Круговорот углерода. Фотосинтез
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Экология –
наука, изучающая условия
Это объясняется
тем, что человек тесно связан
с живой природой происхождением,
материальными и духовными
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.
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.
ФОТОСИНТЕЗ - ОСНОВА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ УГЛЕРОДА В ПРИРОДЕ
Фотосинтез и первичная биологи
ческая продуктивность
Фотосинтез
— процесс образования
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
Первичная биологическая
продуктивность зависит от интенсивности
фотосинтеза растениями и продолжительности
его периода, фотосинтезирующей
поверхности фитоценозов и
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
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.
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
Над зоной
роста расположена зона всасыва
Выше зоны всасывания расположена зона боковых корней. Там извлеченная корневыми волосками передвигается от корня вверх по стеблю.
ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ И МЕРЫ ПО БОРЬБЕ С НИМ НА НАЦИОНАЛЬНОМ И МЕЖДУНАРОДНОМ УРОВНЕ
Наблюдаемые изменения современного климата
Факты, доказывающие изменение климата
Изменения климата является одной из острых экологических проблем. Это подтверждается возникшим в последние десятилетия потеплением климата с возможными отрицательными последствиями.
Изменение температуры и осадков
Изменился тепловой баланс Земли, за последние 100 лет глобальная температура воздуха выросла на 0,6оС (рис. 3).
Рисунок 3. Изменение глобальной температуры
Средняя глобальная
температура воздуха у
В настоящее время есть твердая уверенность, что глобально осредненная температура у поверхности Земли повышается. Согласно данным наблюдений, самым теплым годом после 1960-го был 1998, за ним следует 2002.
Увеличение глобальных приземных температур, должно вызвать увеличение осадков над сушей на несколько процентов от нормы за столетие. Отмечен рост годовых сумм осадков в высоких широтах Северного полушария примерно на 10%. Увеличилась частота засух и тропических циклонов.
Повышение уровня моря вследствие потепления атмосферы
Замечено повсеместное таяние и отступление ледников, площадь арктических морских льдов сократилась. Средний по земному шару уровень моря повысился в течении ХХ века на 10-20 см.
При потеплении вода в океане расширяется. Катастрофическое разрушение ледниковых щитов может явиться потенциально опасным, так как в результате произойдет сравнительно быстрое повышение уровня моря на 1-2 см/год.
В целом общая
площадь морских льдов
Версии причин изменения климата
Климатическая система включает в себя, помимо атмосферы, океан, ледниковые щиты и поверхность суши.
Изменение глобального климата происходит в результате разнообразных процессов, приводящих к изменению потоков радиационной энергии внутри системы. Например, может измениться поглощение солнечной радиации, а также поглощение длинноволновой радиации атмосферными газами.
Основные возможные причины изменения климата:
- изменение светимости Солнца или параметров орбиты Земли;
- изменение доли коротковолнового излучения Солнца, приходящего к верхней границе атмосферы и поглощаемого атмосферой или поверхностью Земли;
- изменение потока уходящего длинноволнового излучения на верхней границе тропосферы;
- изменение количества тепла, запасаемого в глубинах океана;
Вторая и третья причины в свою очередь могут возникнуть вследствие:
- изменений радиационных потоков, связанных с изменением состава атмосферы;
- изменений прозрачности атмосферы, вызванных либо вулканической деятельностью, либо антропогенными поступлениями аэрозоля, либо вариациями облачности;
- изменений количества отраженной поверхностью энергии;
- изменений потока длинноволнового излучения, идущего от поверхности или поглощаемого водяным паром в атмосфере.
Парниковые газы
Парниковые газы - такие газообразные составляющие атмосферы, как природного, так и антропогенного происхождения, которые поглощают и переизлучают инфракрасное излучение.
Накопитель - компоненты климатической системы, в которых происходит накопление парниковых газов.
Поглотитель - любой процесс, вид деятельности или механизм, который абсорбирует парниковый газы.
Источник - любой процесс, вид деятельности, в результате которого в атмосферу поступают парниковые газы.
Углекислый
газ - диоксид углерода, образуется
в природе при окислении
При горении, поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Вследствие этого, каждый год человечество выбрасывает в атмосферу 7 миллиардов тонн углекислого газа. Одновременно на Земле вырубаются леса со скоростью 12 гектаров в минуту. Вот и получается, что углекислого газа в атмосферу поступает все больше, а потребляется растениями все меньше.
