§ 11. Круговорот веществ в природе

Определения и обозначения

Круговорот веществ — непрерывное перемещение и преобразование химических элементов между живыми организмами и неживой природой. Например, углерод может находиться в воздухе, перейти в растение, затем в животное и снова попасть в окружающую среду. Это понятие помогает увидеть экосистему не как набор отдельных организмов, а как систему обмена веществом.

Биогеохимический цикл — круговорот химических элементов между живыми организмами, атмосферой, водой и горными породами. Слово «биогеохимический» указывает, что в цикле участвуют и живые существа, и геологические компоненты планеты. Понятие нужно, чтобы описывать перемещение элементов, например углерода или азота, через разные части биосферы.

Продуценты — организмы, создающие органические вещества из неорганических, обычно используя энергию света. К ним относятся растения и многие водоросли: при фотосинтезе они включают вещества из среды в состав органики. Их роль важна потому, что с созданными ими веществами начинается передача вещества по многим пищевым цепям.

Редуценты — организмы, разлагающие остатки и отходы до простых неорганических веществ. К ним относятся многие бактерии и грибы, перерабатывающие мёртвую органику. Благодаря их деятельности вещества не остаются запертыми в остатках, а снова становятся доступными для организмов и неживой среды.

Как это устроено

Вещества находятся в резервуарах неживой природы — атмосфере, воде и горных породах, — а затем переходят оттуда в живые организмы. Это происходит потому, что для роста и жизнедеятельности организмы нуждаются в химических элементах и соединениях. Например, растение поглощает воду и минеральные вещества из почвы, а углекислый газ — из воздуха. Так компоненты неживой природы становятся частью живой материи.

Продуценты усваивают неорганические вещества и включают их в состав органических соединений; далее вещества переходят к консументам по цепям питания. Для растений источником энергии при фотосинтезе служит свет, а углерод для органических соединений поступает из углекислого газа. Когда растение поедает травоядное животное, часть вещества растения включается в ткани животного. При этом переход происходит не напрямую между всеми организмами, а через пищевые связи.

После гибели организмов и образования отходов редуценты разлагают органические остатки, возвращая минеральные вещества в почву, воду и атмосферу. Разложение необходимо, поскольку без него многие элементы надолго оставались бы в мёртвой органике и не могли бы снова использоваться продуцентами. Продукты разложения попадают в окружающую среду, откуда их могут усвоить растения и другие организмы. Так замыкается путь вещества между живой и неживой природой.

В круговороте вещества многократно используются живыми организмами, тогда как поток энергии через экосистему направлен в одну сторону и сопровождается её рассеиванием. Химические элементы не исчезают после передачи по цепи питания: они переходят в другие соединения или возвращаются в среду. Энергия же поступает, например, от Солнца, передаётся между организмами и при жизненных процессах рассеивается в виде тепла. Поэтому экосистеме нужен постоянный приток энергии, а многие вещества могут использоваться повторно.

Деятельность человека может менять скорость и направление круговоротов, например из-за сжигания ископаемого топлива, вырубки лесов и внесения удобрений. При сжигании топлива углерод из угля, нефти и газа быстро поступает в атмосферу, хотя до этого он долго хранился в горных породах. Вырубка лесов уменьшает количество растений, которые связывают углекислый газ при фотосинтезе. Избыток удобрений может изменить поступление элементов в почву и воду и повлиять на водные экосистемы.

Роль организмов в круговороте веществ

Таблица показывает, какой вклад в общий обмен вносит каждый участник и откуда он получает вещества. Проследите по строкам путь вещества: от среды к продуцентам, затем к консументам и редуцентам. Последний этап возвращает элементы в окружающую среду, откуда цикл может начаться снова.

Разбор задач

Распределите растения, травоядных животных и бактерии-разрушители органических остатков по ролям в круговороте веществ.

1. Сначала выясним, какой организм создаёт органические вещества из неорганических. Растения при фотосинтезе используют воду и углекислый газ, поэтому их роль — продуценты.
2. Затем определим, кто получает готовые органические вещества с пищей. Травоядные животные питаются растениями, следовательно, они относятся к консументам.
3. Наконец, бактерии-разрушители используют органические остатки и разлагают их. По этой функции их относят к редуцентам.

