Большой и малый круговорот воды в биосфере. Круговорот углерода, азота, фосфора, кислорода,воды Химия окруж круговорот воды в биосфере

Биосфера – внешняя оболочка нашей планеты, в ней происходят важнейшие процессы, одна из главных ее геосфер. Круговорот веществ в биосфере – многие столетия был и по сей день остается объектом пристального внимания ученых. Благодаря круговороту веществ, формируется глобальный химический обмен для всего живого на Земле, поддерживающий жизнедеятельность каждого вида, отдельно взятого.

Быстрая навигация по статье

Два круговорота

Существует два основных круговорота:

1. геологический, его также называют большим,
2. биологический, он же малый.

Геологический имеет глобальное значение, так как осуществляет циркуляцию веществ между водными ресурсами Земли и сушей на планете. Он обеспечивает всемирный оборот воды, известный каждому школьнику: выпадение осадков, испарение, выпадение осадков, то есть - определенную схему.

Системообразующим фактором здесь является вода во всех своих агрегатных состояниях. Полный цикл этого действия дает возможность осуществляться зарождению организмов, их развитию, размножению и эволюции. Алгоритм большого цикла оборота веществ, помимо насыщения участков суши влагой, предусматривает образование и других природных явлений: образования осадочных горных пород, полезных ископаемых, магматических лав и минералов.

Биологическим круговоротом называется постоянный обмен веществ между живыми организмами и компонентами природных компонентов. Происходит это таким образом: живые организмы получают энергетические потоки, а затем, проходя процесс разложения органики, энергия снова попадает в элементы окружающей среды.

Круговорот органического вещества напрямую отвечает за обмен веществ между представителями флоры, фауны, микроорганизмами, грунтовыми породами, и так далее. Биологический круговорот обеспечивается на различных уровнях экосистемы, образуя своеобразный оборот химических реакций и различные превращения энергии в биосфере. Такая схема была сформирована много тысячелетий назад и работает все это время в одном и том же режиме.

Основные элементы

В природе существует множество химических элементов, однако, необходимых для живой природы из них не так уж и много. Выделяют четыре основных элемента:

1. кислород,
2. водород,
3. углерод,
4. азот.

Количество этих веществ, занимает более половины от всего биологического круговорота веществ в природе. Также есть элементы важные, но используемые в гораздо меньших объемах. Это фосфор, сера, железо и некоторые другие.

Биогеохимические круговороты подразделяют на такие два важных действия, как выработка солнечной энергии Солнцем и хлорофилла зелеными растениями. Химические же элементы имеют неизбежные точки соприкосновения с биогеохимическим и попутно дополняя эту процедуру.

Углерод

Этот химический элемент - важнейший компонент каждой живой клетки, организма или микроорганизма. Органические соединения углерода можно смело назвать основным компонентом возможности протекания и развития жизни.

В природе этот газ находится атмосферных слоях и, частично, в гидросфере. Именно из них происходит запитывание углеродом всех растений, водорослей и некоторых микроорганизмов.

Высвобождение газа происходит путем дыхания и жизнедеятельности живых организмов. Кроме этого, количество углерода в биосфере пополняется и из почвенных слоев, благодаря осуществляемому газообмену корневыми системами растений, разлагающимися остатками и другими группами организмов.

Понятие о биосфере и биологическом круговороте невозможно представить себе без углеродного обмена. На Земле имеется солидный запас этого химического элемента и находится он в некоторых осадочных породах, неживых организмах и ископаемых.

Поступления углерода возможны из известняковых пород, находящихся под землей, они могут обнажаться при разработках месторождений или случайных эрозиях почв.

Оборот углерода в биосфере происходит методом многократного прохождения через дыхательные системы живых организмов и накопления в абиотических факторах экосистемы.

Фосфор

Фосфор, как компонент биосферы, не так ценен в чистой форме, как в составе многих органических соединений. Некоторые из них жизненно важны: в первую очередь - это клетки ДНК, РКН и АТФ. Схема круговорота фосфора основана именно на ортофосфорном соединении, так как усваивается лучше всего именно такой вид вещества.

Вращение фосфора в биосфере, грубо говоря, состоит из двух частей:

1. водной части планеты – от переработки примитивным планктоном до отложения в виде скелетов морских рыб,
2. наземной среды – здесь он наиболее сконцентрирован в виде элементов почвы.

Фосфор является основой такого известного полезного ископаемого, как апатит. Разработки рудников с фосфорсодержащими ископаемыми весьма популярны, но это обстоятельство вовсе не поддерживает круговорот фосфора в биосфере, а наоборот, истощает его запасы.

