходит из одной формы в другую, круговорота энергии в экосистемах быть не может. Расходуясь на жизнедеятельность организмов, усвоенная ими энергия постепенно переходит в тепловую форму и рассеивается в окружающем пространстве. Таким образом, деятельность экосистемы напоминает круговое вращение мельничного колеса (круговорот веществ) в потоке быстротекущей воды (поток энергии).

Одна и та же порция вещества и заключенная в нем энергия не могут бесконечно передаваться по сложной сети питания, связывающей организмы в биогеоценозе. На самом деле трофическая сеть состоит из переплетения коротких пищевых (трофических) цепей – последовательного ряда питающихся друг другом организмов, в котором можно проследить расходование первоначальной порции энергии. Каждое звено ряда называют трофическим уровнем .

Каково значение пищевых связей? (Пищевые связи между организмами играют важную роль. Во–первых, они обеспечивают передачу органического вещества и заключенной в нем энергии от одного организма к другому. Вместе, таким образом, уживаются виды, которые поддерживают жизнь друг друга. Во–вторых, пищевые связи служат механизмом регуляции численности популяций в природе. Пищевые отношения между организмами стоят заслоном на пути чрезмерного размножения отдельных видов, что делает природные сообщества более устойчивыми и стабильными.

Любое сообщество можно представить в виде пищевой сети, в которой сложно переплетены многочисленные пищевые цепи. По пищевым цепям происходит передача веществ и энергии в экосистеме от звена к звену. Каждое звено в цепи питания называют трофическим (от греч. trofo — питание ) уровнем.

Первый трофический уровень составляют продуценты, автотрофные организмы — растения и некоторые бактерии. В основном растения создают органические вещества из неорганических за счет использования энергии солнечного света (фотосинтез ), а бактерии — за счет энергии химических реакций окисления минеральных веществ (хемосинтез ).

Второй трофический уровень составляют растительноядные животные — консументы. Третий уровень — плотоядные животные (хищники ), четвертый уровень — животные, поедающие других плотоядных, и т. д. Многих животных невозможно отнести к одному уровню, так как они всеядны, могут получать энергию с нескольких разных трофических уровней Все консументы и редуценты — гетеротрофные организмы.
Разнообразные вещества и энергия перемещаются от одного трофического уровня к другому по цепям питания по мере поедания одних организмов другими, претерпевая многочисленные превращения На конечном этапе редуценты полностью разрушают органические вещества, превращают их в минеральные Подобные последовательные превращения веществ в экосистемах называют круговоротом. При этом вещества используются в круговороте многократно, а энергия — только один раз.

Значит, существование всех экосистем зависит от постоянного притока энергии извне.

Как же осуществляется энергетический обмен в экосистемах?

Всем организмам необходима энергия, а единственным источником практически всей энергии на Земле является Солнце.

Однако только 1% световой энергии Солнца улавливается растениями в процессе фотосинтеза и запасается в виде химической энергии, а 99% теряется в виде тепла и расходуется на испарение Запасенная растениями энергия передается от одного трофического уровня к другому по пищевым цепям Не вся энергия, содержащаяся в пище, переходит к организму, занимающему более высокий трофический уровень, например к хищнику. Часть энергии теряется во время превращения веществ пищи в молекулы тела хищника, а часть проходит через кишечный тракт хищника в неизменном виде.

Полученная организмом пища с заключенной в ней энергией расходуется двояким образом Большая ее часть используется на поддержание процессов жизнедеятельности клеток. Энергетические затраты на поддержание всех метаболических процессов называют тратой на дыхание. Меньшая часть усвоенной пищи идет на рост организма или откладывается в виде запасных питательных веществ. Таким образом, большая часть энергии (около 90%) при переходе с одного трофического уровня на другой теряется.

Если калорийность растительной пищи 1000 Дж, то при поедании ее раститель ноядным животным в теле последнего сохраняется всего 100 Дж, в теле хищника — 10 Дж.

Этот факт объясняет небольшую длину пищевых цепей, которые обычно состоят из 4-5 звеньев.

Энергия может быть восполнена только за счет ее поступления извне Без притока энергии в экосистемах не может быть круговорота веществ, они функционируют за счет непрерывного притока энергии, поступающей из окружающей среды.
Одним из способов выражения энергетической структуры сообщества является пирамида энергии, которая никогда не может быть перевернутой (то есть ее верхушка не может быть шире основания), так как поток энергии через трофические уровни всегда уменьшается от первого звена к последнему.