ΔΙΑΛΕΞΗ 9
Σχηματισμός και αποσύνθεση οργανικών ουσιών.
(Φωτοσύνθεση, αναπνοή, διαπνοή)
Ας εξετάσουμε λεπτομερέστερα τις διαδικασίες συσσώρευσης ηλιακής ενέργειας κατά το σχηματισμό οργανικών ουσιών και τη διασπορά της κατά την καταστροφή αυτών των ουσιών. Η ζωή στη Γη εξαρτάται από τη ροή της ενέργειας που παράγεται ως αποτέλεσμα των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στα έγκατα του Ήλιου. Περίπου το 1% της ηλιακής ενέργειας που φτάνει στη Γη μετατρέπεται από τα φυτικά κύτταρα (και ορισμένα βακτήρια) στη χημική ενέργεια των συντιθέμενων υδατανθράκων.
Σχηματισμός οργανικών ουσιών στο φωςονομάζεται φωτοσύνθεση (γρ. Φως, σύνδεση) Φωτοσύνθεση είναι η συσσώρευση μέρους της ηλιακής ενέργειας με τη μετατροπή της δυνητικής της ενέργειας σε χημικούς δεσμούς οργανικών ουσιών.
Φωτοσύνθεση- ένας απαραίτητος σύνδεσμος μεταξύ έμψυχης και άψυχης φύσης. Χωρίς την εισροή ενέργειας από τον Ήλιο, η ζωή στον πλανήτη μας, υπακούοντας στον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, θα έπαυε για πάντα. Σχετικά πρόσφατα (τέλη του 18ου αιώνα), ανακαλύφθηκε ότι στις οργανικές ουσίες που σχηματίζονται κατά τη φωτοσύνθεση, η αναλογία άνθρακα, υδρογόνου και οξυγόνου είναι τέτοια που υπάρχει, σαν να λέγαμε, 1 μόριο νερού ανά 1 άτομο άνθρακα ( εξ ου και η ονομασία των σακχάρων – υδατανθράκων). Πιστεύεται ότι οι υδατάνθρακες σχηματίζονται από τον άνθρακα και το νερό και το οξυγόνο απελευθερώνεται από το CO 2 . Αργότερα, ο Άγγλος γιατρός Cornelius van Niel, μελετώντας βακτήρια φωτοσύνθεσης, έδειξε ότι ως αποτέλεσμα της φωτοσύνθεσης, τα βακτήρια του θείου απελευθερώνουν θείο, όχι οξυγόνο:
Πρότεινε ότι όχι το CO 2, αλλά το νερό αποσυντίθεται κατά τη φωτοσύνθεση και πρότεινε την ακόλουθη εξίσωση ολικής φωτοσύνθεσης:
Για τα φύκια και τα πράσινα φυτά, το H 2 A είναι νερό (H 2 O). Για τα μωβ βακτήρια θείου, το H 2 A είναι υδρόθειο. Για άλλα βακτήρια, μπορεί να είναι ελεύθερο υδρογόνο ή άλλη οξειδώσιμη ουσία.
Αυτή η ιδέα στη δεκαετία του '30 του 20ου αιώνα επιβεβαιώθηκε πειραματικά χρησιμοποιώντας το βαρύ ισότοπο του οξυγόνου (18 O).
Για τα φύκια και τα πράσινα φυτά, η ολική εξίσωση φωτοσύνθεσης άρχισε να γράφεται ως εξής:
Οι υδατάνθρακες που συντίθενται από τα φυτά (γλυκόζη, σακχαρόζη, άμυλο κ.λπ.) αποτελούν την κύρια πηγή ενέργειας για τους περισσότερους ετερότροφους οργανισμούς που κατοικούν στον πλανήτη μας. Αποσύνθεση οργανικής ύληςεμφανίζεται στη διαδικασία του μεταβολισμού (γρ. αλλαγή) στα ζωντανά κύτταρα.
Μεταβολισμόςείναι ένα σύνολο βιοχημικών αντιδράσεων και μετασχηματισμών ενέργειας σε ζωντανά κύτταρα, που συνοδεύονται από ανταλλαγή ουσιών μεταξύ του οργανισμού και του περιβάλλοντος.
Το άθροισμα των αντιδράσεων που οδηγούν στη διάσπαση ή την αποδόμηση των μορίων και την απελευθέρωση ενέργειας ονομάζεται καταβολισμόςκαι οδηγεί στο σχηματισμό νέων μορίων - αναβολισμός.
Οι μετασχηματισμοί ενέργειας στα ζωντανά κύτταρα πραγματοποιούνται με τη μεταφορά ηλεκτρονίων από το ένα επίπεδο στο άλλο ή από ένα άτομο ή μόριο σε άλλο. Η ενέργεια των υδατανθράκων απελευθερώνεται στις μεταβολικές διεργασίες κατά την αναπνοή των οργανισμών.
Η αναπνοή είναι η διαδικασία με την οποία η ενέργεια που απελευθερώνεται από τη διάσπαση των υδατανθράκων μεταφέρεται στο παγκόσμιο ενεργειακό μόριο τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP), όπου αποθηκεύεται με τη μορφή φωσφορικών δεσμών υψηλής ενέργειας.
Έτσι, για παράδειγμα, κατά την αποσύνθεση 1 mol γλυκόζης, απελευθερώνονται 686 kcal ελεύθερης ενέργειας (1 kcal = 4,18t10 J). Εάν αυτή η ενέργεια απελευθερωνόταν γρήγορα, τότε το μεγαλύτερο μέρος της θα διασκορπιζόταν με τη μορφή θερμότητας. Αυτό δεν θα ωφελούσε το κύτταρο, αλλά θα οδηγούσε σε μοιραία αύξηση της θερμοκρασίας για αυτό. Αλλά τα ζωντανά συστήματα έχουν πολύπλοκους μηχανισμούς που ρυθμίζουν πολυάριθμες χημικές αντιδράσεις με τέτοιο τρόπο ώστε η ενέργεια να αποθηκεύεται σε χημικούς δεσμούς και στη συνέχεια να απελευθερώνεται σταδιακά ανάλογα με τις ανάγκες. Στα θηλαστικά, τα πτηνά και ορισμένα άλλα σπονδυλωτά, η θερμότητα που απελευθερώνεται κατά την αναπνοή αποθηκεύεται και επομένως η θερμοκρασία του σώματός τους είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία περιβάλλον. Στα φυτά, ο ρυθμός αναπνοής είναι χαμηλός, επομένως η θερμότητα που απελευθερώνεται συνήθως δεν επηρεάζει τη θερμοκρασία των φυτών. Η αναπνοή μπορεί να συμβεί τόσο σε αερόβιες (παρουσία οξυγόνου) όσο και σε αναερόβιες (χωρίς οξυγόνο) συνθήκες.
Αερόβια αναπνοή- μια διαδικασία αντίστροφη από τη φωτοσύνθεση, δηλαδή η συντιθέμενη οργανική ύλη (C 6 H 12 O 6) αποσυντίθεται ξανά με το σχηματισμό CO 2 και H 2 O με την απελευθέρωση δυναμικής ενέργειας Q ιδρώτα που συσσωρεύεται σε αυτήν την ουσία:
Ωστόσο, ελλείψει οξυγόνου, η διαδικασία μπορεί να μην ολοκληρωθεί. Ως αποτέλεσμα μιας τέτοιας ατελούς αναπνοής, σχηματίζονται οργανικές ουσίες, οι οποίες εξακολουθούν να περιέχουν μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας, η οποία μπορεί αργότερα να χρησιμοποιηθεί από άλλους οργανισμούς σε άλλους τύπους αναπνοής.
Αναερόβια αναπνοήπροχωρά χωρίς τη συμμετοχή αερίου οξυγόνου. Ο δέκτης ηλεκτρονίων δεν είναι οξυγόνο, αλλά άλλη ουσία, για παράδειγμα οξικό οξύ:
ενεργειακό απόθεμα q 1 και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο ή να οξειδωθεί και να αναφλεγεί αυθόρμητα στη φύση σύμφωνα με την αντίδραση:
Η αναπνοή χωρίς οξυγόνο είναι η βάση της ζωής για πολλούς σαπρότροφοι(βακτήρια, μαγιά, μύκητες μούχλας, πρωτόζωα), αλλά μπορούν να βρεθούν και στους ιστούς ανώτερων ζώων.
