Базовая опора: Биосфера по Вернадскому: живое вещество и циклы углерода и азота
Повторение материала базового уровня перед углублённым разбором. Проследим, как жизнь связана с атмосферой, водой и горными породами, а затем пошагово разберём два важнейших круговорота.
Федеральная программа · углублённый уровень · 11 класс
Биосфера — глобальная экосистема
Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:
- Учение В.И. Вернадского о биосфере
- Границы, состав и структура биосферы
- Живое вещество и его функции
- Биосфера как глобальная экосистема и обратные связи
- Круговорот углерода
- Круговорот азота
Как это устроено
Вернадский рассматривал живое вещество как геологическую силу: организмы участвуют в перераспределении химических элементов и изменении сред Земли. Биосфера не является тонкой твёрдой оболочкой с раз и навсегда точной нижней границей; жизнь встречается в воздухе, воде и верхних слоях пород в неодинаковых условиях. Поэтому в школьной схеме важно назвать критерий границы и различать места постоянного существования от случайного переноса организмов.
В цикле углерода CO₂ поступает в органическое вещество через фотосинтез; организмы передают его с пищей, а дыхание и разложение возвращают часть CO₂. Существуют и геологические процессы: захоронение органики, образование и разрушение карбонатных пород, обмен с океаном. Сжигание ископаемого топлива быстро переносит углерод из долгоживущего геологического резервуара в атмосферу. Не все потоки равны по скорости или месту.
Большинство организмов не использует N₂ воздуха непосредственно для синтеза белка. Биологическая фиксация превращает его в восстановленные соединения азота; растения усваивают, например, аммоний и нитрат и встраивают азот в аминокислоты. Разложение возвращает азот в более простые формы, нитрификация меняет аммоний на нитрат, а денитрификация может вернуть часть азота в газовую форму. Не нужно путать фиксацию азота с фиксацией CO₂.
Биосфера рассматривается как глобальная система с обратными связями, но слово «равновесие» не означает неизменность климата или численности видов. Если входящий поток вещества долго превосходит выходящий, запас меняется; если уменьшается разнообразие участников цикла, процессы тоже могут измениться. Энергия солнца и внутренние геологические источники поддерживают процессы, а химические элементы переходят между резервуарами по разным временны́м масштабам.
Функции живого вещества — разные способы описать геохимическую работу организмов, а не шесть независимых органов биосферы. Энергетическая функция связана с захватом и передачей энергии; газовая — с изменением содержания O₂ и CO₂; концентрационная — с накоплением определённых элементов, например в карбонатных раковинах. Окислительно-восстановительная функция видна в превращениях соединений азота, деструктивная — в разложении остатков, средообразующая — в изменении почвы и местообитаний. Один процесс может относиться сразу к нескольким описаниям: фотосинтез одновременно преобразует энергию, связывает углерод и меняет газовый состав. Нельзя считать любое образование породы исключительно работой жизни: всегда проверяют и физико-химические механизмы.
Словарь урока
Каждое понятие — с примером
- Биосфера
Область Земли, где существует или существовала жизнь и где деятельность организмов взаимодействует с атмосферой, гидросферой и верхней частью литосферы; её границы условны и различаются по критерию.
Пример: Микроорганизмы почвы и планктон океана участвуют в процессах биосферы.
- Живое вещество
В учении В.И. Вернадского совокупность организмов биосферы, рассматриваемая по их химическому составу, массе и геохимической работе.
Пример: Фотосинтезирующие организмы изменяют состав газов и потоки углерода.
- Энергетическая функция живого вещества
Школьное название преобразования и передачи энергии организмами: часть энергии света или химических реакций включается в органическое вещество и затем проходит по пищевым связям.
Пример: Растения фиксируют часть солнечной энергии в органических соединениях, которыми могут питаться животные.
- Газовая функция живого вещества
Влияние жизнедеятельности организмов на состав газов атмосферы и воды через фотосинтез, дыхание, разложение и иные биологические процессы.
Пример: Кислородный фотосинтез выделяет O₂, а дыхание многих организмов возвращает CO₂ в среду.
- Концентрационная функция живого вещества
Избирательное накопление организмами химических элементов из окружающей среды в тканях или образуемых ими структурах, иногда влияющее на крупные геохимические отложения.
Пример: Морские организмы используют растворённые вещества для образования карбонатных раковин и скелетов.
- Окислительно-восстановительная функция живого вещества
Участие организмов в реакциях передачи электронов, меняющих химическую форму элементов и их подвижность в среде.
Пример: Нитрифицирующие микроорганизмы окисляют аммоний, а денитрифицирующие восстанавливают соединения азота.
- Деструктивная функция живого вещества
Разложение органических остатков и изменение некоторых минеральных материалов при участии организмов, возвращающее вещества в круговороты.
Пример: Почвенные грибы и бактерии перерабатывают опавшие листья, хотя не каждый их компонент разлагается одинаково быстро.