Азот

Химический элемент Азот присутствует на планете в мизерных количествах. Примерное его содержание, в каких бы то ни было живых элементах, всего лишь около двух процентов. Но без него жизнь на планете не представляется возможной.

В круговороте азота в биосфере решающая роль принадлежит определенным видам бактерий. Большая степень участия здесь отведена азотфиксаторам и аммонифицирующим микроорганизмам. Их участие в данном алгоритме настолько значительно, что, если некоторых представителей этих видов не станет, вероятность жизни на Земле будет под вопросом.

Дело здесь в том, что этот элемент в молекулярном виде, таком, каким он выглядит в атмосферных слоях, не может быть усвоен растениями. Как следствие, чтобы обеспечить оборот азота в биосфере, необходима его переработка до аммиака или аммония. Схема переработки азота, таким образом, полностью зависит от деятельности бактерий.

Также важное участие в процессе круговорота азота в экосистеме принимает схема круговорота углерода в биосфере – оба эти цикла тесно связаны между собой.

Современные процессы производства удобрений и другие промышленные факторы имеют огромное влияние на содержание атмосферного вида азота – для некоторых местностей его количество превышено во много раз.

Кислород

В биосфере постоянно происходит круговорот веществ и превращение энергии из одного вида в другой. Важнейшим циклом в этом плане является функция фотосинтеза. Именно фотосинтез обеспечивает воздушное пространство свободным кислородом, который способен озонировать определенные слои атмосферы.

Кислород также высвобождается из молекул воды в процессе круговорота воды в биосфере. Однако данный абиотический фактор наличия этого элемента ничтожно мал по сравнению с тем количеством, которое вырабатывают растения.

Круговорот кислорода в биосфере – процесс длительный, но весьма интенсивный. Если взять весь объем этого химического элемента в атмосфере, то его полный цикл от разложения органического вещества до выделения растением в течение фотосинтеза, длится примерно две тысячи лет! У этого цикла нет перерывов, он происходит ежедневно, ежегодно, много тысячелетий.

В наше время в процессе обмена веществ происходит связывание значительного количества свободного кислорода из-за промышленных выбросов, транспортных выхлопных газов и других загрязняющих атмосферу факторов.

Вода

Понятие о биосфере и биологическом круговороте веществ трудно представить без такого важного химического соединения, как вода. Наверное, объяснять, почему - нет необходимости. Схема циркуляции воды повсюду: все живые организмы на три четверти состоят из воды. Растениям она нужна для фотосинтеза, в результате чего выделяется кислород. При дыхании также образуется вода. Если кратко оценить всю историю жизни и развития нашей планеты, то полный круговорот воды в биосфере, от разложения до новообразования, был пройден тысячи раз.

Так как в биосфере постоянно происходит круговорот веществ и превращения энергии одной в другую, то именно преобразование воды неразрывно связано практически со всеми другими циклами и оборотами в природе.

Сера

Сера, как химический элемент, принимает важное участие в построении правильной структуры белковой молекулы. Круговорот серы происходит благодаря многим видам простейших, а точнее говоря, бактерий. Аэробные бактерии окисляют серу, содержащуюся в органике до сульфатов, а затем, другие виды бактерий завершают процесс окисления до элементарной серы. Упрощенная схема, по которой можно описать круговорот серы в биосфере, выглядит как непрерывные процессы окисления и восстановления.

В процессе круговорота веществ в биосфере происходит накопление остатков серы в Мировом океане. Источники этого химического элемента – стоки речных вод, которые переносят серу потоками воды с почв и горных склонов. Выделяясь из речных и грунтовых вод в виде сероводорода, сера частично попадает в атмосферу и оттуда, включаясь в круговорот веществ, возвращается в составе дождевой воды.

Серные сульфаты, некоторые виды горючих отходов и тому подобные выбросы неизбежно приводят к повышенному содержанию диоксида серы в атмосфере. Последствия этого плачевны: кислотные дожди, заболевания органов дыхания, уничтожение растительности и другие. Преобразование серы, изначально предназначенное для нормального функционирования экосистемы, на сегодняшний день превращается в оружие поражения живых организмов.

Железо

Железо чистого вида в природе встречается очень редко. В основном, например, его можно обнаружить в останках метеоритов. Сам по себе металл этот - мягкий и податливый, но на открытом воздухе моментально вступает в реакцию с кислородом и образует оксиды и окислы. Поэтому, основной вид железосодержащего вещества – это железная руда.

Известно, что круговорот веществ в биосфере осуществляются в виде различных соединений, в том числе железо также имеет активный цикл обращения в природе. В почвенные слои или Мировой океан феррум попадает из горных пород или вместе с вулканическим пеплом.

