§ 41. Круговорот веществ и превращение энергии в экосистемах

Определения и обозначения

Круговорот веществ — переход химических элементов из неживой природы в организмы и обратно. Например, вещества из почвы и воздуха входят в состав растений, а после разложения остатков возвращаются в окружающую среду. Это понятие помогает понять, почему одни и те же элементы могут снова использоваться живыми организмами.

Поток энергии — передача энергии по цепям питания с её постепенным рассеиванием. Энергия поступает к организмам, например, от Солнца через растения, а затем передаётся тем, кто ими питается. Понятие нужно, чтобы отличать одностороннее движение энергии от повторного использования веществ.

Продуценты — организмы, создающие органические вещества из неорганических с помощью энергии света или химических реакций. К ним относятся растения, водоросли и некоторые бактерии. Благодаря продуцентам неорганические вещества становятся пищей и строительным материалом для других организмов.

Редуценты — организмы, разлагающие органические остатки до более простых веществ и возвращающие минеральные вещества в окружающую среду. Главные редуценты — бактерии и грибы. Их работа позволяет веществам из отмерших организмов снова стать доступными продуцентам.

Как это устроено

Продуценты берут неорганические вещества из среды: наземные растения поглощают воду и минеральные соли корнями, а углекислый газ — из воздуха. Водные организмы используют вещества, растворённые в воде. С помощью энергии света при фотосинтезе или энергии химических реакций они соединяют исходные вещества и образуют органические соединения, которые могут служить пищей.

Когда консумент съедает продуцента, часть органических веществ переходит в его тело. Если консумент становится пищей для другого консумента, вещества переходят дальше по цепи питания. Так, элементы из травы могут оказаться в организме зайца, а затем лисы; при этом на каждом звене часть вещества расходуется или выводится из организма.

После гибели организмов, а также при образовании отходов, органическое вещество не исчезает. Редуценты используют его как пищу и постепенно разлагают на более простые соединения. Этот процесс важен, потому что без разложения многие элементы оставались бы связанными в остатках и не возвращались бы в доступную другим организмам форму.

Продукты разложения попадают в почву, воду и атмосферу. Растения снова поглощают часть минеральных веществ и углекислый газ, а водные продуценты используют растворённые соединения. Поэтому вещества переходят между живой и неживой природой, а деятельность редуцентов замыкает их круговорот.

Энергия движется иначе: от источника она поступает к продуцентам, а затем передаётся консументам по цепям питания. Вещества при этом могут возвращаться в среду и использоваться снова, а энергия не возвращается к исходному запасу. Организмы расходуют её на жизнедеятельность, и значительная часть рассеивается как тепло.

На каждом трофическом уровне организмы используют полученную энергию для дыхания, движения, роста и других процессов. Поэтому только часть энергии оказывается запасена в их телах и может достаться следующему звену. Чем больше звеньев в цепи, тем меньше энергии остаётся на её верхних уровнях, что ограничивает длину пищевых цепей.

Круговорот веществ и поток энергии в экосистеме

Сравнивайте процессы по строкам: так видно, что у них различаются и направление движения, и итог. Если нужно проследить судьбу вещества, учитывайте возвращение в неживую среду; если речь об энергии — отмечайте её передачу и потери на каждом уровне.

Разбор задач

Задача 1. В цепи «трава → заяц → лиса» определите, в каком направлении передаются энергия и вещества. Стрелки показывают, кто служит пищей для следующего участника. Чтобы ответить, нужно проследить путь от продуцента и отдельно учесть, что происходит с веществами после разложения остатков.

1. Трава — продуцент: она создаёт органические вещества и запасает в них энергию.
2. Заяц получает часть веществ и энергии, поедая траву; лиса получает часть того, что было запасено в организме зайца.
3. После смерти организмов их остатки разлагают редуценты, и вещества возвращаются в окружающую среду.

Ответ: по цепи энергия и вещества передаются от травы к зайцу, затем к лисе. В отличие от энергии, вещества после разложения могут вернуться в среду и снова попасть к продуцентам.

Задача 2. На участке отмершие растения разлагаются бактериями и грибами. Нужно объяснить, как вещества из остатков снова могут попасть в растения. Свяжите разложение с возвращением минеральных веществ, а затем с их поглощением корнями.

1. Бактерии и грибы используют органические остатки и разлагают их на более простые соединения.
2. Минеральные вещества оказываются в почве, а часть продуктов разложения может переходить в воду или атмосферу.
3. Корни растений поглощают воду и доступные минеральные вещества из почвы; углекислый газ растения получают из воздуха.

Ответ: после разложения вещества возвращаются в неживую среду, откуда растения снова их поглощают. Так остатки становятся частью нового круга превращений.

Задача 3. Растения запасают 10 000 кДж энергии, а к следующему уровню переходит около одной десятой. Оцените, сколько энергии получат насекомые и птицы, и объясните разницу. Считайте, что и при переходе от насекомых к птицам действует то же приближение.

1. От растений к насекомым переходит примерно 10 000 × 0,1 = 1000 кДж.
2. От насекомых к птицам переходит примерно 1000 × 0,1 = 100 кДж.
3. На каждом уровне часть энергии организмов уходит на дыхание, движение и другие процессы, а часть рассеивается как тепло.

Ответ: насекомые получат около 1000 кДж, птицы — около 100 кДж. Значения приблизительные: следующему уровню доступна лишь часть энергии, полученной предыдущим.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что энергия совершает круговорот так же, как вещества. Такое представление возникает из-за того, что оба процесса связаны с цепями питания. Проверь себя: если энергия была рассеяна как тепло, она не возвращается в пищевую цепь в виде прежнего запаса.

Ошибка: утверждать, что вещества циркулируют только между организмами. При таком рассуждении забывают о почве, воде и атмосфере. Проверь себя: проследи, куда попадают вещества после разложения и откуда их снова берут продуценты.

Ошибка: смешивать роли продуцентов, консументов и редуцентов. Все они участвуют в превращениях веществ, но делают это по-разному: одни создают органические вещества, другие получают их с пищей, третьи разлагают остатки. Проверь себя, назвав для каждого звена его действие в круговороте.

Ошибка: полагать, что вся энергия одного уровня переходит на следующий. Эту ошибку легко допустить, если воспринимать пищу как передачу энергии без потерь. Проверь себя: вспомни, что организмы расходуют энергию на жизнедеятельность, а часть её рассеивается.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об экосистеме, цепи питания и трофическом уровне — положении организма в цепи. Фотосинтез связывает поглощение углекислого газа и воды с образованием органического вещества, а дыхание показывает, как организм использует его и высвобождает энергию. Эти процессы помогают объяснить и круговорот веществ, и потери энергии. Понимание круговорота пригодится при изучении устойчивости экосистем, пищевых сетей и влияния человека на природные циклы.

Что запомнить

• Вещества в экосистеме переходят между живой и неживой природой.
• Продуценты включают неорганические вещества в состав органических.
• Редуценты разлагают органические остатки и возвращают минеральные вещества в среду.
• Вещества могут использоваться в экосистеме многократно.
• Энергия проходит через экосистему в одном направлении и рассеивается.
• При переходе между трофическими уровнями доступная энергия уменьшается.