Biogeocheminiai ciklai: anglies ir azoto apytaka
Išeiname už žmogaus ribų. Tyrinėsime augalų ir gyvūnų pasaulį, jų prisitaikymus ir sudėtingus tarpusavio ryšius, formuojančius stabilias ekosistemas.
Įvadas: gyvybės ratas
Generuojame audio įrašą...
Dirbtinis intelektas skaito jūsų tekstą. Šis procesas gali užtrukti iki minutės.
Įsivaizduokite, kad kiekvienas atomas jūsų kūne – anglies, vandenilio, deguonies, azoto – turi ilgą ir turiningą istoriją. Prieš tapdamas jūsų dalimi, jis galėjo būti dinozauro kaulo dalis, gilaus vandenyno nuosėda ar net žvaigždės dulkė. Medžiagos gamtoje niekur nedingsta, jos tik nuolat keliauja iš vienos formos į kitą. Šis nenutrūkstamas cheminių elementų judėjimas tarp gyvosios ir negyvosios gamtos vadinamas biogeocheminiais ciklais.
Šioje pamokoje pasinersime į du svarbiausius ciklus, be kurių gyvybė, kokią pažįstame, būtų neįmanoma: anglies ir azoto apytakos ciklus. Suprasime, kaip šie elementai keliauja per ekosistemas, kokie organizmai ir procesai yra svarbiausi šios kelionės dalyviai ir, svarbiausia, kaip žmogaus veikla keičia šiuos gyvybiškai svarbius procesus, sukeldama globalias problemas, tokias kaip klimato kaita ir vandens telkinių tarša.
Vaizdo įrašas: anglies ir azoto ciklai
Šis „Crash Course“ vaizdo įrašas aiškiai ir dinamiškai paaiškina, kaip veikia vandens, anglies ir azoto ciklai bei kaip jie yra susiję. (Vaizdo įrašas anglų kalba su galimybe įsijungti automatinius lietuviškus subtitrus).
Dauguma vaizdo įrašų yra įgarsinti angliškai, bet visuose galima įjungti lietuviškus subtitrus.
1. Įsijunkite vaizdo įrašą.
2. Spauskite mygtuką, kuris yra video langelio apačioje dešinėje pusėje, kol ekrane matote, jog rodomas tekstas.
2. Atverkite nustatymus paspaudus prie pat esantį mygtuką.
4. Spauskite Subtitrai/CC (arba Subtitles/CC).
5. Pasirinkite lietuvių kalbą, jeigu toks pasirinkimas yra. Jeigu ne, apačioje pasirinkite Automatinis vertimas (Auto-translate).
6. Pasirinkite lietuvių kalbą (kitaip – Lithuanian).
Anglies apytakos ciklas: gyvybės pamatas
Generuojame audio įrašą...
Dirbtinis intelektas skaito jūsų tekstą. Šis procesas gali užtrukti iki minutės.
Anglis – tai pagrindinis organinių molekulių (baltymų, riebalų, angliavandenių, nukleorūgščių) elementas. Ji sudaro visų gyvų organizmų „karkasą“. Anglies ciklas aprašo, kaip anglis keliauja tarp atmosferos, vandenynų, sausumos ir gyvų organizmų.
Pagrindiniai anglies ciklo procesai
| Procesas | Aprašymas | Kas vykdo? |
|---|---|---|
| Fotosintezė | Augalai ir kiti autotrofai iš atmosferos paima anglies dioksidą ($$CO_2$$) ir, naudodami saulės energiją, paverčia jį organinėmis medžiagomis (gliukoze). Tai yra pagrindinis būdas, kaip anglis iš negyvosios gamtos patenka į gyvąją. | Augalai, dumbliai, melsvabakterės (gamintojai). |
| Ląstelinis kvėpavimas | Organizmai skaido organines medžiagas, kad gautų energijos. Šio proceso metu į atmosferą kaip šalutinis produktas išskiriamas anglies dioksidas ($$CO_2$$). | Visi gyvi organizmai: augalai, gyvūnai, grybai, mikroorganizmai. |
| Dekompozicija (irimas) | Skaidytojams ardant negyvas organines medžiagas (nuokritas, gyvūnų lavonus, atliekas), jose sukaupta anglis išlaisvinama atgal į atmosferą $$CO_2$$ pavidalu. | Bakterijos ir grybai (skaidytojai). |
| Degimas | Degant organinėms medžiagoms (medienai, iškastiniam kurui), jose sukaupta anglis greitai išlaisvinama į atmosferą kaip $$CO_2$$. | Gaisrai (natūralus procesas), žmogaus veikla (iškastinio kuro deginimas). |
| Sedimentacija ir fosilizacija | Dalis organinės anglies vandenynuose nusėda į dugną ir per milijonus metų virsta nuosėdinėmis uolienomis arba iškastiniu kuru (nafta, anglimi, dujomis). | Geologiniai procesai. |
Žmogaus poveikis anglies ciklui
Pagrindinis žmogaus poveikis – masinis iškastinio kuro (anglies, naftos, gamtinių dujų) deginimas. Šis kuras susidarė per milijonus metų iš senovinių organizmų liekanų. Jį degindami, mes per labai trumpą laiką į atmosferą grąžiname milžiniškus kiekius anglies, kuri buvo „užrakinta“ žemės gelmėse. Tai sutrikdo natūralią ciklo pusiausvyrą, didina $$CO_2$$ koncentraciją atmosferoje ir sukelia šiltnamio efektą bei globalinį atšilimą.