В живой природе железо играет важнейшую роль, без него не происходит процесс фотосинтеза, не образовывается хлорофилл. В живых организмах железо используется для образования гемоглобина. Отработав свой цикл, попадает в виде органических остатков в почву.

Также существует морской круговорот железа в биосфере. Основной принцип у него похож на наземный. Некоторые виды организмов окисляют железо; здесь используется энергия, а после завершения жизненного цикла металл оседает в водных глубинах в виде руды.

Бактерии, организмы, участвующие в природных циклах экосистемы

Круговорот веществ и энергии в биосфере – непрерывный процесс, обеспечивающий своей бесперебойной работой жизнь на Земле. Основы этого цикла знакомы даже школьникам: растения, питаясь углекислым газом, выделяют кислород, животные и люди вдыхают кислород, оставляя углекислый газ как продукт переработки дыхательного процесса. Работа бактерий и грибов - перерабатывать останки живых организмов, превращая их из органики в минеральные вещества, в итоге усваиваемые растениями.

Какую функцию выполняет биологический круговорот веществ? Ответ прост: так как запас химических элементов и минералов на планете пусть и обширен, но, все равно, ограничен. Необходим именно цикличный процесс превращений и оборачиваемости всех важных компонентов биосферы. Понятие о биосфере и биологическом обмене веществ дает определение вечной продолжительности жизненных процессов на Земле.

Следует отметить, что микроорганизмы в данном вопросе играют очень большую роль. Например, круговорот фосфора невозможен без нитрифицирующих бактерий, окислительные процессы железа не работают без железобактерий. Клубеньковые бактерии играют большую роль в природном обороте азота – без них подобный цикл просто остановился бы. В круговороте веществ в биосфере плесневые грибы являются своего рода санитарами, разлагающими органические остатки до минеральных составляющих.

Каждый класс организмов, населяющих планету, выполняет свою важную роль в переработке тех или иных химических элементов, вносит вклад в понятие о биосфере и биологическом круговороте. Самый примитивный пример иерархии животного мира – пищевая цепь, однако, функций у живых организмов намного больше, а результат глобальнее.

Каждый организм, по сути, является составляющим биосистемы. Чтобы оборот веществ в биосфере работал циклично и правильно, важно соблюдение баланса между количеством поступающего в биосферу вещества и тем количеством, которое могут переработать микроорганизмы. К сожалению, с каждым последующим циклом круговорота в природе этот процесс все больше нарушается вследствие человеческого вмешательства. Экологические вопросы становятся глобальными проблемами экосистемы и пути их решения дорогостоящие финансово, еще более дорогие, если оценивать их со стороны прохождения естественных природных процессов.

Вода - это необходимое вещество в составе любых живых организмов. Основная масса воды на планете сосредоточена в гидросфере. Испарение с поверхности водоёмов представляет источник атмосферной влаги; конденсация её вызывает осадки, с которыми в конце концов вода возвращается в океан. Этот процесс составляет большой круговорот воды. На поверхности Земного шара.

В пределах экосистем осуществляются процессы, усложняющие большой круговорот и обеспечивающие его биологически важную часть. В процессе перехвата растительность способствует испарению в атмосферу части осадков раньше, чем они достигнут поверхности земли.Вода осадков, достигшая почвы, просачивается в неё и либо образует одну из форм почвенной влаги, либо присоединяется к поверхностному стоку; частично почвенная влага может по капиллярам подняться на поверхность и испариться. Из более глубоких слоёв почвы влага всасывается корнями растений; часть её достигает листьев и транспирируется в атмосферу.

Эвапотранспирация - это суммарная отдача воды из экосистемы в атмосферу. Она включает как физически испаряемую воду, так и влагу, транспирируемую растениями. Уровень транспирации различен для разных видов и в разных ландшафтно-климатических зонах.

Если количество воды, просочившейся в почву, превышает её влагоёмкость, то она достигает уровня грунтовых вод и входит в их состав. Подземный сток связывает почвенную влагу с гидросферой.

Таким образом, для круговорота воды в пределах экосистем наиболее важны процессы перехвата, эвапотранспирации, инфильтрации и стока.

В целом круговорот воды характеризуется тем, что в отличие от углерода, азота и других элементов вода не накапливается и не связывается в живых организмах, а проходит через экосистемы почти без потерь; на формирование биомассы экосистемы используется лишь около 1 % воды, выпадающей с осадками.

И так, Малый круговорот имеет следующую структуру: испарение влаги с поверхности океана (водоема) - конденсация водяного пара - выпадение осадков на эту же водную поверхность океана (водоёма).

Большой круговорот - это круговорот воды между сушей и океаном (водоемом). Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана (на что затрачивается почти половина поступающей к поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока. Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды.

Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения её в биохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн. лет.

Круговорот кислорода

Круговорот кислорода. Кислород (О2) играет важную роль в жизни большинства живых организмов на нашей планете. В количественном отношении это главная составляющая живой материи. 349

Например, если учитывать воду, которая содержится в тканях, то тело человека содержит 62,8% кислорода и 19,4% углерода. В целом в биосфере этот элемент по сравнению с углеродом и водородом является основным среди простых веществ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода с живыми организмами или их остатками после гибели. Растения, как правило, производят свободный кислород, а животные являются его потребителями путем дыхания. Будучи самым распространенным и подвижным элементом на Земле, кислород не лимитирует существование и функции экосферы, хотя доступность кислорода для водных организмов может временно и ограничиться. Круговорот кислорода в биосфере необычайно сложен, так как с ним в реакцию вступает большое количество органических и неорганических веществ. В результате возникает множество эпициклов, происходящих между литосферой и атмосферой или между гидросферой и двумя этими средами. Круговорот кислорода в некотором отношении напоминает обратный круговорот углекислого газа. Движение одного происходит в направлении, противоположном движению другого

Потребление атмосферного кислорода и его возмещение первичными продуцентами происходит сравнительно быстро. Так, для полного обновления всего атмосферного кислорода требуется 2000 лет. В наше время фотосинтез и дыхание в природных условиях, без учета деятельности человека, с большой точностью уравновешивают друг друга. В связи с этим накопления кислорода в атмосфере не происходит, и его содержание (20,946%) остается постоянным.

Первоисточник воды, главное водохранилище нашей планеты - Мировой океан. Его можно сравнить с гигантским паровым котлом, который нагревается солнцем. Это первоисточник мирового круговорота воды в природе. Каждый час с квадратного километра водной поверхности этого котла в атмосферу Земли поступает в среднем, около 1000 тонн пара, а в тропиках под палящими лучами полуденного солнца испаряется в 2-3 раза больше. Здесь, над безбрежными просторами океана, собирается в воздухе огромное количество водяных паров, образуются мощные облака. Здесь зарождаются грозные тропические ураганы и начинаются могучие воздушные течения. Они, как конвейер, переносят влагу по всему земному шару.

Большой круговорот

Большой круговорот наиболее четко проявляется в циркуляции воздушных масс и воды. В основе большого (геологического) круговорота лежит процесс переноса веществ, в основном минеральных соединений, из одного места в другое в масштабе планеты.

Около 30% падающей на Землю солнечной энергии расходуется на перемещение воздуха, испарение воды, выветривание горных пород, растворение минералов и т.п. Движение воды и ветра, в свою очередь, приводит к эрозии почв и горных пород, транспорту, перераспределению, осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане. В течение длительного времени образующиеся морские отложения могут возвращаться на поверхность суши, и процессы возобновляются. К этим циклам подключаются вулканическая деятельность, землетрясения и движение океанических плит в земной коре.

Круговорот воды, включающий ее переход из жидкого в газообразное и твердое состояния и обратно, - один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ. В процессе гидрологического цикла происходят значительное перераспределение и существенная очистка планетарных запасов воды. При этом следует отметить, что наибольшей скоростью обновления обладают наиболее важные для существования живой среды суши – пресные воды. Период их оборота составляет в среднем около 11 суток.

Малый круговорот.

На базе большого геологического круговорота возникает круговорот органических веществ, или малый, биологический (биотический) круговорот.

В основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей.

В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества, как уже упоминалось, затрачивается всего около 1% падающей на Землю лучистой энергии. Однако эта энергия, вовлеченная в биологический круговорот, совершает огромную работу по созиданию живого вещества. Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усвояемую форму для других.

Все абиотические и биотические планетарные циркуляции веществ тесно переплетены и образуют глобальный системно существующий круговорот, с перераспределением энергии Солнца, с отсутствием противоречий между его отдельными ветвями и практически с нулевым вещественным балансом.

Кафедра «Экология»

Курсовая работа
по предмету учение о биосфере
на тему: «Круговорот воды в биосфере»

Выполнила:
студентка группы ЭКЛ-41
Азизова М.Н.

Проверил:
______________________________ _____к. б. н., доцент Беляченко А. А.
Члены комиссии:
______________________________ ____к. б. н., доцент Абросимова О. В.

Зав. кафедрой _______________________д. б. н., проф. Тихомирова Е. И.

