23. Биогеохимические циклы углерода, азота, серы

Определения и обозначения

Биогеохимический цикл — круговорот химического элемента между живыми организмами и компонентами неживой природы. Организмы поглощают вещества, включают их в состав клеток, а затем возвращают в среду при дыхании и разложении. Цикл объясняет, почему одни и те же атомы могут многократно участвовать в жизни разных организмов.

Круговорот углерода — перемещение углерода между атмосферой, организмами, водоёмами и горными породами. Углерод входит в состав белков, жиров, углеводов и других органических веществ. Поэтому его переходы связывают образование пищи с дыханием, разложением и геологическими процессами.

Круговорот азота — переход азота между атмосферой, почвой и организмами. Хотя воздух содержит много азота, большинство организмов не может усваивать его непосредственно. Понимание цикла показывает, как микроорганизмы превращают азот в формы, подходящие для питания растений.

Круговорот серы — перемещение серы между горными породами, почвой, водой, атмосферой и живыми организмами. Сера входит в состав некоторых аминокислот и белков, поэтому необходима клеткам. Её цикл помогает проследить, как минералы становятся частью организмов и снова возвращаются в среду.

Как это устроено

Циклы элементов поддерживаются одновременно жизнью организмов и геологическими процессами. Организмы быстро поглощают и возвращают вещества, а выветривание пород и перенос водой могут перемещать их между крупными резервуарами. Поэтому скорость круговорота и главные запасы у элементов различаются: углерод хранится, в частности, в горных породах и океане, а азот — преимущественно в атмосфере.

Углерод поступает в живые организмы прежде всего при фотосинтезе: растения и водоросли поглощают CO₂ и строят из него органические вещества. Животные получают углерод, поедая растения или других животных, так что атомы переходят по цепям питания. Дыхание и разложение возвращают часть углерода в виде CO₂, а горение топлива и биомассы ускоряет его поступление в атмосферу.

Для большинства организмов атмосферный азот недоступен, потому что молекула N₂ химически устойчива. При азотфиксации определённые бактерии превращают его в соединения азота, а растения поглощают из почвы аммоний и нитраты. После отмирания организмов редуценты образуют аммонийные соединения — это аммонификация; при нитрификации аммоний превращается в нитраты, а денитрификация возвращает азот в атмосферу.

Сера высвобождается из пород при выветривании, а также поступает в среду при разложении организмов и из атмосферных соединений. Растения поглощают доступные соединения серы из почвы и воды, после чего она передаётся животным по цепям питания. Когда организмы отмирают, разложение возвращает серу в почву и воду, где она снова может стать доступной.

Человек ускоряет отдельные потоки вещества и меняет их соотношение. Сжигание угля, нефти и газа увеличивает выбросы углекислого газа и соединений серы; промышленность также создаёт дополнительные выбросы. Удобрения и сельскохозяйственные стоки добавляют в почву и воду соединения азота, а вырубка лесов уменьшает поглощение углерода растениями; следствиями могут быть загрязнение воздуха, изменение климата и эвтрофикация водоёмов.

Сравнение биогеохимических циклов углерода, азота и серы

Сравнивайте циклы по резервуарам и по тому, каким путём элемент попадает в организм: это помогает увидеть главные различия. Строки о возвращении вещества и влиянии человека показывают, какие процессы связывают живую природу с неживой и где возникают нарушения.

Разбор задач

Путь углерода от атмосферы к животному и обратно

Условие: проследите путь атома углерода, который сначала находился в атмосферном углекислом газе. Нужно связать переход вещества с процессами, а не просто перечислить организмы. Возврат в атмосферу возможен, например, при дыхании или разложении.

1. Растение поглощает CO₂, а при фотосинтезе включает углерод в органическое вещество.
2. Растительноядное животное поедает растение и получает содержащийся в нём углерод; затем он может перейти к хищнику.
3. При дыхании животного углерод выделяется в виде CO₂. Если организм погибает, разложение также возвращает углерод в среду.

Ответ: атмосфера → растение → животное → атмосфера. Передача через пищевую цепь переносит углерод между организмами, а дыхание или разложение завершает описанный путь.

Превращение аммония в нитраты

Условие: почвенные бактерии превращают аммонийные соединения в нитраты, которые поглощают растения. Требуется назвать процесс и проследить дальнейший путь азота в экосистеме. Следует отличать это превращение от фиксации атмосферного азота.

