47. Круговорот веществ в природе

Определения и обозначения

Круговорот веществ — многократное перемещение и преобразование веществ между живыми организмами и неживой природой. Например, атом углерода может перейти из воздуха в растение, затем в животное, а после разложения снова оказаться в почве или атмосфере. Это понятие помогает проследить, откуда организмы получают необходимые элементы и куда они возвращаются.

Продуценты — организмы, создающие органические вещества из неорганических, главным образом с помощью фотосинтеза. К ним относятся зелёные растения и некоторые другие организмы. Их роль состоит в том, чтобы включать вещества неживой природы в состав пищи, доступной другим обитателям экосистемы.

Консументы — организмы, потребляющие готовые органические вещества других организмов. Животные получают их, поедая растения или других животных, и используют для построения собственного тела и получения энергии. Понятие помогает понять, как вещества переходят от одного звена пищевой цепи к следующему.

Редуценты — организмы, разлагающие остатки и продукты жизнедеятельности до простых неорганических веществ. К ним относятся многие бактерии и грибы. Благодаря их работе вещества возвращаются в среду и снова становятся доступными продуцентам.

Как это устроено

Вещество и энергия движутся в экосистеме по-разному. Атомы химических элементов могут переходить из организма в организм, а затем возвращаться в воду, почву или воздух и снова использоваться. Энергия, напротив, передаётся вместе с пищей лишь частично: при жизнедеятельности организмов значительная её часть рассеивается как тепло, поэтому ей нужен постоянный приток, прежде всего от Солнца.

Продуценты начинают многие цепи круговорота, потому что способны использовать неорганические вещества. Растения поглощают воду корнями, углекислый газ — из воздуха, а минеральные вещества — из почвы или воды. При фотосинтезе энергия света помогает образовать органические вещества, в которых запасены атомы углерода и других элементов. Эти вещества становятся строительным материалом для самого растения и пищей для консументов.

Органика переходит от продуцентов к консументам через питание. Растительноядное животное получает вещества, поедая растение, а хищник может получить их, съев растительноядное животное. При каждом переходе часть вещества усваивается и входит в тело, а часть выделяется или остаётся в непереваренных остатках. Поэтому цепь питания показывает направление передачи вещества, но не означает, что всё съеденное целиком переходит к следующему организму.

После гибели организмов и выделения отходов органические вещества не исчезают. Редуценты используют их как источник веществ и постепенно разлагают сложную органику до более простых соединений. Минеральные вещества поступают в почву и воду, а некоторые продукты разложения — в атмосферу. Такое возвращение замыкает отдельные участки круговорота и обеспечивает продуцентам доступ к веществам для нового синтеза органики.

Круговорот углерода особенно легко проследить по углекислому газу. При фотосинтезе растения поглощают CO₂, а углерод включают в органические вещества; затем он переходит к животным по цепям питания. Дыхание растений, животных и редуцентов возвращает часть углерода в воздух в виде углекислого газа, а разложение остатков тоже высвобождает углерод. При горении древесины и ископаемого топлива углерод быстро соединяется с кислородом и поступает в атмосферу как CO₂.

Роль организмов в круговороте веществ

Сравнивайте строки таблицы по цепочке: что организм получает, во что это превращает и кому или куда передаёт. Так проще увидеть, что продуценты включают вещества в органику, консументы перемещают её по цепям питания, а редуценты возвращают элементы в неживую среду. Один организм может влиять на несколько процессов, но его основная роль в этой схеме определяется способом получения веществ.

Разбор задач

Путь углерода от воздуха к растительноядному животному

Условие. Проследите путь углерода от углекислого газа в воздухе через растение к растительноядному животному. Нужно указать, каким процессом растение включает углерод в органические вещества и как он переходит к животному. Важно не перепутать поглощение CO₂ растением с получением готовой пищи.

1. Сначала отметьте источник: в атмосфере углерод содержится в составе углекислого газа.
2. При фотосинтезе растение поглощает CO₂ и использует углерод для образования органических веществ.
3. Растительноядное животное поедает растение, и часть органических веществ с углеродом переходит в его организм.

