§ 31. Круговорот веществ в биосфере

Определения и обозначения

Круговорот веществ в биосфере — непрерывное перемещение и многократное преобразование химических элементов между живыми организмами и неживой природой. Это не создание вещества заново, а повторное использование атомов в разных соединениях. Понятие помогает проследить, откуда элементы попадают к организмам и куда возвращаются.

Биологический круговорот — переход веществ из окружающей среды в организмы и обратно благодаря жизнедеятельности продуцентов, консументов и редуцентов. Продуценты создают органические вещества, консументы получают их с пищей, а редуценты разлагают остатки. Это понятие показывает, как жизнь поддерживает обмен веществ между организмами и средой.

Биогенная миграция атомов — перемещение и преобразование атомов химических элементов, происходящее при участии живых организмов. Например, атом углерода может перейти из углекислого газа в растение, затем в животное и снова в окружающую среду. Термин нужен, чтобы отличать перемещения, связанные с жизнью, от чисто физических и геологических процессов.

Резервный фонд вещества — часть вещества, временно выведенная из быстрого обмена между организмами и окружающей средой. Вещество может накапливаться, например, в горных породах или донных отложениях и возвращаться в активный обмен значительно позже. Это понятие объясняет, почему некоторые круговороты идут медленно и не выглядят полностью замкнутыми на коротком временном отрезке.

Как это устроено

Продуценты поглощают воду, углекислый газ и минеральные вещества из окружающей среды и включают их в состав органических соединений. Так химические элементы становятся частью живого вещества, которое может служить пищей другим организмам. Консументы получают эти элементы, поедая растения или других животных, и используют их для построения собственного тела. Когда организмы выделяют отходы или погибают, вещества оказываются доступными для дальнейших преобразований.

Редуценты — главным образом бактерии и грибы — разлагают остатки и отходы, превращая сложные органические соединения в более простые, в том числе минеральные. Благодаря этому элементы возвращаются в почву, воду или атмосферу и снова могут быть поглощены продуцентами. Если бы разложение не происходило, органические остатки накапливались бы, а многие элементы оставались бы связанными в них. Поэтому работа редуцентов завершает многие этапы биологического круговорота.

Круговорот связывает биотические компоненты биосферы — организмы — с абиотическими: воздухом, водой и горными породами. Организмы не могут бесконечно получать вещества только из пищи, поэтому важен обмен с неживой средой, где находятся крупные запасы элементов. Возвращение соединений в среду позволяет использовать те же атомы снова и поддерживать жизнь на протяжении длительного времени. При этом атомы переходят из одной формы в другую, а не исчезают после использования организмом.

Быстрее обычно идут перемещения веществ через атмосферу и гидросферу: газ или растворённое соединение может быстро переноситься ветром и водой. В более медленных круговоротах значительная часть вещества задерживается в горных породах и донных отложениях, а её возвращение зависит от геологических процессов. Поэтому для разных элементов характерны разные резервуары и сроки обмена. Резервный фонд делает круговорот менее быстрым, но сохраняет вещества для будущего включения в обмен.

Вода испаряется с поверхности океана и суши, а также поступает в атмосферу при испарении с растений. При охлаждении водяной пар конденсируется в капли, затем вода возвращается в виде осадков. Часть осадков впитывается в почву и поглощается организмами, другая стекает по поверхности в реки и океан. Такой перенос связывает океан, атмосферу и сушу, а вмешательство в растительный покров способно менять соотношение поглощения и стока.

В круговороте углерода растения при фотосинтезе поглощают углекислый газ и включают углерод в органические вещества. Он передаётся консументам с пищей, а при дыхании организмов и разложении органики возвращается в окружающую среду, в том числе в атмосферу. Круговорот азота начинается, в частности, с азотфиксации: некоторые микроорганизмы переводят атмосферный азот в соединения, которые могут усваивать растения. Азот проходит по цепям питания, а бактерии-денитрификаторы возвращают его в атмосферу.

Сравнение круговоротов веществ в биосфере

Сравнивайте сначала резервуары: они показывают, где находится основная масса вещества и как долго она может там задерживаться. Затем проследите процессы переноса и роль организмов, чтобы понять, как вещество переходит между средой и живыми существами. Последние строки помогают связать естественные этапы круговорота с последствиями человеческой деятельности.

Разбор задач

Путь атома углерода

Условие. Проследите путь атома углерода от углекислого газа в атмосфере через растение и травоядное животное обратно в окружающую среду. Нужно назвать процессы, а не только организмы, через которые проходит атом. Проверим, что в цепочке есть включение в органическое вещество и возвращение из него.

1. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ, и атом углерода входит в состав органического вещества.
2. Травоядное животное съедает растение; углерод переходит в его организм вместе с пищей.
3. При дыхании часть углерода выделяется животным в виде углекислого газа, а после гибели остатки могут разлагаться редуцентами.
4. В ходе разложения углерод возвращается в окружающую среду, в том числе в атмосферу как углекислый газ.

