§ 23. Примеры круговорота веществ в биосфере

Определения и обозначения

Биогеохимический круговорот — перемещение химических элементов между живыми организмами и неживой природой. Вещество переходит из атмосферы, воды или почвы в организм, а затем возвращается в среду. Понятие нужно, чтобы описывать биосферу как единую систему обмена.

Биогенная миграция атомов — перемещение и преобразование атомов благодаря жизнедеятельности организмов. Например, растение включает углерод углекислого газа в органическое вещество, а редуценты снова переводят его в минеральную форму. Этот термин показывает активную роль живого в круговоротах.

Резервный фонд — часть вещества, накопленная в океане, атмосфере, горных породах или залежах ископаемого топлива. Обмен такого вещества с организмами обычно идёт медленно, потому что оно труднодоступно или связано в устойчивых соединениях. Резервный фонд поддерживает круговорот в течение длительного времени.

Обменный фонд — часть вещества, быстро вовлекающаяся в обмен между организмами и окружающей средой. К нему относятся доступные соединения в почве, воде и атмосфере. От его состояния зависит, смогут ли организмы своевременно получать нужные элементы.

Как это устроено

Круговороты нужны потому, что элементы не создаются живыми организмами заново и не исчезают после использования. Они переходят из одной формы в другую, поэтому продукты жизнедеятельности могут стать ресурсом для других организмов. Так связываются биотическая и абиотическая части биосферы, а вещества многократно используются.

Вода испаряется с поверхности водоёмов и почвы, а растения возвращают её в атмосферу при транспирации. В атмосфере пар охлаждается и конденсируется, образуя облака, после чего выпадают осадки. Вода впитывается почвой, используется организмами, стекает по поверхности и под землёй в реки, озёра и океан, откуда цикл начинается снова.

Углерод из углекислого газа связывается растениями при фотосинтезе и входит в состав органических веществ. Животные получают его с пищей, а при дыхании растения и животные возвращают часть углерода в атмосферу. После отмирания организмов редуценты выделяют углекислый газ при разложении; океан поглощает и выделяет углерод, а сжигание ископаемого топлива быстро переводит его запас в атмосферу.

Атмосферный азот становится доступнее после фиксации: специальные бактерии превращают N₂ в соединения, пригодные для дальнейших превращений. Растения поглощают главным образом нитраты и аммонийные соединения, затем азот переходит к животным по цепям питания. При разложении образуются минеральные соединения, а денитрифицирующие бактерии возвращают азот в атмосферу.

Фосфор в основном находится в горных породах и почве, поэтому его круговорот медленнее и не имеет значимого газообразного этапа. При выветривании фосфаты попадают в почву и воду, растения поглощают их, а животные получают с пищей. После разложения фосфор возвращается в почву, а часть переносится в водоёмы и оседает вместе с донными отложениями.

Сравнение круговоротов веществ в биосфере

При сравнении сначала найдите главный резервуар вещества, а затем проследите путь его перехода в организмы и обратно. Особенно полезно отмечать, есть ли газовая стадия и какие организмы обеспечивают превращения. Последний столбец помогает связать природный цикл с экологическими последствиями деятельности человека.

Разбор задач

Задача 1

Условие: расположите процессы круговорота воды в последовательность: выпадение осадков, испарение, образование облаков, сток в океан. Нужно восстановить путь воды между поверхностью Земли и атмосферой.

1. Начните с испарения: жидкая вода превращается в водяной пар и поднимается в атмосферу.
2. Охлаждение пара приводит к конденсации, поэтому образуются облака.
3. Из облаков вода выпадает в виде осадков, а затем стекает по суше в реки, озёра и океан.

Ответ: испарение → образование облаков → выпадение осадков → сток в океан. Последний этап возвращает воду в крупный резервуар, откуда снова возможно испарение.

Задача 2

Условие: укажите, как атом углерода из углекислого газа может попасть в организм животного и вернуться в атмосферу. Требуется проследить не отдельный факт, а последовательность превращений вещества.

1. Растение поглощает CO₂ и в процессе фотосинтеза включает атом углерода в органическое вещество.
2. Животное съедает растение или другого животного и получает этот углерод с пищей.
3. При дыхании животного углерод возвращается в атмосферу в составе CO₂; возможен также путь через разложение остатков.

Ответ: углекислый газ → растение → животное → дыхание → атмосфера. Если организм погибает, атом может сначала перейти к редуцентам, а затем также вернуться в атмосферу.

Задача 3

Условие: объясните, почему избыток азотных удобрений нарушает круговорот азота и изменяет водоём. Нужно связать сельскохозяйственный сток с изменением сообщества.

1. Часть растворимых соединений азота смывается с почвы в реку или озеро, поэтому поступление питательных веществ становится чрезмерным.
2. Водоросли и цианобактерии быстро размножаются, а после их отмирания редуценты расходуют кислород на разложение.
3. Нехватка кислорода угнетает или уничтожает многих водных животных, меняя состав экосистемы.

Ответ: избыток удобрений вызывает эвтрофикацию — обогащение водоёма соединениями азота и фосфора. Это ускоряет отдельные потоки круговорота и нарушает равновесие сообщества.

Типичные ошибки

Одинаковая скорость круговоротов. Ученик может считать, что вода, углерод и фосфор перемещаются одинаково быстро, хотя фосфор в породах обменивается медленно. Ошибку проверяют вопросом: где находится резервный фонд и легко ли вещество из него высвобождается?

Смешение фиксации и усвоения азота. Фиксация — превращение атмосферного N₂ в соединения, которое выполняют главным образом микроорганизмы, а растения поглощают уже готовые соединения. Проверьте себя: растение получает азот не из воздуха напрямую, а преимущественно из почвы.

Газовая фаза у фосфора. У фосфора нет значимого атмосферного этапа, поэтому нельзя описывать его цикл по образцу азота. Для проверки назовите основные звенья: породы, почва, вода, организмы и осадки.

Полностью замкнутый и неизменный круговорот. Часть вещества может надолго выйти из быстрого обмена, а человек способен ускорить одни потоки и нарушить другие. Проверяйте схему, добавляя резервные фонды и источники антропогенного воздействия.

Связь с другими темами

Для понимания круговоротов нужны знания о биосфере, продуцентах, консументах и редуцентах, а также о фотосинтезе и дыхании. Эти организмы выполняют разные этапы перемещения и преобразования веществ.

Круговороты связаны с пищевыми цепями и экосистемами: элементы переходят между трофическими уровнями, а энергия при этом не совершает круговорота и рассеивается. Такое различие помогает не путать обмен веществ с потоком энергии.

Тема важна при изучении загрязнения среды и устойчивости экосистем. Она позволяет объяснить последствия избытка удобрений, вырубки лесов, добычи ресурсов и изменения водного режима.

Что запомнить

• Круговороты связывают живые организмы с атмосферой, гидросферой и литосферой.
• Организмы участвуют в перемещении и преобразовании химических элементов.
• Вода перемещается между атмосферой, сушей, организмами и водоёмами.
• Фотосинтез связывает атмосферный углерод с органическим веществом.
• Азот становится доступным организмам благодаря превращению в соединения, которые могут усваивать растения.
• У фосфора нет значимого газообразного этапа круговорота.
• Деятельность человека может ускорять или нарушать естественные потоки веществ.