§ 22. Круговорот веществ и превращение энергии в экосистеме

Определения и обозначения

Круговорот веществ — многократное перемещение и преобразование веществ между организмами и неживой средой экосистемы. Например, минеральные вещества из почвы могут попасть в растение, затем — в животное, а после разложения остатков снова оказаться в почве. Это понятие помогает проследить, откуда организмы получают необходимые вещества и куда они возвращаются.

Поток энергии — передача энергии по цепям питания от одного трофического уровня к следующему с её рассеиванием в виде тепла. Трофический уровень — положение организма в цепи питания, например продуцент или растительноядный консумент. Понятие потока показывает, почему энергия не циркулирует так же, как вещества, и почему её запас постепенно уменьшается.

Продуценты — организмы, создающие органические вещества из неорганических, обычно используя энергию света. К ним относятся зелёные растения и водоросли, которые образуют органику из воды и углекислого газа и включают в неё минеральные элементы. Продуценты нужны экосистеме как источник органического вещества для остальных организмов.

Редуценты — организмы, разлагающие мёртвые остатки и отходы до неорганических веществ, доступных продуцентам. К ним относятся многие бактерии и грибы. Их деятельность возвращает минеральные вещества в среду, поэтому новые поколения продуцентов могут снова использовать эти вещества.

Как это устроено

Продуценты поглощают из среды воду, углекислый газ и минеральные соли, а затем включают их в органические соединения. Для этого растения и водоросли обычно используют энергию света в процессе фотосинтеза. Образованное органическое вещество называют первичной продукцией: оно становится и строительным материалом для организма, и пищевой основой для других звеньев экосистемы. Если бы неорганические вещества не превращались в органические, консументы не смогли бы получать пищу непосредственно из неживой среды.

Поедая растения или других животных, консументы получают органические вещества и энергию, заключённую в пище. Так атомы веществ переходят от одного организма к другому, но не все усвоенные соединения становятся частью тела потребителя. Часть веществ выводится с отходами, а после гибели организма его остатки также попадают в окружающую среду. Поэтому пищевые цепи — это путь перемещения вещества внутри экосистемы, но для завершения его круговорота нужны дальнейшие превращения.

Редуценты используют органические остатки и отходы как источник вещества и энергии и постепенно разлагают их. В результате сложные органические соединения превращаются в более простые, а минеральные вещества поступают в почву, воду или воздух. Продуценты снова поглощают доступные соединения, и цепочка переходов может повториться. Без разложения органика накапливалась бы, а часть нужных растениям элементов надолго оставалась бы связанной в остатках организмов.

Энергия обычно поступает в экосистему с солнечным светом, который улавливают продуценты; в некоторых экосистемах источником энергии могут быть химические реакции. Затем энергия передаётся по цепям питания от продуцентов к консументам и редуцентам. На каждом этапе организмы расходуют её на движение, рост и другие процессы, а часть рассеивается в виде тепла. Тепловая энергия не возвращается к продуцентам в форме, которая могла бы поддерживать тот же поток, поэтому он не замыкается в цикл.

При переходе между трофическими уровнями доступной энергии становится меньше, потому что организм не передаёт следующему потребителю всю полученную с пищей энергию. Часть пищи не усваивается, а усвоенная энергия расходуется на жизнедеятельность и уходит в окружающую среду как тепло. Поэтому верхние уровни поддерживают меньше организмов и биомассы, чем нижние. Это ограничивает длину цепей питания: чем больше переходов, тем меньше энергии остаётся для последнего звена.

Круговорот веществ и поток энергии в экосистеме

Сопоставляйте столбцы по одной строке: так видно, что вещества и энергия могут проходить через одни и те же пищевые связи, но ведут себя по-разному. Для объяснения круговорота проследите путь элемента через организм и редуцентов до среды. Для объяснения потока энергии отметьте её источник, направление передачи и потери на каждом уровне.

Разбор задач

Задача 1. Проследите путь минерального вещества от почвы через растение и травоядное животное обратно в почву. Нужно учесть не только передачу вещества с пищей, но и его возвращение после выделения отходов и разложения остатков. Рассмотрим путь по этапам.

