Круговорот углерода. Фотосинтез

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

Экология –  наука, изучающая условия существования  живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. В настоящее время стихийное развитие взаимоотношений с природой представляет опасность для существования не только отдельных объектов, территорий, стран и т. п., но и для всего человечества.

Это объясняется  тем, что человек тесно связан с живой природой происхождением, материальными и духовными потребностями, но, в отличие от других организмов, эти связи приняли такие масштабы и формы, что это может привести к практически полному вовлечению живого покрова планеты (биосферы) в жизнеобеспечение современного общества, поставив человечество на грань экологической катастрофы.

Таким образом, при написании данной контрольной  работы был раскрыт следующий вопрос:  Круговорот углерода в биосфере – пример четко отлаженного в ходе эволюции механизма функционирования двух фундаментальных процессов – фотосинтеза и клеточного дыхания.

Нет ничего удивительного  в том, что присутствие на Земле  почти 5 млрд. человек существенно  меняет природные системы. С некоторыми из этих изменений приходится смириться, чтобы продолжить использование жизненно необходимых человеку природных ресурсов.

По мнению участников Рамочной Конвенции ООН об изменении климата (РКИК) с вероятностью 90% потепление происходит из-за антропогенного влияния, в связи с этим в 1997 году был принят Киотский протокол, нацеленный на достижение основной цели Конвенции – предотвратить опасное антропогенное воздействие на климатическую систему.

Проблема изменения  климата в результате эмиссии  парниковых газов должна рассматриваться как одна из самых важных современных проблем, связанных с долгосрочными воздействиями на окружающую среду.

1. КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА

Самый интенсивный  биогеохимический цикл – круговорот углерода. В природе углерод существует в двух основных формах – в карбонатах, т.е. известняках и углекислом газе.

Основная масса  аккумулирована в карбонатах на дне океана, в кристаллических породах, каменном угле и нефти и участвует в большом цикле круговорота.

Углерод имеет  исключительное значение для живого вещества. Из углерода в биосфере создаются миллионы органических соединений. Углекислота из атмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого зелеными растениями, ассимилируется и превращается в разнообразные органические соединения растений. Растения частично поедаются животными, при этом образуются пищевые цепи. В конечном счете, органическая масса в результате дыхания, гниения и горения превращается в углекислый газ или отлагается в виде сапропеля, гумуса, торфа, которые, в свою очередь, дают начало многим другим соединениям – каменным углям, нефти. В активном круговороте участвует очень небольшая часть всей массы углерода. Огромное количество углекислоты законсервировано в виде ископаемых известняков и других пород.

Между углекислым газом атмосферы и водой океана существует равновесие. Организмы поглощают углекислый кальций, создают свои скелеты, а затем из них образуются пласты известняков. Особенно мощным источником являются вулканы, которые состоят из паров воды и углекислого газа.

В пределах суши, где имеется растительность, углекислый газ атмосферы поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания углекислого газа в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства и транспорта.

 

2. ФОТОСИНТЕЗ - ОСНОВА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ УГЛЕРОДА В ПРИРОДЕ

1. Фотосинтез и первичная биологическая продуктивность

Фотосинтез  — процесс образования органических веществ из углекислого газа и  воды на свету при участии фотосинтетических  пигментов. В современной физиологии растений под фотосинтезом понимается совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях.

Фотосинтез  является основным источником биологической  энергии, фотосинтезирующие автотрофы  используют её для синтеза органических веществ из неорганических, гетеротрофы  существуют за счёт энергии, запасённой автотрофами в виде химических связей, высвобождая её в процессах дыхания и брожения. Энергия, получаемая человечеством при сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ, торф) также является запасённой в процессе фотосинтеза.

Фотосинтез является главным входом неорганического углерода в биологический цикл. Весь свободный кислород атмосферы — биогенного происхождения и является побочным продуктом фотосинтеза. Формирование окислительной атмосферы (кислородная катастрофа) полностью изменило состояние земной поверхности, сделало возможным появление дыхания, а в дальнейшем, после образования озонового слоя, позволило жизни выйти на сушу.