Ответ: растения — продуценты, травоядные животные — консументы, бактерии-разрушители — редуценты. При классификации нужно смотреть не просто на то, где живёт организм, а на то, что он делает с веществами. Поэтому животное остаётся консументом, даже если питается непосредственно растением.

Проследите путь углерода от углекислого газа в воздухе через растение и травоядное животное обратно в окружающую среду.

1. Углерод содержится в углекислом газе атмосферы. Растение поглощает этот газ и при фотосинтезе включает углерод в органические вещества.
2. Травоядное животное поедает растение. Часть углерода переходит в организм животного и становится частью его тканей или других органических соединений.
3. При дыхании растение и животное выделяют углекислый газ, возвращая часть углерода в атмосферу. После гибели организмов их остатки разлагают редуценты, и углерод также возвращается в окружающую среду.

Ответ: путь можно записать так: углекислый газ воздуха → растение → травоядное животное → окружающая среда. Углерод возвращается не только при дыхании, но и при разложении органических остатков. Значит, его перемещение включает и пищевую цепь, и обмен организмов с неживой природой.

Объясните, почему сжигание большого количества ископаемого топлива может нарушить круговорот углерода и повлиять на климат.

1. Определим источник углерода: ископаемое топливо образовалось из древней органики и долго хранилось в геологических резервуарах. До сжигания этот углерод не находился в быстром обмене атмосферы и большинства современных организмов.
2. При сжигании топлива углерод соединяется с кислородом и поступает в воздух преимущественно как углекислый газ. Поэтому его содержание в атмосфере может быстро увеличиваться.
3. Если поступление углекислого газа превышает скорость его поглощения растениями и другими природными процессами, баланс круговорота меняется. Изменение состава атмосферы влияет на удержание тепла и может способствовать изменению климата.

Ответ: сжигание переносит углерод из долгосрочного геологического резервуара в атмосферу намного быстрее, чем он обычно возвращается туда естественными процессами. Из-за этого нарушается баланс поступления и поглощения углекислого газа. Возросшее содержание этого газа в атмосфере связано с усилением парникового эффекта и изменениями климата.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что вещества движутся только по цепи питания. Так думают, потому что пищевые связи легко представить как последовательность организмов. Но вещества переходят также между организмами и неживой природой; проверка проста: проследите, откуда растение получает воду и минеральные вещества и куда они попадают после разложения остатков.

Ошибка: путать круговорот веществ с потоком энергии. Оба процесса связаны с передачей между участниками экосистемы, поэтому их легко объединить в одну схему. Проверьте себя вопросом, может ли ресурс использоваться снова: элементы возвращаются в среду, а энергия постепенно рассеивается и не совершает замкнутый круговорот.

Ошибка: полагать, что редуценты просто уничтожают органические остатки. Такое представление возникает, если видеть только исчезновение остатков, не учитывая, что с ними происходит дальше. Редуценты превращают органические вещества в более простые соединения; проверьте, названы ли в объяснении продукты разложения и их возвращение в почву, воду или атмосферу.

Ошибка: считать, что все вещества возвращаются в круговорот с одинаковой скоростью. На схеме цикл может выглядеть равномерным, хотя отдельные элементы надолго задерживаются в природе. Чтобы проверить себя, учитывайте возможные резервуары: вещество может оставаться в почве, воде или горных породах, прежде чем снова станет доступным организмам.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в круговороте, нужно знать строение экосистемы, пищевые цепи и роли продуцентов, консументов и редуцентов. Фотосинтез, дыхание и разложение органики объясняют, какими путями вещества переходят между организмами и средой. Эти знания помогают понимать обмен веществ в экосистемах и причины экологических проблем. Они также пригодятся при изучении изменения климата и влияния человека на биосферу.

Что запомнить

• Круговорот связывает живую и неживую природу.
• Продуценты включают неорганические вещества в состав органических.
• Консументы получают вещества с пищей.
• Редуценты возвращают простые вещества в окружающую среду.
• Вещества многократно переходят между компонентами экосистемы.
• В отличие от веществ, энергия не совершает замкнутый круговорот.
• Деятельность человека может изменять природные циклы.