"Биология (базовый уровень)", Каменский А. А., Касперская Е. К., Сивоглазов В. И.
Биосфера — область Земли, где живут организмы и где их деятельность меняет окружающую среду. Её существование зависит от постоянного обмена веществ между живыми организмами, атмосферой, водой и горными породами. Химические элементы переходят из неживой природы в тела организмов, а затем возвращаются в среду. Солнечная энергия поддерживает эти процессы, но сама не совершает круговорота: она проходит через экосистемы и рассеивается.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Биосфера — оболочка Земли, населённая организмами и преобразуемая их деятельностью. Она охватывает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы, где встречается жизнь. Это понятие помогает увидеть общую область взаимодействия организмов и среды, а не набор изолированных местообитаний.
Круговорот веществ — повторяющееся перемещение и преобразование веществ между живыми организмами и компонентами неживой природы. Например, вещество может перейти из воздуха в растение, затем в животное и после разложения снова оказаться в почве или атмосфере. Понятие нужно, чтобы описывать повторное использование химических элементов в природе.
Биогенная миграция атомов — перемещение и преобразование химических элементов при участии живых организмов. Организмы поглощают элементы, включают их в состав клеток и передают дальше по пищевым цепям, а затем возвращают в среду. Термин подчёркивает, что жизнь не только зависит от химических элементов, но и меняет пути их перемещения.
Биогеохимический цикл — круговорот химического элемента между живыми организмами и различными оболочками Земли. В нём могут участвовать атмосфера, вода, почва и горные породы, а также организмы. Это понятие позволяет учитывать и биологические, и геологические этапы движения элемента.
Биосфера существует как единая система, потому что организмы обмениваются веществами друг с другом и с окружающей средой. Растения берут из воздуха углекислый газ, из почвы — воду и минеральные вещества, а животные получают органические вещества с пищей. При дыхании, выделении и разложении элементы возвращаются в воздух, воду или почву. Поэтому изменение одного компонента может отразиться на других.
Главный источник энергии для большинства процессов биосферы — Солнце. Растения и другие фотосинтезирующие организмы связывают солнечную энергию в органических веществах, а затем она передаётся по пищевым цепям. При дыхании и других превращениях часть энергии рассеивается в виде тепла, поэтому она проходит через экосистему, а не возвращается к началу цикла. Атомы же могут снова включаться в состав организмов.
Организмы поглощают химические элементы из воздуха, воды и почвы и используют их для построения клеток и тканей. Когда организмы выделяют продукты обмена или погибают, органические остатки поступают в окружающую среду. Редуценты, прежде всего бактерии и грибы, разлагают эти остатки до более простых веществ. Они вновь становятся доступными организмам или переходят в другие компоненты природы.
Быстрый биологический круговорот происходит в пределах экосистем и поддерживается ростом, питанием, дыханием и разложением. Геологический обмен обычно медленнее: вещества перемещаются между атмосферой, океаном и горными породами при выветривании, осаждении и других процессах. Некоторые элементы надолго оказываются в осадках или породах, прежде чем вернуться в доступную организмам среду. Поэтому скорость и путь круговорота зависят от конкретного вещества.
Вода испаряется с поверхности водоёмов и почвы, переносится в атмосфере, конденсируется и выпадает осадками; часть воды поглощают организмы. Углерод растения забирают из углекислого газа при фотосинтезе, а дыхание, разложение и горение возвращают его в воздух или воду. При фотосинтезе выделяется кислород, который расходуется при дыхании и окислении. Азот из атмосферы становится доступным растениям благодаря азотфиксирующим микроорганизмам, а другие бактерии участвуют в его возвращении в атмосферу.