- Средообразующая функция живого вещества
Изменение организмами условий среды для себя и других организмов, например строения почвы, состава воды или затенённости участка.
Пример: Корни растений и почвенные организмы участвуют в образовании почвенной структуры и меняют доступность воды.
- Биогенный круговорот
Перемещение и химическое превращение элементов с участием организмов и неживых резервуаров.
Пример: Углерод переходит из атмосферы в растение, животное и снова в среду.
- Биогеохимический цикл
Совокупность биологических, химических и геологических путей перемещения элемента между резервуарами Земли во времени.
Пример: Цикл азота включает фиксацию, усвоение, разложение и превращения в почве.
- Резервуар вещества
Часть системы, где элемент или соединение хранится некоторое время, например атмосфера, океан, почва, биомасса или породы.
Пример: Органический углерод почвы — резервуар, отличающийся от атмосферного CO₂.
- Фотосинтетическая фиксация углерода
Включение неорганического углерода, обычно CO₂, в органические соединения с использованием энергии света.
Пример: Растение использует атмосферный CO₂ для образования углеводов.
- Клеточное дыхание
Совокупность процессов извлечения доступной клетке энергии из органических соединений; аэробные пути обычно возвращают углерод в виде CO₂.
Пример: Растения, животные и многие микробы выделяют CO₂ при дыхании.
- Разложение органического вещества
Преобразование остатков организмов и их продуктов детритофагами и микроорганизмами с возвращением элементов в доступные формы.
Пример: Разложение опавшей листвы возвращает углерод и азот в почву и атмосферу через разные реакции.
- Азотфиксация
Превращение молекулярного азота N₂ в соединения азота, доступные для дальнейших биологических превращений; биологический путь выполняют отдельные прокариоты.
Пример: Некоторые бактерии в клубеньках бобовых фиксируют атмосферный азот.
- Нитрификация
Микробное окисление аммония сначала до нитрита, затем до нитрата в подходящих условиях; этапы могут выполнять разные организмы.
Пример: В хорошо аэрируемой почве нитрифицирующие микробы изменяют формы доступного азота.
- Аммонификация
Преобразование органических азотсодержащих соединений разлагателями с образованием аммония или аммиака в зависимости от условий.
Пример: При разложении белков почвы часть азота переходит в аммонийную форму.
- Денитрификация
Микробное восстановление нитратов или других окисленных форм азота до газообразных соединений, включая N₂ и иногда N₂O, обычно при дефиците кислорода.
Пример: Во влажной плохо аэрируемой почве часть нитратного азота может вернуться в атмосферу.
- Динамическое равновесие
Состояние, при котором некоторые усреднённые показатели остаются относительно стабильными благодаря сопоставимым встречным потокам, хотя отдельные процессы продолжаются.
Пример: Запас вещества может временно быть почти постоянным при продолжающемся поступлении и удалении.
Пример по шагам
Растение усвоило нитрат и построило белок. Значит ли это, что оно само зафиксировало N₂ воздуха?
- Нитрат — уже соединённая форма азота, отличная от атмосферного N₂.
- Растение поглотило нитрат из среды и встроило его азот в органические вещества.
- Фиксация N₂ произошла на другом этапе цикла, возможно благодаря микроорганизмам или промышленному процессу.
Вывод: Усвоение доступного азота растением и фиксация молекулярного азота — разные процессы.
Практическая работа
Два цикла с точными формами веществ
- Разложите карточки «CO₂», «органическое вещество», «N₂», «аммоний», «нитрат», «бактерии», «растение», «животное», «почва» и «атмосфера».
- Проведите отдельные стрелки для фотосинтеза, дыхания, азотфиксации, усвоения, аммонификации, нитрификации и денитрификации.
- Проверьте, что каждая стрелка указывает конкретное превращение, а не просто переставляет слово «азот» без формы вещества.
Что можно заключить: Называние химической формы позволяет увидеть, почему организм не может использовать любой резервуар напрямую.
Безопасность: Используйте бумажную модель и не выращивайте неизвестные почвенные микроорганизмы дома.
Практическая работа
Шесть функций живого вещества на примерах
- Для фотосинтеза дерева, образования карбонатной раковины, разложения листа и нитрификации выпишите наблюдаемый процесс и изменяемое вещество; отделите данные от школьного названия функции.
- Для каждого процесса выберите одну или несколько подходящих категорий: энергетическая, газовая, концентрационная, окислительно-восстановительная, деструктивная, средообразующая. Объясните хотя бы одно пересечение категорий.
- Для раковины и почвы запишите, какие неживые процессы также могли влиять на результат, чтобы не приписать всю геохимическую работу только организмам.
Что можно заключить: Функции — взаимопересекающиеся описания процессов, а не перечень уникальных действий; вывод о геохимическом эффекте опирается на измеримые вещества и механизмы.
Безопасность: Используйте карточки и готовые образцы; не выращивайте неизвестные микроорганизмы и не собирайте материал на загрязнённых участках.
Попробуйте сами
Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.
Открываем задания…
Сверка содержания
Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.