Круговорот веществ в биосфере

Определения и обозначения

Биосфера — оболочка Земли, населённая живыми организмами. Жизнь встречается в нижней части атмосферы, во всей гидросфере и в верхних слоях литосферы, где организмы могут существовать. Границы биосферы определяются условиями жизни, а не ровной линией. Это понятие помогает увидеть, что живое связано с воздухом, водой и горными породами.

Круговорот веществ — повторяющееся перемещение и превращение веществ между живыми организмами и компонентами неживой природы. Вещество может входить в состав организма, менять химическую форму, а затем снова оказаться в воздухе, воде или почве. Поэтому использование вещества одним организмом не означает, что оно исчезло. Понятие объясняет, как ресурсы становятся доступными для следующих поколений организмов.

Продуценты — организмы, создающие органические вещества из неорганических. К ним относятся зелёные растения, использующие энергию света при фотосинтезе, а также некоторые микроорганизмы. Созданное ими органическое вещество становится пищей и строительным материалом для других организмов. Без продуцентов большая часть пищевых цепей не получила бы исходного запаса органики.

Редуценты — организмы, разлагающие остатки и отходы до простых неорганических веществ и возвращающие их в среду. К ним относят многие бактерии и грибы. Они используют органические остатки и превращают содержащиеся в них вещества в соединения, доступные для дальнейшего круговорота. Их работа не уничтожает вещества, а меняет их форму.

Как это устроено

Вещества не исчезают после того, как организм их использовал: они входят в состав тканей, выделяются с отходами или остаются после гибели. Затем другие организмы могут поглотить эти вещества либо редуценты разложат органические остатки. Так атомы переходят между разными соединениями и компонентами среды. Повторное использование возможно именно потому, что вещество меняет форму, но продолжает участвовать в природных процессах.

В круговороте связаны три группы организмов. Продуценты создают органическое вещество из неорганического, потребители получают его, поедая растения или других животных, а редуценты перерабатывают остатки и отходы. Пища передаёт вещества от одного звена цепи к следующему, но не выводит их из круговорота. Разложение возвращает часть веществ в среду, откуда продуценты могут снова их поглотить.

Круговорот углерода начинается, в частности, с поглощения углекислого газа растениями при фотосинтезе. Углерод становится частью органических веществ и вместе с пищей переходит к животным. Организмы выделяют углекислый газ при дыхании, а редуценты возвращают углерод в среду, разлагая остатки. При горении топлива и растительности углерод тоже поступает в атмосферу в виде углекислого газа.

Вода испаряется с поверхности водоёмов, почвы и растений, а водяной пар переносится воздушными потоками. При охлаждении пар конденсируется, после чего вода выпадает на землю в виде осадков. Часть воды стекает в реки и озёра, часть просачивается в почву, а часть снова испаряется. Организмы включаются в этот обмен, поглощая воду и выделяя её при дыхании, испарении или с отходами.

Азот входит в состав важных для организмов веществ, но большинство растений не может усваивать его непосредственно из атмосферы. Почвенные бактерии участвуют в превращении азота и образовании соединений, которые растения поглощают корнями. Далее азот переходит к животным по цепям питания, а после выделения отходов и разложения остатков снова оказывается в почве. Работа бактерий важна, потому что без неё доступных растениям форм азота могло бы стать меньше.

Основные вещества и пути их круговорота в биосфере

Сначала найдите в строке вещество, затем проследите, где оно хранится и каким путём попадает в организм. Последний столбец показывает, за счёт каких процессов вещество возвращается в среду. Так таблица помогает сравнить круговороты и заметить общую роль организмов.

Разбор задач

Задача 1

Растение поглотило углекислый газ, а затем его листья съело животное. Нужно объяснить, как углерод перешёл из неживой природы в живой организм. Проследим путь не самого газа целиком, а атомов углерода, входящих в его состав.