1. Растение поглощает минеральное вещество корнями из почвы и включает его в состав своих тканей.
2. Травоядное животное съедает растение, поэтому часть вещества переходит в его организм.
3. Часть вещества выделяется с отходами, а часть остаётся в теле животного и возвращается в почву после его гибели.
4. Редуценты разлагают отходы и остатки, высвобождая минеральное вещество в почве.

Ответ. Путь вещества можно записать так: почва — растение — травоядное животное — отходы и остатки — редуценты — почва. Вещество не исчезает, а меняет форму и место нахождения. Возврат в доступную для растения форму обеспечивает разложение.

Задача 2. В цепи «трава — заяц — лиса» определите направление передачи энергии и объясните, почему её становится меньше на каждом следующем уровне. Не смешивайте энергию с веществом: они переходят по пищевым связям, но не возвращаются одинаковым образом. Проследим последовательность.

1. Трава улавливает энергию света и запасает часть её в органическом веществе.
2. Заяц получает часть этой энергии, когда питается травой, но расходует её на жизнедеятельность.
3. Лиса получает часть энергии зайца при поедании, а остальная уже была израсходована или рассеялась в виде тепла.

Ответ. Энергия передаётся в направлении «трава — заяц — лиса». На каждом переходе следующий уровень получает только часть доступного запаса, поэтому энергии для лисы меньше, чем для зайца. Атомы веществ при этом продолжают переходить между организмами и средой.

Задача 3. В экосистеме прекратилась деятельность редуцентов. Объясните, как это повлияет на органические остатки, доступность минеральных веществ и работу продуцентов. Разделите последствия на прямые и последующие. Такая последовательность поможет связать нарушение одного звена с изменениями во всей системе.

1. Без разложения мёртвые организмы и отходы будут накапливаться, поскольку их превращение замедлится.
2. Минеральные вещества останутся связанными в органических остатках и будут в меньшей степени возвращаться в почву или воду.
3. Продуценты получат меньше доступных минеральных веществ, что затруднит образование новых органических соединений и может уменьшить первичную продукцию.

Ответ. Нарушение деятельности редуцентов затруднит возврат веществ в неживую среду. Остатков станет больше, а доступность части минеральных веществ для продуцентов снизится. В результате ослабнет важное звено круговорота и может нарушиться питание других организмов.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что энергия возвращается к продуцентам так же, как вещество. Это происходит потому, что оба передаются по пищевым цепям, но при передаче энергия рассеивается в виде тепла. Проверьте себя: для энергии можно показать источник и рассеивание, а для вещества — возвращение в среду и повторное поглощение.

Неверно приписывать редуцентам создание первичного органического вещества. Их роль путают с ролью продуцентов, потому что обе группы участвуют в превращениях веществ. Чтобы проверить ответ, спросите, кто образует органику из неорганических соединений, а кто разлагает готовые органические остатки.

Нельзя считать, что все вещества возвращаются в среду с одинаковой скоростью. Путь и скорость превращений зависят от свойств вещества, организмов и условий среды, например температуры и влажности. Проверяйте утверждение по конкретному веществу и обстоятельствам, а не переносите один пример на весь круговорот.

Уменьшение энергии между уровнями не означает, что вещество исчезает. Такую мысль могут вызвать слова о потерях, но речь идёт о расходовании энергии и её рассеивании, тогда как атомы вещества продолжают участвовать в превращениях. Проверка проста: отдельно проследите судьбу энергии и отдельно — судьбу вещества.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в круговороте и потоке энергии, нужно знать роли продуцентов, консументов и редуцентов, а также уметь читать пищевые цепи и определять трофические уровни. Эти знания позволяют понять, кто получает вещество и энергию на каждом этапе. Тема связана с устойчивостью экосистем: если нарушается пищевая связь или работа редуцентов, меняется доступность ресурсов для других организмов. На этой основе изучают последствия воздействия на экосистемы и круговороты отдельных химических элементов.

Что запомнить

• Вещества в экосистеме переходят между живой и неживой частями.
• Продуценты включают неорганические вещества в органические соединения.
• Консументы получают вещества и энергию с пищей.
• Редуценты разлагают органические остатки и возвращают минеральные вещества в среду.
• Вещество может многократно участвовать в круговороте.
• Энергия передаётся по трофическим уровням и рассеивается в виде тепла.
• Доступная энергия уменьшается при переходе от одного трофического уровня к следующему.