§ 34. Живое вещество и биогеохимические круговороты в биосфере

Определения и обозначения

Живое вещество — совокупность всех живых организмов биосферы. Организмы способны расти, размножаться и обмениваться веществами с окружающей средой, поэтому их свойства влияют на перемещение химических элементов. Понятие помогает рассматривать бактерии, растения, животных и другие организмы как единую часть биосферы, преобразующую вещества.

Биомасса — суммарная масса живых организмов на определённой территории или в заданном объёме. Её выражают, например, в граммах или тоннах на единицу площади либо объёма. Биомасса позволяет оценить, сколько живого вещества приходится на выбранный участок, и сравнивать разные сообщества или территории.

Биогенная миграция атомов — перемещение и преобразование химических элементов при участии организмов. Атомы могут переходить из воды, воздуха или горных пород в ткани организмов, а затем снова попадать в неживую среду. Это понятие показывает, что живые существа не только потребляют вещества, но и меняют их распределение и химическую форму.

Биогеохимический круговорот — циклическое перемещение химических элементов между живыми организмами и компонентами неживой природы. Слово «циклическое» означает, что элементы многократно переходят из одной части биосферы в другую, а не исчезают после использования. Понятие нужно, чтобы проследить пути вещества и понять, почему организмы зависят от процессов, происходящих в воздухе, воде и почве.

Как это устроено

Живое вещество распределено по биосфере неравномерно: условия для жизни различаются, поэтому плотность организмов в разных местах неодинакова. Однако обмен веществ постоянно связывает эти участки, потому что организмы поглощают вещества из среды и перемещают их в составе своих тел. После питания, выделения и разложения элементы снова оказываются в окружающей среде. Поэтому живые организмы влияют не только на собственную среду обитания, но и на состав биосферы в целом.

Организмы берут химические элементы из воздуха, воды и горных пород, поскольку без них не могут строить клетки и поддерживать жизненные процессы. При фотосинтезе растения превращают неорганические вещества в органические, а животные получают часть элементов, поедая растения или других животных. Продукты обмена и остатки организмов разрушаются, и элементы возвращаются в почву, воду или атмосферу. Так соединения меняют форму, но атомы продолжают участвовать в природных процессах.

Чтобы описать круговорот, различают резервуары и потоки. Резервуар — место или компонент биосферы, где вещество может накапливаться, например атмосфера, океан или почва. Поток — перемещение вещества между резервуарами; его создают процессы вроде фотосинтеза, дыхания, испарения или разложения. Различие важно: наличие большого запаса вещества ещё не означает, что он быстро доступен организмам, а скорость обмена зависит от интенсивности потоков.

Круговороты углерода, азота, кислорода и воды не совпадают, потому что у каждого элемента свои источники, доступные организму формы и пути перемещения. Углерод растения поглощают как углекислый газ, а азот большинству растений доступен после превращений, выполненных микроорганизмами. Кислород образуется при фотосинтезе и расходуется, в частности, при дыхании и разложении. Вода переходит между организмами, водоёмами, почвой и атмосферой, главным образом благодаря испарению и осадкам.

Организмы поддерживают круговороты, потому что поглощение и выделение веществ происходят непрерывно. Если один процесс замедляется или усиливается, меняется количество вещества в связанных резервуарах. Хозяйственная деятельность человека тоже меняет потоки: например, вырубка лесов уменьшает поглощение углекислого газа растениями, а сельское хозяйство добавляет в почву соединения азота. Поэтому природный обмен не следует считать неизменным: его равновесие зависит от соотношения разных процессов.

Основные биогеохимические круговороты

Сравнивайте строки таблицы по четырём вопросам: где сосредоточено вещество, как оно попадает в организмы, каким путём возвращается и какое воздействие человека меняет этот путь. Резервуары и процессы в одном круговороте могут быть связаны между собой, поэтому таблица показывает основные, а не все возможные маршруты. Примеры человеческого воздействия помогают увидеть, как изменение отдельного потока отражается на обмене вещества.

Разбор задач

Путь углерода от атмосферы и обратно

Условие: проследите путь углерода от углекислого газа атмосферы до его возвращения в атмосферу. Нужно учесть не только растения, но и передачу органического вещества между организмами. Завершите цепочку процессами, которые возвращают углерод в воздух.

1. Растение поглощает углекислый газ при фотосинтезе и использует углерод для образования органических веществ.
2. Растительноядное животное получает часть этого вещества, поедая растение; затем углерод может перейти к хищнику.
3. При дыхании организмов часть углерода выделяется в виде углекислого газа. После гибели остатки разлагаются, а дыхание разрушителей также возвращает углекислый газ в среду.

Ответ: путь можно представить так: атмосферный углекислый газ → растение → животное → дыхание, а также отмершие остатки → разложение → атмосфера. Углерод проходит через живые организмы в составе органических веществ. Разные процессы возвращают его в атмосферу, поэтому цепочка не ограничивается одним организмом.