1. Углекислый газ из воздуха поступил в растение.
2. При фотосинтезе растение использовало углерод для образования органических веществ.
3. Животное съело листья, поэтому органические вещества с углеродом оказались в его организме.

Ответ: углерод перешёл из атмосферы в растение при фотосинтезе, а затем попал в животное с пищей.

Задача 2

После гибели растения его остатки разложились в почве. Нужно назвать роль редуцентов и судьбу веществ из остатков. Чтобы не считать разложение исчезновением, проследим, во что превращается органическое вещество.

1. Бактерии и грибы используют остатки растения как источник веществ и энергии.
2. В процессе разложения сложные органические вещества превращаются в более простые соединения.
3. Часть неорганических соединений остаётся в почве и может быть поглощена растениями.

Ответ: редуценты разлагают остатки, возвращая вещества в почву в форме соединений, которые снова могут участвовать в круговороте.

Задача 3

В экосистеме сократилась численность почвенных бактерий, участвующих в превращениях азота. Предположим, как это скажется на растениях и дальнейшем движении азота. Важно связать изменение в одном звене с тем, какие формы азота доступны следующим звеньям.

1. Меньше бактерий может означать замедление некоторых превращений азота в почве.
2. Если доступных растениям соединений станет меньше, растения будут хуже обеспечены азотом и могут расти медленнее.
3. При снижении количества растительной органики животные могут получить меньше пищи, а передача азота по цепям питания изменится.

Ответ: сокращение бактерий способно уменьшить доступность азота для растений и повлиять на продуктивность экосистемы и дальнейший переход азота по цепям питания. Точный результат зависит от того, какие именно бактерии и процессы затронуты.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что вещества движутся только от организмов к неживой природе. Так думают, если замечают выделение отходов и разложение, но забывают о поглощении веществ организмами. Растения забирают воду и минеральные соединения, а при фотосинтезе — углекислый газ. Проверка: для любого вещества назовите и путь в организм, и путь обратно в среду.

Круговорот веществ иногда путают с потоком энергии, потому что оба процесса связаны с пищевыми цепями. Однако атомы могут многократно переходить между организмами и средой, а энергия передаётся дальше и рассеивается в виде тепла. Проверить себя можно вопросом: может ли та же порция энергии снова пройти цепь питания? Нет; вещества же могут быть использованы повторно.

Редуцентов ошибочно считают организмами, которые просто уничтожают остатки. Такое представление возникает из-за того, что остатки после разложения перестают быть заметны. На самом деле редуценты превращают органическое вещество в более простые соединения и возвращают их в среду. Проверка: объясните, куда после разложения могут попасть продукты и кто способен их использовать.

Неверно считать, что растения напрямую усваивают атмосферный азот. Поскольку азота в воздухе много, легко предположить, что он доступен растениям в таком виде, но для большинства растений это не так. В превращениях азота участвуют почвенные микроорганизмы, после чего растения поглощают доступные соединения корнями. Проверка: назовите роль бактерий между атмосферным азотом и питанием растений.

Связь с другими темами

Для понимания круговорота полезны знания о клетке, фотосинтезе, дыхании, а также об органических и неорганических веществах: они объясняют, как вещества входят в организм и покидают его. Пищевые цепи показывают, как созданная продуцентами органика передаётся потребителям и почему остатки становятся частью круговорота. Эти знания помогают разбирать устройство экосистем и последствия экологических нарушений. Они также нужны, чтобы оценивать влияние деятельности человека на природу.

Что запомнить

• В биосфере вещества переходят между живой и неживой природой.
• Продуценты создают органическое вещество из неорганического.
• Потребители получают вещества с пищей и передают их по цепям питания.
• Редуценты разлагают остатки и возвращают вещества в окружающую среду.
• Круговорот воды связывает атмосферу, водоёмы, почву и организмы.
• Микроорганизмы играют важную роль в круговороте азота.
• Круговорот веществ поддерживает возможность повторного использования ресурсов живыми организмами.