Содержание статьи
ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ПРИРОДЕ – КРУГОВОРОТ И МИГРАЦИЯ. Между литосферой , гидросферой, атмосферой и живыми организмами Земли постоянно происходит обмен химическими элементами. Этот процесс имеет циклический характер: переместившись из одной сферы в другую, элементы вновь возвращаются в первоначальное состояние. Круговорот элементов имел место в течение всей истории Земли, насчитывающей 4,5 млрд. лет.
Гигантские массы химических веществ переносятся водами Мирового океана. В первую очередь это относится к растворенным газам – диоксиду углерода, кислороду, азоту. Холодная вода высоких широт растворяет газы атмосферы. Поступая с океаническими течениями в тропический пояс, она их выделяет, так как растворимость газов при нагревании уменьшается. Поглощение и выделение газов происходит также при смене теплых и холодных сезонов года.
Огромное влияние на природные циклы некоторых элементов оказало появление жизни на планете. Это, в первую очередь, относится к круговороту главных элементов органического вещества – углерода, водорода и кислорода, а также таких жизненно важных элементов как азот , сера и фосфор . Живые организмы оказывают влияние и на круговорот многих металлических элементов. Несмотря на то, что суммарная масса живых организмов Земли меньше массы земной коры в миллионы раз, растения и животные играют важнейшую роль в перемещении химических элементов.
Деятельность человека также оказывает влияние на круговорот элементов. Особенно заметным оно стало в последнее столетие. При рассмотрении химических аспектов глобальных изменений в круговоротах химических элементов следует учитывать не только изменения в природных круговоротах за счет добавления или удаления присутствующих в них химических веществ в результате обычных циклических и/или вызванных человеком воздействий, но и поступление в окружающую среду химических веществ, ранее не существовавших в природе. Рассмотрим несколько наиболее важных примеров циклического перемещения и миграции химических элементов.
Углерод
– основной элемент жизни – содержится в атмосфере в виде диоксида углерода. В океане и пресных водах Земли углерод находится в двух главных формах: в составе органического вещества и в составе взаимосвязанных неорганических частиц: гидрокарбонат-иона НСО 3 – , карбонат иона СО 3 2– и растворенного диоксида углерода СО 2 . Большое количество углерода сосредоточено в виде органических соединений в животных и растениях. Много «неживого» органического вещества имеется в почве. Углерод литосферы содержится также в карбонатных минералах (известняк, доломит, мел, мрамор). Часть углерода входит в состав нефти, каменного угля и природного газа.
Связующим звеном в природном круговороте углерода является диоксид углерода (рис. 1).
Рис. 1. УПРОЩЕННАЯ СХЕМА глобального цикла углерода. Числа в рамках отражают размеры резервуаров в миллиардах тонн – гигатоннах (Гт). Стрелки показывают потоки, а связанные с ними числа выражены в Гт/год.
Самыми крупными резервуарами углерода являются морские отложения и осадочные породы на суше. Однако бoльшая часть этого вещества не взаимодействует с атмосферой, а подвергается круговороту через твердую часть Земли в геологических временных масштабах. Поэтому эти резервуары играют лишь второстепенную роль в сравнительно быстром цикле углерода, протекающем с участием атмосферы. Следующим по величине резервуаром является морская вода. Но и здесь глубинная часть океанов, где содержится основное количество углерода, не взаимодействует с атмосферой так быстро, как их поверхность. Самыми маленькими резервуарами являются биосфера суши и атмосфера. Именно небольшой размер последнего резервуара делает его чувствительным даже к незначительным изменениям процентного содержания углерода в других (больших) резервуарах, например, при сжигании ископаемых топлив.
Современный глобальный цикл углерода состоит из двух меньших циклов. Первый из них заключается в связывании диоксида углерода в ходе фотосинтеза и новом образовании его в процессе жизнедеятельности растений и животных, а также при разложении органических остатков. Второй цикл обусловлен взаимодействием диоксида углерода атмосферы и природных вод:
СО 2 + Н 2 О Н 2 СО 3
Н 2 СО 3 НСО 3 – + Н +
НСО 3 – СО 3 2– + Н +
СО 3 2– + Са 2+ = СаСО 3 Ї
В последнее столетие в углеродный цикл существенные изменения внесла хозяйственная деятельность человека. Сжигание ископаемого топлива – угля, нефти и газа – привело к увеличению поступления диоксида углерода в атмосферу. Это не очень сильно влияет на распределение масс углерода между оболочками Земли, но может иметь серьезные последствия из-за усиления парникового эффекта.
Кислород
на Земле содержится, в основном, в литосфере в виде диоксида кремния и силикатов. Кроме того, кислород есть в составе воды, образующей гидросферу. В атмосфере кислород находится в молекулярном виде. Он является продуктом процессов жизнедеятельности растений и в то же время одним из основных условий существования жизни на Земле. Образование свободного кислорода связано со световой энергией Солнца. Исходным сырьем для образования кислорода служит вода. Почти весь свободный кислород на Земле – это результат реакции фотосинтеза органического вещества из воды и диоксида углерода. Некоторое количество кислорода образуется при разложении воды в верхних слоях атмосферы. Кислород входит в состав многих органических соединений. Между живыми организмами и атмосферой происходит постоянный обмен кислородом.
Несмотря на выделение кислорода зелеными растениями, его содержание в атмосфере не увеличивается. Одновременно с фотосинтезом происходит разложение органического вещества, при этом поглощается практически весь выделившийся кислород. Часть кислорода расходуется на окисление неорганических веществ. Незначительное количество атмосферного кислорода участвует в цикле образования и разрушения озона.
Водород
на Земле находится, преимущественно, в гидросфере в составе воды. Содержание его в литосфере и атмосфере сравнительно невелико. Он входит также в состав органических веществ. Огромные массы водорода, наряду с кислородом, участвуют в круговороте воды – одном из наиболее мощных циклических процессов на планете.
Особенностью водорода является его способность (наряду с гелием) уходить из поля тяготения Земли благодаря своей малой атомной массе. Эти потери компенсируются выделением водорода из мантии. Молекулярный водород поступает в атмосферу Земли в результате вулканической деятельности, его выделяют также некоторые бактерии. После появления на нашей планете живых организмов водород стал связываться в органическом веществе.
Азот,
вследствие исключительной прочности молекулы N 2 , почти полностью сосредоточен в атмосфере. Часть газообразного азота растворена в природных водах, которые содержат и растворенные азотсодержащие органические вещества и неорганические ионы: катион аммония, нитрит-ион и нитрат-ион. Поскольку азот не образует нерастворимых солей, он только в редких случаях накапливается в литосфере. Так, в южноамериканской пустыне Атакама есть скопления нитрата натрия, который, несмотря на высокую растворимость в воде, сохраняется благодаря исключительно сухому климату.
Слово «азот» буквально означает «безжизненный», поскольку он не поддерживает дыхание. Однако этот элемент является обязательной составной частью белков. Поэтому азот в значительном количестве содержится в живых организмах и «мертвом» органическом веществе. Азот непрерывно перемещается между атмосферой, океаном, живыми организмами и почвой.