Причины роста содержания СО2 в атмосфере:
- сжигание ископаемого топлива;
- сведение лесов;
- земледелие;
- перевыпас и ряд других нарушений.
А чем больше углекислого газа, тем сильнее парниковый эффект.
Проблема Киотского протокола
Рамочная конвенция ООН о глобальном изменении климата
Проблема изменения климата обозначилась давно, но вот попытки ее решения стали появляться лишь в конце ХХ века. Результатом переговоров мирового сообщества о возможных мерах борьбы с этим стала Рамочная Конвенция ООН об изменении климата (РКИК) 1992 г. и Киотский протокол (КП) 1997 г. к ней. На III Конференции Сторон Рамочной Конвенции ООН об изменении климата в г. Киото в декабре 1997 г. был принят Киотский протокол к РКИК, который зафиксировал определенные количественные обязательства по сокращению выбросов парниковых газов для промышленно развитых стран и стран с переходной экономикой, включенных в Приложение I РКИК ООН. Эти страны по отдельности или совместно должны обеспечить, чтобы их совокупные антропогенные выбросы парниковых газов, перечисленных в Приложении. А Киотского протокола, в эквиваленте СО2 не превышали установленные количественные обязательства по ограничению или сокращению объемов выбросов. Основная цель - сократить в период действия обязательств с 2008 по 2012 гг. общие выбросы парниковых газов, по меньшей мере, на 5% по сравнению с уровнем 1990 г. Коллективный целевой показатель (не менее 5%) должен быть достигнут путем сокращения выбросов на 8% Швейцарией, большинством государств Центральной и Восточной Европы и Европейским Союзом (Европейский Союз обеспечит достижение своего целевого показателя путем распределения различных долей среди государств-членов); на 6% Канадой, Венгрией, Японией и Польшей. Российская Федерация, Новая Зеландия, Казахстан и Украина должны стабилизировать уровень своих выбросов, тогда как Норвегия может увеличить выбросы до 1%, Австралия - до 8%, а Исландия до 10%. В соответствии с КП промышленно развитые страны и страны с переходной экономикой в период с 2008 по 2012 годы берут на себя определенные количественные обязательства по ограничению или сокращению выбросов своих парниковых газов. Количественные ограничения выбросов парниковых газов определенные Киотским протоколом для индустриально развитых и развивающихся стран.
Первоначальный период действия обязательств по Протоколу, так называемый «бюджетный период», равен пяти годам и охватывает 2008-2012 гг. Вместе с тем каждая из Сторон Протокола призвана добиваться очевидного прогресса в выполнении своих обязательств еще до наступления первого бюджетного периода, а именно к 2005 году.
Принятие Киотского протокола
Вопрос о необходимости разработки системы мер по достижению целей РКИК в виде протокола к ней вновь был поднят в 1995 на конференции в Берлине. В течение еще двух лет шла разработка международного соглашения, которое было принято в декабре 1997 в японском городе Киото и получило название Киотского протокола. Постепенно к этому соглашению присоединялись все новые страны.
