§ 22. Круговорот веществ в биосфере

Определения и обозначения

Круговорот веществ — повторяющееся перемещение химических элементов между живыми организмами и компонентами неживой природы. Организмы не создают атомы: после смерти тела разлагаются, а их элементы переходят в почву, воду или воздух. Это понятие помогает понять, почему вещества не исчезают вместе с организмом.

Биогеохимический цикл — обмен и перемещение химических элементов между организмами и оболочками Земли. В нём действуют биологические процессы, например питание, а также геологические и химические — выветривание, растворение и реакции соединений. Такое определение показывает, что круговорот связывает живую и неживую природу.

Биогенная миграция атомов — перемещение атомов, происходящее с участием организмов. Атомы входят в тело с пищей или поглощёнными веществами, переходят между организмами при питании и возвращаются в среду при дыхании и разложении. Термин подчёркивает роль жизни в переносе вещества.

Резервный фонд вещества — часть вещества, временно находящаяся вне активного биологического обмена. Например, элементы могут быть связаны в осадочных породах и почве, где живым организмам они доступны не сразу. Это понятие объясняет, почему некоторые запасы возвращаются в круговорот медленно.

Как это устроено

Организмы получают химические элементы из воды, воздуха и почвы, а также из пищи. Они включают эти элементы в состав клеток и тканей, но не превращают их в новые атомы. При выделении, дыхании и после гибели организма часть вещества возвращается в окружающую среду. Поэтому круговорот — это смена форм и местонахождения атомов.

Продуценты связывают неорганические вещества, используя энергию света или химических реакций, и строят из них органические соединения. Консументы получают готовое органическое вещество, поедая растения или других животных, поэтому элементы переходят по цепям питания. Редуценты разлагают отходы и мёртвые остатки до более простых соединений. Без этого звена многие элементы оставались бы запертыми в органическом веществе.

Биологических процессов для полного цикла недостаточно: вещества перемещаются также между воздухом, водой и горными породами. Выветривание высвобождает элементы из пород, растворение переносит их водой, а осаждение может вновь включить их в донные отложения. Химические превращения меняют доступность соединений для организмов. Поэтому биогеохимические циклы зависят от взаимодействия жизни, химии и геологических процессов.

В активном обмене вещество быстро проходит через организмы и среду, но часть его откладывается в почве, осадочных породах или других резервуарах. Пока запас связан или находится далеко от организмов, он возвращается в биологический обмен медленно. Так возникают различия между быстрыми и медленными этапами одного цикла. Размер и доступность резервуаров влияют на скорость круговорота.

Вещество и энергия движутся через экосистему по-разному. Атомы элементов могут после разложения снова попасть к продуцентам и пройти по цепи питания. Энергия, напротив, поступает в основном от Солнца, передаётся между организмами и при превращениях рассеивается в виде тепла. Поэтому для поддержания экосистемы необходим постоянный приток энергии, а вещество многократно используется.

Основные биогеохимические циклы и пути перемещения вещества

Сначала найдите в строке резервуары: они показывают, где хранится основная часть вещества. Затем проследите, каким путём оно попадает в организмы и возвращается обратно. Последний столбец помогает увидеть, почему цикл может замедляться или изменяться под влиянием природных процессов и человека.

Разбор задач

Задача 1. Проследите путь атома углерода от углекислого газа в атмосфере через растение к животному и обратно в среду. Нужно установить, в какой форме углерод попадает в растение и как затем передаётся животному. В конце определите процесс, возвращающий его из организма.

1. Растение поглощает CO₂ из воздуха. При фотосинтезе атом углерода входит в состав органических веществ растения.
2. Животное поедает растение, поэтому углерод переходит в его ткани. Если животное съедает другое животное, атом может переместиться дальше по цепи питания.
3. При дыхании углерод выделяется в виде CO₂. После смерти организмов разложение тоже возвращает углерод в среду, в том числе в форме углекислого газа.

Ответ: углерод проходит путь атмосфера — растение — животное — среда. Он может вернуться при дыхании или разложении; в обоих случаях меняется соединение, но сам атом сохраняется.

Задача 2. Объясните, почему большинство растений не использует непосредственно азот атмосферы и как он включается в круговорот. Здесь важно отличить молекулярный азот N₂ от соединений, которые могут поглощать корни. Также нужно показать участие микроорганизмов в превращении азота.