В атмосфере под действием электрических разрядов азот переходит сначала в монооксид азота, а затем в диоксид азота. Влага воздуха и кислород превращают диоксид азота в азотную кислоту
4NO 2 + 2H 2 O + O 2 = 4HNO 3
Соединения азота легко растворяются в атмосферных осадках и попадают на поверхность Земли.
Большое значение в связывании атмосферного азота имеет жизнедеятельность клубеньковых бактерий, обитающих на корнях бобовых растений. Ферменты этих бактерий превращают молекулярный азот в соединения, которые затем усваиваются растениями. Из растений связанный азот поступает в организмы животных, в основном, в виде аминокислот и белков. После гибели живых организмов органические вещества превращаются в неорганические соединения, снова усваиваемые растениями. Часть азота в почвах превращается в молекулярный азот и переходит в атмосферу. Молекулярный азот образуется также при полном окислении органических веществ.
Соединения азота попадают в атмосферу с выбросами промышленных предприятий и транспорта, а в природные воды – с бытовыми и промышленными отходами.
Слишком большое количество растворимых соединений азота в почве приводит к росту их содержания в продуктах питания и питьевой воде, это может стать причиной серьезных заболеваний. Соединения азота накапливаются в водоемах и вызывают зарастание озер и водохранилищ. Пока подобные явления наблюдаются лишь в отдельных районах, где в окружающую среду попадает много соединений азота. В целом же природа пока справляется с тем количеством связанного азота, которое производится человеком.
Сера
содержится в атмосфере в небольших количествах, в основном, в виде сероводорода и диоксида серы. Довольно много этого элемента (в виде сульфат-ионов) находится в гидросфере. В литосфере сера встречается в виде простого вещества (самородная сера) и в составе многочисленных минералов – сульфидов и сульфатов металлов. Кроме того, соединения серы есть в углях, сланцах, нефти, природном газе. Сера входит в состав многих белков, поэтому она всегда содержится в организмах животных и растений.
Выделяясь из глубин Земли, газообразные соединения серы (преимущественно диоксид серы и сероводород) растворяются в подземных водах. Здесь они образуют малорастворимые сульфиды (главным образом пирит – дисульфид железа FeS 2) и сульфаты (в частности, сульфат кальция CaSO 4). Образуется также самородная сера:
2H 2 S + SO 2 = 3S + 2H 2 O
Газообразные соединения серы попадают в почву, атмосферу и Мировой океан, где их поглощают серные бактерии. Поглощение соединений серы бактериями происходит и в почве.
Малорастворимые сульфиды, содержащиеся в горных породах, в результате жизнедеятельности некоторых бактерий частично окисляются, превращаясь в легко растворимые сульфаты:
FeS + 2O 2 = FeSO 4
Водорастворимые сульфаты выносятся с поверхности суши с речным стоком, поставляя сульфат-ионы в Мировой океан.
В результате активного связывания серы в земной коре, гидросфере и живых организмах, содержание сероводорода и диоксида серы в атмосфере мало и непостоянно. Под действием кислорода и озона эти вещества постепенно превращаются в серную кислоту:
2SO 2 + О 2 2SО 3
SO 2 + О 3 = SО 3 + О 2
SО 3 + H 2 О = H 2 SO 4
H 2 S + 2О 3 = H 2 SO 4 + О 2
Серная кислота возвращается на землю с атмосферными осадками
Хозяйственная деятельность людей приводит к увеличению содержания соединений серы в атмосфере и гидросфере. В результате изменений в методах животноводства и земледелия (выпас, вспашка, мелиорация) увеличились выбросы серосодержащих соединений в виде пыли. Еще больше серы попадает в атмосферу в форме диоксида серы при обжиге сульфидных руд. Это, в свою очередь, вызывает увеличение потока серы, попадающей из атмосферы в океаны и на поверхность суши. Природные воды загрязняются также удобрениями с полей и стоками промышленных предприятий.
Таким образом, человеческая деятельность существенно изменила круговорот серы между атмосферой, океанами и поверхностью суши. Эти изменения сильнее, чем воздействие человека на цикл углерода. Как и в случае глобального цикла углерода, техногенные выбросы серы в окружающую среду мало влияют на распределение масс этого элемента на поверхности Земли. Однако повышенное содержание серы в промышленных и бытовых отходах создают опасность для жизни на обширных территориях. Массированный выброс диоксида серы в атмосферу порождает кислотные дожди, которые могут выпадать далеко за пределами индустриальных районов. Загрязнение природных вод растворимыми соединениями серы несет угрозу живым организмам внутренних водоемов и прибрежных областей морей.
Фосфор
содержится в земной коре и живых организмах в небольших количествах; тем не менее, он имеет очень большое значение для растений и животных. Без этого элемента невозможен синтез белков. Кроме того, фосфор входит в состав костей и зубов. Именно недостаточное количество фосфора чаще всего ограничивает рост массы живого вещества. Значительная часть фосфора содержится в почвах. Фосфор образует многочисленные минералы (например, фосфориты), однако они не часто встречаются в горных породах в больших количествах. В атмосфере фосфор практически отсутствует.
В природных водах фосфор присутствует в составе органических соединений и взвешенных твердых частиц. Лишь небольшая его часть находится в растворе в виде ортофосфат-иона РО 4 3– и гидроортофосфат-иона НРО 4 2– .
В океане «органический» фосфор многократно переходит от одного живого организма к другому и медленно накапливается в донных отложениях в виде малорастворимых фосфатов. Эти потери фосфора компенсируются только из одного источника – выветривающихся горных пород суши, куда они попадают со дна океанов в результате длительных геологических процессов.
Деятельность человека нарушила природный круговорот фосфора. Соединения фосфора используются для производства удобрений и моющих средств. Это приводит к загрязнению водоемов соединениями фосфора. В таких условиях фосфор перестает быть элементом, ограничивающим рост массы живых существ, особенно водорослей и других водных растений.
Натрий
– один из главных элементов, аккумулированных в земной коре в процессе ее выплавления. Он легко освобождается из структур силикатов при выветривании кристаллических пород. Катион Na + переносится с континентальным стоком в океан. С «солеными ветрами» натрий частично возвращается на сушу. Существенно меньшее количество элемента выносится с поверхности суши в океан с ветровой пылью.
Натрий постоянно присутствует в почвах. Он принимает активное участие в засолении почв, в которых образует соли с хлорид- и сульфат-ионами.
В организмах соли натрия играют существенную роль. Хлорид натрия является обязательным компонентом жидких тканей животных и клеточного сока растений, поэтому он в больших количествах поглощается растительными и особенно животными организмами. Из растительных остатков соли натрия легко выщелачиваются. Натрий активно адсорбируется осадками морей, поэтому большая его масса содержится в осадочной оболочке.
Хлор,
в отличие от натрия, содержится в гранитном слое в небольших количествах. Он вовлекается в круговорот не за счет разрушения горных пород, а благодаря процессам дегазации мантии и выносу вулканических газов.
