§ 52. Живое вещество и биогеохимические круговороты в биосфере

Определения и обозначения

Живое вещество — совокупность всех организмов биосферы: бактерий, грибов, растений и животных. Оно отличается от косного вещества тем, что состоит из организмов, способных к обмену веществ и размножению. Это понятие помогает рассматривать жизнь как активную силу, преобразующую планету.

Биогеохимический круговорот — перемещение и многократное превращение химических элементов между живыми организмами и неживой средой. Элемент может входить в состав минерала, затем стать частью организма и снова оказаться в воде, почве или воздухе. Понятие нужно, чтобы проследить, откуда организмы получают вещества и куда они возвращаются.

Биогенная миграция атомов — перемещение и преобразование атомов химических элементов под действием живых организмов. Например, растение включает атом углерода из углекислого газа в органические вещества, а животное получает его с пищей. Термин подчёркивает, что организмы не создают атомы, а меняют их местонахождение и химические соединения.

Биосфера — оболочка Земли, населённая живыми организмами и преобразуемая их деятельностью. В неё входят части атмосферы, гидросферы и верхней части литосферы, где существует жизнь. Это понятие задаёт границы, в которых происходят биологические и геологические процессы, связанные в общую систему.

Как это устроено

Масса живого вещества составляет лишь небольшую долю массы биосферы, но его влияние значительно. Причина в том, что организмы постоянно обмениваются веществами со средой: поглощают одни соединения, образуют другие и выделяют продукты обмена. Размножение поддерживает множество организмов, поэтому преобразование элементов не прекращается. В результате меняются состав почвы, воды и атмосферы.

Общий путь вещества начинается в окружающей среде: элементы поступают в организм с пищей, водой или газами. Затем они переходят к другим организмам по пищевым цепям, потому что консументы поедают растения или животных. После смерти организмов и выделения отходов часть вещества оказывается в остатках. Разложение возвращает элементы в среду, откуда они вновь могут быть усвоены.

Продуценты, консументы и редуценты выполняют разные, но связанные задачи. Продуценты, например зелёные растения, используют энергию света и включают неорганические вещества в органические соединения. Консументы получают уже связанные элементы, поедая другие организмы, и тем самым передают их по пищевой цепи. Редуценты расщепляют органические остатки; без них многие элементы надолго оставались бы запертыми в мёртвом веществе.

В круговороте углерода растения поглощают углекислый газ при фотосинтезе и включают углерод в органические вещества. Углерод переходит к животным, когда те питаются растениями или другими животными. При дыхании организмов и разложении остатков часть углерода возвращается в атмосферу в виде CO₂. Горение древесины и ископаемого топлива также высвобождает углекислый газ, поэтому деятельность человека может менять содержание углерода в атмосфере.

Круговороты азота и фосфора различаются доступными запасами и путями поступления элементов. Атмосферный азот составляет большой резерв, но большинству организмов недоступен напрямую: микроорганизмы связывают его и превращают в соединения, которые могут усваивать растения. Другие микроорганизмы участвуют в превращениях азотных соединений и возвращении азота в атмосферу. Фосфорного газа в атмосфере практически нет: фосфор поступает главным образом при выветривании пород, усваивается организмами из почвы и воды, а после разложения остатков возвращается в среду.

Сравнение биогеохимических круговоротов

Сравнивайте элементы по пяти строкам: так видно, где находится их запас, как они попадают в организмы и каким путём возвращаются. Особенно заметны различия между азотом, для которого важны микроорганизмы, и фосфором, движение которого связано с породами. Таблица также помогает определить, какое звено может измениться под влиянием человека.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему углерод из атмосферы может оказаться в тканях животного. Чтобы решить задачу, нужно проследить не только исходный запас углерода, но и передачу вещества между организмами. Углерод не исчезает, а входит в состав разных органических соединений.

1. Углекислый газ атмосферы поглощает растение во время фотосинтеза. Его углерод становится частью органических веществ растения.
2. Растительноядное животное получает этот углерод, поедая растение. Углерод включается в вещества его клеток и тканей.
3. Если животное питается другим животным, углерод может пройти ещё несколько звеньев пищевой цепи. На каждом этапе часть вещества расходуется в обмене веществ и возвращается в среду.

Ответ: углерод из атмосферного CO₂ связывается растением при фотосинтезе, а затем поступает к животному с пищей и включается в его ткани. Значит, животное получает атмосферный углерод не напрямую, а через продуцента и пищевую цепь. Часть углерода позднее вернётся в среду при дыхании или разложении.