Ζύμωση- αυτή είναι η αναερόβια αναπνοή, στην οποία η ίδια η οργανική ύλη χρησιμεύει ως δέκτης ηλεκτρονίων:
|
| και η προκύπτουσα αλκοόλη περιέχει επίσης |
|
κάποια ποσότητα ενέργειας q 2 που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από άλλους οργανισμούς:
Η αποσύνθεση μπορεί να είναι αποτέλεσμα όχι μόνο βιοτικών, αλλά και αβιοτικών διεργασιών. Έτσι, για παράδειγμα, οι πυρκαγιές της στέπας και των δασών επιστρέφουν ένας μεγάλος αριθμός από CO 2 και άλλα αέρια στην ατμόσφαιρα και ορυκτάστο χώμα. Αποτελούν μια σημαντική και μερικές φορές απαραίτητη διαδικασία σε οικοσυστήματα όπου οι φυσικές συνθήκες είναι τέτοιες που οι μικροοργανισμοί δεν έχουν χρόνο να αποσυνθέσουν τα οργανικά υπολείμματα που προκύπτουν. Αλλά η τελική αποσύνθεση των νεκρών φυτών και ζώων πραγματοποιείται κυρίως από ετερότροφους μικροοργανισμούς - αποικοδομητές,ένα παράδειγμα των οποίων είναι ευρέως διαδεδομένα στα απόβλητα και στα φυσικά νερά σαπροφυτικά βακτήρια.Η αποσύνθεση των οργανικών ουσιών είναι αποτέλεσμα της απόκτησης των απαραίτητων χημικών στοιχείων και ενέργειας κατά τη διαδικασία μετατροπής της τροφής μέσα στα κύτταρα του σώματός τους. Όταν αυτές οι διαδικασίες σταματήσουν, όλα τα βιογενή στοιχεία θα δεσμευτούν σε νεκρά υπολείμματα και η συνέχιση της ζωής θα γίνει αδύνατη. Το σύμπλεγμα των καταστροφέων στη βιόσφαιρα αποτελείται από έναν τεράστιο αριθμό ειδών, τα οποία, ενεργώντας διαδοχικά, αποσυνθέτουν τις οργανικές ουσίες σε ορυκτές. Οι διαδικασίες σχηματισμού οργανικών ουσιών και η αποσύνθεσή τους ονομάζονται διεργασίες προϊόντα(λατ. δημιουργία, παραγωγή) και καταστροφή(λατ. καταστροφή). Παραγωγική-καταστροφική ισορροπίαστη βιόσφαιρα συνολικά στις σύγχρονες συνθήκες είναι θετική. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι δεν καταστρέφονται όλα τα μέρη των νεκρών φυτών και ζώων με τον ίδιο ρυθμό. Τα λίπη, τα σάκχαρα και οι πρωτεΐνες αποσυντίθενται αρκετά γρήγορα, ενώ το ξύλο (ίνες, λιγνίνη), η χιτίνη και τα οστά αποσυντίθενται πολύ αργά. Το πιο σταθερό προϊόν ενδιάμεσης αποσύνθεσης της οργανικής ύλης είναι το χούμο. (λατ. χώμα, χούμο), η περαιτέρω ανοργανοποίηση του οποίου είναι πολύ αργή. Η αργή αποσύνθεση του χούμου είναι ένας από τους λόγους της καθυστέρησης της καταστροφής σε σύγκριση με την παραγωγή. Από τη σκοπιά της χημείας, οι χουμικές ουσίες είναι προϊόντα συμπύκνωσης (λατ. - συσσώρευση, συμπύκνωση) αρωματικών ενώσεων (φαινόλες, βενζόλια κ.λπ.) με προϊόντα αποσύνθεσης πρωτεϊνών και πολυσακχαριτών. για τη διάσπασή τους, προφανώς απαιτούνται ειδικά ένζυμα, τα οποία συχνά απουσιάζουν στο έδαφος και στα υδρόβια σαπρότροφα.
Έτσι, η αποσύνθεση των οργανικών υπολειμμάτων είναι μια μακρά, πολυσταδιακή και πολύπλοκη διαδικασία που ελέγχει πολλά σημαντικές λειτουργίεςοικοσυστήματα: επιστροφή θρεπτικών ουσιών στον κύκλο και ενέργειας στο σύστημα. μετασχηματισμός αδρανών ουσιών της επιφάνειας της γης. ο σχηματισμός αβλαβών σύνθετες ενώσειςτοξικες ουσιες; διατηρώντας τη σύνθεση της ατμόσφαιρας που είναι απαραίτητη για τη ζωή των αζόμπων. Για τη βιόσφαιρα στο σύνολό της, η υστέρηση των διεργασιών αποσύνθεσης των οργανικών ουσιών από τις διαδικασίες σύνθεσής τους από πράσινα φυτά είναι υψίστης σημασίας. Ήταν αυτή η υστέρηση που προκάλεσε τη συσσώρευση ορυκτών καυσίμων στα έγκατα του πλανήτη και οξυγόνου στην ατμόσφαιρα. Το θετικό ισοζύγιο των διαδικασιών παραγωγής-καταστροφής που έχουν δημιουργηθεί στη βιόσφαιρα εξασφαλίζει τη ζωή των αερόβιων οργανισμών, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων.
Τα κύρια πρότυπα κατανάλωσης νερού φυτά.
διαπνοήείναι η διαδικασία εξάτμισης του νερού από τα επίγεια μέρη των φυτών.
Μία από τις κύριες φυσιολογικές λειτουργίες οποιουδήποτε οργανισμού είναι η διατήρηση ενός επαρκούς επιπέδου νερού στο σώμα. Στη διαδικασία της εξέλιξης, οι οργανισμοί έχουν αναπτύξει διάφορες προσαρμογές για την απόκτηση και την οικονομική χρήση του νερού, καθώς και για την εμπειρία μιας ξηρής περιόδου. Μερικά ζώα της ερήμου παίρνουν νερό από την τροφή, άλλα μέσω της οξείδωσης έγκαιρα αποθηκευμένων λιπών (για παράδειγμα, μια καμήλα, η οποία μπορεί να λάβει 107 g μεταβολικού νερού από 100 g λίπους μέσω βιολογικής οξείδωσης). Ταυτόχρονα, έχουν ελάχιστη υδατοπερατότητα του εξωτερικού περιβλήματος του σώματος, έναν κυρίως νυχτερινό τρόπο ζωής κ.λπ. Με την περιοδική ξηρασία, χαρακτηριστική είναι η πτώση σε κατάσταση ανάπαυσης με ελάχιστο μεταβολικό ρυθμό.
Τα φυτά της γης λαμβάνουν νερό κυρίως από το έδαφος. Οι χαμηλές βροχοπτώσεις, η γρήγορη αποστράγγιση, η έντονη εξάτμιση ή ένας συνδυασμός αυτών των παραγόντων οδηγούν σε αποξήρανση και η υπερβολική υγρασία οδηγεί σε υπερχείλιση και υπερχείλιση των εδαφών. Το ισοζύγιο υγρασίας εξαρτάται από τη διαφορά μεταξύ της ποσότητας της βροχόπτωσης και της ποσότητας του νερού που εξατμίζεται από τις επιφάνειες των φυτών και του εδάφους, καθώς και από τη διαπνοή. Με τη σειρά τους, οι διαδικασίες εξάτμισης εξαρτώνται άμεσα από τη σχετική υγρασία του ατμοσφαιρικού αέρα. Σε υγρασία κοντά στο 100%, η εξάτμιση σταματά πρακτικά και αν η θερμοκρασία μειωθεί περαιτέρω, τότε αντίστροφη διαδικασία- Συμπύκνωση (δημιουργείται ομίχλη, πέφτει δροσιά, παγετός). Η υγρασία ως περιβαλλοντικός παράγοντας στις ακραίες τιμές της (υψηλή και χαμηλή υγρασία) ενισχύει τον αντίκτυπο (επιδεινώνει) τη θερμοκρασία στο σώμα. Ο κορεσμός του αέρα με υδρατμούς σπάνια φτάνει στη μέγιστη τιμή του. Έλλειμμα υγρασίας - η διαφορά μεταξύ του μέγιστου δυνατού και του υπάρχοντος κορεσμού σε μια δεδομένη θερμοκρασία. Αυτή είναι μια από τις πιο σημαντικές περιβαλλοντικές παραμέτρους, καθώς χαρακτηρίζει δύο ποσότητες ταυτόχρονα: θερμοκρασία και υγρασία. Όσο μεγαλύτερο είναι το έλλειμμα υγρασίας, τόσο πιο ξηρό και ζεστό, και το αντίστροφο. Το καθεστώς βροχόπτωσης είναι ο σημαντικότερος παράγοντας που καθορίζει τη μετανάστευση των ρύπων στο φυσικό περιβάλλον και την έκπλυση τους από την ατμόσφαιρα.
Η μάζα του νερού που περιέχεται στους ζωντανούς οργανισμούς υπολογίζεται σε 1,1 10 3 δισεκατομμύρια τόνους, δηλαδή λιγότερο από ό,τι περιέχουν τα κανάλια όλων των ποταμών του κόσμου. Η βιοκένωση της βιόσφαιρας, που περιέχει μια σχετικά μικρή ποσότητα νερού, την οδηγεί ωστόσο εντατικά μέσα από τον εαυτό της. Αυτό είναι ιδιαίτερα έντονο στον ωκεανό, όπου το νερό είναι ταυτόχρονα βιότοπος και πηγή θρεπτικών ουσιών και αερίων. Ο κύριος όγκος της βιοκένωσης του πλανήτη είναι παραγωγούς.Στα υδάτινα οικοσυστήματα, αυτά είναι τα φύκια και το φυτοπλαγκτόν, και στα χερσαία οικοσυστήματα, η βλάστηση. Στο υδάτινο περιβάλλον, τα φυτά φιλτράρουν συνεχώς το νερό μέσω της επιφάνειάς τους, και στη στεριά, εξάγουν νερό από το έδαφος με τις ρίζες τους και αφαιρούν (διαπνέουν) το έδαφος. Έτσι, για τη σύνθεση ενός γραμμαρίου βιομάζας, τα ανώτερα φυτά πρέπει να εξατμίσουν περίπου 100 g νερού.