Этот элемент перемещается между оболочками Земли параллельно с натрием. Он аккумулируется в океанской воде в форме хлорид-ионов. Значительные массы хлора, так же как и натрия, многие миллионы лет мигрируют с поверхности суши в Мировой океан. Вторая особенность глобального геохимического цикла хлора, выраженная еще более сильно, чем в цикле натрия – активная миграция в атмосфере в составе аэрозолей и возврат значительных масс этого элемента на сушу. На территориях, где отсутствуют стоки, хлор вместе с натрием накапливается в почве и замкнутых водоемах.
Хлор имеет важное физиологическое значение. Он содержится в живых организмах в виде хлороводородной кислоты, ее солей (преимущественно хлорида натрия). Поэтому значительные массы хлора, наряду с натрием, участвуют в биологическом круговороте.
Кальций
относится к главным элементам земной коры. Содержание этого элемента уменьшается от глубин Земли к гранитному слою литосферы. Кальций в земной коре образует многочисленные минералы. При выветривании силикатов освобождается большое количество этого элемента. Его водорастворимые соединения, главным образом гидрокарбонат, поступают в природные воды и мигрируют с ними в океан. Хотя этот процесс развивается на протяжении более 2 млрд. лет, концентрация элемента в океанической воде всего лишь в 30 раз больше, чем в речных водах. Это обусловлено низкой растворимостью карбоната кальция, а главное – активным поглощением элемента планктонными организмами и выведением его в осадок. Данные процессы способствуют накоплению кальция в составе мощных толщ известняков, доломитов, известковых глин.
Кальций играет важную роль в физиологии организмов. В растениях он участвует в углеводном и азотном обмене, животным он необходим для построения костного скелета. Кальций участвует и во многих других биохимических процессах.
Таким образом, для процессов глобального массообмена кальция главное значение имеют биологический круговорот и водная миграция иона в системе суша – океан.
Калий
вместе с другими щелочными и щелочно-земельными химическими элементами аккумулировался в земной коре в процессе ее выплавления. Калий входит в состав наиболее распространенных силикатов. При их разрушении этот элемент, в основном, переходит в глинистые минералы. В то же время он частично высвобождается и вовлекается в водную миграцию. Ионы калия активно абсорбируются дисперсным минеральным веществом, а также поглощаются высшими растениями, поэтому калий более прочно удерживается в пределах суши, чем кальций и натрий. В океан некоторое количество калия выносится в виде ионов, однако большая масса элемента переносится в форме взвесей глинистых частиц. Калий активно мигрирует в системе поверхность океана – атмосфера – поверхность океана в составе аэрозолей.
Этот элемент играет важную роль в жизни растений и животных. Он принимает участие в фотосинтезе, влияет на обмен веществ, частично сохраняется в мертвом органическом веществе.
Широкое использование минеральных удобрений пока не оказывает заметного влияние на круговорот калия, однако миграция его сильно возросла в результате эрозии почв.
Кремний
– второй (после кислорода) по массе элемент земной коры. Он интенсивно накапливался в веществе литосферы в процессах его выплавления. Кремний в виде высокодисперсного кремнезема (SiO 2) повсеместно содержится в природных водах и используется многими морскими организмами для построения скелета. Биологический круговорот кремния в океане обусловлен преимущественно жизнедеятельностью диатомовых и радиоляриевых планктонных водорослей и последующим растворением их скелетов.
Для водной миграции кремния характерно преобладающее движение от суши к океану, которое не компенсируется в обратном направлении. Значительное количество кремния перемещается в виде растворимых соединений, однако в составе обломочного материала его выносится во много раз больше. .
Свинец
накапливается в земной коре не только за счет выплавления его из вещества мантии, но и в результате радиоактивного распада изотопов урана (238 U, 235 U) и тория (232 Th). При выветривании горных пород катионы свинца высвобождаются, большая часть их сорбируется высокодисперсными глинистыми частицами и гидроксидами железа, а меньшая поступает в грунтовые воды. В составе взвесей, а также в виде органических соединений, простых и комплексных ионов свинец выносится с речным стоком и осаждается преимущественно в дельтах и узкой прибрежной полосе шельфа. Небольшое количество свинца, попадающее в океан, выпадает в осадок благодаря биофильтрации морской воды организмами планктона. Таким образом, Мировой океан – глобальный аккумулятор растворимых форм свинца.
На суше свинец поглощается растениями. Во время лесных пожаров значительные массы элемента поступают в атмосферу (в виде дыма). Кроме того, свинец содержится в высокодисперсной минеральной пыли. «Время жизни» свинецсодержащих аэрозолей составляет около 7 суток.
Годовая добыча свинца значительно превышает и вынос растворимых форм, и годовой захват растительностью этого элемента. Техногенное рассеяние свинца, в отличие от рассеяния газообразных веществ, не распространяется на большие пространства, а сосредотачивается, в основном, вдоль автомагистралей, это связано с использованием тетраэтилсвинца в качестве антидетонатора автомобильных бензинов.
Цинк
обычно сопутствует свинцу в земной коре, однако биосферная геохимия этих элементов существенно различается. В отличие от свинца, цинк – один из главных микроэлементов, он входит в состав многих ферментов, участвует в синтезе рибонуклеиновых кислот и хлорофилла. Большая часть цинка в растениях связана с легко разрушающимися тканями и быстро удаляется из растительных остатков (в отличие от свинца, который прочно фиксирован в растительных остатках). Водорастворимые формы цинка составляют очень небольшую часть от общей массы металла, однако они активно вовлекаются в водную миграцию. Цинк активно участвует в массообмене между сушей и атмосферой. С атмосферными осадками на поверхность суши водорорастворимых форм цинка выпадает значительно больше, чем захватывается ветром в атмосферу в виде минеральной пыли.
Из приведенных примеров круговоротов и миграции различных элементов видно, что глобальная система циклической миграции химических элементов обладает высокой способностью к саморегуляции, при этом огромную роль в круговороте химических элементов играет биосфера.
В то же время хозяйственная деятельность человека вызывает деформацию природных циклов массообмена и, следовательно, изменение состава окружающей среды. Эти изменения происходят значительно быстрее, чем совершаются процессы генетической адаптации организмов и видообразования. Зачастую хозяйственные действия настолько непродуманны или несовершенны, что создают острую экологическую опасность. Изучение процессов массообмена, связывающих в единое целое все оболочки Земли, должно помочь в создании системы контроля за эколого-геохимическим состоянием окружающей среды и разработке научно обоснованного прогноза экологических последствий хозяйственных действий и новых технологий.
Елена Савинкина
Задание 1. Задание включает 50 вопросов, к каждому из них предложено 4 варианта ответа. На каждый вопрос выберите только один ответ, который вы считаете наиболее полным и правильным. Индекс выбранного ответа внесите в матрицу ответов.
1. Круговорот в природе химических элементов и воды, осуществляемый при участии живых организмов, изучает раздел науки:
а) палеонтологии;
б) молекулярной биологии;
в) сравнительной физиологии;
г) экологии.
Ответ: б
2. Клетки, сходные по строению, происхождению и выполняемым функциям, образуют:
а) ткани;
б) органы;
в) системы органов;
г) единый организм.