Биологическая продуктивность, образование биомассы организмами, выражаемое потоками органического вещества и его потенциальной химической энергии на единицу площади за единицу времени. Понятие биологическая продуктивность применимо к растительности, сообществам (фитоценозам), к их отдельным ярусам, к отдельным популяциям растений и животных. Продуктивность всех популяций организмов на единицу площади характеризует биологическая продуктивность биогеоценозов и экосистем. Биологическая продуктивность количественно оценивают по её результату главным образом по годичной биологической продукции сухого органического вещества (в т/га • год, г/м2 • год), или энергии (Дж/м2 • год, ккал/га • год, кал/м2 • год). Специфику процесса изучает физиология растений. Биологическая продуктивность иногда отождествляют с запасами биомассы на единицу площади, что может лишь отчасти характеризовать биологическая продуктивность. Различают первичную и вторичную биологическую продуктивность. Первичная, характеризуется образованием биомассы в процессе фотосинтеза зелёными растениями, которые образуют первый трофический уровень экосистемы и служат началом всех цепей питания. К первичным продуцентам относят и некоторые хемо синтезирующие бактерии. В процессе утилизации вещества и энергии первичной продукции образуется биомасса всех гетеротрофных организмов (бактерий, грибов и животных), называемых консументами. Продукция коносаментов характеризует вторичную биологическая продуктивность, к которой относят и массу хищных животных, питающихся растительноядными и другими хищниками. Рис. 1.

Рисунок 1. Первичная биологическая продуктивность

При исследованиях  первичной биологической продуктивности наземных биогеоценозов определяют ряд показателей, которые затем  используют в качестве отдельных  статей баланса органические вещества на конкретных участках. Продукция, определяемая с учётом затрат вещества и энергии на процессы метаболизма самих организмов-продуцентов, называется первичной брутто-продукцией, или валовой продукцией (обычно обозначают GPP — от англ, gross primary production). Разность между первичной брутто-продукцией и затратами растений на дыхание (Ra) определяет первичную нетто-продукцию — NPP (от англ, net primary production). В лесном фитоценозе NPP включает в себя не только чистую продукцию прироста за учитываемый период (истинный прирост фитомассы) — NEP (net ecosystem production), но и продукцию, перешедшую за то же время в опад (листья, цветки, семена и др.) и отпад (отмершие деревья, сучья и др.), которые суммарно обозначаются L, а также часть продукции живых растений, пошедшую на корм животных-фитофагов (консумпцию) — Сa. Сумму этих показателей часто называют гетеротрофным дыханием (Rh), поскольку энергия в обоих этих потоках (Rh=L+Ca) освобождается главным образом с участием гетеротрофных организмов. Для консументов, независимо от их трофической специализации, применяют иную схему. Отчуждаемая при консумпции фитофагами продукция растений в некотором количестве поедается животными, остальная (огрызки, объедки) поступает в опад. Съеденная пища частично ассимилируется организмами, частично экс ретируется и поступает в детрит. За счёт продуктов ассимиляции происходит прирост биомассы, т. е. формируется продукция и поддерживаются процессы метаболизма. В продукцию включаются вещество или энергия прироста (привеса) животных за изучаемый период и прироста потомства. Эти величины, с учётом вещества и энергии элиминированных особей, характеризуют прирост биомассы животных. Биомасса животных-иммигрантов в продукцию не включается. При этом ассимилированная пища и прирост биомассы животных соответствуют общей (брутто) и чистой (нетто) продукции автотрофов.

Первичная биологическая  продуктивность зависит от интенсивности  фотосинтеза растениями и продолжительности  его периода, фотосинтезирующей  поверхности фитоценозов и древостоев, выражаемой индексом листовой поверхности  и характером расположения листвы в толще полога, а также от количества поступающей фотосинтетической радиации, условий увлажнения и минерального питания. Кульминация первичной продукции насаждений, выражаемая чистой продукцией (NPP) или истинным приростом фитомассы (NEP), приходится на возраст 20—40 лет. Однако в искусственных насаждениях она наступает раньше, чем в естественных, хотя с возрастом различия лесных культур и естественных древостоев сглаживаются.

2.  Физиологическая роль азота, круговорот азота в атмосфере

Азот – биоэлемент, структурная единица органических соединений, участвует в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности. Входит в состав важнейших биополимеров: белков, нуклеиновых кислот (ДНК, РНК); некоторых витаминов и гормонов. В воздухе азота содержится 78% по объему и 75,5% по массе.

