"Биология. Учебное пособие для учреждений общего среднего образования с русским языком обучения", Под редакцией С. С. Маглыш, А.Е. Каревский
Биосфера — оболочка Земли, где живут организмы и преобразуют вещества. Благодаря круговороту химические элементы переходят из воздуха, воды и почвы в живые организмы, а затем возвращаются в окружающую среду. Продуценты создают органические вещества, консументы передают их по цепям питания, а редуценты разлагают остатки. Одни и те же вещества могут использоваться многократно, хотя часть надолго задерживается в геологических резервуарах. Деятельность человека способна менять скорость и равновесие циклов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Биосфера — оболочка Земли, населённая организмами; она включает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы. Живые организмы не просто занимают эту область: они поглощают, преобразуют и возвращают вещества. Поэтому биосфера представляет собой пространство, где связаны живая и неживая природа.
Круговорот веществ — многократное перемещение и превращение веществ между живыми организмами и компонентами неживой природы. Например, элемент может попасть из почвы в растение, затем в животное, а после разложения остатков снова оказаться в почве. Это понятие помогает проследить, откуда организм получает вещества и куда они переходят после его жизнедеятельности.
Биологический круговорот — переход химических элементов из неживой природы в организмы и возвращение их в окружающую среду благодаря жизнедеятельности организмов. В нём особенно заметны три группы: продуценты, консументы и редуценты. Понятие показывает, как живые организмы обеспечивают обмен веществ между собой и средой.
Биогеохимический цикл — круговорот химического элемента между живыми организмами и геологическими оболочками Земли. В таких циклах вещество может перемещаться не только по пищевым цепям, но и через атмосферу, воду, почву и горные породы. Это понятие нужно, чтобы учитывать долгие этапы перемещения, когда часть элемента временно выходит из быстрого биологического обмена.
Вещества в биосфере не исчезают после того, как организм их использовал: они лишь меняют химическую форму или переходят в другую часть среды. Организм получает элементы из пищи, воды или воздуха, а затем выделяет продукты обмена либо оставляет органические остатки. Эти вещества могут снова попасть в почву, водоём или атмосферу и стать доступными другим организмам. Однако часть вещества оседает, накапливается в породах или иначе надолго задерживается в геологических резервуарах, поэтому круговорот не всегда быстрый и полностью замкнутый.
Продуценты включают неорганические вещества в состав органических соединений: например, растения при фотосинтезе используют углекислый газ и воду. Консументы получают готовое органическое вещество, поедая растения или других животных, и передают элементы дальше по цепям питания. Когда организмы выделяют продукты жизнедеятельности или погибают, их остатки становятся материалом для редуцентов. Бактерии и грибы расщепляют органические соединения, потому что используют их как источник веществ и энергии, а минеральные продукты разложения возвращаются в среду.
Углерод из атмосферы попадает в растения при фотосинтезе: углекислый газ используется для образования органических веществ. Затем углерод переходит к травоядным и хищникам по цепям питания, поскольку каждый организм получает пищу от другого. При дыхании углеродсодержащие вещества окисляются, и часть углерода возвращается в атмосферу в составе углекислого газа. Разложение органических остатков также возвращает углерод, а горение биомассы и ископаемого топлива быстро высвобождает его из запасов.
Кислород в атмосферу в значительной степени поступает при фотосинтезе, когда растения и другие фотосинтезирующие организмы выделяют его. При дыхании кислород расходуется, а при разложении и горении тоже участвует в окислении веществ; так связаны процессы его образования и использования. Азотный цикл устроен иначе: большинство организмов не может использовать молекулярный азот N₂ из воздуха напрямую. Азотфиксирующие микроорганизмы переводят его в доступные соединения, другие бактерии участвуют в последующих превращениях, а растения поглощают азот преимущественно из почвы в минеральной форме.
Круговорот воды связывает организмы, почву, водоёмы и атмосферу, потому что вода испаряется, переносится воздушными массами и возвращается с осадками. Растения поглощают воду корнями и выделяют её в атмосферу, а животные получают её с пищей и питьём; часть воды просачивается в почву и пополняет водоёмы. Благодаря этим переходам вода переносит растворённые вещества и поддерживает жизненные процессы. Человек меняет циклы, например вырубкой лесов, осушением болот, орошением и сжиганием топлива: меняются испарение, сток, запасы углерода и поступление соединений в почву и воду.
| Круговорот | Основной резервуар | Как вещество включается в живые организмы | Как возвращается в среду |
|---|---|---|---|
| Углерод | Атмосфера, океан, горные породы и ископаемое топливо | Растения поглощают CO₂ при фотосинтезе; животные получают углерод с пищей | При дыхании, разложении и горении в среду поступает CO₂ |
| Кислород | Атмосфера, вода и минералы земной коры | Организмы используют кислород при дыхании; растения получают его соединения с водой и минеральными веществами | Фотосинтез выделяет O₂; дыхание, разложение и горение его расходуют |
| Азот | Атмосфера, почва и водоёмы | Бактерии фиксируют N₂; растения поглощают минеральные соединения азота | Разложение возвращает соединения в почву; бактерии могут выделять N₂ в атмосферу |
| Фосфор | Горные породы, почва и донные отложения | Растения поглощают фосфаты из почвы или воды; животные получают фосфор с пищей | Разложение остатков возвращает фосфаты в почву и воду |
| Вода | Океан, другие водоёмы, ледники и подземные воды | Организмы поглощают воду из среды или получают её с пищей | Вода выделяется организмами, испаряется, стекает и возвращается с осадками |
Таблица помогает сравнить резервуары элементов и способы их перехода в организмы и обратно. Для каждого цикла проследи обе стороны: включение вещества в живое и его возвращение в среду. Указанные резервуары могут быть разными по объёму и времени хранения: например, атмосфера быстро обменивается веществами с организмами, а породы могут удерживать их долго.