Azoto apytakos ciklas: nepakeičiamas, bet sunkiai prieinamas
Generuojame audio įrašą...
Dirbtinis intelektas skaito jūsų tekstą. Šis procesas gali užtrukti iki minutės.
Azotas yra būtinas baltymams ir nukleorūgštims (DNR, RNR) sudaryti. Nors atmosferoje azoto dujų ($$N_2$$) yra apie 78 %, dauguma organizmų negali jų tiesiogiai panaudoti. Tam, kad azotas taptų prieinamas, jis turi būti paverstas kitomis formomis (amoniaku, nitritais, nitratais). Šiame procese pagrindinį vaidmenį atlieka bakterijos.
Pagrindiniai azoto ciklo procesai
| Procesas | Aprašymas | Kas vykdo? |
|---|---|---|
| Azoto fiksacija | Atmosferos azotas ($$N_2$$) paverčiamas amoniaku ($$NH_3$$). Tai sunkiausias ir daugiausiai energijos reikalaujantis ciklo etapas. | Azotą fiksuojančios bakterijos (laisvai gyvenančios dirvožemyje arba simbiozėje su ankštiniais augalais, pvz., gumbelinės bakterijos). Taip pat žaibas. |
| Nitrifikacija | Amoniakas ($$NH_3$$) paverčiamas nitritais ($$NO_2^−$$), o vėliau – nitratais ($$NO_3^−$$). Nitratai yra forma, kurią lengviausiai pasisavina augalai. | Nitrifikuojančios bakterijos (dirvožemyje). |
| Asimiliacija | Augalai per šaknis įsiurbia nitratus arba amoniaką ir naudoja juos organinėms molekulėms (aminorūgštims, baltymams) gaminti. Gyvūnai azotą gauna ėsdami augalus ar kitus gyvūnus. | Augalai, o vėliau – gyvūnai. |
| Amonifikacija (irimas) | Skaidytojams ardant negyvas organines medžiagas (augalų ir gyvūnų liekanas, ekskrementus), jose esantis organinis azotas paverčiamas amoniaku ($$NH_3$$). | Bakterijos ir grybai (skaidytojai). |
| Denitrifikacija | Nitratai ($$NO_3^−$$) paverčiami atgal į dujinį azotą ($$N_2$$), kuris grįžta į atmosferą. Taip ciklas užsidaro. | Denitrifikuojančios bakterijos (dirvožemyje, ypač bedeguonėje aplinkoje). |
Žmogaus poveikis azoto ciklui
Žmonės smarkiai paveikė azoto ciklą, daugiausia per žemės ūkį. Gaminant azoto trąšas (pagal Haberio ir Bošo procesą), mes dirbtinai fiksuojame didžiulius atmosferos azoto kiekius. Perteklinės trąšos iš dirvožemio išplaunamos į vandens telkinius. Tai sukelia eutrofikaciją – masinį dumblių suvešėjimą („vandens žydėjimą“). Kai dumbliai miršta, juos skaidančios bakterijos sunaudoja daug deguonies, todėl vandenyje jo trūksta ir žūva žuvys bei kiti organizmai. Be to, deginant iškastinį kurą, į atmosferą išmetami azoto oksidai, kurie sukelia rūgštųjį lietų.
Anglies ir Azoto ciklų žodynėlis
Nenutrūkstamas cheminių elementų judėjimas ir kitimas tarp gyvosios gamtos (bio-), negyvosios gamtos (geo-) ir cheminių procesų.