Задача 2. Участок почвы обеднён доступными соединениями азота. Объясните, как деятельность организмов может способствовать их накоплению. Нужно учесть, что растения не усваивают атмосферный азот напрямую, а органические остатки содержат связанные соединения элемента. Поэтому важны и микроорганизмы, и возвращение вещества после смерти организмов.

1. Азотфиксирующие микроорганизмы связывают атмосферный азот и переводят его в соединения, доступные другим участникам экосистемы. Некоторые из них живут в почве, другие — в связи с растениями.
2. Растения усваивают доступные соединения азота и включают элемент в органические вещества. Животные получают его, питаясь растениями или другими животными.
3. После отмирания организмов и выделения отходов редуценты разлагают органические остатки. В результате соединения азота возвращаются в почву, а деятельность микроорганизмов может преобразовать их в доступные растениям формы.

Ответ: накоплению доступного азота помогают азотфиксация и разложение органических остатков. Эффект будет заметнее, если азот не вымывается из почвы быстрее, чем поступает. Следовательно, микроорганизмы обеспечивают не только поступление азота, но и его превращения внутри экосистемы.

Задача 3. Сравните последствия вырубки леса и внесения фосфорных удобрений для круговоротов веществ в экосистеме. В первом случае меняется роль растений и поступление органических остатков, во втором — количество доступного фосфора. Оценивать нужно не только непосредственный эффект, но и дальнейший перенос элементов.

1. При вырубке становится меньше продуцентов, поэтому снижается поглощение CO₂ и образование органического вещества. Одновременно уменьшается поступление растительных остатков в почву, а открытая почва может сильнее подвергаться эрозии и вымыванию.
2. Фосфорные удобрения увеличивают количество доступных соединений фосфора в почве. Растения могут усвоить их, а затем передать элемент по пищевым цепям; избыток удобрений способен попасть в водоёмы.
3. В водоёмах избыток фосфора может усиливать рост водорослей и нарушать состояние экосистемы. Таким образом, вырубка прежде всего меняет биологические звенья и возврат вещества, а удобрения — поступление фосфора и его возможный избыток.

Ответ: вырубка ослабляет поглощение углерода растительностью и меняет поступление остатков в почву. Удобрения ускоряют поступление фосфора в экосистему, но при избытке могут вызвать загрязнение водоёмов. В обоих случаях изменяются связи между организмами и средой, хотя затрагиваются разные звенья круговоротов.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что каждый атом возвращается по неизменному маршруту. Такое представление возникает из-за слова «круговорот», которое похоже на движение по кругу. На деле атомы переходят между разными организмами и соединениями, а маршруты могут различаться. Проверка: проследите возможные пути элемента после усвоения, дыхания и разложения.

Ошибка: считать, что растения получают все минеральные элементы из воздуха. Путаница возникает потому, что растения действительно поглощают углекислый газ из атмосферы. Однако углерод поступает с CO₂, а многие другие элементы растения получают в виде растворённых соединений из почвы или воды. Проверка: для каждого элемента назовите конкретный источник и форму поступления.

Ошибка: считать редуцентов необязательными участниками круговорота. Иногда внимание сосредоточено на растениях и животных, хотя без разложения остатки накапливались бы, а элементы оставались бы связанными в органическом веществе. Проверка: спросите, каким путём элемент из мёртвого организма вернётся в среду. Если такого звена нет, объяснение круговорота неполно.

Ошибка: путать круговорот вещества с потоком энергии. Поскольку и вещества, и энергия передаются по пищевым цепям, их движение легко смешать. Вещества многократно переходят между средой и организмами, а энергия проходит через экосистему и рассеивается. Проверка: выясните, может ли ресурс использоваться повторно; для атомов это возможно, для уже рассеянной энергии — нет.

Связь с другими темами

Для понимания круговоротов нужны знания о продуцентах, консументах и редуцентах, пищевых цепях и фотосинтезе. Эти понятия помогают определить, как вещество попадает в организм, передаётся дальше и возвращается в среду. Круговороты объясняют, почему экосистемы зависят от связей между организмами и условиями среды. Они также помогают оценивать последствия загрязнения, вырубки лесов и изменения климата. Представление о движении элементов понадобится при изучении экологии и охраны природных ресурсов.

Что запомнить

• Живое вещество — совокупность организмов биосферы.
• Организмы участвуют в перемещении и превращении химических элементов.
• Продуценты включают неорганические вещества в состав органического вещества.
• Консументы передают вещества по цепям питания.
• Редуценты возвращают многие элементы из органических остатков в среду.
• Вещества совершают круговорот, а энергия проходит через экосистему однонаправленно.
• Деятельность человека может нарушать естественные круговороты.