Τα πιο ισχυρά συστήματα διαπνοής στην ξηρά είναι τα δάση, τα οποία είναι ικανά να αντλούν μέσα τους ολόκληρη τη μάζα του νερού στην υδρόσφαιρα σε 50 χιλιάδες χρόνια. Ταυτόχρονα, το πλαγκτόν των ωκεανών φιλτράρει όλο το νερό των ωκεανών σε ένα χρόνο και οι θαλάσσιοι οργανισμοί όλοι μαζί - σε μόλις έξι μήνες.
Στη βιόσφαιρα λειτουργεί ένα πολύπλοκο φίλτρο φωτοσύνθεσης, κατά το οποίο το νερό αποσυντίθεται και, μαζί με το διοξείδιο του άνθρακα, χρησιμοποιείται στη σύνθεση οργανικών ενώσεων που είναι απαραίτητες για την κατασκευή των κυττάρων των οργανισμών. Οι φωτοσυνθετικοί ζωντανοί οργανισμοί μπορούν να αποσυνθέσουν ολόκληρη τη μάζα του νερού στην υδρόσφαιρα σε περίπου 5-6 εκατομμύρια χρόνια, ενώ άλλοι οργανισμοί αποκαθιστούν το χαμένο νερό από την ετοιμοθάνατη οργανική μάζα περίπου την ίδια περίοδο.
Έτσι, η βιόσφαιρα, παρά τον αμελητέο όγκο νερού που περιέχεται σε αυτήν, αποδεικνύεται ότι είναι το πιο ισχυρό και πολύπλοκο φίλτρο της υδρόσφαιρας στη Γη.
Ένας καταρράκτης βιολογικών φίλτρων διέρχεται από τον εαυτό του μια μάζα νερού ίση με τη μάζα ολόκληρης της υδρόσφαιρας σε μια περίοδο από έξι μήνες έως εκατομμύρια χρόνια. Επομένως, μπορεί να υποστηριχθεί ότι η υδρόσφαιρα είναι προϊόν ζωντανών οργανισμών, ένα περιβάλλον που έχουν δημιουργήσει για τον εαυτό τους.Ο ακαδημαϊκός V. I. Vernadsky εξέφρασε αυτό με τη διατριβή: Ο οργανισμός αντιμετωπίζει ένα περιβάλλον στο οποίο όχι μόνο είναι προσαρμοσμένο, αλλά και προσαρμοσμένο σε αυτό.
Ανάπτυξη οικοσυστήματος.
Παρατηρήσεις στη φύση δείχνουν ότι τα εγκαταλελειμμένα χωράφια ή τα καμένα δάση κατακτώνται σταδιακά από πολυετή άγρια χόρτα, μετά από θάμνους και, τέλος, από δέντρα. Η ανάπτυξη των οικοσυστημάτων με την πάροδο του χρόνου είναι γνωστή στην οικολογία με το όνομα οικολογικές διαδοχές (λατ. διαδοχή, ακολουθία).
Η οικολογική διαδοχή είναι μια διαδοχική αλλαγή των βιοκαινώσεων που προκύπτουν διαδοχικά στην ίδια περιοχή υπό την επίδραση φυσικών ή ανθρωπογενών παραγόντων.
Ορισμένες κοινότητες παραμένουν σταθερές για πολλά χρόνια, άλλες αλλάζουν γρήγορα. Αλλαγές συμβαίνουν σε όλα τα οικοσυστήματα φυσικά ή με τεχνητά μέσα. Η φυσική αλλαγή είναι φυσική και καθοδηγείται από την ίδια την κοινότητα. Εάν οι διαδοχικές αλλαγές καθορίζονται κυρίως από εσωτερικές αλληλεπιδράσεις, τότε αυτό αυτογενής,δηλ. αυτοδημιουργούμενες διαδοχές. Εάν οι αλλαγές προκαλούνται από εξωτερικές δυνάμεις στην είσοδο του οικοσυστήματος (καταιγίδα, πυρκαγιά, ανθρώπινη επίδραση), τότε τέτοιες διαδοχές ονομάζονται αλλογενήςδηλαδή παράγεται από έξω. Για παράδειγμα, η αποψίλωση των δασών επανεποικίζεται γρήγορα από τα γύρω δέντρα. λιβάδι μπορεί να αντικατασταθεί από δάσος. Παρόμοια φαινόμενα συμβαίνουν σε λίμνες, σε βραχώδεις πλαγιές, γυμνούς ψαμμίτες, σε δρόμους εγκαταλελειμμένων χωριών κ.λπ. Οι διαδικασίες διαδοχής συνεχίζονται συνεχώς σε όλο τον πλανήτη.
Οι διαδοχικές κοινότητες που αντικαθιστούν η μία την άλλη σε ένα δεδομένο χώρο ονομάζονται σειράή στάδια.
Μια διαδοχή που ξεκινά σε μια προηγουμένως μη κατειλημμένη περιοχή ονομάζεται πρωταρχικός.Για παράδειγμα, οικισμοί λειχήνων σε πέτρες: υπό την επίδραση των εκκρίσεων λειχήνων, το πετρώδες υπόστρωμα μετατρέπεται σταδιακά σε ένα είδος εδάφους, όπου στη συνέχεια καθιζάνουν λειχήνες φρουτικόζης, πράσινα χόρτα, θάμνοι κ.λπ.
Εάν μια κοινότητα αναπτύσσεται στον ιστότοπο μιας ήδη υπάρχουσας, τότε μιλάνε για δευτερεύωνδιαδοχές. Για παράδειγμα, αλλαγές που συμβαίνουν μετά την εκρίζωση ή την κοπή δασών, την κατασκευή λίμνης ή δεξαμενής κ.λπ.
Τα ποσοστά διαδοχής ποικίλλουν.Από ιστορική άποψη, η αλλαγή της πανίδας και της χλωρίδας κατά τη διάρκεια των γεωλογικών περιόδων δεν είναι παρά οικολογικές διαδοχές. Σχετίζονται στενά με γεωλογικές και κλιματική αλλαγήκαι την εξέλιξη των ειδών. Τέτοιες αλλαγές συμβαίνουν πολύ αργά. Οι πρωτογενείς διαδοχές χρειάζονται εκατοντάδες ή χιλιάδες χρόνια. Το δευτερεύον ρέει πιο γρήγορα. Η διαδοχή ξεκινά με μια μη ισορροπημένη κοινότητα, στην οποία η παραγωγή (P) της οργανικής ύλης είναι είτε μεγαλύτερη είτε μικρότερη από τον ρυθμό αναπνοής (D) και η κοινότητα τείνει σε μια κατάσταση όπου P = D. Η διαδοχή που αρχίζει στο P > D λέγεται αυτότροφος, και για τον Π<Д - ετερότροφος. Ο λόγος P/D είναι ένας λειτουργικός δείκτης της ωριμότητας των οικοσυστημάτων.
Στο P > D, η βιομάζα της κοινότητας (B) και η αναλογία βιομάζας προς παραγωγή B / P αυξάνονται σταδιακά, δηλ. αυξάνεται το μέγεθος των οργανισμών. Η αύξηση συνεχίζεται μέχρι να σταθεροποιηθεί το σύστημα. Η κατάσταση ενός σταθεροποιημένου οικοσυστήματος ονομάζεται εμμηνόπαυση(γρ. σκάλα, ώριμο στάδιο).
Αυτότροφη διαδοχή- ένα φαινόμενο ευρέως διαδεδομένο στη φύση που ξεκινά σε ένα ακατοίκητο περιβάλλον: ο σχηματισμός δάσους σε εγκαταλελειμμένα εδάφη ή η αποκατάσταση της ζωής μετά από ηφαιστειακές εκρήξεις και άλλες φυσικές καταστροφές. Χαρακτηρίζεται από μακρά επικράτηση αυτοτροφικών οργανισμών.
ετερότροφη διαδοχήχαρακτηρίζεται από επικράτηση βακτηρίων και εμφανίζεται όταν το περιβάλλον είναι υπερκορεσμένο με οργανική ύλη. Για παράδειγμα, σε ένα ποτάμι που έχει μολυνθεί από λύματα με υψηλή περιεκτικότητα σε οργανική ύλη ή σε μονάδες επεξεργασίας λυμάτων. Σε ετερότροφες διαδοχές, τα ενεργειακά αποθέματα μπορεί σταδιακά να εξαφανιστούν. Λόγω της έλλειψης μιας αυτότροφης διαδικασίας, μπορεί να μην εμφανιστεί εμμηνόπαυση. τότε, αφού εξαντληθούν τα αποθέματα ενέργειας, το οικοσύστημα μπορεί να εξαφανιστεί (ένα δέντρο που καταρρέει).
Στα συστήματα κορύφωσης, σχηματίζεται ένα πολύπλοκο δίκτυο σχέσεων που διατηρεί τη σταθερή του κατάσταση. Θεωρητικά, μια τέτοια κατάσταση θα πρέπει να είναι σταθερή στο χρόνο και να υπάρχει μέχρι να παραβιαστεί από ισχυρές εξωτερικές διαταραχές. Όσο περισσότερο ο λόγος P/D αποκλίνει από το 1, τόσο λιγότερο ώριμο και λιγότερο σταθερό είναι το οικοσύστημα. Σε κοινότητες κορύφωσης, αυτή η αναλογία πλησιάζει το 1.