1. Атмосферный азот находится главным образом в молекулах N₂, которые большинство растений не способно усвоить напрямую.
2. Азотфиксирующие микроорганизмы переводят молекулярный азот в соединения азота. Другие микроорганизмы участвуют в последующих превращениях, благодаря которым в почве появляются доступные растениям формы.
3. Растения поглощают эти соединения корнями и включают азот в органические вещества. Животные получают его с пищей, а разложение возвращает азот в почву.

Ответ: растениям нужен не N₂ из воздуха, а доступные соединения азота. В круговорот атмосферный азот включается благодаря микроорганизмам, а затем проходит через растения, животных и разлагателей.

Задача 3. Сравните циклы углерода и фосфора по резервуарам, скорости обмена и роли организмов. Затем предскажите, что произойдёт при усиленном сжигании ископаемого топлива. Для сравнения проследите, насколько быстро вещество доступно живым организмам и где хранится его основной запас.

1. У углерода есть газовый резервуар — атмосфера, а также запасы в океане, организмах и ископаемом топливе. У фосфора основной запас связан с горными породами и донными отложениями, поэтому его цикл преимущественно осадочный.
2. Организмы быстро включают углерод при фотосинтезе и передают по пищевым цепям. Фосфор растения получают из растворённых фосфатов, а высвобождение фосфора из пород обычно происходит медленно.
3. При сжигании топлива запасённый углерод быстро поступает в атмосферу в составе CO₂. Скорость выброса может превышать скорость поглощения углерода океаном и растительностью.

Ответ: цикл углерода включает заметный газовый обмен и обычно быстрее связан с организмами, а цикл фосфора сильнее зависит от медленных геологических процессов. Усиленное сжигание топлива увеличивает содержание CO₂ в атмосфере и нарушает баланс углеродного цикла.

Типичные ошибки

Ошибка 1 — считать, что вещества в экосистеме возникают заново. Её допускают, потому что организмы действительно образуют новые органические соединения и заметно меняют окружающую среду. Но они перестраивают вещества из уже существующих атомов, а не создают химические элементы. Проверьте себя: проследите, откуда атомы попали в организм и куда перейдут после его гибели.

Ошибка 2 — смешивать круговорот вещества с потоком энергии. Путаница возникает потому, что и вещества, и энергия передаются по пищевым цепям. Однако атомы могут снова включиться в цикл, а энергия рассеивается и не возвращается в экосистему в исходном виде. Проверка проста: спросите, может ли ресурс пройти тот же путь повторно без нового поступления извне.

Ошибка 3 — приписывать редуцентам создание элементов. Кажется, что элементы «появляются» после разложения, потому что они становятся доступными в почве или воде. Редуценты лишь расщепляют органические вещества и переводят элементы в другие формы. Чтобы проверить ответ, различайте образование доступного соединения и создание нового атома.

Ошибка 4 — считать все циклы одинаково быстрыми и полностью замкнутыми. Так думают, если замечают только переходы между организмами и средой. В действительности вещество может надолго задержаться в резервуарах, а деятельность человека изменить скорость и направление переноса. Проверяйте схему цикла: отмечайте медленные запасы и возможные дополнительные источники или потери.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в круговоротах, нужно знать строение экосистемы, пищевые цепи и роли продуцентов, консументов и редуцентов. Тема непосредственно связана с фотосинтезом, дыханием, разложением органических веществ и превращениями соединений азота микроорганизмами. Эти процессы объясняют, как элементы переходят между живой и неживой природой. Понимание круговоротов пригодится при изучении устойчивости экосистем, глобальных экологических проблем и влияния хозяйственной деятельности на биосферу.

Что запомнить

• В круговороте атомы переходят между живой и неживой природой.
• Продуценты включают неорганические вещества в органические соединения.
• Консументы передают вещества по цепям питания.
• Редуценты возвращают элементы из органических остатков в окружающую среду.
• Круговороты объединяют биологические, химические и геологические процессы.
• Вещество циркулирует, а энергия проходит через экосистему и рассеивается.
• Резервуары и деятельность человека влияют на скорость и направление круговоротов.