Саратов 2012

Введение
Известно, что человеческий организм почти на 65% состоит из воды. Вода входит в состав тканей, без нее невозможно нормальное функционирование организма, осуществление процесса обмена, поддержание теплового баланса, удаление продуктов метаболизма и т.д.
Потеря организмом большого количества воды опасна для жизни человека. В жарких районах без воды человек может погибнуть через 5-7 суток, а без пищи при наличии воды человек может жить длительное время. Даже в холодных поясах для сохранения нормальной работоспособности человеку нужно около 1,5-2,5 литров воды в сутки.
Если количество воды, которое теряет человек, достигает 10% массы тела в сутки, наступает значительное снижение работоспособности, а если оно возрастает до 25%, то это обычно приводит к смерти. Однако даже при большой потере воды все нарушенные процессы в организме быстро восстанавливаются, если организм пополнится водой до нормы.
Использование в быту. Еда и напитки: Вода, используемая для питья, приготовления пищи, льда, напитков, консервов, и многих других пищевых продуктов, только маленькая часть обширного спектра ее применения. Однако это требует соблюдения стандарта качества на питьевую воду
Промышленное применение. Использование воды в промышленности зависит от характера и объема промышленности конкретного региона. Это могут быть системы охлаждения и отопления, производство пищевых продуктов, переработка отходов производства и т.д.
Недостаток влаги служит ограничивающим фактором, определяющим границы жизни и ее зональное распределение. При недостатке воды у животных и растений вырабатываются приспособления к ее добыванию и сохранению.

Общие сведения о воде

Рис 2. Круговорот воды в биосфере.

Круговорот воды в природе (гидрологический цикл) - процесс циклического перемещения воды в земной биосфере. Состоит из испарения, конденсации и осадков.

Моря теряют из-за испарения больше воды, чем получают с осадками, на суше - положение обратное. Вода непрерывно циркулирует на земном шаре, при этом её общее количество остаётся неизменным.

Три четверти поверхности земного шара покрыты водой. Водную оболочку Земли называют гидросферой. Большую ее часть составляет соленая вода морей и океанов, а меньшую - пресная вода озер, рек, ледников, грунтовые воды и водяной пар.

На земле вода существует в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Без воды невозможно существование живых организмов. В любом организме вода является средой, в которой происходят химические реакции, без которых не могут жить живые организмы. Вода является самым ценным и самым необходимым веществом для жизнедеятельности живых организмов.

Постоянный обмен влагой между гидросферой, атмосферой и земной поверхностью, состоящий из процессов испарения, передвижения водяного пара в атмосфере, его конденсации в атмосфере, выпадения осадков и стока, получил название круговорота воды в природе. Атмосферные осадки частично испаряются, частично образуют временные и постоянные водостоки и водоемы, частично - просачиваются в землю и образуют подземные воды.

Различают несколько видов круговоротов воды в природе:

1. Большой, или мировой, круговорот - водяной пар, образовавшийся над поверхностью океанов, переносится ветрами на материки, выпадает там в виде атмосферных осадков и возвращается в океан в виде стока. В этом процессе изменяется качество воды: при испарении соленая морская вода превращается в пресную, а загрязненная - очищается.

2. Малый, или океанический, круговорот - водяной пар, образовавшийся над поверхностью океана, сконденсируется и выпадает в виде осадков снова в океан.

3. Внутриконтинентальный круговорот - вода, которая испарилась над поверхностью суши, опять выпадают на сушу в виде атмосферных осадков.

В конце концов, осадки в процессе движения опять достигают Мирового океана.

Ф-Х свойства воды

1. Поверхностное натяжение - это степень сцепления молекул воды друг с другом. Органические и неорганические соединения растворяются в жидких средах, содержащих воду, поэтому поверхностное натяжение потребляемой нами воды имеет большое значение. Любая жидкость в организме содержит воду и, так или иначе, участвует в реакциях. Вода в организме играет роль растворителя, обеспечивает транспортную систему и служит средой обитания наших клеток. Поэтому, чем ниже поверхностное натяжение, соответственно, выше растворяющая способность воды, тем лучше вода выполняет свои основные функции. В том числе и роль транспортной системы. Поверхностное натяжение определяет смачиваемость воды и ее растворяющие свойства. Чем ниже поверхностное натяжение, тем выше растворяющие свойства, тем выше текучесть. Все три величины - поверхностное натяжение, текучесть и растворяющая способность - связаны между собой.

2. Кислотно-щелочное равновесие воды. Основные жизненные среды (кровь, лимфа, слюна, межклеточная жидкость, спинномозговая жидкость и др.) имеют слабощелочную реакцию. При сдвигах их в кислую сторону, меняются биохимические процессы, организм закисляется. Это ведет к развитию болезней.

3. Окислительно-восстановительный потенциал воды. Это способность воды вступать в биохимические реакции. Она определяется наличием свободных электронов в воде. Это очень важный показатель для организма человека.

