§ 34. Значение фотосинтеза и биологического круговорота веществ в развитии жизни

Определения и обозначения

Фотосинтез — образование органических веществ из углекислого газа и воды с использованием энергии света. Хлорофилл, зелёный пигмент клеток, поглощает свет, а побочным продуктом процесса становится кислород. Благодаря фотосинтезу энергия света сохраняется в органическом веществе.

Биологический круговорот веществ — переход веществ между живыми организмами и неживой природой с их повторным использованием. Например, углерод может входить в состав растения, затем животного, а после разложения вернуться в окружающую среду. Это понятие помогает проследить, откуда организмы получают вещества и куда они попадают после их гибели.

Продуценты — организмы, создающие органические вещества из неорганических. К ним относятся зелёные растения, водоросли и некоторые бактерии. Они служат начальным звеном большинства цепей питания: их органическое вещество становится пищей для потребителей.

Редуценты — организмы, разлагающие мёртвые остатки и отходы до неорганических веществ. К редуцентам относятся многие бактерии и грибы. Они возвращают вещества в почву, воду и атмосферу, откуда те снова могут быть использованы продуцентами.

Как это устроено

Во время фотосинтеза энергия света поглощается хлорофиллом и используется для образования органических веществ из воды и углекислого газа. Поэтому солнечная энергия оказывается запасённой в химической форме — в связях образованных молекул. Растение использует эти вещества для роста и жизненных процессов, а другие организмы получают их с пищей. Так фотосинтез связывает поступление энергии в экосистему с появлением пищи для её обитателей.

Кислород, выделяющийся при фотосинтезе, постепенно накапливался в атмосфере благодаря деятельности фотосинтезирующих организмов. Изменение состава воздуха открыло возможности для распространения организмов, использующих кислородное дыхание. При таком дыхании органические вещества расщепляются с высвобождением энергии, которую клетки могут использовать. Поэтому фотосинтез повлиял не только на растения, но и на условия жизни многих других организмов.

Сначала продуценты включают неорганические вещества в состав органического вещества. Затем потребители получают его, поедая растения или других животных, и часть веществ используют для построения собственного тела. При дыхании и выделении отходов часть соединений возвращается в окружающую среду, а после смерти организмов их остатки разлагают редуценты. В результате неорганические вещества снова становятся доступными продуцентам.

Круговорот не означает, что одна и та же порция вещества движется по неизменному замкнутому маршруту. Атомы переходят из одних соединений в другие и могут входить в состав множества организмов, прежде чем снова оказаться в почве, воде или атмосфере. Энергия ведёт себя иначе: она поступает в экосистему главным образом от Солнца, передаётся от организмов к организмам и рассеивается в виде тепла. Поэтому вещества используются повторно, а поток энергии направлен в одну сторону.

Экосистема существует благодаря взаимодействию продуцентов, потребителей и редуцентов. Фотосинтез создаёт органическое вещество и пополняет запас кислорода, а деятельность организмов и разложение возвращают вещества в среду. Если один из этих процессов нарушается, меняются условия питания и жизни других обитателей. В масштабах Земли фотосинтез и круговорот веществ поддерживали условия, в которых жизнь могла развиваться и разнообразиться.

Роль организмов в биологическом круговороте веществ

Читайте таблицу как последовательность превращений: сначала продуценты создают органическое вещество, затем потребители получают его с пищей. После гибели организмов и образования отходов в работу включаются редуценты. Их деятельность замыкает переход веществ, возвращая неорганические соединения в среду.

Разбор задач

Почему фотосинтез называют основой питания большинства организмов?

Нужно проследить, откуда в пищевых цепях берётся органическое вещество и как оно передаётся между организмами. Важно отделить создание пищи от её последующего потребления: животные обычно не образуют органику из углекислого газа и воды. Поэтому начинаем рассуждение с продуцентов, а затем рассматриваем цепь питания.

1. Растения и другие продуценты используют энергию света и создают органические вещества из неорганических.
2. Растительноядные животные получают это вещество, поедая растения, а хищники — поедая других животных.
3. Следовательно, энергия и вещество, вошедшие в пищевую цепь благодаря продуцентам, передаются последующим участникам.

