§ 25. Круговорот веществ в биосфере

Определения и обозначения

Биогеохимический круговорот — многократное перемещение химических элементов между живыми организмами и неживой природой. Например, углерод переходит из воздуха в растение, затем в животное и снова возвращается в среду. Понятие помогает увидеть единство процессов в экосистеме.

Биогенные элементы — химические элементы, необходимые организмам для построения веществ и жизнедеятельности. К ним относятся, например, углерод, азот, фосфор и многие другие элементы. Они участвуют в круговороте, потому что постоянно переходят из среды в организм и обратно.

Резервный фонд — часть вещества, надолго изъятая из быстрого обмена между организмами и окружающей средой. Так, фосфор может долго храниться в горных породах, а углерод — в известняках и ископаемом топливе. Резервный фонд служит длительным запасом вещества.

Обменный фонд — часть вещества, быстро переходящая между организмами и средой. К нему относятся, например, углекислый газ атмосферы и доступные почвенные соли. Соотношение обменного и резервного фондов влияет на скорость круговорота.

Как это устроено

Производители поглощают из среды воду, углекислый газ и минеральные соли, а затем создают органические вещества. Потребители получают эти вещества, поедая растения или других животных, поэтому элементы перемещаются по цепям питания. Разрушители перерабатывают отмершие организмы и отходы, возвращая минеральные соединения в почву, воду и атмосферу.

Круговорот поддерживается энергией Солнца и деятельностью организмов: энергия нужна для фотосинтеза, питания, движения и разложения. При этом вещество не исчезает после использования, а меняет форму и переходит в другой резервуар. Энергия, напротив, при каждом превращении частично рассеивается в виде тепла и не возвращается в экосистему в прежнем виде.

Углерод из атмосферного углекислого газа поглощается растениями при фотосинтезе и входит в состав органических веществ. Поедая растения, травоядные получают этот углерод, а затем он может перейти к хищникам. Возвращение происходит при дыхании растений и животных, разложении остатков разрушителями и горении органического вещества.

Азот перемещается между атмосферой, почвой и организмами, но большинство организмов не может использовать атмосферный азот напрямую. Азотфиксирующие бактерии связывают его и образуют соединения, доступные растениям, а другие микроорганизмы участвуют в превращениях этих соединений. Животные получают азот с пищей, после отмирания организмов он снова проходит почвенные стадии и может вернуться в атмосферу.

Вода испаряется с поверхности водоёмов, почвы и растений, переносится в атмосфере и выпадает в виде осадков. Поэтому её круговорот связывает атмосферу, гидросферу, почву и живые организмы. Фосфор циркулирует медленнее: он поступает из горных пород в почву и воду, усваивается организмами, а после разложения возвращается в среду.

Особенности круговоротов веществ в биосфере

Сначала определите, где вещество хранится дольше всего, а затем проследите его поступление в организм и возвращение в среду. Последний столбец показывает, какие процессы выполняют производители, потребители и разрушители. Сравнение строк помогает увидеть, что круговороты различаются по скорости и главным резервуарам.

Разбор задач

Задача 1

Условие: укажите, какие организмы возвращают минеральные вещества в почву при разложении опавших листьев. Нужно определить не просто участников почвенного процесса, а их экологическую роль. Минеральные вещества образуются после разрушения органических соединений.

1. Опавшие листья являются органическими остатками, содержащими соединения углерода, азота, фосфора и других элементов.
2. Бактерии и грибы выделяют ферменты и расщепляют сложные вещества на более простые.
3. В результате минерализации соединения переходят в формы, доступные растениям и почвенной среде.

Ответ: минеральные вещества возвращают в почву разрушители — прежде всего бактерии и грибы. Они разлагают листья и минерализуют содержащиеся в них элементы. Растения затем могут снова поглощать эти соединения.

Задача 2

Условие: проследите путь атома углерода от углекислого газа атмосферы через растение и травоядное животное обратно в атмосферу. Нужно расположить процессы в правильной последовательности. Каждый этап связан с переходом углерода в новую форму.

1. Растение поглощает CO₂, и при фотосинтезе атом углерода включается в молекулы органических веществ.
2. Травоядное животное поедает растение, поэтому углерод переходит в его ткани и используется для обмена веществ.
3. При дыхании животного часть углерода возвращается в атмосферу как CO₂, а после смерти остатки разлагаются разрушителями.
4. При дыхании разрушителей углерод также выделяется в виде углекислого газа.

Ответ: путь можно записать так: CO₂ атмосферы → растение → травоядное животное → дыхание и разложение → CO₂ атмосферы. Если органические остатки сгорают, углерод возвращается тем же конечным способом.

Задача 3

Условие: после внесения избытка азотных удобрений в водоём резко увеличилось количество водорослей. Нужно объяснить последствия для круговорота веществ и обитателей водоёма. Причина изменений связана с избытком доступных соединений азота.

1. Водоросли получают дополнительное питание и быстро размножаются, поэтому возрастает масса органического вещества.
2. После отмирания водорослей бактерии начинают активно разлагать их остатки.
3. На разложение расходуется растворённый кислород, его содержание падает, и водные животные могут погибнуть.
4. Круговорот азота ускоряется, но избыток вещества нарушает равновесие экосистемы и вызывает эвтрофикацию.

Ответ: избыток удобрений вызывает бурный рост водорослей, а затем усиленное разложение их остатков. Дефицит кислорода ухудшает условия для рыб и других обитателей. Водоём теряет устойчивость, хотя отдельные процессы круговорота становятся интенсивнее.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что круговорот означает неизменное количество вещества в каждом месте. Так думают, потому что слово круговорот связывают с постоянством. Проверьте себя: сравнивайте не отдельный резервуар, а перемещение вещества между всеми компонентами системы.

Ошибка: путать круговорот вещества с потоком энергии. Причина — и вещество, и энергия переходят по пищевым цепям. Проверка проста: вещество используется повторно, а энергия при превращениях рассеивается как тепло.

Ошибка: приписывать растениям возвращение всех веществ в почву. Растения действительно участвуют в обмене, но разложение остатков и минерализацию выполняют главным образом бактерии и грибы. Спросите себя, кто расщепляет мёртвую органику: ответ укажет на разрушителей.

Ошибка: считать все круговороты одинаково быстрыми. Скорость зависит от свойств вещества и размера его резервного фонда: вода обычно перемещается быстрее фосфора в породах. Проверяйте, где находится основной запас и насколько легко он включается в обмен.

Связь с другими темами

Для понимания круговоротов нужны знания о производителях, потребителях и разрушителях, а также об органических и неорганических веществах. Эти понятия показывают, кто и в какой форме получает элементы. Без них трудно проследить путь вещества.

Тема связана с пищевыми цепями и потоками энергии. Пищевые цепи объясняют переход элементов между трофическими уровнями, а круговороты показывают их возвращение в среду.

Знание круговоротов помогает изучать устойчивость экосистем и последствия деятельности человека. Оно необходимо для понимания загрязнения, эвтрофикации, изменения климата и других глобальных экологических проблем.

Что запомнить

• В биосфере вещества переходят между живой и неживой природой.
• Производители включают неорганические вещества в состав органических.
• Потребители передают вещества по цепям питания.
• Разрушители возвращают вещества из органических остатков в среду.
• Вещество в биосфере многократно используется, а энергия постепенно рассеивается.
• У организмов и природных процессов разные роли в круговоротах углерода, азота, воды и фосфора.