4. Жесткость воды - наличие в ней различных солей.

5. Температура воды определяет скорость протекания биохимических реакций.

6. Минерализация воды. Наличие в воде макро- и микроэлементов необходимо для жизнедеятельности организма человека. Жидкости организма представляют собой электролиты, восполняемые минералами, в том числе и за счет воды.

7. Экология воды - химическое загрязнение и биогенное загрязнение. Чистота воды - наличие в ней примесей, бактерий, солей тяжелых металлов, хлора и др.

8. Структура воды. Вода представляет собой жидкий кристалл. Диполи молекулы воды ориентируются в пространстве определенным образом, соединяясь в структурные конгломераты. Это позволяет жидкости составлять единую биоэнергоинформационную среду. Когда вода находится в состоянии твердого кристалла (льда), молекулярная решетка жестко ориентирована. При таянии разрываются жесткие структурные молекулярные связи. И часть молекул, высвобождаясь, образует жидкую среду. В организме вся жидкость структурирована особым образом.

9. Информационная память воды. За счет структуры кристалла происходит запись информации, исходящей от биополя. Это одно из очень важных свойств воды, имеющее большое значение для всего живого.

10. Хадо - волновая энергетика воды.

2. Биологическое значение воды

Вода как растворитель. Вода – превосходный растворитель для полярных веществ. К ним относятся ионные соединения, такие как соли, у которых заряженные частицы (ионы) диссоцииируют в воде, когда вещество растворяется, а также некоторые неионные соединения, например сахара и простые спирты, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы (-OH).

Когда вещество растворяется, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно и, соответственно, его реакционная способность возрастает. По этой причине в клетке большая часть химических реакций протекает в водных растворах. Неполярные вещества, например липиды, не смешиваются с водой и потому могут разделять водные растворы на отдельные компартаменты, подобно тому, как их разделяют мембраны. Неполярные части молекул отталкиваются водой и в её присутствии притягиваются друг к другу, как это бывает, например, когда капельки масла сливаются в более крупные капли; иначе говоря, неполярные молекулы гидрофобны. Подобные гидрофобные взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых молекул, нуклеиновых кислот и других субклеточных структур.

Присущие воде свойства растворителя означают также, что вода служит средой для транспорта различных веществ. Эту роль она выполняет в крови, в лимфатической и экскреторных системах, в пищеварительном тракте и во флоэме и ксилеме растений.

Большая теплоёмкость. Удельной теплоёмкостью воды называют количество теплоты в джоулях, которое необходимо, чтобы поднять температуру 1 кг воды на 1° C. Вода обладает большой теплоёмкостью (4,184 Дж/г). Это значит, что существенное увеличение тепловой энергии вызывает лишь сравнительно небольшое повышение её температуры. Объясняется такое явление тем, что значительная часть этой энергии расходуется на разрыв водородных связей, ограничивающих подвижность молекул воды.

Большая теплоёмкость воды сводит к минимуму происходящие в ней температурные изменения. Благодаря этому биохимические процессы протекают в меньшем интервале температур, с более постоянной скоростью и опасность нарушения этих процессов от резких отклонений температуры грозит им не столь сильно. Вода служит для многих клеток и организмов средой обитания, для которой характерно довольно значительное постоянство условий.

Большая теплота испарения. Скрытая теплота испарения есть мера количества тепловой энергии, которую необходимо сообщить жидкости для её перехода в пар, то есть для преодоления сил молекулярного сцепления в жидкости. Испарение воды требует довольно значительных количеств энергии (2494 Дж/г). Это объясняется существованием водородных связей между молекулами воды. Именно в силу этого температура кипения воды – вещества со столь малыми молекулами – необычно высока.

Энергия, необходимая молекулам воды для испарения, черпается из их окружения. Таким образом, испарение сопровождается охлаждением. Это явление используется у животных при потоотделении, при тепловой одышке у млекопитающих или у некоторых рептилий (например, у крокодилов), которые на солнцепёке сидят с открытым ртом; возможно, оно играет заметную роль и в охлаждении транспирирующих листьев.

Большая теплота плавления. Скрытая теплота плавления есть мера тепловой энергии, необходимой для расплавления твёрдого вещества (льда). Воде для плавления (таяния) необходимо сравнительно большое количество энергии. Справедливо и обратное: при замерзании вода должна отдать большое количество тепловой энергии. Это уменьшает вероятность замерзания содержимого клеток и окружающей их жидкости. Кристаллы льда особенно губительны для живого, когда они образуются внутри клеток.