Азотфиксирующие бактерии способны усваивать азот непосредственно  из воздуха, превращая его в аммиак. Они живут самостоятельно, например азотобактер, цианобактерии, азоспириллы, или поселяются в корнях бобовых  растений (клевер, горох, люпин и др.) – бактерии рода ризобиум. На 1 га почвы в атмосфере содержится более 70 тыс. т свободного азота, и только в результате азотфиксации часть этого азота становится доступной для питания высших растений, содержание доступного для растения азота в почве очень невелико.

Растения поглощают  азот из почвы в виде растворимых  нитратов и солей аммония (NH4+). Соли транспортируются в стебли и листья, где в процессе биосинтеза очень  быстро превращаются в аминокислоты и белки – неотъемлемую часть любого живого организма.

Азот составляет 0,3–4,5% от массы растения. Он усиливает  рост стеблей и листьев. При недостатке азота замедляется рост растения, образование хлорофилла, листья приобретают  бледно-зеленую окраску и преждевременно желтеют, стебли становятся тонкими и слабо ветвятся, вновь образующиеся листья мельчают, цветки, не раскрываясь, засыхают и опадают. При длительном азотном голодании бледно-зеленые листья приобретают желтый, оранжевый или красный оттенки.

Круговорот  азота тесно связан с круговоротом углерода. Как правило, азот следует за углеродом, вместе с которым он участвует в образовании всех протеиновых веществ.

Атмосферный воздух, содержащий 78% азота, является неисчерпаемым  резервуаром. Однако часть живых  организмов не может использовать этот азот. Он должен входить в состав ионов аммония (NH4+) или нитрата (NO3-).

Важную роль в превращении газообразного азота в аммонийную форму, играют бактерии из рода Rhizobium, живущие в клубеньках на корнях бобовых растений, получая от них доступную форму азота. По пищевым цепям органический азот передается от бобовых другим организмам экосистемы.

В водной среде  также существуют нитрифицирующие бактерии, сине-зеленые водоросли некоторых родов.

Образование нитратов неорганическим путем постоянно  происходит в атмосфере в процессе электрических разрядов во время гроз, а затем выпадением с дождями на поверхность почвы, а так же вулканы, компенсирующие потери азота.

3. Поглощение минеральных веществ корнями растений

Корень зеленого растения имеет свое характерное строение. Верхняя, наиболее старая, его часть покрыта слоем пробковой ткани и не участвует в питании растений, нижняя, молодая, - оболочками, легко проницаемыми для воды и солей. Растущий корень имеет 4 зоны.

Самой молодой  растущей частью корня является его кончик, покрытый снаружи защитным корневым чехликом (рис. 2). Корневой чехлик предохраняет нежные делящиеся клетки корневой меристемы от разрушения, способствует росту корня и проникновению его в глубь почвы. Клетки корневого чехлика содержат крахмальные зерна, которые редко используются растением для питания. Наружные клетки чехлика систематически стираются при росте корня и гибнут, образуя большое количество слизи, которая облегчает продвижение корня в почве. Внутри чехлика все время нарастают новые клетки, поэтому объем его не изменяется.

Рисунок 2. Продольный разрез кончика корня пшеницы:

1 - зона всасывания  с корневыми волосками; 2 - зона  роста; 3 - зона делящихся клеток; 4 - корневой чехлик

 Непосредственно  под корневым чехликом находится  конус нарастания корня. Эта часть корня называется зоной делящихся клеток и по длине занимает всего несколько миллиметров. Выше зоны делящихся клеток находится зона роста, которая также составляет несколько миллиметров.

 Над зоной  роста расположена зона всасывания. Поверхность корня в этой зоне густо покрыта корневыми волосками - выростами клеток. Они служат для всасывания из почвы воды и минеральных солей; размеры их малы, и они различимы только с помощью оптического увеличения. Оболочки волосков пронизаны обычно тяжами протоплазмы, благодаря чему осуществляется непосредственный контакт внутреннего содержимого клеток с почвой. Корень непрерывно растет и образует все новые волоски, старые же быстро отмирают. Корневых волосков вырастает очень много.

Выше зоны всасывания расположена зона боковых корней. Там извлеченная корневыми волосками передвигается от корня вверх по стеблю.

 

3. ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ И МЕРЫ ПО БОРЬБЕ С НИМ НА НАЦИОНАЛЬНОМ И МЕЖДУНАРОДНОМ УРОВНЕ

1. Наблюдаемые изменения современного климата

1. Факты, доказывающие изменение климата

Изменения климата является одной из острых экологических проблем. Это подтверждается возникшим в последние десятилетия потеплением климата с возможными отрицательными последствиями.