Таблица показывает основные пути перемещения четырёх веществ и элементов, а также возможные последствия деятельности человека. Прослеживай переходы от резервуара к организму и обратно: так легче понять, на каком этапе возникает изменение. Одна и та же колонка не означает, что процесс проходит одинаково во всех экосистемах.
| Вещество или элемент | Основные резервуары | Переход в живые организмы | Возврат в окружающую среду | Влияние деятельности человека |
|---|---|---|---|---|
| Вода | Океаны, реки, озёра, ледники, подземные воды, атмосфера | Поглощение корнями, питьё и всасывание животными | Испарение, транспирация растений, выделение и разложение | Забор воды, осушение, загрязнение и изменение стока |
| Углерод | Атмосфера, океан, почва, организмы, горные породы и ископаемое топливо | Поглощение CO₂ при фотосинтезе; питание органическими веществами | Дыхание, разложение, горение, газообмен с океаном | Сжигание топлива и лесов увеличивает выбросы; вырубка снижает поглощение |
| Кислород | Атмосфера, вода, горные породы и живые организмы | Дыхание, поглощение растворённого кислорода; включение в органические вещества | Фотосинтез, разложение и окисление веществ | Сжигание топлива расходует кислород и усиливает выбросы CO₂ |
| Азот | Атмосфера, почва, вода, организмы и осадочные породы | Фиксация бактериями; поглощение растениями соединений азота | Разложение органики, денитрификация микроорганизмами | Удобрения и выбросы меняют содержание соединений азота, загрязняют воду |
Растения поглотили углекислый газ, а после отмирания часть их остатков разложилась. Нужно определить, какие этапы круговорота углерода описаны. Важно различать включение углерода в живое вещество и его возврат после смерти организма.
При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ из воздуха. Углерод из CO₂ становится частью органических молекул растения. Это этап перехода углерода из атмосферы в живые организмы.
После отмирания остатки растения становятся органическим веществом, доступным редуцентам. При разложении часть углерода переходит в почву и продукты распада. В ходе процессов разложения углерод может вернуться в атмосферу в составе углекислого газа.
Ответ: поглощение CO₂ — включение углерода в биологический круговорот при фотосинтезе. Разложение остатков — возврат углерода из органического вещества в окружающую среду.
Нужно проследить, как атом азота из атмосферы оказывается в белке растения, а затем животного. Молекулярный азот воздуха большинство растений напрямую усваивать не может. Поэтому в цепочке обязательно участвуют микроорганизмы и пищевые связи.
Азотфиксирующие бактерии переводят атмосферный азот в соединения, доступные растениям. Такие бактерии могут жить в почве или в связи с корнями некоторых растений. Это первый необходимый переход из атмосферы в биологически доступную форму.
Растение поглощает соединения азота корнями и использует азот при построении аминокислот и белков. Затем животное поедает растение или питается другим организмом, который его съел. Азот из пищи включается в белки и другие вещества тела животного.
Ответ: атмосферный азот — азотфиксирующие бактерии — доступные соединения в почве — растение — животное. На каждом этапе атом азота сохраняется, хотя химические формы вещества меняются.
После вырубки леса и сжигания древесины в регионе изменились содержание углекислого газа и поглощение углерода растениями. Нужно оценить сразу два потока: поступление углерода в атмосферу и его связывание растительностью. Затем можно предложить меру, которая уменьшает нарушение цикла.
При сжигании древесины углерод органических веществ быстро переходит в атмосферу, главным образом в составе CO₂. Поэтому содержание углекислого газа может увеличиться. Это ускоренный возврат углерода из биомассы в атмосферу.
После вырубки остаётся меньше растений, которые поглощают CO₂ при фотосинтезе. Значит, ослабевает изъятие углерода из воздуха и меняется баланс потоков. Если лес не восстанавливается, эффект может сохраняться длительное время.
Снижение воздействия требует уменьшить вырубку и не сжигать древесину без необходимости. Восстановление леса увеличивает площадь, где углерод снова связывается при фотосинтезе. Одной посадки недостаточно, если леса продолжают теряться быстрее, чем растут.
Ответ: вырубка уменьшает поглощение углерода растениями, а сжигание ускоряет его возврат в атмосферу. Возможная мера — сохранять леса и восстанавливать вырубленные участки.