Как азот попадает в ткани растений

Условие: объясните, почему большинство растений не использует непосредственно азот атмосферы и каким образом элемент оказывается в их тканях. Важно проследить превращения азота до доступной растениям формы. В ответе укажите роль бактерий и последующих процессов.

1. Молекулярный азот атмосферы мало доступен большинству растений: они не могут напрямую включить его в состав своих органических веществ.
2. Азотфиксирующие бактерии связывают атмосферный азот и образуют соединения азота. Некоторые из этих бактерий живут свободно, другие связаны с корнями растений.
3. Дальнейшие превращения бактерий в почве приводят к появлению доступных соединений, например нитратов и аммонийных солей. Корни поглощают эти соединения, и азот включается в состав тканей растения.

Ответ: растения получают азот главным образом из почвы в виде доступных соединений, а не напрямую из атмосферы. Азотфиксация и последующие превращения обеспечивают переход элемента в подходящую для поглощения форму. Без этих процессов атмосферный запас азота не мог бы непосредственно поддерживать рост большинства растений.

Сжигание топлива и круговорот углерода

Условие: оцените, как сжигание ископаемого топлива может изменить круговорот углерода и повлиять на биосферу. Для этого сравните поступление углекислого газа при горении с его поглощением организмами. Затем объясните, почему важен возможный дисбаланс между этими потоками.

1. При сжигании топлива углерод, долго находившийся в составе ископаемого органического вещества, соединяется с кислородом и выделяется в виде углекислого газа.
2. Растения поглощают углекислый газ при фотосинтезе, но скорость этого процесса ограничена условиями среды и количеством растительности.
3. Если выбросы устойчиво превышают поглощение, часть дополнительного углекислого газа накапливается в атмосфере. Это усиливает парниковый эффект и может менять климатические условия для организмов и экосистем.

Ответ: сжигание топлива ускоряет поступление углерода в атмосферу, а поглощение растениями не обязательно компенсирует этот приток. Поэтому равновесие потоков может нарушиться, а концентрация углекислого газа — увеличиться. Последствия затрагивают не только атмосферу, но и условия существования живых сообществ.

Типичные ошибки

Ошибка — считать круговорот полностью замкнутым и неизменным. Так думают, потому что слово «круговорот» создаёт впечатление постоянного и одинакового движения вещества. В действительности элементы переходят между резервуарами, а скорость и интенсивность потоков меняются. Проверка: выясните, какие процессы могут ускориться или замедлиться и где тогда изменится запас вещества.

Ошибка — приписывать одному организму единственную роль в круговороте. Это происходит, когда запоминают один заметный пример, например фотосинтез, и переносят его на весь процесс. Разные группы организмов поглощают, преобразуют и возвращают вещества, а некоторые процессы связаны с деятельностью микроорганизмов. Проверка: проследите элемент от поступления в организм до возвращения в среду и назовите участников каждого этапа.

Ошибка — путать резервуар вещества с процессом его переноса. Атмосфера может быть резервуаром углерода, тогда как фотосинтез — процесс, включающий углерод в живое вещество. Путаница возникает, если место хранения и действие описывают как одно и то же. Проверка: спросите себя отдельно, где вещество находится и что именно перемещает его в другое место.

Ошибка — считать, что круговороты не зависят от человека. Это заблуждение может появиться, если представлять природные процессы саморегулирующимися и не учитывать масштаб хозяйственной деятельности. Сжигание топлива, промышленность и сельское хозяйство меняют потоки веществ и их количество в резервуарах. Проверка: найдите, какой именно поток меняет человеческое действие, и сравните его с естественными путями поглощения или возврата.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в круговоротах, нужно знать состав биосферы и понимать, как организмы обмениваются веществами с окружающей средой. Фотосинтез объясняет включение углерода в органические вещества, дыхание — его возврат, а разложение — высвобождение элементов из остатков организмов. Эти процессы связывают жизнь отдельных организмов с обменом веществ на уровне всей биосферы.

Тема пригодится при изучении экосистем и пищевых цепей: через питание элементы переходят от одних организмов к другим. Знание круговоротов помогает объяснять глобальные экологические проблемы и оценивать влияние человека на природу. Оно также позволяет понять, почему изменение одного процесса может отражаться на состоянии разных компонентов биосферы.

Что запомнить

• Живое вещество — совокупность организмов биосферы.
• Организмы участвуют в перемещении и преобразовании химических элементов.
• Биогеохимические круговороты связывают живые организмы с неживыми компонентами биосферы.
• В круговоротах есть резервуары вещества и потоки между ними.
• Разные химические элементы перемещаются по различным путям.
• Деятельность человека может изменять интенсивность круговоротов и нарушать их равновесие.