Ответ: а
3. Вирусы, проникая в клетку:
а) питаются рибосомами;
б) поселяются в митохондриях;
в) воспроизводят свой генетический материал;
г) отравляют клетку продуктами распада.
Ответ: в
4. В процессе фотосинтеза растения:
а) получают органические вещества из неорганических;
б) расщепляют сложные органические вещества до простых;
в) поглощают кислород и выделяют углекислый газ;
г) расходуют энергию.
Ответ: а
5. Приспособленность растений к опылению насекомыми характеризуется:
а) образованием большого количества пыльцы;
б) удлинением тычиночных нитей;
в) ранневесенним цветением;
г) наличием у цветка яркого венчика и нектара.
Ответ: г
6. Наличие в составе лишайника цианей обеспечивает:
а) поглощение влаги;
б) фотосинтез;
в) азотфиксацию;
г) защиту от механических повреждений.
Ответ: б
7. У диатомовых водорослей основным компонентом клеточной стенки является:
а) целлюлоза;
б) кремнезем;
в) хитин;
г) муреин.
Ответ: б
8. У гриба пенициллиума плодовое тело:
а) клейстотеций;
б) перитеций;
в) апотеций)
г) отсутствует.
Ответ: г
9. У водоросли хлореллы размножение осуществляется при помощи:
а) зооспор;
б) тетраспор;
в) автоспор;
г) синзооспор.
Ответ: в
10. При хранении в теплом помещении картофель быстро сморщивается, так как в нем:
а) происходит фотосинтез;
б) накапливается крахмал;
в) интенсивно осуществляется процесс дыхания;
г) в нем образуется ядовитое вещество соланин и гормоны.
Ответ: в
11. Из перечисленных включений растительной клетки запасной белок содержит:
а) амилопласт;
б) хромопласт;
в) сферосома;
г) алейроновое зерно.
Ответ: г
12. Конечная почка побега липы называется:
а) верхушечной;
б) боковой;
в) придаточной;
г) спящей.
Ответ: а
13. Первые видоизмененные листья семенных растений, образующиеся в зародыше, – это:
а) семядоли;
б) семязачатки;
в) семяпочки;
г) семена.
Ответ: а
14. Основная функция палисадной ткани листа — осуществление:
а) газообмена;
б) транспирации;
в) фотосинтеза;
г) накопления воды.
Ответ: в
15. Побег или система побегов, несущие цветки, называется:
а) стеблем;
б) соцветием;
в) филлодием;
г) кладодием.
Ответ: б
16. Последовательная смена растительных сообществ во времени носит название:
а) инвазия;
б) интродукция;
в) реинтродукция;
г) сукцессия.
Ответ: г
17. Подземные метаморфозы побега – это:
а) усики, кладодии;
б) колючки, шипы;
в) корневище, клубень;
г) филлокладии, фасциации.
Ответ: в
18. Опыление цветков с помощью птиц называется:
а) анемофилия;
б) орнитофилия;
в) гидрофилия;
г) энтомофилия.
Ответ: б
19. Соплодие образуется у:
а) томата;
б) земляники;
в) ананаса;
г) граната.
Ответ: в
20. Кровеносная система у нематод:
а) замкнутая;
б) частично замкнутая;
в) незамкнутая;
г) отсутствует.
Ответ: г
21. Органами зрения у пауков являются:
а) 1 пара фасеточных глаз;
б) 4 пары простых глаз;
в) 1 пара фасеточных и 2 пары простых глаз;
г)1 пара фасеточных и 3 пары простых глаз.
Ответ: б
22. Для размножения пиявок и дождевых червей характерно то, что они:
а) раздельнополы;
б) бесполы и размножаются вегетативно;
в) гермафродиты;
г) представлены только партеногенетическими самками.
Ответ: в
23. Какая часть органа слуха, характерная для позвоночных животных, есть у рыб?
а) наружная ушная раковина;
б) внутреннее ухо;
в) барабанная перепонка;
г) слуховые косточки.
Ответ: б
24. Какие из перечисленных органов являются гомологами передних конечностей лошади?
а) щупальца осьминога;
б) крылья бабочки;
в) ласты пингвина;
г) клешни рака.
Ответ: в
25. Из перечисленных ниже акул наименее развитый рострум имеет:
а) китовая акула;
б) сельдевая акула;
в) тигровая акула;
г) катран.
Ответ: а
26. Основой для прикрепления рулевых перьев в скелете птиц является:
а) эпистрофей;
б)коракоид;
в) цевка;
г) пигостиль.
Ответ: г
27. На крайнем севере России восстанавливается исторический ареал:
а) белого медведя;
б) овцебыка;
в) песца;
г) северного оленя.
Ответ: б
28. Из названных костей черепа не имеет отношения к образованию аппарата среднего уха у млекопитающих:
а) гиомандибуляре;
б) квадратная;
в) сочленовная;
г) клиновидная.
Ответ: а
29. Полосатая окраска сумартранского барбуса является примером:
а) мимезии;
б) миметизма;
в) предупреждающей окраски;
г) маскирующей (расчленяющей) окраски.
Ответ: г
30. В биохимических реакциях метаболизма энергия запасается при:
а) синтезе АДФ из АМФ;
б) синтезе АТФ из АДФ и фосфатной группы;
в) соединении двух фосфатных групп;
г) распаде АТФ.
Ответ: б
31. Слюнные железы, постоянно вырабатывающие секрет:
а) околоушные и подчелюстные:
б) подчелюстные и подъязычные;
в) подъязычные и мелкие;
г) мелкие и околоушные.
Ответ: г
32. Фибриноген крови превращается в фибрин во время:
а) транспорта газов;
б) превращения глюкозы в гликоген;
в) превращения гликогена в глюкозу;
г) формирования кровяного сгустка.
Ответ: г
33. Максимальной парциальное давление СО2 в процессе дыхания у человека наблюдается в:
а) альвеолярном воздухе;
б) тканях;
в) составе венозной крови;
г) составе артериальной крови.
Ответ: б
34. Частоту и глубину дыхания в процессе гуморальной регуляции замедляет:
а) недостаток О2;
б) недостаток СО2;
в) избыток О2;
г) избыток СО2.
Ответ: б
35. Недостаток солей кальция в организме человека в первую очередь отразиться на:
а) проведении нервных импульсов;
б) свертывании крови;
в) росте;
г) пищеварении.
Ответ: б
36. Объем воздуха, который можно вдохнуть после спокойного выдоха называют:
а) резервным объемом вдоха;
б) дыхательным объемом;
в) резервным объемом выдоха;
г) остаточным объемом.
Ответ: а
37. Лимфа по лимфатическим сосудам проводится от тканей и органов непосредственно в:
а) венозное русло большого круга кровообращения;
б) артериальное русло большого круга кровообращения;
в) венозное русло малого круга кровообращения;
г) артериальное русло малого круга кровообращения.
Ответ: а
38. Возбудитель ВИЧ-инфекции (СПИДа) передается:
а) половым путем;
б) при рукопожатии;
в) при использовании общей посуды;
г) воздушно-капельным путем.
Ответ: а
39. Изменение просвета вен у человека происходит за счет ткани:
а) мышечной поперечнополосатой;
б) гладкой мышечной;
в) соединительной;
г) эпителиальной.