Ответ. Атмосферный углерод связывается растением при фотосинтезе, переходит к травоядному с пищей, а затем возвращается при дыхании и разложении. Так прослеживается не исчезновение атома, а смена его соединений и места нахождения. Если часть органики надолго захоронится, атом может задержаться в резервном фонде.

Путь атмосферного азота

Условие. Объясните, как атмосферный азот становится доступным растению, а затем возвращается в атмосферу. Сам по себе газообразный азот большинство растений использовать не может, поэтому следует найти этап его преобразования. В ответе нужны и передача по цепи питания, и процесс возвращения.

1. Азотфиксирующие микроорганизмы переводят атмосферный азот в соединения, доступные растениям; часть таких бактерий живёт в почве или связана с корнями растений.
2. Растение поглощает соединения азота и включает атомы в органические вещества, например белки.
3. Травоядное животное получает азот, поедая растение; после смерти организмов и выделения отходов соединения азота оказываются в среде.
4. При денитрификации бактерии преобразуют соединения азота, возвращая азот в атмосферу.

Ответ. Путь проходит через азотфиксацию, усвоение растением, передачу по цепи питания и разложение органики. Затем денитрифицирующие бактерии возвращают азот в атмосферу. Без преобразования азотфиксаторами атмосферный газ оставался бы недоступен большинству растений.

Вырубка леса и распашка склона

Условие. После вырубки леса и распашки склона усилился смыв почвы. Объясните возможные изменения круговоротов воды и углерода на этой территории. Нужно связать потерю растительного покрова с поглощением воды и углекислого газа, а также со стоком и переносом органики.

1. После удаления деревьев и другой растительности меньше воды задерживается на листьях и поглощается корнями; ослабляется и удерживание почвы корнями.
2. Дождевые потоки быстрее стекают по склону, уносят частицы почвы и органическое вещество в водоёмы, а местное впитывание воды может уменьшиться.
3. Уменьшение растительной массы означает, что на этой территории меньше углекислого газа связывается фотосинтезом и меньше углерода поступает в новую органику.
4. Перенесённая органика может разлагаться в другом месте, возвращая углерод в окружающую среду; изменятся также сток и распределение воды.

Ответ. Усиленный сток ускоряет перенос воды и почвенного вещества со склона, а уменьшение растительного покрова снижает поглощение углекислого газа. Углерод органики перемещается вместе со смытой почвой и может высвободиться при её разложении. Итог зависит от условий местности и того, куда поступает смытый материал.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что вещества в биосфере создаются организмами заново. Её допускают, когда образование органики принимают за появление новых атомов, хотя организмы лишь меняют форму и место нахождения уже существующих элементов. Проверьте себя: проследите конкретный атом от среды к организму и обратно.

Ошибка — сводить круговорот к переходу вещества от одного организма к другому. Так можно забыть про атмосферу, воду, почву и горные породы, хотя именно они служат источниками и резервуарами элементов. Для проверки нарисуйте цепочку и убедитесь, что в ней есть обмен с неживой природой.

Ошибка — полагать, что все круговороты одинаково быстры и полностью замкнуты. К такому выводу подталкивает само слово «круговорот», но часть вещества надолго задерживается в резервных фондах. Проверьте рассуждение вопросом: где находится основная масса вещества и сколько времени требуется, чтобы она снова включилась в обмен?

Ошибка — считать редуцентов только участниками разложения. Разложение действительно описывает их действие, но не показывает его результат: минеральные соединения возвращаются в среду и могут снова усваиваться. Чтобы проверить себя, назовите не только то, что редуценты разрушают, но и то, куда после этого попадают элементы.

Связь с другими темами

Для понимания круговоротов нужны знания о строении биосферы, уровнях организации живого и различиях между продуцентами, консументами и редуцентами. Эти роли помогают проследить путь вещества через организмы и среду. Без них трудно объяснить, кто поглощает соединения, кто передаёт их по цепи питания и кто возвращает их после разложения.

Круговороты связаны с экологическими факторами, пищевыми цепями и устойчивостью экосистем. Они помогают понять, почему изменение условий или исчезновение отдельных видов влияет на доступность веществ для других организмов. Знание круговоротов также позволяет объяснять последствия загрязнения, вырубки лесов и усиления выбросов парниковых газов.

Что запомнить

• Круговорот веществ связывает живую и неживую природу.
• Продуценты включают неорганические вещества в органические соединения.
• Консументы передают вещества по цепям питания.
• Редуценты разлагают органику и возвращают минеральные вещества в среду.
• У химических элементов есть крупные резервуары, где вещество может задерживаться.
• Деятельность человека способна изменять скорость и направление круговоротов.