Organizmai, kurie patys pasigamina organines medžiagas iš neorganinių, naudodami išorinę energiją (dažniausiai saulės). Pavyzdžiui, augalai, dumbliai.
Organizmai, kurie gauna energijos ir organinių medžiagų minta kitais organizmais. Pavyzdžiui, gyvūnai.
Organizmai, kurie ardo negyvas organines medžiagas ir grąžina neorganines medžiagas atgal į aplinką. Pavyzdžiui, bakterijos ir grybai.
Procesas, kurio metu gamintojai naudoja saulės šviesos energiją, vandenį ir anglies dioksidą, kad pagamintų gliukozę (energiją) ir deguonį.
Procesas, kurio metu organizmai skaido organines medžiagas (pvz., gliukozę), kad išlaisvintų energiją (ATP), o kaip šalutinis produktas išsiskiria anglies dioksidas.
Anglis, nafta ir gamtinės dujos, susidariusios iš senovinių organizmų liekanų per milijonus metų. Jose sukaupta didelė anglies atsarga.
Procesas, kai tam tikros dujos atmosferoje (pvz., $$CO_2$$) sulaiko Žemės išspinduliuojamą šilumą, taip šildydamos planetą. Žmogaus veikla šį efektą sustiprina.
Dujinė azoto forma, sudaranti apie 78 % atmosferos. Daugumai organizmų neprieinama dėl labai tvirto trigubo ryšio tarp azoto atomų.
Procesas, kurio metu atmosferos azotas ($$N_2$$) paverčiamas amoniaku ($$NH_3$$). Tai pirmas ir svarbiausias žingsnis, padarantis azotą prieinamą gyvybei.
Azotą fiksuojančios bakterijos, gyvenančios simbiozėje su ankštinių augalų (pupų, žirnių) šaknimis ir teikiančios jiems fiksuotą azotą.
Dviejų etapų procesas, kurio metu bakterijos paverčia amoniaką nitritais ($$NO_2^−$$), o vėliau – nitratais ($$NO_3^−$$).
Procesas, kurio metu augalai pasisavina neorganinį azotą (nitratus, amoniaką) ir įjungia jį į savo organines molekules (pvz., baltymus).
Procesas, kurio metu skaidytojai, ardydami negyvą organiką, joje esantį azotą paverčia amoniaku ($$NH_3$$).
Procesas, kurio metu bakterijos paverčia nitratus atgal į dujinį atmosferos azotą ($$N_2$$), taip uždarydamos ciklą.
Perteklinis maisto medžiagų (ypač nitratų ir fosfatų) patekimas į vandens telkinį, sukeliantis spartų dumblių augimą, deguonies išeikvojimą ir ekosistemos nykimą.
Krituliai, kurių rūgštingumą padidina oro teršalai, tokie kaip azoto ir sieros oksidai, susidarę deginant iškastinį kurą.
Pagrindinės šiltnamio efektą sukeliančios dujos, kurių pagrindinis šaltinis anglies cikle yra kvėpavimas ir degimas.
Pirminis azoto fiksacijos produktas, kurį gali pasisavinti kai kurie augalai arba kuris toliau paverčiamas nitratais.
Azoto forma, kurią lengviausiai pasisavina augalai. Jų perteklius sukelia eutrofikaciją.
Apibrėžimų nėra.
Interaktyvi užduotis: klimato kaita
Generuojame audio įrašą...
Dirbtinis intelektas skaito jūsų tekstą. Šis procesas gali užtrukti iki minutės.
Dabar, kai suprantate anglies ciklo svarbą ir žmogaus poveikį jam, išbandykite savo žinias analizuodami klimato kaitos duomenis.
Užduotis: išanalizuokite klimato kaitos duomenis
- Interaktyvus modelis: Klimato kaita Lietuvoje ir pasaulyje
- Ką darysite? Naudodamiesi pateiktais grafikais, nustatykite anglies dioksido koncentracijos ir vidutinės metinės temperatūros pokyčius per tam tikrą laikotarpį. Išanalizuokite ryšį tarp šių dviejų rodiklių.
- Tikslas: Praktikoje pamatyti ir įtvirtinti supratimą apie ryšį tarp padidėjusios $$CO_2$$ koncentracijos (sutrikdyto anglies ciklo pasekmės) ir kylančios pasaulinės temperatūros.
Anglies ir azoto ciklų palyginimas
Generuojame audio įrašą...
Dirbtinis intelektas skaito jūsų tekstą. Šis procesas gali užtrukti iki minutės.