Ответ: б
40. В скелете человека неподвижно соединены между собой кости:
а) плечевая и локтевая;
б) грудного отдела позвоночника;
в) мозгового отдела черепа;
г) бедра и голени.
Ответ: в
41. Печень выполняет в организме человека барьерную функцию, так как в ней:
а) глюкоза превращается в гликоген;
б) вырабатывается желчь;
в) обезвреживаются ядовитые вещества;
г) белки могут превращаться в жиры и углеводы.
Ответ: в
42. Наиболее чувствительны к недостатку кислорода клетки:
а) спинного мозга;
б) головного мозга;
в) печени и почек;
г) желудка и кишечника.
Ответ: б
43. У человека парасимпатическая нервная система:
а) усиливает работу кишечника;
б) повышает тонус скелетной мускулатуры;
в) увеличивает концентрацию сахара в крови;
г) учащает пульс.
Ответ: а
44. Белок состоит из 300 аминокислот. Сколько нуклеотидов в гене, который служит матрицей для синтеза белка?
а) 300;
б) 600;
в) 900;
г) 1200.
Ответ: в
45. Популяция является структурной единицей:
а) отряда;
б) семейства;
в) рода;
г) вида.
Ответ: г
46. Какой основной лимитирующий фактор для растений в степной зоне?
а) недостаток влаги;
б) высокая температура;
в) отсутствие перегноя;
г) интенсивное ультрафиолетовое излучение.
Ответ: а
47. Какие структуры клетки при митозе распределяются поровну между материнской и дочерней клеткой?
а) рибосомы;
б) митохондрии;
в) хлоропласты;
г) хромосомы.
Ответ: г
48. Какие структуры клетки не являются органоидами?
а) вакуоли;
б) лейкопласты;
в) митохондрии;
г) крахмальные зерна.
Ответ: г
49. Почему численность завезенных в Австралию кроликов возросла во много раз?
а) на новой территории не было хищников;
б) на континенте преобладает сухой климат;
в) питаются травянистыми растениями, пища в избытке;
г) для них характерна забота о потомстве.
Ответ: а
50. В процессе эволюции расселение вьюрков на разные острова Галапагосского архипелага привело к:
а) образованию новых видов;
б) обострению конкуренции между особями;
в) усилению действия абиотических факторов;
г) обострению внутривидовой борьбы.
Ответ: а
Задание 2. Вам предлагаются тестовые задания с тремя вариантами ответов из шести возможных. Занесите в матрицу правильные ответы, располагая цифры по порядку.
1. Каковы особенности строения и функций рибосом?
1) участвуют в реакциях окисления;
2) участвуют в синтезе белков;
3) отграничены от цитоплазмы мембраной;
4) состоят из двух частиц – большой и малой;
5) размещаются в цитоплазме и на каналах ЭПС;
6) размещаются в аппарате Гольджи.
Ответ: 2, 4, 5
2. По венам большого круга кровообращения у человека кровь течет:
1) от сердца;
2) к сердцу;
3) насыщенная углекислым газом;
4) насыщенная кислородом;
5) быстрее, чем в капиллярах;
6) медленнее, чем в капиллярах.
Ответ: 2, 3, 5
3. К ароморфозам относят:
1) возникновение хорды у животных;
2) образование пятипалых конечностей у наземных позвоночных;
3) наличие у коров четырехкамерного желудка;
4) наличие у комара колюще-сосущего ротового аппарата;
5) появление зеленой окраски покровов у кузнечиков;
6) возникновение полового размножения.
Ответ: 1, 2, 6
4. К безногим земноводным принадлежат:
1) разнозубые червяги;
2) веретеницы;
3) чешуеноги;
4) рыбозмеи;
5) хвостатые червяги;
6) безногие ящерицы.
Ответ: 1, 4, 5
5. К пластинчатожаберным рыбам относятся:
1) китовая акула;
2) латимерия;
3) катран;
4) мегалодон;
5) окунь;
6) корюшка.
Ответ: 1, 3, 4
6. Каково строение и функции митохондрий?
1) расщепляют биополимеры до мономеров;
2) характеризуются анаэробным способом получения энергии;
3) содержат граны;
4) имеют ферментативные комплексы на кристах;
5) окисляют органические вещества с образованием АТФ;
6) двумембранные органоиды.
Ответ: 4, 5, 6
7. Растения семейства Крестоцветные можно узнать по признакам:
1) цветок четырехчленного типа;
2) соцветие кисть;
3) цветок пятичленного типа;
4) соцветие корзинка;
5) плод стручок или стручочек;
6) плод боб.
Ответ: 1, 2, 5
8. Оптическая система глаза состоит из:
1) хрусталика;
2) стекловидного тела;
3) зрительного нерва;
4) желтого пятна сетчатки;
5) роговицы;
6) белочной оболочки.
Ответ: 1, 2, 5
9. В пищевых цепях экосистем:
Ответ: 1, 2, 6
10. Приспособления к жизни в воде, сформировавшиеся в процессе эволюции у китов:
1) превращение передних конечностей в ласты;
2) дыхание кислородом, растворенным в воде;
3) дыхание кислородом воздуха;
4) обтекаемая форма тела;
5) толстый подкожный слой жира;
6) постоянная температура тела.
Ответ: 1, 4, 5
Задание 3. Вам предлагаются тестовые задания в виде суждений, с каждым из которых следует либо согласиться, либо отклонить.
- Вирусы – неклеточная форма жизни.
- Ламинария относится к отделу Бурые водоросли.
- На корнях бобовых растений поселяются азотфиксирующие бактерии, называемые гнилостными.
- К суккулентам относятся ковыль и типчак.
- Устьица у водных растений расположены с нижней стороны листа.
- У всех беспозвоночных животных оплодотворение внешнее.
- Возбудителем малярии является малярийный плазмодий.
- Кишечнополостные животные имеют двустороннюю симметрию тела.
- Тело белой планарии покрыто реснитчатым эпителием.
- Сердце моллюсков состоит из желудочка и предсердия.
- Выделительная система пауков представлена почками.
- У рыб позади брюшных плавников имеется три отверстия – анальное, половое и мочевое.
- Позвоночник лягушки состоит из 3 отделов – шейного, туловищного и крестцового.
- Птицы не различают цвета.
- Снижение активности щитовидной железы замедляет рост и развитие у детей.
- В выдыхаемом воздухе содержится около 21% кислорода и 79% азота.
- Превращение артериальной крови в венозную происходит в капиллярах большого круга кровообращения.
- Процесс поглощения и переваривания чужеродных частиц называется пиноцитозом.
- Переход предков человека к прямохождению способствовал усилению обмена веществ.
- Самые крупные молекулы в живых клетках – молекулы ДНК.
Ответ: Правильно – 1, 2, 7, 9, 12, 15, 17, 20
Задание 4. Вам предлагаются тестовые задания, требующие установления соответствия.
1. Установите соответствие между грибом и типом питания.
Гриб:
А) пеницилл;
Б) фитофтора;
В) спорынья;
Г) дрожжи;
Д) головня;
Е) шампиньон.