Ответ: фотосинтез называют основой питания большинства организмов, потому что он обеспечивает появление органического вещества, от которого прямо или через цепи питания зависят потребители.

Путь углерода от углекислого газа через растение и животное обратно в среду

Здесь нужно отследить не путь целой молекулы, а переход атома углерода между соединениями. Углерод из углекислого газа может войти в состав органического вещества растения, а затем оказаться в организме животного. После этого он возвращается в среду при дыхании или разложении остатков.

1. Растение поглощает углекислый газ, а при фотосинтезе включает углерод в состав органических веществ.
2. Животное поедает растение, поэтому часть углерода становится частью его пищи и организма.
3. При дыхании животного углерод возвращается в атмосферу в составе углекислого газа; если организм погибает, углерод из его остатков высвобождают редуценты.

Ответ: углерод проходит путь «углекислый газ — растение — животное — окружающая среда» через фотосинтез, питание, дыхание и разложение.

В экосистеме резко сократилась численность редуцентов. Возможные последствия

Чтобы оценить последствия, нужно выяснить, какую работу выполняют редуценты и от чего зависит питание продуцентов. Редуценты не исчезающие вещества создают, а возвращают неорганические соединения из органических остатков. Значит, их сокращение затрудняет возвращение веществ в среду и может повлиять на всю пищевую систему.

1. Мёртвые остатки и отходы разлагаются медленнее и начинают накапливаться.
2. Меньше минеральных веществ возвращается в почву и воду, откуда их получают продуценты.
3. При недостатке необходимых веществ рост продуцентов может ослабнуть, а вслед за ним сократится кормовая база потребителей.

Ответ: уменьшение числа редуцентов нарушает круговорот, замедляет возврат веществ и способно ухудшить условия жизни продуцентов и зависящих от них организмов.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что растения получают из почвы готовое органическое вещество. Обычно так думают, потому что почва действительно содержит вещества, необходимые для роста. Но фотосинтез образует органику из неорганических веществ с использованием энергии света. Проверь себя: различай минеральные вещества, поглощаемые корнями, и органическое вещество, созданное растением.

Неверно утверждать, что растения только выделяют кислород. Такую мысль легко связать с заметной ролью растений в фотосинтезе, но растения также дышат и используют кислород. Проверь себя: учитывай, что фотосинтез и дыхание — разные процессы, которые могут происходить в одном организме. Не смешивай выделение кислорода при фотосинтезе с газообменом при дыхании.

Круговорот веществ иногда путают с круговоротом энергии. Причина ошибки — оба явления описывают переходы внутри экосистемы, хотя закономерности у них разные. Вещества могут возвращаться в среду и использоваться повторно, а энергия передаётся в одном направлении и рассеивается. Проверь себя вопросом: возвращается ли энергия к источнику в виде той же порции? Нет, экосистеме нужен постоянный приток энергии.

Ошибка — считать, что редуценты создают вещества из ничего. Их роль можно неверно понять, если видеть только то, что после разложения вещества снова доступны растениям. На самом деле редуценты перерабатывают уже существующие органические остатки и возвращают неорганические соединения в среду. Проверь себя: назови исходный материал — отходы и мёртвые организмы — и результат разложения.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о фотосинтезе, дыхании, питании организмов и пищевых цепях. Фотосинтез объясняет появление органического вещества, питание — его передачу между организмами, а дыхание и разложение — возвращение части веществ в среду. Вместе эти процессы помогают проследить связи между живой и неживой природой.

Эти знания пригодятся при изучении экосистем и биосферы — оболочки Земли, где существует жизнь. На них опирается разбор круговоротов углерода и кислорода, а также последствий влияния человека на природу. Если меняется количество продуцентов или редуцентов, это может отразиться на других участниках экосистемы.

Что запомнить

• Фотосинтез использует энергию света для образования органического вещества.
• При фотосинтезе выделяется кислород.
• Продуценты создают органическое вещество, доступное другим организмам.
• Потребители передают вещества по цепям питания.
• Редуценты возвращают неорганические вещества в окружающую среду.
• В круговороте вещества повторно используются, а энергия передаётся однонаправленно.
• Фотосинтез и круговорот веществ — важные условия существования и развития жизни.