1. Превращение аммонийных соединений в нитриты, а затем в нитраты называется нитрификацией.
2. Растение поглощает нитраты корнями и использует азот для построения органических веществ.
3. Животное получает азот, поедая растение или другого животного. После отмирания организмов разложение возвращает азот в почву, в том числе в виде аммонийных соединений.

Ответ: описан процесс нитрификации; далее азот усваивается растением, передаётся по цепи питания и возвращается в почву при разложении.

Удобрения, уголь и возможные последствия

Условие: избыток азотных удобрений смыло в водоём, а рядом сжигали уголь. Здесь затронуты циклы азота, углерода и серы, поскольку удобрения дают сток соединений азота, а топливо содержит углерод и может содержать серу. Нужно связать выбросы и избыток веществ с последствиями для экосистемы.

1. Нитраты из удобрений обогащают воду питательными веществами и могут вызвать чрезмерный рост водорослей — эвтрофикацию.
2. При разложении избытка водорослей расходуется кислород, поэтому условия для рыб и других водных организмов ухудшаются.
3. Сжигание угля выбрасывает CO₂, а при наличии серы в топливе — и её соединения. Эти вещества загрязняют атмосферу, а избыток CO₂ усиливает парниковый эффект.

Ответ: сток удобрений нарушает круговорот азота и может привести к эвтрофикации; сжигание угля усиливает потоки углерода и серы и загрязняет атмосферу.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что растения напрямую усваивают азот воздуха. Так думают, потому что азота в атмосфере очень много, но его молекула N₂ устойчива. Проверьте себя: растения обычно поглощают азот из почвы в виде нитратов и аммонийных соединений, а фиксацию выполняют определённые микроорганизмы.

Фиксацию, нитрификацию и денитрификацию иногда смешивают, потому что все три процесса связаны с превращениями азота. Но фиксация делает атмосферный азот доступнее, нитрификация переводит аммоний в нитраты, а денитрификация возвращает азот в атмосферу. Чтобы проверить ответ, назовите исходную и конечную форму азота для каждого процесса.

Круговорот нельзя представлять только как движение вещества по цепям питания: такое упрощение оставляет за пределами схемы атмосферу, воду, почву и горные породы. Вещество переходит между организмами и этими резервуарами, например при дыхании, выветривании и переносе водой. Проверьте себя, задав вопрос, где находятся атомы до попадания в организм и после его смерти.

Циклы не являются полностью замкнутыми и неизменными, поэтому неверно считать, что деятельность человека на них не влияет. Сжигание топлива, внесение удобрений и вырубка лесов меняют скорость потоков и размеры запасов элементов в отдельных резервуарах. Для самопроверки проследите, какое вещество добавляется или удаляется и куда оно попадает.

Связь с другими темами

Для понимания циклов нужны знания о составе атмосферы и о том, как происходят фотосинтез и дыхание. Питание организмов объясняет перенос элементов по пищевым цепям, а роль редуцентов — их возвращение в почву и воду. Эти процессы вместе показывают связь организмов с неживой средой.

Круговороты помогают объяснять устойчивость экосистем и последствия нарушения пищевых связей. Например, избыток азотных соединений может вызвать эвтрофикацию водоёма, а выбросы загрязняющих веществ меняют состав атмосферы. Поэтому тема связана с оценкой состояния экосистем и охраной природы.

Знание циклов пригодится при изучении глобальных изменений климата, поскольку углеродный цикл связан с содержанием CO₂ в атмосфере. Перемещение веществ также влияет на почвообразование и доступность элементов для растений. Понимание этих связей помогает оценивать, как хозяйственная деятельность отражается на природных системах.

Что запомнить

• Биогеохимические циклы связывают живую и неживую природу.
• Углерод поступает в органические вещества при фотосинтезе.
• Дыхание, разложение и горение возвращают углерод в окружающую среду.
• Атмосферный азот становится доступным организмам благодаря азотфиксации.
• Нитрификация и денитрификация — разные этапы превращений азота.
• Сера поступает в экосистемы, в частности, при выветривании пород и из атмосферы.
• Деятельность человека меняет скорость и направление потоков вещества.