Τάσεις στις αλλαγές στα κύρια χαρακτηριστικά των οικοσυστημάτων.Με τις αυτογενείς διαδοχές, παρατηρείται τακτική αλλαγή στα κύρια χαρακτηριστικά των οικολογικών συστημάτων (Πίνακας 2.2).
Οι διαδοχές συνδέονται με μια λειτουργική ενεργειακή μετατόπιση προς το αυξημένο κόστος αναπνοής καθώς συσσωρεύεται οργανική ύλη και βιομάζα. Η συνολική στρατηγική για την ανάπτυξη των οικοσυστημάτων είναι η αύξηση της αποδοτικότητας της χρήσης ενέργειας και θρεπτικών ουσιών, η επίτευξη της μέγιστης ποικιλομορφίας των ειδών και η περίπλοκη δομή του συστήματος.
Η διαδοχή είναι μια κατευθυνόμενη προβλέψιμη ανάπτυξη ενός οικοσυστήματος έως ότου επιτευχθεί μια ισορροπία μεταξύ της βιοτικής κοινότητας - βιοκένωση και αβιοτικό περιβάλλον- βιότοπος.
Στη διαδικασία διαδοχής ενός πληθυσμού οργανισμών, οι λειτουργικές σχέσεις μεταξύ τους αντικαθιστούν τακτικά και αναστρέψιμα η μία την άλλη. Παρά το γεγονός ότι ένα οικοσύστημα δεν είναι «υπεροργανισμός», υπάρχουν πολλοί παραλληλισμοί μεταξύ της ανάπτυξης ενός οικοσυστήματος, ενός πληθυσμού, ενός οργανισμού και μιας κοινότητας ανθρώπων.
ΕξέλιξηΤα οικοσυστήματα, σε αντίθεση με τις διαδοχές, είναι μια μακρά διαδικασία ιστορικής ανάπτυξης. Η εξέλιξη των οικοσυστημάτων είναι η ιστορία της ανάπτυξης της ζωής στη Γη από την εμφάνιση της βιόσφαιρας έως τις μέρες μας. Στην καρδιά της εξέλιξης βρίσκεται ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗσε επίπεδο είδους ή χαμηλότερο. Η εξέλιξη των οικοσυστημάτων επαναλαμβάνεται σε κάποιο βαθμό στη διαδοχική ανάπτυξή τους. Οι εξελικτικές διαδικασίες είναι μη αναστρέψιμες και μη κυκλικές.Εάν συγκρίνουμε τη σύνθεση και τη δομή των οικοσυστημάτων στις πρώιμες και όψιμες γεωλογικές εποχές, τότε υπάρχει μια τάση για αύξηση της ποικιλότητας των ειδών, ο βαθμός κλεισίματος των βιογεωχημικών κύκλων, η ομοιομορφία κατανομής και διατήρησης των πόρων εντός του συστήματος, η επιπλοκή της δομής των κοινοτήτων και της επιθυμίας για μια ισορροπημένη κατάσταση, στην οποία ο ρυθμός της εξέλιξης επιβραδύνεται. Σε ένα τέτοιο σύστημα η εξέλιξη συναντά πολλά εμπόδια, γιατί η κοινότητα είναι πυκνά στελεχωμένη και οι δεσμοί μεταξύ οργανισμών και πληθυσμών είναι ισχυροί. Ταυτόχρονα, οι πιθανότητες διείσδυσης σε ένα τέτοιο σύστημα από έξω είναι πολύ μικρές και η εξέλιξή του είναι κάπως καθυστερημένη.
Biomes.Φυσικοχημικές και κλιματικές συνθήκες σε διαφορετικά μέρηοι βιόσφαιρες είναι διαφορετικές. Οι κλιματικά καθορισμένες μεγάλες συλλογές οικοσυστημάτων ονομάζονται βιομά, ή σχηματισμοί. Ένα βίωμα είναι ένα μακροσύστημα ή μια συλλογή οικοσυστημάτων που σχετίζονται στενά με τις κλιματικές συνθήκες, τις ροές ενέργειας, τον κύκλο της ύλης, τη μετανάστευση των οργανισμών και τον τύπο της βλάστησης. Κάθε βίωμα περιλαμβάνει έναν αριθμό μικρότερων, διασυνδεδεμένων οικοσυστημάτων.
Τα βιώματα χωρίζονται σε τρεις κύριες ομάδες ανάλογα με το περιβάλλον τους: χερσαία, θαλάσσια και γλυκά νερά. Ο σχηματισμός τους εξαρτάται από το μακροκλίμα και για το γλυκό νερό - από το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής. Σημαντικοί παράγοντεςείναι:
κυκλοφορία αέρα,
κατανομή του ηλιακού φωτός
εποχιακό κλίμα,
ύψος και προσανατολισμός των βουνών,
υδροδυναμική συστημάτων νερού.
Επίγεια βιώματακαθορίζονται κυρίως από τη βλάστηση, η οποία εξαρτάται στενά από το κλίμα και αποτελεί την κύρια βιομάζα. Τα σαφή όρια μεταξύ των βιοσωματίων είναι σπάνια. Συχνότερα είναι θολά και αντιπροσωπεύουν ευρείες μεταβατικές ζώνες. Στα σύνορα δύο οικοσυστημάτων, για παράδειγμα, στην άκρη ενός δάσους, βρίσκονται ταυτόχρονα εκπρόσωποι δασικών ειδών και λιβαδιών. Η αντίθεση του περιβάλλοντος, και επομένως η μεγάλη αφθονία οικολογικών ευκαιριών, προκαλεί μια «συμπύκνωση ζωής», που ονομάζεται κανόνας εφέ ακμώνή οικοτονικός κανόνας(από γρ. σπίτι και επικοινωνία) . Το πιο πλούσιο σε είδη βίωμα στον πλανήτη είναι το αειθαλές τροπικό δάσος.
Θαλάσσια βιώματαλιγότερο εξαρτώμενο από το κλίμα σε σχέση με τα χερσαία. Σχηματίζονται ανάλογα με το βάθος της δεξαμενής και την κατακόρυφη τοποθέτηση των οργανισμών. Εξαιρετικής σημασίας είναι το γεγονός ότι η φωτοσύνθεση είναι δυνατή μόνο στους επιφανειακούς ορίζοντες του νερού. Τα παράκτια ωκεάνια ρηχά νερά, που περιορίζονται από τη μία πλευρά από την ακτή και από την άλλη - από την κορυφή της ηπειρωτικής πλαγιάς (έως 600 m), ονομάζεται ηπειρωτική ράφι(αγγλικό σύνταγμα). Η περιοχή του ράφι είναι περίπου το 8% της συνολικής έκτασης των ωκεανών του κόσμου.
Στην περιοχή του ραφιού βρίσκεται παραθαλάσσια ζώνη(λατ. παραθαλάσσιος). Τα ρηχά βάθη, η εγγύτητα με τις ηπείρους, οι υψηλές και χαμηλές παλίρροιες καθορίζουν τον πλούτο του σε θρεπτικά συστατικά, την υψηλή παραγωγικότητα και την ποικιλομορφία των οργανισμών. Περίπου το 80% της συνολικής βιομάζας του ωκεανού παράγεται εδώ και η παγκόσμια αλιεία των ωκεανών συγκεντρώνεται. Από το κάτω άκρο του ράφι πάνω από την ηπειρωτική πλαγιά σε βάθος 2 - 3 χιλιάδων μέτρων εκτείνεται λουτρική ζώνη(γρ. βαθύ). Η περιοχή αυτής της ζώνης είναι λίγο πάνω από το 15% της συνολικής έκτασης του ωκεανού. Σε σύγκριση με τα παράλια, η πανίδα και η χλωρίδα των λουτρών είναι πολύ φτωχότερες. η συνολική βιομάζα δεν υπερβαίνει το 10% της βιομάζας των ωκεανών του κόσμου. Από τους πρόποδες της ηπειρωτικής πλαγιάς μέχρι βάθη 6 - 7 χιλιάδων μέτρων, υπάρχει αβυσσαλέα ζώνη (γρ. άβυσσος) του ωκεανού. Καλύπτει μια έκταση μεγαλύτερη από το 75% του πυθμένα του ωκεανού. Η άβυσσος χαρακτηρίζεται από την απουσία ηλιακού φωτός κοντά στον πυθμένα, χαμηλή κινητικότητα υδατικές μάζες, περιορισμένος ΘΡΕΠΤΙΚΕΣ ουσιες, φτώχεια του ζωικού κόσμου, χαμηλή ποικιλότητα ειδών, βιομάζα. Στην αβυσσαλέα περιοχή, υπάρχουν βαθιές κοιλότητες - έως και 11 χιλιάδες m, η περιοχή της οποίας είναι περίπου το 2% της συνολικής επιφάνειας του ωκεανού πυθμένα.
γλυκά εσωτερικά ύδατα,συνήθως ρηχά. Ο ρυθμός κυκλοφορίας του νερού γίνεται ο κύριος παράγοντας σε αυτά τα οικοσυστήματα. Σε αυτή τη βάση διακρίνει κανείς lotic(λατ. έκπλυση) ρέοντα νερά (ποτάμια, ρυάκια) και ταινία-κασέτα(λατ, αργά, ήρεμα), λιμνάζοντα νερά (λίμνες, λιμνούλες, λακκούβες).
Μεγάλα βιώματα την υδρόγειοείναι σταθερά.