Плотность и поведение воды вблизи точки замерзания. Плотность воды (максимальна при +4° С) от +4 до 0° С понижается, поэтому лёд легче воды и в воде не тонет. Вода – единственное вещество, обладающее в жидком состоянии большей плотностью, чем в твёрдом, так как структура льда более рыхлая, чем структура жидкой воды.

Поскольку лёд плавает в воде, он образуется при замерзании сначала на её поверхности и лишь под конец в придонных слоях. Если бы замерзание прудов шло в обратном порядке, снизу вверх, то в областях с умеренным или холодным климатом жизнь в пресноводных водоёмах вообще не могла бы существовать. То обстоятельство, что слои воды, температура которых упала ниже 4° С, поднимаются вверх, обусловливает перемешивание воды в больших водоёмах. Вместе с водой циркулируют и находящиеся в ней питательные вещества, благодаря чему водоёмы заселяются живыми организмами на большую глубину.

После проведения ряда экспериментов было установлено, что связанная вода при температуре ниже точки замерзания не переходит в кристаллическую решётку льда. Это энергетически невыгодно, так как вода достаточно прочно связана с гидрофильными участками растворённых молекул. Это находит применение в криомедицине.

Большое поверхностное натяжение и когезия. Когезия – это сцепление молекул физического тела друг с другом под действием сил притяжения. На поверхности жидкости существует поверхностное натяжение – результат действующих между молекулами сил когезии, направленных внутрь. Благодаря поверхностному натяжению жидкость стремится принять такую форму, чтобы площадь её поверхности была минимальной (в идеале – форму шара). Из всех жидкостей самое большое поверхностное натяжение у воды (7,6 10-4 Н/м). Значительная когезия, характерная для молекул воды, играет важную роль в живых клетках, а также при движении воды по сосудам ксилемы в растениях. Многие мелкие организмы извлекают для себя пользу из поверхностного натяжения: оно позволяет им удерживаться на воде или скользить по её поверхности.

Вода как реагент. Биологическое значение воды определяется и тем, что она представляет собой один из необходимых метаболитов, то есть участвует в метаболических реакциях. Вода используется, например, в качестве источника водорода в процессе фотосинтеза, а также участвует в реакциях гидролиза.

Вода непрерывно циркулирует на земном шаре, при этом ее общее количество остается неизменным.

Пото́к эне́ргии - это количество энергии, переносимое через некоторую произвольную площадку в единицу времени. Единицей измерения потока энергии является ватт, равный одному джоулю, делённому на секунду. Пирамиды энергетических потоков.

С каждым переходом из одного трофического уровня в другой в пределах пищевой цепи или сети совершается работа и в окружающую среду выделяется тепловая энергия, а количество энергии высокого качества, используемой организмами следующего трофического уровня, снижается.Правило 10%: при переходе с одного трофического уровня на другой 90% энергии теряется, и 10% передается на следующий уровень. Чем длиннее пищевая цепь, тем больше теряется полезной энергии. Поэтому длина пищевой цепи обычно не превышает 4 - 5 звеньев.

Круговорот кислорода. Биогенное значение кислорода. Биохимические, анатомические и физиологические механизмы использования кислорода организмами. Резервный фонд круговорота кислорода, источники поступления кислорода в биосферу.

КРУГОВОРОТ КИСЛОРОДА, взаимообмен кислородом, осуществляемый между атмосферой и океанами, между процессами, происходящими в животных и растениях, и химическим горением. Основным источником возобновления кислорода на Земле является ФОТОСИНТЕЗ, процесс, происходящий в растениях, при котором происходит выделение кислорода. Растворенный в воде кислород поглощается водными формами жизни посредством ДЫХАНИЯ, процесса, жизненно-важного для всех форм жизни, кроме анаэробных бактерий. Этот химический элемент обладает высочайшим свойством к окислению, образуя множество окислов, как с металлами, так и с неметаллами. Именно поэтому многие металлы и неметаллы не встречаются в чистом виде, а только в виде руд, которые по своему составу являются различными окислами. Это - наиболее распространенный элемент Земли. Морская вода содержит его свыше 80%, а почти половина веса земной коры принадлежит кислороду. Такое высокое содержание кислорода стало возможным благодаря фотосинтезу. Зеленые растение под действием солнечного света превращают двуокись углерода и воду в углеводы и кислород. Его значение для жизни на Земле трудно переоценить. Все соединения этого элемента и он сам играют огромную роль в обмене веществ любого живого организма, от одноклеточных до многоклеточных. Почти все организмы получают энергию для своей жизнедеятельности благодаря участию кислорода в процессах окисления. Если процессы дыхания, горения и гниения уменьшают количество кислорода в атмосфере, то фотосинтез зеленых растений его активно пополняет. Поэтому таким важным для Земли является сохранение имеющейся площади зеленых насаждений.