Ответ: А-1, Б-2, В-2, Г-1, Д-2, Е-1
2. Установите соответствие между защитным свойством организма человека и видом иммунитета.
Свойства
А) наличие антител в плазме крови, полученных по наследству;
Б) получение антител с лечебной сывороткой;
В) образование антител в крови в результате вакцинации;
Г) наличие в крови сходных белков-антител у всех особей одного вида;
Д) передача с молоком матери младенцам;
Е) развивается сразу, сохраняется недолго.
Вид иммунитета:
1) активный;
2) пассивный;
3) врожденный.
Ответ: А-3, Б-2, В-1, Г-3, Д-2, Е-2
3. Установите соответствие между признаком и способом регуляции, для которого он характерен.
Признак:
А) скорость проведения информации сравнительно невысокая;
Б) является более древней формой взаимодействия клеток и органов;
В) эволюционно более поздний способ регуляции;
Г) осуществляется посредством электрических импульсов;
Д) осуществляется посредством химически активных веществ, поступающих в кровь, лимфу и тканевую жидкость;
Е) скорость проведения информации сравнительно высокая.
Способ регуляции:
1) нервная;
2) гуморальная.
Ответ: А-2, Б-2, В-1, Г-1, Д-2, Е-1
4. Установите соответствие между признаком моллюска большого прудовика и критерием вида, для которого он характерен.
Признак:
А) органы чувств – одна пара щупалец;
Б) коричневый цвет раковины;
В) населяет пресные водоемы;
Г) питается мягкими тканями растений;
Д) раковина спирально закручена;
Е) гермафродит.
Критерий вида:
1) морфологический;
2) экологический.
Ответ: А-1, Б-1, В-2, Г-2, Д-1, Е-1
Вконтакте
Углерод в природе содержится в различных осадочных горных породах: меле, известняке. Большое количество углерода входит в состав растительной биомассы. Содержание в атмосфере углекислого газа сравнительно невелико - менее 1% (точнее 0,03% по объему), но именно этот углерод приковывает сегодня внимание ученых.
Углекислый газ необходим растениям для фотосинтеза. В процессе фотосинтеза образуются органические вещества, служащие источником питания для всех живых организмов. В то же время углекислый газ способен вызывать парниковый эффект.
Это связано с тем, что солнечный свет проходит сквозь атмосферу, нагревает земную поверхность, которая отдает в космос избыток тепла в виде инфракрасных тепловых лучей. Углекислый газ пропускает солнечный свет, но задерживает инфракрасное излучение. В результате повышения концентрации CO 2 может произойти глобальное потепление климата, угрожающее таянием полярных льдов. Это вызовет подъем уровня океана и затопление больших площадей суши.
Фотосинтез - основной процесс, постоянно изымающий углекислый газ из атмосферы. В настоящее время происходит сокращение площади лесов, что особенно пагубно - влажных тропических лесов. Загрязнение поверхности океана нефтепродуктами препятствует нормальному газообмену и фотосинтезу водорослей.
В то же время неуклонно растет потребление ископаемого топлива: природного газа, нефти, каменного угля, - при сжигании которого в атмосферу выбрасывается углекислый газ. Углекислый газ выделяется также при гниении органических веществ, дыхании животных и человека.
В создавшейся ситуации, важную роль в регуляции содержания CO 2 в атмосфере играют донные отложения карбоната кальция, образующиеся при отмирании мелких морских беспозвоночных. При повышении содержания в атмосфере углекислого газа, он растворяется в воде, известняк вступает с ним в реакцию с образованием гидрокарбонатов, что связывает избыток углекислоты:
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca(HCO 3) 2
Если в атмосфере возникает недостаток углекислого газа, равновесие смещается влево, гидрокарбонаты разлагаются с освобождением CO 2 .
Эти процессы можно представить в виде схемы:
Круговорот углерода в природе
Если попросят написать уравнения, можно привести суммарное уравнение образования глюкозы при фотосинтезе:
6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
Сжигание метана в составе природного газа:
CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O
Обжиг известняка:
CaCO 3 = CaO + CO 2
2. Задача. Вычисление объема газа, вступившего в реакцию, если известна масса одного из продуктов реакции.
Пример:
2. Сколько литров водорода сгорело, если образовалось 72 г воды?
Решение:
- M (H 2 O) = 1 . 2 + 16 = 18 г/моль
- Находим количество вещества воды по условию задачи:
n = m / M = 72 г: 18 г/моль = 4 моль - Записываем над уравнением реакции имеющиеся данные, а под уравнением - число моль согласно уравнению (равно коэффициенту перед веществом):
x моль 4 моль
2H 2 + O 2 = 2H 2 O
2 моль 2 моль - Составляем пропорцию:
x моль - 4 моль
2 моль - 2 моль
Находим x:
x = 4 моль. 2 моль / 2 моль = 4 моль - Находим объем водорода:
v = 22,4 л/моль. 4 моль = 89,6 л
Ответ: 89,6 л.
Можно подставлять над и под уравнением непосредственно массу и объем веществ:
x л 72 г
2H 2 + O 2 = 2H 2 O
44,8 л 36 г
Освещая вопрос о круговороте химических элементов, важно отметить, что в природе постоянно протекают различные химические реакции. Часть этих реакций проходит без участия живых существ, а часть - при их непосредственном участии, т. е. в живой природе. В результате химических процессов атомы перемещаются, движутся. Вследствие этого происходит обмен веществ и энергии между всеми оболочками Земли: литосферой, атмосферой, гидросферой, биосферой. Круговорот химических элементов является причиной постоянства протекания химических реакций. Можно сказать, что благодаря круговороту химических элементов возможна жизнь на Земле.
Круговорот веществ - это повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее циклический характер. Особо важную роль для жизни на Земле играют круговороты углерода и кислорода.
Далее можно рассмотреть, например, круговорот кислорода. Простое вещество кислород содержится в атмосфере, а как химический элемент он входит в состав многих природных соединений. Основная масса кислорода содержится в земной коре, где он связан с кремнием, алюминием, железом, образуя горные породы и минералы: оксиды (SiO2, A12O3,
Fe2O3); карбонаты (СаСО3, MgCO3, FeCO3); сульфаты (CaSO4, квасцы) и др.
Минералы и горные породы в процессе многовекового выветривания могут оказаться на поверхности, где получат запас энергии, исходящей от Солнца. Энергия расходуется на перестройку кристаллов горных пород, содержащих кислород, и останется там как внутренняя энергия образовавшихся кристаллических соединений. Эти породы с течением времени будут изменять свою структуру, разрушаться, растворяться, перекристаллизовываться, вступать в химические реакции и т. д., поглощая и освобождая энергию. Таким образом, кислород в земной коре играет большую роль в обмене энергии между слоями литосферы.
В природе происходит много реакций, в ходе которых кислород расходуется (дыхание, горение, медленное окисление и др.), и лишь одна реакция, в результате которой выделяется кислород. Это фотосинтез - процесс, который происходит на свету в листьях растений:
Большая часть кислорода (3/4) выделяется растениями суши, а 1/4 образуется в процессе жизнедеятельности растений Мирового океана.