Ο σχηματισμός οργανικής ύλης τόσο στην ξηρά όσο και στον ωκεανό ξεκινά με τη δράση του ηλιακού φωτός στη χλωροφύλλη των πράσινων φυτών. Από κάθε εκατομμύριο φωτόνια που φτάνουν στο γεωγραφικό περίβλημα, όχι περισσότερα από 100 πηγαίνουν στην παραγωγή τροφής. Από αυτά, τα 60 καταναλώνονται από φυτά της ξηράς και τα 40 από το φυτοπλαγκτόν του ωκεανού. Αυτό το κλάσμα φωτός παρέχει στον πλανήτη οργανική ύλη.
Η φωτοσύνθεση λαμβάνει χώρα στην περιοχή θερμότητας από 3 έως 35°C. Στα σύγχρονα κλίματα, η βλάστηση καταλαμβάνει 133,4 εκατομμύρια km 2 στην ξηρά. Η υπόλοιπη περιοχή πέφτει σε παγετώνες, δεξαμενές, κτίρια και βραχώδεις επιφάνειες.
Στο παρόν στάδιο ανάπτυξης της Γης, τα ηπειρωτικά και τα ωκεάνια μέρη της βιόσφαιρας είναι διαφορετικά. Δεν υπάρχουν σχεδόν καθόλου ανώτερα φυτά στον ωκεανό. Η περιοχή της παράκτιας όχθης, στην οποία αναπτύσσονται τα φυτά που είναι προσκολλημένα στον πυθμένα, είναι μόνο το 2% της συνολικής έκτασης του πυθμένα του ωκεανού. Η βάση της ζωής στον ωκεανό είναι τα μικροσκοπικά φύκια φυτοπλαγκτού και τα μικροσκοπικά φυτοφάγα ζωοπλαγκτόν. Και τα δύο είναι εξαιρετικά διάσπαρτα στο νερό, η συγκέντρωση της ζωής είναι εκατοντάδες χιλιάδες φορές μικρότερη από ό,τι στην ξηρά. Οι προηγούμενες υπερεκτιμήσεις της βιομάζας των ωκεανών έχουν αναθεωρηθεί. Σύμφωνα με νέες εκτιμήσεις, αυτή συνολική μάζα 525 φορές λιγότερο από ό,τι στην ξηρά. Σύμφωνα με τον V. G. Bogorov (1969) και τον A. M. Ryabchikov (1972), η ετήσια παραγωγικότητα της βιομάζας στη Γη είναι 177 δισεκατομμύρια τόνοι ξηρής ύλης, εκ των οποίων 122 δισεκατομμύρια τόνοι προέρχονται από χερσαία βλάστηση και 55 δισεκατομμύρια τόνοι από θαλάσσιο φυτοπλαγκτόν. Αν και ο όγκος της βιομάζας στη θάλασσα είναι πολύ μικρότερος από ό,τι στην ξηρά, η παραγωγικότητά της είναι 328 φορές υψηλότερη (A. M. Ryabchikov) από ό,τι στην ηπειρωτική χώρα, αυτό οφείλεται στην ταχεία αλλαγή των γενεών φυκιών.
Η βιομάζα της γης αποτελείται από φυτομάζα, ζωόμαζα, συμπεριλαμβανομένων και των δύο εντόμων, και βιομάζα βακτηρίων και μυκήτων. Η συνολική μάζα των οργανισμών του εδάφους φτάνει περίπου τους 1-10 9 τόνους και στη σύνθεση της ζωόμαζας, το κύριο μερίδιο (έως 99%) πέφτει στους ασπόνδυλους οργανισμούς.
Συνολικά, η ουσία των φυτών, κυρίως ξυλώδη, κυριαρχεί απόλυτα στη βιομάζα της γης: η φωτομάζα αντιπροσωπεύει το 97-98% και η ζουμάζα 1-3% κατά βάρος (Kovda, 1971).
Αν και η μάζα της ζωντανής ύλης δεν είναι μεγάλη σε σύγκριση με τον όγκο της λιθό-, υδρο-, ακόμη και της ατμόσφαιρας, ο ρόλος της στη φύση είναι ασύγκριτα μεγαλύτερος από το ειδικό βάρος της. Για παράδειγμα, σε 1 εκτάριο που καταλαμβάνεται από φυτά, η έκταση των φύλλων τους μπορεί να φτάσει τα 80 εκτάρια, μπορείτε να κάνετε απευθείας επιχειρήσεις και η περιοχή των κόκκων χλωροφύλλης, δηλαδή μια ενεργά επιφάνεια εργασίας, είναι εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη. Η περιοχή των κόκκων χλωροφύλλης όλων των πράσινων φυτών στη Γη είναι περίπου ίση με την περιοχή του Δία.
Τονίζουμε για άλλη μια φορά ότι η φωτοσύνθεση είναι μια πολύ τέλεια μορφή συσσώρευσης ενέργειας, η ποσότητα της οποίας εκφράζεται με τον αριθμό 12,6-10 21 J (3-1021 cal). Αυτή η ενέργεια παράγει ετησίως περίπου 5,8-10 11 τόνους οργανικής ύλης στη Γη, συμπεριλαμβανομένων 3,1 ∙ 10 10 τόνων στην ξηρά. Από αυτόν τον αριθμό, τα δάση αντιπροσωπεύουν 2,04-10 10 , οι στέπες, οι βάλτοι και τα λιβάδια 0,38-10 10 , οι έρημοι 0,1 ∙ 10 10 και η καλλιεργούμενη βλάστηση 0,58-10 10 τόνοι (Kovla, 1971).
1 g χώματος σε ένα χωράφι με βαμβάκι περιέχει 50-100 χιλιάδες μικροοργανισμούς, που είναι αρκετοί τόνοι ανά εκτάριο (Kovda, 1969). Ορισμένα εδάφη ανά εκτάριο περιέχουν έως και 10 δισεκατομμύρια στρογγυλούς σκώληκες, έως και 3 εκατομμύρια γαιοσκώληκες και 20 εκατομμύρια έντομα.
Η πρωτογενής παραγωγή στη Γη δημιουργείται στα κύτταρα των πράσινων φυτών υπό την επίδραση της ηλιακής ενέργειας, καθώς και από ορισμένα βακτήρια λόγω χημικών αντιδράσεων.
Η φωτοσύνθεση είναι η διαδικασία σχηματισμού οργανικών ουσιών από διοξείδιο του άνθρακα και νερό στο φως με τη συμμετοχή φωτοσυνθετικών χρωστικών (χλωροφύλλη στα φυτά, βακτηριοχλωροφύλλη και βακτηριοροδοψίνη στα βακτήρια).
Η αφομοιωμένη ενέργεια φωτονίων μετατρέπεται σε ενέργεια δεσμού ΧΗΜΙΚΕΣ ΟΥΣΙΕΣσυντίθεται κατά τη διάρκεια αυτών των διεργασιών.
Η βασική αντίδραση της φωτοσύνθεσης μπορεί να γραφτεί ως εξής:
όπου H 2 X - "δότης" ηλεκτρονίων. Το Η είναι υδρογόνο. X - οξυγόνο, θείο ή άλλοι αναγωγικοί παράγοντες (για παράδειγμα, τα σουλφοβακτήρια χρησιμοποιούν H 2 S ως αναγωγικό παράγοντα, ενώ άλλοι τύποι βακτηρίων χρησιμοποιούν οργανική ουσία και τα περισσότερα πράσινα φυτά που πραγματοποιούν αφομοίωση χλωροφύλλης χρησιμοποιούν οξυγόνο).
Τύποι φωτοσύνθεσης:
1. Χλωροφιλική φωτοσύνθεση.
2. Χλωροφιλική φωτοσύνθεση
ένα). ανοξυγονική φωτοσύνθεση. Η διαδικασία σχηματισμού οργανικών ουσιών στο φως, στην οποία δεν υπάρχει σύνθεση μοριακού οξυγόνου. Διενεργείται από μωβ και πράσινα βακτήρια, καθώς και ελικοβακτήρια.
σι). οξυγονικόςφωτοσύνθεση με την απελευθέρωση ελεύθερου οξυγόνου. Η οξυγονική φωτοσύνθεση είναι πολύ πιο διαδεδομένη. Εκτελείται από φυτά, κυανοβακτήρια και προχλωρόφυτα.
Η βασική αντίδραση της φωτοσύνθεσης που πραγματοποιείται από τα φυτά μπορεί να γραφτεί ως εξής:
Στάδια (φάσεις) της φωτοσύνθεσης:
φωτοφυσικο?
· φωτοχημική;
χημική (ή βιοχημική).
Στο πρώτο στάδιο, η απορρόφηση των κβάντων φωτός από τις χρωστικές, η μετάβασή τους σε διεγερμένη κατάσταση και η μεταφορά ενέργειας σε άλλα μόρια του φωτοσυστήματος.
Στο δεύτερο στάδιο, υπάρχει ένας διαχωρισμός των φορτίων στο κέντρο αντίδρασης, η μεταφορά ηλεκτρονίων κατά μήκος της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων φωτοσυνθετικών. Υπάρχει μια μετάβαση της ενέργειας της διεγερμένης κατάστασης στην ενέργεια των χημικών δεσμών. ATP και NADPH συντίθενται.