В каждом цикле различают две части или два фонда:

Резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ, в основном небиологический компонент;

Подвижный, или обменный, фонд – меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением. Для биосферы в целом все биогеохимические круговороты делят на круговороты газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан) и осадочный цикл с резервным фондом в земле.

Круговорот серы. Биологическое значение серы. Резервный фонд серы. Микробиологические процессы в круговороте серы. Антропогенная трансформация круговорота серы. Поступление серы в атмосферу. Проблема загрязнения атмосферы соединениями серы.

Круговорот серы охватывает воду, почву и атмосферу с осадками. Сера имеет важное биологическое значение, поскольку входит в состав широко распространенных в живой природе аминокислот, белков и других органических соединений. Сера содержится во всех организмах.

Сера химически активна и особенно легко соединяется при нагревании почти со всеми элементами. Сера попадает в атмосферу в виде:

Сероводорода (H2S – бесцветный, сильно ядовитый газ) при извержении вулканов, при разложении органических веществ в затапливаемых низинах и болотах;

Диоксида серы (SО2 – бесцветный удушливый газ) при извержении вулканов и частиц сульфатных солей из мельчайших брызг океанической воды.

С кислородом при температуре более 300о С сера образует оксиды: SO2 – сернистый ангидрид и SO3 – серный ангидрид. Они образуются в процессах сжигания топлива в котельных установках и являются источниками для образования кислых дождей.

В большом геологическом круговороте сера переносится с океана на материки с атмосферными осадками, а возвращается в океан со стоком. Одновременно ее запасы в атмосфере пополняются за счет вулканической деятельности. Основные резервы серы находятся в почве и отложениях. В обменном фонде главная роль принадлежит микроорганизмам, одни из которых восстановители, а другие – окислители.

В малом круговороте сульфаты поглощаются растениями, и затем по цепям питания серу получают животные. При разрушении остатков организмов образуется сероводород, который в дальнейшем окисляется или до элементарной серы, или до сульфитов, а частично улетучивается в атмосферу.

Для серы характерен обширный резервный фонд в земной коре и меньший - в атмосфере и гидросфере.

Круговорот серы.Около трети всех соединений серы и 99% диоксида серы, попадающих в атмосферу, имеют антропогенное происхождение. Сжигание серосодержащих углей и нефти для производства электроэнергии дает примерно две трети всех антропогенных выбросов диоксида серы в атмосферу. Оставшаяся треть выделяется во время таких технологических процессов, как переработка нефти, выплавка металлов из серосодержащих медных, свинцовых и цинковых руд.

Существуют три основных источника естественной эмиссии серы.

1. Процессы разрушения биосферы. С помощью анаэробных (действующих без участия кислорода) микроорганизмов происходят различные процессы разрушения органических веществ. Благодаря этому содержащаяся в них сера образует газообразные соединения. Вместе с тем определенные анаэробные бактерии извлекают из сульфатов, растворенных в естественных водах, кислород, в результате чего образуются сернистые газообразные соединения.3

Из указанных веществ сначала в атмосфере был обнаружен сероводород, а затем с развитием измерительных приборов и способов отбора проб воздуха удалось выделить ряд органических газообразных соединений серы. Наиболее важными источниками этих газов являются болота, зоны приливов и отливов у береговой линии морей, устья рек и некоторые почвы, содержащие большое количество органических веществ.

Поверхность моря также может содержать значительные количества сероводорода. В его возникновении принимают участие морские водоросли. Можно предположить, что выделение серы биологическим путем не превышает 30-40 млн т в год, что составляет около 1/3 всего выделяемого количества серы.

2. Вулканическая деятельность. При извержении вулкана в атмосферу наряду с большим количеством двуокиси серы попадают сероводород, сульфаты и элементарная сера. Эти соединения поступают главным образом в нижний слой - тропосферу, а при отдельных, большой силы извержениях наблюдается увеличение концентрации соединений серы и в более высоких слоях - в стратосфере. С извержением вулканов в атмосферу ежегодно в среднем попадает около 2 млн т серосодержащих соединений. Для тропосферы это количество незначительно по сравнению с биологическими выделениями, для стратосферы же извержения вулканов являются самым важным источником появления серы.

В результате деятельности человека в атмосферу попадают значительные количества соединений серы, главным образом в виде ее двуокиси. Среди источников этих соединений на первом месте стоит уголь, сжигаемый в зданиях и на электростанциях, который дает 70% антропогенных выбросов. Содержание серы (несколько процентов) в угле достаточно велико (особенно в буром угле). В процессе горения сера превращается в сернистый газ, а часть серы остается в золе в твердом состоянии. 4