Nors anglies ir azoto ciklai yra esminiai gyvybei, jie veikia labai skirtingai. Ši lentelė padės suprasti ir įsiminti pagrindinius jų panašumus ir skirtumus – tai ypač naudinga ruošiantis egzaminui.
| Požymis | Anglies ciklas | Azoto ciklas |
|---|---|---|
| Pagrindinė talpykla | Atmosfera | Atmosfera |
| Elemento forma talpykloje | Anglies dioksidas ($$CO_2$$) | Azoto dujos ($$N_2$$) |
| Patekimas į gyvąją gamtą | Fotosintezė: augalai tiesiogiai pasisavina $$CO_2$$ iš oro. | Azoto fiksacija: $$N_2$$ dujas gali paversti amoniaku ($$NH_3$$) tik tam tikros bakterijos. Procesas reikalauja daug energijos. |
| Mikroorganizmų vaidmuo | Svarbūs, bet ne esminiai patekimo į ciklą grandžiai. Skaidytojai (bakterijos, grybai) grąžina anglį į atmosferą ardydami organiką. | Esminis ir lemiamas. Skirtingos bakterijų grupės atlieka visus pagrindinius etapus: azoto fiksaciją, nitrifikaciją, amonifikaciją, denitrifikaciją. Be jų ciklas nevyktų. |
| Grįžimas į atmosferą | Kvėpavimas (greitas procesas), degimas (labai greitas) ir irimas (lėtesnis). | Denitrifikacija: denitrifikuojančios bakterijos paverčia nitratus atgal į $$N_2$$ dujas. |
| Pagrindinis žmogaus poveikis | Iškastinio kuro deginimas ir miškų naikinimas, sukeliantys šiltnamio efektą ir klimato kaitą. | Dirbtinių azoto trąšų naudojimas žemės ūkyje, sukeliantis vandens telkinių eutrofikaciją ir rūgštųjį lietų. |
Iš arčiau: eutrofikacija – kai gerų dalykų tampa per daug
Generuojame audio įrašą...
Dirbtinis intelektas skaito jūsų tekstą. Šis procesas gali užtrukti iki minutės.
Azoto trąšos padidino žemės ūkio produktyvumą, tačiau jų perteklius sukelia didelę ekologinę problemą – eutrofikaciją. Supraskime šį procesą žingsnis po žingsnio.
Eutrofikacijos eiga
- Trąšų perteklius. Lietus nuo laukų į upes ir ežerus išplauna ūkininkų per gausiai naudojamas azoto ir fosforo trąšas.
- Dumblių „sprogimas“. Į vandenį patekę nitratai ir fosfatai veikia kaip trąšos dumbliams ir melsvabakterėms. Jų populiacija ima augti nevaldomai – šis reiškinys vadinamas „vandens žydėjimu“.
- Šviesos blokavimas. Tankus dumblių sluoksnis vandens paviršiuje nepraleidžia saulės šviesos į gilesnius sluoksnius. Dėl šviesos trūkumo žūva dugno augalai, kurie gamina deguonį.
- Masinis žuvimas ir irimas. Greitai augantys dumbliai taip pat greitai ir miršta. Jų negyva masė grimzta į dugną.
- Deguonies išeikvojimas. Į dugną nugrimzdusius negyvus dumblius ima skaidyti aerobinės bakterijos. Šis irimo procesas reikalauja didžiulių deguonies kiekių, todėl ištirpusio deguonies koncentracija vandenyje drastiškai krenta.
- „Mirties zona“. Vandenyje nebelikus deguonies (susidaro hipoksijos arba anoksijos sąlygos), jame nebegali išgyventi žuvys, vėžiagyviai ir kiti deguonimi kvėpuojantys organizmai. Ekosistema žlunga, o telkinys virsta „mirties zona“.
Paruošta užbaigimui!
Sveikiname! Užbaigėte visas užduotis šiame mokymosi rinkinyje. Gaukite 100 XP taškų už savo darbą.
Svarbu žinoti:
Kai užbaigsite mokymosi rinkinį, jo nebegalėsite "atbaigti". XP taškai bus pridėti prie jūsų profilio iš karto.
Mokymosi rinkinys užbaigtas
Jūs sėkmingai gavote 100 XP taškų už šį mokymosi rinkinį.
Tęskite mokymąsi
Norėdami gauti XP taškus, užbaikite visas interaktyvias užduotis šioje pamokoje.
% užbaigta
Ką reikia padaryti:
- • Perskaitykite visą pamokos turinį
- • Atsakykite į refleksijos klausimus
- • Palikite komentarą diskusijos temoms
- • Užbaikite visus testus ir praktinius darbus