Στο τρίτο στάδιο, οι βιοχημικές αντιδράσεις της σύνθεσης οργανικών ουσιών προχωρούν χρησιμοποιώντας την ενέργεια που συσσωρεύεται στο εξαρτώμενο από το φως στάδιο με το σχηματισμό σακχάρων και αμύλου. Οι αντιδράσεις της βιοχημικής φάσης συμβαίνουν με τη συμμετοχή ενζύμων και διεγείρονται από τη θερμοκρασία, επομένως η φάση αυτή ονομάστηκε θερμοχημική φάση.
Τα δύο πρώτα στάδια μαζί ονομάζονται φωτοεξαρτώμενο στάδιο της φωτοσύνθεσης - φως. Το τρίτο στάδιο συμβαίνει ήδη χωρίς την υποχρεωτική συμμετοχή φωτός - σκότους.
Η ενέργεια του Ήλιου χρησιμοποιείται στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης και συσσωρεύεται με τη μορφή χημικών δεσμών στα προϊόντα της φωτοσύνθεσης και στη συνέχεια μεταφέρεται ως τροφή σε όλους τους άλλους ζωντανούς οργανισμούς. Η φωτοσυνθετική δραστηριότητα των πράσινων φυτών παρέχει στον πλανήτη οργανική ύλη και την ηλιακή ενέργεια που συσσωρεύεται σε αυτήν - την πηγή της προέλευσης και τον παράγοντα για την ανάπτυξη της ζωής στη Γη.
Ανάμεσα σε όλες τις ακτίνες του ηλιακού φωτός, συνήθως διακρίνονται ακτίνες που επηρεάζουν τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, επιταχύνοντας ή επιβραδύνοντας την πορεία της. Αυτές οι ακτίνες ονομάζονται φυσιολογικά ενεργή ακτινοβολία(συντομογραφία FAR). Τα πιο ενεργά μεταξύ των PAR είναι το πορτοκαλοκόκκινο (0,65...0,68 μm), το μπλε-ιώδες (0,40...0,50 μm) και το σχεδόν υπεριώδες (0,38...0,40 μm). Οι κιτρινοπράσινες (0,50 ... 0,58 microns) ακτίνες απορροφώνται λιγότερο και οι υπέρυθρες ακτίνες πρακτικά δεν απορροφώνται. Μόνο οι μακρινές υπέρυθρες ακτίνες συμμετέχουν στην ανταλλαγή θερμότητας των φυτών, έχοντας κάποια θετική επίδραση, ειδικά σε μέρη με χαμηλές θερμοκρασίες.
Η σύνθεση της οργανικής ύλης μπορεί να πραγματοποιηθεί από βακτήρια με ή χωρίς ηλιακό φως. Πιστεύεται ότι ήταν η φωτοσύνθεση των βακτηρίων που ήταν το πρώτο στάδιο στην ανάπτυξη της αυτοτροφίας.
Τα βακτήρια που χρησιμοποιούν διαδικασίες που σχετίζονται με την οξείδωση θειούχων ενώσεων και άλλων στοιχείων για να σχηματίσουν οργανική ύλη ανήκουν σε χημειοσυνθετικά.
Δεν θα οδηγηθούμε σε ένα αυστηρό πλαίσιο από την αρχή και θα περιγράψουμε τον όρο όσο το δυνατόν πιο απλά: η διαδικασία οξείδωσης οργανικών ουσιών (οργανικές· αυτές είναι, για παράδειγμα, πρωτεΐνες, λίπη και υδατάνθρακες) είναι μια αντίδραση που έχει ως αποτέλεσμα αύξηση του όγκου του οξυγόνου (Ο2) και μείωση του όγκου του υδρογόνου (Η2).
οργανική ύλη- πρόκειται για διάφορες χημικές ενώσεις στις οποίες περιλαμβάνεται το (C). Εξαιρέσεις αποτελούν το ανθρακικό οξύ (H2CO3), τα καρβίδια (π.χ. καρβορούνδιο SiC, τσιμεντίτης Fe3C), τα ανθρακικά (π.χ. ασβεστίτης CaCO3, μαγνησίτης MgCO3), οξείδια του άνθρακα, κυανίδια (όπως KCN, AgCN). Η οργανική ύλη αντιδρά με το πιο γνωστό οξειδωτικό, το οξυγόνο O2, σχηματίζοντας νερό H2O και διοξείδιο του άνθρακα CO2.
Η διαδικασία της οξείδωσης των οργανικών ουσιών
Αν σκεφτούμε λογικά, τότε εφόσον η διαδικασία της πλήρους οξείδωσης είναι η καύση, τότε η διαδικασία της ατελούς οξείδωσης είναι η οξείδωση της οργανικής ύλης, γιατί με μια τέτοια πρόσκρουση, η ουσία δεν αναφλέγεται, αλλά μόνο τη θερμαίνει (συνοδευόμενη από την απελευθέρωση μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας με τη μορφή ATP - τριφωσφορική αδενοσίνη - και θερμότητας Q ).
Η αντίδραση της οργανικής οξείδωσης δεν είναι πολύ περίπλοκη, οπότε αρχίζουν να την αναλύουν στην αρχή του μαθήματος της χημείας και οι μαθητές αφομοιώνουν γρήγορα τις πληροφορίες, αν, φυσικά, καταβάλουν τουλάχιστον κάποια προσπάθεια. Έχουμε ήδη μάθει ποια είναι αυτή η διαδικασία και τώρα πρέπει να εμβαθύνουμε στην ίδια την ουσία του θέματος. Λοιπόν, πώς προχωρά η αντίδραση και τι είναι;
Η οξείδωση της οργανικής ύλης είναι ένα είδος μετάβασης, η μετατροπή μιας κατηγορίας ενώσεων σε μια άλλη. Για παράδειγμα, η όλη διαδικασία ξεκινά με την οξείδωση ενός κορεσμένου υδρογονάνθρακα και τη μετατροπή του σε ακόρεστο, στη συνέχεια η προκύπτουσα ουσία οξειδώνεται για να σχηματίσει αλκοόλη. το αλκοόλ, με τη σειρά του, σχηματίζει αλδεΰδη, το καρβοξυλικό οξύ "ρέει" από την αλδεΰδη. Ως αποτέλεσμα της όλης διαδικασίας, παίρνουμε διοξείδιο του άνθρακα (όταν γράφετε την εξίσωση, μην ξεχάσετε να βάλετε το αντίστοιχο βέλος) και νερό.
Αυτή είναι μια αντίδραση οξειδοαναγωγής, και στις περισσότερες περιπτώσεις, η οργανική ύλη εμφανίζει αναγωγικές ιδιότητες και οξειδώνεται μόνη της. Κάθε στοιχείο που εμπλέκεται έχει τη δική του ταξινόμηση - είναι είτε αναγωγικός παράγοντας είτε οξειδωτικός παράγοντας και δίνουμε ένα όνομα με βάση το αποτέλεσμα του OVR.
Η ικανότητα των οργανικών ουσιών να οξειδώνονται
Γνωρίζουμε τώρα ότι ένας οξειδωτικός παράγοντας, που παίρνει ηλεκτρόνια και έχει αρνητικό φορτίο, και ένας αναγωγικός παράγοντας, που δίνει ηλεκτρόνια και έχει θετικό φορτίο, συμμετέχουν στη διαδικασία της ORR (αντίδραση οξείδωσης-αναγωγής). Ωστόσο, δεν μπορεί να μπει κάθε ουσία στη διαδικασία που εξετάζουμε. Για να γίνει πιο κατανοητό, ας δούμε τα σημεία.
Οι ενώσεις δεν οξειδώνονται:
- Αλκάνια - ονομάζονται διαφορετικά παραφίνες ή κορεσμένοι υδρογονάνθρακες (για παράδειγμα, μεθάνιο, το οποίο έχει τον τύπο CH4).
- Οι αρένες είναι αρωματικές ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ. Μεταξύ αυτών, το βενζόλιο δεν οξειδώνεται (θεωρητικά, αυτή η αντίδραση μπορεί να πραγματοποιηθεί, αλλά μετά από αρκετά μεγάλα βήματα, το βενζόλιο δεν μπορεί να οξειδωθεί από μόνο του).
- Οι τριτοταγείς αλκοόλες είναι αλκοόλες στις οποίες η υδροξοομάδα ΟΗ είναι συνδεδεμένη με ένα τριτοταγές άτομο άνθρακα.
- Η φαινόλη είναι ένα άλλο όνομα για το καρβολικό οξύ και γράφεται στη χημεία ως C6H5OH.
Παραδείγματα οργανικών ουσιών ικανών να οξειδωθούν:
- Αλκένια;
- Αλκίνια (ως αποτέλεσμα, θα ακολουθήσουμε το σχηματισμό μιας αλδεΰδης, καρβοξυλικού οξέος ή κετόνης).
- Αλκαδιένια (σχηματίζονται είτε πολυϋδρικές αλκοόλες είτε οξέα).
- Κυκλοαλκάνια (παρουσία καταλύτη, σχηματίζεται δικαρβοξυλικό οξύ).
- Αρένια (οποιεσδήποτε ουσίες που έχουν δομή παρόμοια με το βενζόλιο, δηλαδή τα ομόλογά του, μπορούν να οξειδωθούν σε βενζοϊκό οξύ).
- Πρωτογενείς, δευτεροταγείς αλκοόλες.
- Αλδεΰδες (έχουν την ικανότητα να οξειδώνουν μετά τους άνθρακες).