Ответ. Углерод движется по цепочке: углекислый газ воздуха → растение → растительноядное животное. Переход из неорганической формы в органическую происходит при фотосинтезе. Животное получает этот углерод с пищей.

Что происходит с опавшими листьями

Условие. Нужно объяснить судьбу опавших в лесу листьев и назвать вещества, которые вернутся в почву. Листья — органический материал, созданный растением, поэтому сами по себе они не превращаются мгновенно в минеральную подкормку. Для этого необходимы организмы, способные разлагать органические остатки.

1. Опавшие листья становятся пищей и средой обитания для грибов, бактерий и мелких почвенных организмов.
2. Редуценты разрушают сложные органические вещества листьев до более простых соединений.
3. Минеральные вещества переходят в почву, откуда их снова могут поглотить корни растений; часть углерода при разложении возвращается в атмосферу.

Ответ. Листья разлагаются благодаря редуцентам. В почву возвращаются минеральные вещества, в том числе соединения, содержащие необходимые растениям элементы. Углерод из органики также может выделиться в виде углекислого газа.

Схема круговорота углерода в экосистеме

Условие. Составьте схему с растениями, животными, редуцентами, атмосферой и горением топлива. В неё нужно включить фотосинтез, питание, дыхание и разложение. Схема должна показывать не просто перечень участников, а направления перемещения углерода.

1. Проведите стрелку от атмосферного CO₂ к растениям и подпишите её «фотосинтез»: так углерод включается в органические вещества.
2. От растений направьте стрелки к животным по питанию, а от растений и животных — к атмосфере, отметив дыхание.
3. От остатков растений и животных проведите стрелку к редуцентам, затем укажите возврат углерода при разложении; отдельной стрелкой от горения топлива покажите поступление CO₂ в атмосферу.

Ответ. Схема связывает атмосферу, живые организмы, разложение и горение в единую систему переходов углерода. Фотосинтез перемещает его из воздуха в органику, а дыхание, разложение и горение возвращают в атмосферу. Это упрощённая схема: в природе углерод может также накапливаться в воде, почве и горных породах.

Типичные ошибки

Ошибка: считать круговорот веществ и поток энергии одним и тем же. Их путают, потому что и вещество, и энергия передаются по пищевым цепям. Проверьте себя: вещества могут возвращаться в среду и использоваться снова, тогда как энергия рассеивается и требует постоянного поступления.

Ошибка: думать, что продуценты получают органику из готовой пищи. Такое представление возникает из-за того, что всем организмам нужны питательные вещества. Но продуценты синтезируют органические вещества из неорганических; проверьте, назван ли в объяснении этого процесса фотосинтез.

Ошибка: считать редуцентов только потребителями остатков. Они действительно используют органику, но их роль не заканчивается питанием: они разлагают её и возвращают неорганические вещества в среду. Для самопроверки проследите, смогут ли без этого процесса минеральные вещества снова попасть к растениям.

Ошибка: полагать, что круговорот полностью замкнут и не зависит от внешних воздействий. Так можно решить, если представить цикл как идеальное кольцо со строго постоянным составом. Вещество может поступать извне или накапливаться, а деятельность человека меняет скорость процессов; проверяйте, учтены ли такие изменения в конкретном примере.

Связь с другими темами

Для понимания круговорота нужны знания о фотосинтезе, дыхании и минеральном питании растений: эти процессы объясняют, как вещества поглощаются и возвращаются. Пищевые цепи и трофические уровни показывают переход органики между продуцентами и консументами, а роль редуцентов объясняет её возврат в среду. Эта тема помогает разбираться в устройстве экосистем и биосферы. Она также нужна, чтобы оценивать влияние хозяйственной деятельности человека на природные циклы.

Что запомнить

• В круговороте веществ участвуют организмы и неживая природа.
• Продуценты создают органические вещества из неорганических.
• Консументы передают органические вещества по цепям питания.
• Редуценты возвращают минеральные вещества в среду.
• Вещество в природе многократно используется.
• В отличие от веществ, энергия проходит через экосистему и рассеивается.