Молекулярный кислород есть и в гидросфере. В природных водах всегда растворен очень большой объем кислорода.
Уравнение реакции фотосинтеза записывать не обязательно.
Круговорот кислорода связывает атмосферу с гидросферой и литосферой.
Кратко основные звенья круговорота кислорода можно обозначить так: фотосинтез (выделение О2) - окисление элементов на поверхности Земли - поступление соединений в глубинные зоны земной коры - частичное восстановление соединений в недрах Земли с образованием СО2 и Н2О - вынос СО2 и Н2О в атмосферу и гидросферу - фотосинтез.
Нетрудно заметить, что во многих процессах принимают участие углеродсодержащие соединения. Из них наиболее известными являются нефть, каменный уголь, торф, природный газ, а также карбонаты. С ними в природе также происходят химические процессы:
Из приведенных уравнений видно, что превращения углерода и кислорода тесно связаны между собой, что свидетельствует о единстве круговоротов различных химических элементов в природе.
Роль живых существ, в частности человека, в круговороте химических элементов все увеличивается. Например, вследствие деятельности человека увеличивается выделение многих веществ в атмосферу, гидросферу и в почву. Выделение автомобилями, ТЭЦ, заводами и фабриками в атмосферу оксида углерода (IV) и активная вырубка лесов создает опасность увеличения содержания этого оксида в атмосфере, что может привести к парниковому эффекту, изменению климата на планете.
При ответе на этот вопрос важно использовать схемы круговоротов различных элементов, имеющиеся в химическом кабинете.
Важным свойством биосферы является наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов, а также непрерывность биосферных процессов.
Круговоротами называются повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер.
Круговороты веществ и элементов отражают неразрывную связь геологических и биологических процессовв биосфере. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).
Большой круговорот происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет. Горные породы подвергаются разрушению и выветриванию; продукты выветривания, в том числе растворенные в воде минеральные питательные вещества, сносятся потоками воды в мировой океан. В океане эти вещества образуют морские напластовывания, а также частично возвращаются насушус атмосферными осадками и с живыми организмами. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, приводят к возвращению морских отложений на сушу, после чего процесс проходит новый цикл.
Малый круговорот является частью большого круговорота и представляет собой процесснепрерывного создания и деструкции органического вещества в экосистемах в результате взаимосвязанного функционирования живых организмов, т.е. питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и осуществление жизненных процессов как их самих, так и организмов-консументов. Продукты распада органического вещества попадают в распоряжение почвенной микрофлоры и мезофауны (бактерий, грибов, червей и т.п.) и опять разлагаются до минеральных компонентов, которые вновь становятся доступными для растений.
Круговорот воздуха
Поток солнечной энергии образует глобальные физические, круговороты воздуха и воды на Земле. Движение воздушных масс помимо механических эффектов (ветры, волны, течения) обусловливаетаэрогенную миграцию веществ, в первую очередь газов, паров воды и пылевых частиц, аэрозолей разного состава. Под действием солнечной радиации и грозовых разрядов в атмосфере происходят различные фотохимические и электрохимические реакции – фотолиз воды, образование озона, окислов и кислотных осадков, образование углеводородных смогов и др.
Круговорот воды
Глобальный круговорот воды отражен на рис. 4. Это самый значительный по переносимым массам и по затратам энергии круговорот на Земле. За год в него вовлекается всего 0,04% массы гидросферы, но это соответствует 18,3 млн м 3 воды за секунду и более 40 млрд МВт солнечной энергии.
Рис. 4
Резервуары и круговорот воды на Земле.
Объемы резервуаров (подчеркнуты) – в тыс. км 3 ;
потоки влаги (испарение, перенос в атмосфере, осадки, сток) – в тыс. км 3 /год
Речной сток составляет только 8% глобального гидрологического цикла, Круговорот воды, особенно поверхностный и подземный сток на суше, определяет гидрогенную миграцию веществ, которая помимо переноса состоит из множества процессов растворения, кристаллизации, осаждения, ионного обмена и окислительно-восстановительных реакций.
В круговороте воды заметное участие принимают живые организмы, экосистемы. Растения перехватывают часть осадков и способствуют испарению влаги до того, как она попадет на землю. Почвенная влага всасывается корнями растений, участвует в обмене веществ и затем испаряется из листьев (транспирация). Вместе с испарением с поверхности почвы транспирация составляет суммарное испарение. Уровень перехвата и транспирации различен для разных биомов, но в целом составляет более 40% объема испарения на суше.
Закономерный круговорот химических соединений отдельных элементов и осуществляется в ходе совместной деятельности различных живых организмов. Он включает введение химических элементов в состав живых клеток, химические превращения веществ в процессах метаболизма, выведение в окружающую среду и деструкцию органических веществ с последующей их минерализацией. Высвобождающиеся минеральные вещества вновь включаются в биологические циклы. Процессы круговорота происходят в конкретных экосистемах, но в полном виде реализуются только на уровне биосферы в целом.
Круговорот биогенных элементов, обусловленный синтезом и распадом органических веществ в экосистеме, называют биотическим круговоротом веществ. Кроме биогенных элементов в биотический круговорот вовлечены важные для биоты минеральные элементы и множество различных соединений. Поэтому весь циклический процесс химических превращений, обусловленных биотой, особенно когда речь идет о всей биосфере, называют еще биогеохимическим круговоротом .
В каждом круговороте выделяют две части: резервный фонд и подвижный (обменный) фонд. В резервный фонд входят медленно движущиеся вещества, в основном небиологический компонент. Для обменного фонда характерен быстрый обмен между организмами и окружающей средой. Сравнительные объемы подвижных и резервных фондов имеют значение с точки зрения оценки антропогенной нагрузки на биосферу, так как изменению более подвержены малообъемные фонды.
Биогеохимические циклы разделяют на круговороты газов с резервным фондом в атмосфере и гидросфере и осадочные круговороты с резервным фондом в земной коре.
Благодаря наличию крупных атмосферных и океанических фондов в круговоротах газообразных веществ – углерода, азота, кислорода – довольно быстро компенсируются возможные нарушения. Эти круговороты «забуферены» и в этом отношении являются саморегулирующими системами. В осадочных циклах (фосфор, железо и др.) механизмы саморегуляции работают гораздо хуже и легко нарушаются, так как основная масса веществ в осадочных циклах находится в малоподвижном резервном фонде в земной коре.
В качестве примеров круговорота веществ в биосфере рассмотрим биогеохимические циклы важнейших биогенных элементов: углерода, азота, фосфора, серы.
Круговорот углерода
В основе биогенного круговорота углерода лежит неорганическое вещество – диоксид углерода. В природе СО 2 входит в состав атмосферы, а также находится в растворенном виде в гидросфере.
Включение углерода в состав органического вещества происходит в процессе фотосинтеза, в результате которого на основе углекислого газа и воды образуются сахара. В дальнейшем, другие процессы биосинтеза преобразуют их в более сложные органические вещества. Эти соединения формируют ткани фотосинтезирующих организмов и служат источником органических веществ для животных.