- Αμίνες (κατά την οξείδωση σχηματίζονται μία ή περισσότερες ενώσεις με τη νίτρο ομάδα ΝΟ2).
Οξείδωση οργανικών ουσιών στο κύτταρο φυτικών, ζωικών και ανθρώπινων οργανισμών
Αυτό είναι το πιο σημαντική ερώτησηόχι μόνο για εκείνους τους ανθρώπους που ενδιαφέρονται για τη χημεία. Ο καθένας πρέπει να έχει αυτό το είδος γνώσης για να σχηματίσει μια σωστή ιδέα για διάφορες διαδικασίες στη φύση, για την αξία οποιωνδήποτε ουσιών στον κόσμο, ακόμη και για τον εαυτό του - ένα άτομο.
Από τα μαθήματα της σχολικής βιολογίας, πιθανότατα γνωρίζετε ήδη ότι η οξείδωση της οργανικής ύλης παίζει σημαντικό ρόλο. βιολογικό ρόλοστο ανθρώπινο σώμα. Ως αποτέλεσμα των οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων, λαμβάνει χώρα η διάσπαση του BJU (πρωτεΐνες, λίπη, υδατάνθρακες): θερμότητα, ATP και άλλοι φορείς ενέργειας απελευθερώνονται στα κύτταρα και το σώμα μας παρέχεται πάντα με επαρκή παροχή για να εκτελέσει δράσεις και κανονική λειτουργία συστήματα οργάνων.
Η ροή αυτής της διαδικασίας βοηθά στη διατήρηση μιας σταθερής θερμοκρασίας σώματος στο σώμα όχι μόνο ενός ατόμου, αλλά και οποιουδήποτε άλλου θερμόαιμου ζώου και επίσης βοηθά στη ρύθμιση της σταθερότητας του εσωτερικού περιβάλλοντος (αυτό ονομάζεται ομοιόσταση), του μεταβολισμού, εξασφαλίζει την ποιοτική εργασία των κυτταρικών οργανιδίων, οργάνων και επίσης εκτελεί πολλές ακόμη απαραίτητες λειτουργίες.
Κατά τη φωτοσύνθεση, τα φυτά απορροφούν επιβλαβές διοξείδιο του άνθρακα και παράγουν οξυγόνο, το οποίο είναι απαραίτητο για την αναπνοή.
Η βιολογική οξείδωση των οργανικών ουσιών μπορεί να προχωρήσει αποκλειστικά με τη χρήση διαφόρων φορέων ηλεκτρονίων και ενζύμων (χωρίς αυτούς, αυτή η διαδικασία θα διαρκούσε απίστευτα μεγάλο χρονικό διάστημα).
Ο ρόλος της οργανικής οξείδωσης στη βιομηχανία
Αν μιλάμε για το ρόλο της οργανικής οξείδωσης στη βιομηχανία, τότε αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται στη σύνθεση, στο έργο των βακτηρίων οξικού οξέος (με ατελή οργανική οξείδωση, σχηματίζουν μια σειρά από νέες ουσίες) και σε ορισμένες περιπτώσεις, με οργανικά , είναι δυνατή και η παραγωγή εκρηκτικών ουσιών.
Αρχές γραφής εξισώσεων στην οργανική χημεία
Στη χημεία, δεν μπορεί κανείς να κάνει χωρίς να συντάξει μια εξίσωση - αυτό είναι ένα είδος γλώσσας αυτής της επιστήμης, την οποία όλοι οι επιστήμονες του πλανήτη, ανεξαρτήτως εθνικότητας, μπορούν να μιλήσουν και να καταλάβουν ο ένας τον άλλον.
Ωστόσο, οι μεγαλύτερες δυσκολίες προκαλούνται από τη σύνταξη εξισώσεων όταν πρόκειται να γίνει η μελέτη της οργανικής χημείας.
Για να αποσυναρμολογηθεί αυτό το θέμα, απαιτείται πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα, επομένως, έχει επιλεγεί εδώ μόνο ένας σύντομος αλγόριθμος ενεργειών για την επίλυση μιας αλυσίδας εξισώσεων με ορισμένες επεξηγήσεις:
- Αρχικά, εξετάζουμε αμέσως πόσες αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα σε μια δεδομένη διαδικασία και τις αριθμούμε. Καθορίζουμε επίσης τις κατηγορίες, τα ονόματα των αρχικών ουσιών και τις ουσίες που τελικά σχηματίζονται.
- Δεύτερον, είναι απαραίτητο να γράψετε όλες τις εξισώσεις μία προς μία και να μάθετε το είδος των αντιδράσεών τους (ένωση, αποσύνθεση, ανταλλαγή, αντικατάσταση) και τις συνθήκες.
- Μετά από αυτό, μπορείτε να συντάξετε ηλεκτρονικά ισοζύγια και επίσης μην ξεχάσετε να ορίσετε τους συντελεστές.
Αντιδράσεις οξείδωσης οργανικών ουσιών και των τελικών προϊόντων σχηματισμού τους
Οξείδωση βενζολίου
Ακόμη και κάτω από τις πιο επιθετικές συνθήκες, το βενζόλιο δεν υπόκειται σε οξείδωση. Ωστόσο, τα ομόλογα βενζολίου μπορούν να οξειδωθούν υπό την επίδραση ενός διαλύματος υπερμαγγανικού καλίου σε ένα ουδέτερο μέσο για να σχηματίσουν βενζοϊκό κάλιο.
Εάν το ουδέτερο μέσο μετατραπεί σε όξινο, τότε τα ομόλογα βενζολίου μπορούν να οξειδωθούν με υπερμαγγανικό ή διχρωμικό κάλιο με τον τελικό σχηματισμό βενζοϊκού οξέος.
Σχηματισμός τύπου βενζοϊκού οξέος
Οξείδωση αλκενίου
Στην οξείδωση των αλκενίων με ανόργανα οξειδωτικά μέσα, τα τελικά προϊόντα είναι οι λεγόμενες διυδρικές αλκοόλες - γλυκογόνα. Οι αναγωγικοί παράγοντες σε αυτές τις αντιδράσεις είναι άτομα άνθρακα.
Ένα καλό παράδειγμα αυτού είναι χημική αντίδρασηδιάλυμα υπερμαγγανικού καλίου λόγω του ασθενούς αλκαλικού περιβάλλοντος.
Οι επιθετικές συνθήκες οξείδωσης οδηγούν στο γεγονός ότι η ανθρακική αλυσίδα καταστρέφεται στον διπλό δεσμό με τα τελικά προϊόντα σχηματισμού με τη μορφή δύο οξέων. Επιπλέον, εάν το μέσο με υψηλή περιεκτικότητα σε αλκάλια σχηματίζει δύο άλατα. Επίσης, προϊόντα λόγω της διάσπασης της ανθρακικής αλυσίδας μπορούν να σχηματίσουν οξύ και διοξείδιο του άνθρακα, αλλά σε ένα ισχυρό αλκαλικό περιβάλλον, τα προϊόντα οξειδωτική αντίδρασηεμφανίζονται ανθρακικά άλατα.
Τα αλκένια μπορούν να οξειδωθούν όταν βυθίζονται στο όξινο περιβάλλον του διχρωμικού καλίου με παρόμοιο τρόπο όπως φαίνεται στα δύο πρώτα παραδείγματα.
Οξείδωση αλκυνίου
Σε αντίθεση με τα αλκένια, τα αλκίνια οξειδώνονται σε πιο επιθετικό περιβάλλον. Η καταστροφή της ανθρακικής αλυσίδας συμβαίνει στον τριπλό δεσμό. κοινή περιουσίαμε τα αλκένια είναι οι αναγωγικοί τους παράγοντες έναντι των ατόμων άνθρακα.
Τα προϊόντα αντίδρασης εξόδου είναι διοξείδιο του άνθρακα και οξέα. Τοποθετημένο υπερμαγγανικό κάλιο σε όξινο περιβάλλον θα είναι οξειδωτικός παράγοντας.
Τα προϊόντα οξείδωσης του ακετυλενίου, όταν βυθίζονται σε ουδέτερο μέσο με υπερμαγγανικό κάλιο, είναι οξαλικό κάλιο.
Όταν ένα ουδέτερο μέσο μετατρέπεται σε όξινο, η αντίδραση οξείδωσης προχωρά στον σχηματισμό διοξειδίου του άνθρακα ή οξαλικού οξέος.
Οξείδωση αλδεΰδων
Οι αλδεΰδες οξειδώνονται εύκολα λόγω των ιδιοτήτων τους ως ισχυρών αναγωγικών παραγόντων. Ως οξειδωτικοί παράγοντες για τις αλδεΰδες, μπορεί να διακριθεί το υπερμαγγανικό κάλιο με διχρωμικό κάλιο, όπως και στις προηγούμενες εκδόσεις, καθώς και ένα διάλυμα υδροξειδίου του αργύρου διαμίνης - ΟΗ και υδροξειδίου του χαλκού - Cu (OH) 2, κυρίως χαρακτηριστικό των αλδεΰδων. Σημαντική προϋπόθεση για την εμφάνιση της αντίδρασης οξείδωσης των αλδεΰδων είναι η επίδραση της θερμοκρασίας.
Στο βίντεο μπορείτε να δείτε πώς προσδιορίζεται η παρουσία αλδεΰδων στην αντίδραση με υδροξείδιο του χαλκού.