Ошибка — считать, что круговорот полностью замкнут внутри отдельной экосистемы и вещества никуда не уходят. Так думают, потому что слово «круговорот» напоминает движение по замкнутому кругу. Но атомы перемещаются между экосистемами и оболочками Земли, а некоторые надолго попадают в осадки или породы. Проверяй себя вопросом: какие внешние резервуары и переносы могут быть связаны с этим циклом?
Ошибка — смешивать круговорот вещества с потоком энергии. Их связывают в одной экосистеме, поэтому кажется, что они движутся одинаково. Вещество может использоваться повторно, а энергия проходит через систему и рассеивается в виде тепла. Чтобы проверить себя, проследи отдельно путь атома и путь энергии от Солнца.
Ошибка — считать, что все элементы возвращаются в среду с одинаковой скоростью. Это заблуждение возникает, если представлять круговороты как один общий механизм. На деле скорость зависит от свойств элемента, организмов и физических процессов: одни переходы происходят быстро, другие занимают долгое время. Проверяй, не смешиваешь ли ты биологические этапы с геологическими.
Ошибка — приписывать круговорот только живым организмам. Жизнь действительно поглощает и переносит элементы, но перенос воды, выветривание пород, осаждение и газообмен происходят также без участия организмов. Причина ошибки — чрезмерное внимание к пищевым цепям. Проверяй полный маршрут вещества: включай в него и биологические, и физические, и химические процессы.
Для понимания темы нужны знания о строении биосферы, экосистемах и пищевых цепях. Роли продуцентов, консументов и редуцентов помогают проследить, как вещество переходит от одного организма к другому и возвращается в среду. Знание этих связей объясняет, почему состояние одного вида или компонента экосистемы может влиять на остальные.
Круговороты помогают оценивать устойчивость экосистем и последствия загрязнения и изменения климата. Если деятельность человека меняет поступление или поглощение вещества, это может нарушить привычный баланс потоков. Поэтому понимание циклов нужно для охраны природы и выбора мер, уменьшающих вред для окружающей среды.
Биосфера — единая система живых организмов и среды их обитания.
В круговоротах вещества переходят между живыми организмами и неживой природой.
Организмы обеспечивают биогенную миграцию химических элементов.
Биологический круговорот обычно быстрее геологического обмена веществ.
Вещество может многократно использоваться, а энергия в экосистемах не совершает круговорота.
Деятельность человека способна менять скорость и направление потоков вещества.
Почему круговорот веществ называют круговоротом, если отдельные атомы могут надолго выпадать из него?
Круговорот — это не движение каждого атома по замкнутому и одинаковому маршруту, а повторяющийся обмен веществ между организмами и компонентами природы. Атом может на долгое время попасть в осадочную породу или глубокий слой океана, а затем снова включиться в обмен.
Чем круговорот вещества отличается от потока энергии?
Вещество переходит между организмами и средой и может использоваться многократно. Энергия проходит через экосистему: её получают, например, растения от Солнца, а при каждом преобразовании часть рассеивается в виде тепла.
Как растения участвуют в круговоротах углерода и кислорода?
При фотосинтезе растения поглощают углекислый газ и включают углерод в органические вещества. Одновременно выделяется кислород, а при дыхании, разложении и горении органики углерод возвращается в среду, а кислород расходуется.
Почему круговорот азота невозможен без участия микроорганизмов?
Большинство организмов не может напрямую использовать молекулярный азот атмосферы. Азотфиксирующие бактерии превращают его в соединения, доступные растениям, а другие микроорганизмы участвуют в разложении органики и возвращении азота в атмосферу.
Какие действия человека сильнее всего нарушают круговороты веществ?
На круговороты заметно влияют сжигание ископаемого топлива и лесов, вырубка лесов, интенсивное сельское хозяйство, добыча полезных ископаемых и загрязнение вод. Эти действия меняют скорость перемещения веществ и их содержание в атмосфере, почве и водоёмах.
§ 31. Закономерности существования биосферы. Круговороты веществ в биосфере