В процессе дыхания все организмы окисляют сложные органические вещества в конечном итоге до СО 2 , который выводится во внешнюю среду, где может вновь вовлекаться в процесс фотосинтеза. Углеродсодержащие органические соединения тканей живых организмов после их смерти подвергаются биологическому разрушению организмами-редуцентами, в результате чего углерод в виде Н 2 СО 3 вновь поступает в круговорот.
При определенных условиях разложение накапливаемых мертвых остатков в почве идет замедленным темпом через образование гумуса, минерализация которого под воздействием грибов и бактерий происходит с низкой скоростью. В некоторых случаях цепь разложения органического вещества бывает неполной. В частности, деятельность организмов-деструкторов может подавляться недостатком кислорода или повышенной кислотностью. В этом случае органические остатки накапливаются в виде торфа, углерод не высвобождается и круговорот приостанавливается. Аналогичным образом в прошлые геологические эпохи происходило образование каменного угля и нефти. Сжигание ископаемого топлива в настоящее время возвращает углерод, выключенный ранее из круговорота, в атмосферу. В гидросфере приостановка круговорота углерода связана с включением СО 2 в состав СаСО 3 в виде известняков. В этом случае углерод выключается из круговорота на целые геологические эпохи до поднятия органогенных пород над уровнем моря. Тогда круговорот возобновляется через выщелачивание извесняков атмосферными осадками, а также биогенным путем под воздействием лишайников, корней растений. Схема круговорота углерода приведена на рис.5.
Рис.5.
Схема круговорота углерода
Круговорот азота
Главный источник азота органических соединений – газообразный азот N 2 в составе атмосферы. Молекулярный азот не усваивается живыми организмами. Переход его в доступные живым организмам соединения (фиксация) может происходить несколькими путями. Фиксация азота частично происходит в атмосфере, где при грозовых разрядах образуется оксид азота (II), который окисляется до оксида азота (IV), с последующим образованием азотной кислоты и нитратов, выпадающих на поверхность Земли с атмосферными осадками.
Наиболее важной формой фиксации азота является ферментативная фиксация в процессе жизнедеятельности сравнительно немногих видов организмов-азотфиксаторов. Отмирая, они обогащают среду органическим азотом, который быстро минерализуется. Наиболее эффективна фиксация азота, осуществляемая бактериями, формирующими симбиотические связи с бобовыми растениями. В результате их деятельности в наземных и подземных органах растений (например, клевера или люцерны) за год накапливается азота до 150-400 кг на 1 га. Азот связывают также свободноживущие азотфиксирующие почвенные бактерии, а в водной среде – сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Все азотфиксаторы включают азот в состав аммиака (NH 3), и он сразу же используется для образования органических веществ, в основном для синтеза белков. Минерализация азотсодержащих органических веществ редуцентами происходит в результате процессов аммонификации и нитрификации . Аммонифицирующие бактерии в процессе биохимического разложения мертвого органического вещества переводят азот органических соединений в аммиак, который в водном растворе образует ионы аммония (NH 4 +). В результате деятельности нитрифицирующих бактерий в аэробной среде аммиак окисляется в нитриты (NO 2 -), а затем в нитраты (NO 3 -).
Большинство растений получают азот из почвы в виде нитратов. Поступающие в растительную клетку нитраты восстанавливаются до нитритов, а затем до аммиака, после чего азот включается в состав аминокислот, составляющих белки. Часть азота растениями усваивается непосредственно в виде ионов аммония из почвенного раствора.
Животные получают азот по пищевым цепям прямо или опосредованно от растений. Экскреты и мертвые организмы, составляющие основу детритных пищевых цепей, разлагаются и минерализуются организмами-редуцентами, превращающими органический азот в неорганический.
Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности бактерий-денитрофикаторов, осуществляющих в анаэробной среде процесс, обратный нитрификации, восстанавливая нитраты до свободного азота.
Значительная часть азота, попадая в океан (в основном со стоком вод с континентов), используется водными фотосинтезирующими организмами, прежде всего фитопланктоном, а затем, попадая в цепи питания животных, частично возвращаются на сушу с продуктами морского промысла или птицами. Небольшая часть азота попадает в морские осадки. Схема круговорота азота приведена на рис.6.
Рис.6.
Схема круговорота азота
Круговорот фосфора
В круговороте фосфора, в отличие от круговоротов углерода и азота, отсутствует газовая фаза. Фосфор в природе в больших количествах содержится в минералах горных пород и попадает в наземные экосистемы в процессе их разрушения. Выщелачивание фосфора осадками приводит к поступлению его в гидросферу и соответственно в водные экосистемы. Растения поглощают фосфор в виде растворимых фосфатов из водного или почвенного раствора и включают его в состав органических соединений – нуклеиновых кислот, систем переноса энергии (АДФ, АТФ), в состав клеточных мембран. Другие организмы получают фосфор по пищевым цепям. В организмах животных фосфор входит в состав костной ткани, дентина.
В процессе клеточного дыхания происходит окисление органических соединений, содержащих фосфор, при этом органические фосфаты поступают в окружающую среду в составе экскретов. Организмы-редуценты минерализуют органические вещества, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты, которые вновь могут быть использованы растениями и, таким образом, снова вовлекаться в круговорот.
Поскольку в круговороте фосфора отсутствует газовая фаза, фосфор как и другие биогенные элементы почвы, циркулирует в экосистеме лишь в том случае, если отходы жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. Нарушение круговорота фосфора может происходить, например, в агроэкосистемах, когда урожай вместе с извлеченными из почвы биогенами перевозится на значительные расстояния, и они не возвращаются в почву в местах потребления.
После неоднократного потребления фосфора организмами на суше и в водной среде, в конечном итоге он выводится в донные осадки в виде нерастворимых фосфатов. После поднятия осадочных пород над уровнем моря в ходе большого круговорота вновь начинают действовать процессы выщелачивания и бигенного разрушения.
Внесение фосфорных удобрений, представляющих собой продукты переработки осадочных пород, позволяет восполнить потребленный фосфор в регионах с интенсивным сельскохозяйственным производством. Однако, смыв удобрений с полей, а также поступление в водоемы фосфатов с продуктами жизнедеятельности животных и человека может приводить к перенасыщению водных экосистем фосфатами и нарушению в них экологического равновесия.
Схема круговорота фосфора приведена на рис.7.
Рис.7.
Схема круговорота фосфора
Круговорот серы
В глобальном круговороте серы (рис. 8) кроме бактерий, грибов и растений, использующих сульфат природных вод и почвы для синтеза серосодержащих аминокислот, работают еще несколько групп специализированных бактерий, осуществляющих превращения в реакцияхH 2 SоS<=>SO 4 иH 2 S<=>SO 4 .
Потребность биоты в сере относительно невелика (биофильность S»1), а природные резервуары серы огромны. Поэтому сера редко оказывается лимитирующим биогеном. Биотический круговорот серы включен в общий, в значительной своей части абиогенный, процесс постепенного превращения восстановленных форм серы (в основном сульфидных руд), сложившихся в восстановительной обстановке древней Земли, в окисленные формы. Эта тенденция существенно усиливается техногенезом.