Задача 1. Расположите звенья круговорота углерода в правильной последовательности: дыхание животных, поглощение углекислого газа растениями, разложение органических остатков, поедание растений животными. Нужно начать с перехода углерода из атмосферы в организм и затем проследить его движение до возвращения в среду. В задании приведены процессы, которые относятся к разным этапам цикла.
Ответ: поглощение углекислого газа растениями → поедание растений животными → дыхание животных → разложение органических остатков. Последний этап может происходить параллельно с другими путями возврата углерода, но в заданной последовательности он завершает цепь переходов.
Задача 2. Объясните, почему растения не могут непосредственно использовать атмосферный азот, и укажите, какие организмы помогают включить его в круговорот. Для решения важно отличать газообразный азот N₂ от минеральных соединений азота, которые корни могут поглощать из почвы. Само наличие азота в воздухе ещё не означает, что он доступен растению.
Ответ: растениям недоступен непосредственно молекулярный азот воздуха; включить его в цикл помогают азотфиксирующие бактерии. Растения затем используют образовавшиеся минеральные соединения, а не сам газ N₂.
Задача 3. После вырубки леса на участке уменьшилось количество растительных остатков и усилился смыв почвы. Предскажите два возможных изменения круговорота углерода и минеральных веществ. Рассматривай последствия отдельно: сокращение растительности меняет поглощение углерода, а смыв почвы уносит вещества, которые могли бы использовать растения.
Ответ: поглощение углерода растениями может уменьшиться, а запас органического углерода в почве — измениться из-за сокращения растительных остатков. Минеральные вещества будут быстрее выноситься со смытой почвой, что обеднит участок и перенесёт часть соединений в водоёмы.
Ошибка — считать круговорот полностью замкнутым и неизменным. Так думают, потому что слово «круговорот» создаёт образ постоянного возврата вещества в исходную точку. На самом деле часть элементов надолго задерживается в горных породах, донных отложениях или других геологических резервуарах. Проверь себя: учитывай не только быстрый путь через организмы, но и возможное длительное хранение вещества.
Ошибка — приписывать растениям прямое усвоение азота из воздуха. Азот действительно составляет большую часть атмосферы, поэтому легко решить, что он доступен корням напрямую. Однако большинство растений поглощает азот преимущественно в форме минеральных соединений из почвы, а молекулярный N₂ сначала преобразуют микроорганизмы. Проверка простая: уточни, какая именно форма элемента поступает в растение.
Ошибка — сводить роль редуцентов к уничтожению остатков. Это представление упускает химический результат их работы: бактерии и грибы разлагают органические вещества, образуя более простые соединения. Минеральные вещества возвращаются в почву или воду и могут снова использоваться продуцентами. Чтобы проверить себя, спроси не только, что редуценты разрушают, но и какие вещества после этого появляются в среде.
Ошибка — смешивать круговорот вещества с потоком энергии. Путаница возникает потому, что и вещества, и энергия передаются по цепям питания. Но элементы многократно переходят между организмами и средой, а энергия проходит через экосистему и рассеивается в виде тепла. Проверяй себя вопросом: может ли то же самое вещество снова попасть в организм, а энергия — вернуться в исходный запас и пройти путь заново?
Чтобы понять круговороты, нужно знать роли продуцентов, консументов и редуцентов, а также уметь прослеживать пищевые цепи и обмен веществ организмов. Эти знания помогают объяснить, почему изменение одного звена отражается на перемещении элементов в экосистеме. Тема связывает биосферу с экологией, устойчивостью экосистем и последствиями загрязнения. Она также помогает разбирать глобальные проблемы, связанные с изменением состава атмосферы и почв, и понимать значение охраны природы.
Чем круговорот веществ отличается от потока энергии?
Вещества многократно переходят между организмами и компонентами среды, поэтому могут снова использоваться. Энергия же проходит через экосистему в одном направлении и при каждом превращении частично рассеивается в виде тепла.
Какую роль в круговороте играют редуценты?
Редуценты, например бактерии и грибы, разлагают остатки организмов и продукты их жизнедеятельности. При разложении органические вещества превращаются в минеральные соединения, доступные растениям и другим организмам.
Почему азот из воздуха недоступен большинству растений?
Основная часть атмосферного азота существует в виде молекул N₂, которые большинство растений не умеет усваивать. Азотфиксирующие бактерии превращают его в соединения, из которых растения могут получать азот.
Как растения участвуют в круговороте углерода?
При фотосинтезе растения поглощают углекислый газ и включают углерод в органические вещества. Углерод передаётся животным по цепям питания и возвращается в среду при дыхании, разложении остатков и горении.
Какие последствия для круговоротов веществ может иметь вырубка лесов?
Сокращение леса уменьшает поглощение углекислого газа и образование органического вещества. Усиление смыва почвы выносит минеральные соединения, а уменьшение растительных остатков может изменить поступление питательных веществ в почву.
§ 47. Круговорот веществ в биосфере