Киотский Протокол – международное соглашение о сокращении выбросов парниковых газов в атмосферу для сдерживания глобального потепления, подписанное в 1997 году в Киото (Япония). Киотский протокол является одним из проявлений глобализации современной экономики, когда регулирование экономической деятельности перестает быть исключительной прерогативой национальных правительств и становится объектом межправительственных соглашений. Киотский протокол провозгласил количественное ограничение эмиссий парниковых газов в масштабах всего земного шара. Он был открыт для подписания с 16 марта 1998 г. по 15 марта 1999 г. Те государства, которые подписали протокол в этот период, должны его ратифицировать. Те же, кто его не подписал, например Беларусь, должны к нему присоединиться. Для вступления в силу протокола требуется его ратификация 55 Сторонами Конвенции, причем среди них обязательно должны быть развитые страны, обозначенные в Приложении I к Конвенции, на долю которых должно приходиться как минимум 55% выбросов СО2 в 1990 г. Протокол вступит в силу на девяностый день после того, как не менее 55 Сторон Конвенции, в том числе Стороны, включенные в Приложение I (развитые страны), на долю которых приходится в совокупности как минимум 55 процентов общего объема выбросов диоксида углерода. Сторон, включенных в Приложение I, за 1990 год, сдадут на хранение свои документы о ратификации, принятии, одобрении или присоединении. Однако ратифицировать его многие страны не торопятся. Однако в целом страны все больше понимают, что глобальное изменение климата - проблема планетарного масштаба и решать ее придется всем миром. Принятие согласованного решения столь же необходимо и неизбежно, как и общая борьба с терроризмом. И чем раньше политики начнут реальные действия, тем меньше будет ущерб. Общие принципы и положения, изложенные в Киотском протоколе, оказались, однако, недостаточными для практического осуществления предусмотренных им механизмов и процедур. Потребовалось почти четыре года для согласования наиболее важных вопросов, которые были решены на 7-й конференции стран-участников РКИК в Марракеше (Марокко) в ноябре 2001. Изначально и критики, и сторонники Киотского протокола осознавали, что его чисто практическое значение для сокращения выбросов очень невелико: если бы его не было, то в 1990–2010 выброс парниковых газов в мире вырос бы на 41%, а если все страны, подписавшие Киотский протокол, полностью выполнят его условия, то на 40%. Ценность Киотского протокола в том, что он является своего рода «пилотным проектом» для отработки механизмов глобального регулирования вредных выбросов. Принятие же полномасштабного международного соглашения о полномасштабной борьбе с загрязнениями планируется уже по истечении срока действия Киотского протокола в 2013.
Последствия изменения климата. Оценка экологических и социально-экономических последствий изменения климата
Потенциальные воздействия изменения климата очень сложны и изменчивы.
Ожидается, что увеличение температуры вызовет:
- Изменение количества осадков и влагосодержание почв;
- Изменение положения природных зон, максимальные изменения ожидаются в Северном полушарии (площадь тундры уменьшиться на 32%, площадь бореальных лесов уменьшиться на 37%, если СО2 увеличиться вдвое);
- Увеличение продуктивности растительности (в Северном полушарии примерно на 30%);
- Существенное изменение биоты;
- Изменение гидрологического режима;
- Изменение с/х потенциала ресурсов;
- Уменьшение площади ледников;
- Уменьшение площади вечной мерзлоты (в первой половине XXI века примерно на 15-20%);
- Увеличение уровня мирового океана;
- Уменьшение продуктивности автрофных зон, примерно на 9% на каждый градус, увеличение продуктивности олиготрофных;
- Нестабильность атмосферных процессов и рост экстремальных явлений (циклоны, бури, торнадо, наводнения и т.д.);
- Изменения климата коснутся всего человечества. В северных регионах жизнь, возможно, станет комфортнее, хотя экологические системы и там будут нарушены. Однако, уже сейчас ясно, что от потепления на планете больше всего пострадают самые бедные регионы, население которых и сейчас беззащитно перед природными бедствиями и эпидемиями.
Возможные изменения уровня океана
Получена оценка возможного повышения уровня океана на 60-80 см вследствие глобального потепления на 3.5±2,0оС, обусловленного удвоением содержания СО2 в атмосфере.
В течение следующего столетия в результате повышения температуры воздуха основными физическими факторами, воздействующими на уровень океана, по-видимому, будут следующие.
1. Термическое расширение вод океана, способное увеличить толщину верхнего 100-м слоя воды тропической зоны на 10 см и нижележащего 900-м слоя, по крайней мере, на 20 см, а возможно, более чем на 50 см. Можно ожидать, что характер движения холодных глубинных вод из полярных районов в низкие широты не изменится. Возможно, температура этих вод повысится, что приведет к небольшому их расширению от 10 до 20 см, вклад которого в повышение уровня на протяжении 21 века будет незначительным.

- Круговороты веществ
- Круговые схемы Эйлера и диаграммы Венна для выражения отношений между понятиями
- Кругооборот воды в природе. Элементы. Классификация природных вод
- Кругооборот капитала и его деление на основной и оборотный
- Кругооборот оборотного капитала и источники его финансирования
- Круг проблем философии
- Кружки качества
- Круговорот веществ в природе
- Круговорот веществ в природе
- Круговорот веществ и потоки энергии в экосистемах
- Круговорот веществ и потоки энергии в экосистемах
- Круговорот воды в природе
- Круговорот воды в природе
- Круговорот ксенобиотиков во внешней среде и судьба их в организме человека