Οι αλδεΰδες μπορούν να οξειδωθούν σε καρβοξυλικά οξέαυπό την επίδραση υδροξειδίου του αργύρου διαμίνης σε μορφή διαλύματος με απελευθέρωση αλάτων αμμωνίου. Αυτή η αντίδραση ονομάζεται «ασημένιος καθρέφτης».
Επιπλέον, το βίντεο δείχνει μια ενδιαφέρουσα αντίδραση, η οποία ονομάζεται " ασημένιος καθρέφτης". Αυτή η εμπειρία λαμβάνει χώρα στην αλληλεπίδραση της γλυκόζης, η οποία είναι επίσης αλδεΰδη, με ένα διάλυμα αμμωνίας αργύρου.
Οξείδωση αλκοόλης
Το προϊόν οξείδωσης των αλκοολών εξαρτάται από τον τύπο του ατόμου άνθρακα στο οποίο είναι συνδεδεμένη η ομάδα ΟΗ της αλκοόλης. Εάν η ομάδα συνδέεται με ένα πρωτογενές άτομο άνθρακα, τότε το προϊόν οξείδωσης θα είναι αλδεΰδες. Εάν η ομάδα ΟΗ μιας αλκοόλης συνδέεται με ένα δευτερεύον άτομο άνθρακα, τότε το προϊόν οξείδωσης είναι οι κετόνες.
Οι αλδεΰδες, με τη σειρά τους, που σχηματίζονται κατά την οξείδωση των αλκοολών, μπορούν στη συνέχεια να οξειδωθούν για να σχηματίσουν οξέα. Αυτό επιτυγχάνεται με την οξείδωση πρωτοταγών αλκοολών με διχρωμικό κάλιο σε όξινο μέσο κατά τη διάρκεια του βρασμού της αλδεΰδης, οι οποίες, με τη σειρά τους, δεν έχουν χρόνο να οξειδωθούν κατά την εξάτμιση.
Υπό την προϋπόθεση της υπερβολικής παρουσίας οξειδωτικών παραγόντων όπως το υπερμαγγανικό κάλιο (KMnO4) και το διχρωμικό κάλιο (K2Cr2O7), σχεδόν υπό οποιεσδήποτε συνθήκες, οι πρωτοταγείς αλκοόλες μπορούν να οξειδωθούν με την απελευθέρωση καρβοξυλικών οξέων και οι κετόνες, με τη σειρά τους, σε δευτεροταγείς αλκοόλες. , παραδείγματα αντιδράσεων των οποίων με προϊόντα σχηματισμού θα εξεταστούν παρακάτω.
Η αιθυλενογλυκόλη ή η λεγόμενη διυδρική αλκοόλη, ανάλογα με το μέσο, μπορεί να οξειδωθεί σε προϊόντα όπως το οξαλικό οξύ ή το οξαλικό κάλιο. Εάν η αιθυλενογλυκόλη βρίσκεται σε διάλυμα υπερμαγγανικού καλίου με την προσθήκη οξέος, σχηματίζεται οξαλικό οξύ, εάν η διυδρική αλκοόλη βρίσκεται στο ίδιο διάλυμα υπερμαγγανικού καλίου ή διχρωμικού καλίου, αλλά σε ουδέτερο μέσο, τότε σχηματίζεται οξαλικό κάλιο. Ας ρίξουμε μια ματιά σε αυτές τις αντιδράσεις.
Ανακαλύψαμε όλα όσα πρέπει να γίνουν κατανοητά στην αρχή και αρχίσαμε να αναλύουμε ένα τόσο δύσκολο θέμα όπως η επίλυση και η σύνταξη εξισώσεων. Συμπερασματικά, μπορούμε μόνο να πούμε ότι η ισορροπημένη πρακτική και οι συχνές μελέτες θα βοηθήσουν στη γρήγορη ενοποίηση του υλικού που καλύπτεται και θα μάθουν πώς να επιλύουν προβλήματα.
Μία από τις κύριες παραδοχές της ετερότροφης υπόθεσης είναι ότι προηγήθηκε η εμφάνιση της ζωής από τη συσσώρευση οργανικών μορίων. Σήμερα ονομάζουμε οργανικά μόρια όλα εκείνα τα μόρια που περιέχουν άνθρακα και υδρογόνο. Ονομάζουμε τα μόρια οργανικά επίσης επειδή αρχικά πίστευαν ότι ενώσεις αυτού του είδους μπορούσαν να συντεθούν μόνο από ζωντανούς οργανισμούς.
Ωστόσο, πίσω στο 1828. Οι χημικοί έχουν μάθει να συνθέτουν ουρία από ανόργανες ουσίες. Η ουρία είναι μια οργανική ένωση που απεκκρίνεται στα ούρα πολλών ζώων. Οι ζωντανοί οργανισμοί θεωρούνταν η μόνη πηγή ουρίας μέχρι να μπορέσει να συντεθεί στο εργαστήριο. Οι εργαστηριακές συνθήκες υπό τις οποίες ελήφθησαν οι οργανικές ενώσεις από τους χημικούς, προφανώς, μιμούνται σε κάποιο βαθμό τις περιβαλλοντικές συνθήκες στη γη πρώιμη περίοδοτην ύπαρξή της. Αυτές οι συνθήκες θα μπορούσαν, σύμφωνα με τους συγγραφείς της ετερότροφης υπόθεσης, να οδηγήσουν στο σχηματισμό οργανικών ενώσεων από άτομα οξυγόνου, υδρογόνου, αζώτου και άνθρακα.
Δαφνοστεφής βραβείο ΝόμπελΟ Harold Urey, που εργάζεται στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο, άρχισε να ενδιαφέρεται για την εξέλιξη χημικές ενώσειςστη Γη κατά την πρώιμη περίοδο της ύπαρξής της. Συζήτησε αυτό το πρόβλημα με έναν από τους μαθητές του, τον Stanley Miller. Τον Μάιο του 1953, ο Μίλερ δημοσίευσε ένα άρθρο με τίτλο «Ο σχηματισμός αμινοξέων υπό συνθήκες παρόμοιες με αυτές που υπήρχαν στη Γη την πρώιμη περίοδο», στο οποίο ανέφερε ότι η Α.Ι. Ο Oparin ήταν ο πρώτος που εξέφρασε την ιδέα ότι η βάση της ζωής - οι οργανικές ενώσεις σχηματίστηκαν σε μια εποχή που η ατμόσφαιρα της Γης περιείχε μεθάνιο, αμμωνία, νερό και υδρογόνο και όχι διοξείδιο του άνθρακα, άζωτο, οξυγόνο και νερό. Πρόσφατα, αυτή η ιδέα επιβεβαιώθηκε στα ρομπότ του Urey και του Bernal.
Για να ελεγχθεί αυτή η υπόθεση, ένα μείγμα αερίων CH4, NH3, H2O και H2 πέρασε μέσα από ένα σύστημα σωλήνων σε μια ειδικά σχεδιασμένη συσκευή και δημιουργήθηκε μια ηλεκτρική εκκένωση σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Η περιεκτικότητα σε αμινοξέα προσδιορίστηκε στο προκύπτον μίγμα.
Στην αεροστεγή συσκευή που σχεδίασε ο Miller, γεμάτη με μεθάνιο, υδρογόνο και αμμωνία, πέρασε μια ηλεκτρική εκκένωση. Οι υδρατμοί προέρχονταν από μια ειδική συσκευή που σχετίζεται με το κύριο μέρος της συσκευής. Ο ατμός, περνώντας μέσα από τη συσκευή, ψύχθηκε και συμπυκνώθηκε με τη μορφή βροχής. Έτσι, οι συνθήκες που υπήρχαν στην ατμόσφαιρα της πρωτόγονης Γης αναπαράχθηκαν με μεγάλη ακρίβεια στο εργαστήριο. Αυτά περιλαμβάνουν ζέστη, βροχή και σύντομες λάμψεις φωτός. Μια εβδομάδα αργότερα, ο Μίλερ ανέλυσε το αέριο, το οποίο βρισκόταν σε πειραματικές συνθήκες. Βρήκε ότι το άχρωμο υγρό που σχηματίστηκε προηγουμένως έγινε κόκκινο.
Η χημική ανάλυση έδειξε ότι κάποιες ενώσεις εμφανίστηκαν στο υγρό, οι οποίες δεν υπήρχαν στην αρχή του πειράματος. Τα άτομα ορισμένων μορίων αερίου ανασυνδυάστηκαν, σχηματίζοντας νέα και πιο πολύπλοκα μόρια - οργανικά μόρια. Αναλύοντας τις ενώσεις που βρέθηκαν στο υγρό, ο Μίλερ ανακάλυψε ότι εκεί σχηματίζονται οργανικά μόρια γνωστά ως αμινοξέα. Τα αμινοξέα αποτελούνται από άτομα άνθρακα, υδρογόνου, οξυγόνου και αζώτου.
Κάθε άτομο άνθρακα μπορεί να σχηματίσει τέσσερα χημικοί δεσμοίμε άλλα άτομα. Τα πειράματα του Μίλερ δείχνουν ότι παρόμοιες διεργασίες θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν στην ατμόσφαιρα της Γης στην πρώιμη περίοδο της ύπαρξής της. Αυτά τα πειράματα ήταν μια σημαντική επιβεβαίωση της ετερότροφης υπόθεσης.
