§ 11. Биохимический круговорот веществ - системное свойство биосферы

Определения и обозначения

Биогеохимический круговорот веществ — перемещение и многократное превращение химических элементов между живыми организмами и неживой природой. Например, углерод может находиться в воздухе, растении, животном и почве, переходя из одной формы в другую. Это понятие помогает увидеть не отдельные процессы, а общий обмен веществ в биосфере.

Биогенная миграция атомов — перемещение атомов химических элементов, происходящее благодаря жизнедеятельности организмов. Растение поглощает вещества из почвы и воздуха, а животное получает их с пищей. Термин нужен, чтобы обозначить вклад живых существ в перемещение вещества по Земле.

Продуценты — организмы, создающие органические вещества из неорганических, обычно используя энергию света. К ним относятся зелёные растения и некоторые микроорганизмы. Благодаря продуцентам минеральные вещества становятся частью органического вещества, доступного другим участникам экосистемы.

Редуценты — организмы, разлагающие органические остатки до неорганических веществ и возвращающие элементы в среду. К ним относятся многие бактерии и грибы. Их деятельность завершает важную часть обмена: без неё вещества оставались бы запертыми в остатках организмов.

Как это устроено

Круговорот — системное свойство биосферы, потому что ни живая природа, ни отдельная среда не могут обеспечить его полностью. Организмы берут вещества из воздуха, воды и почвы, а после дыхания, выделения и разложения возвращают их обратно. Поэтому атмосфера, водоёмы, горные породы и сообщества организмов оказываются связанными обменом, а изменение одного звена отражается на других.

В пищевых связях элементы переходят от одного организма к другому, но цепь не начинается сама собой. Продуценты поглощают неорганические вещества и создают органические соединения, используя внешний источник энергии. Консументы получают эти соединения, поедая растения или других животных, а редуценты перерабатывают остатки всех групп. Так элементы проходят через живые организмы и снова становятся доступными для продуцентов.

Неживая природа участвует в круговороте не меньше организмов, хотя сама не питается и не разлагает остатки. Вода переносит растворённые вещества, воздух перемещает газы, а почва удерживает минеральные соединения и органические остатки. В этих средах вещества могут накапливаться, смешиваться и становиться доступными организмам. Поэтому состояние воды, воздуха и почвы влияет на то, насколько легко элементы включаются в биологический обмен.

Биологический круговорот связан с быстрым обменом веществ при участии организмов: рост, питание, дыхание и разложение могут происходить за короткое время. Геологический круговорот включает процессы земной коры, например выветривание пород, перенос осадков и образование новых пород. Они часто идут намного медленнее, поэтому часть элементов надолго оказывается вне активного обмена организмов. Оба вида процессов связаны: геологические явления постепенно пополняют доступные запасы веществ.

Вещества в биосфере многократно используются: атом, попавший в организм, после ряда превращений может снова оказаться в среде и войти в состав другого организма. Энергия ведёт себя иначе — она поступает в экосистему, используется организмами и рассеивается в виде тепла. Поэтому энергия не совершает замкнутый круг, подобный круговороту атомов. Для поддержания обмена и жизни экосистемам необходим постоянный приток энергии, главным образом солнечной.

Участники и этапы биогеохимического круговорота

Читайте таблицу как последовательность переходов: от неживой среды через продуцентов и консументов к редуцентам и обратно. Пример в последнем столбце показывает конкретный вариант, но состав организмов и среды может быть другим. Следите не только за пищевыми связями, но и за тем, откуда вещество поступило и куда вернулось.

Разбор задач

Задача 1. Проследите путь углерода от атмосферного углекислого газа до его возвращения в атмосферу. Нужно связать процессы, в которых углерод меняет форму, и не ограничиваться одной пищевой цепью. Учитывайте как питание организмов, так и дыхание и разложение.

1. Сначала продуцент, например зелёное растение, поглощает CO₂ из воздуха. При фотосинтезе углерод входит в состав органических веществ растения.
2. Затем углерод передаётся консументу, когда тот поедает растение, и может перейти дальше по пищевой цепи. Так атомы углерода оказываются в органическом веществе разных организмов.
3. При дыхании организмов часть углерода выделяется как CO₂. После смерти остатки разлагают редуценты, и углерод также возвращается в среду, в том числе в атмосферу.

Ответ: углерод проходит путь «атмосферный CO₂ — растение — консумент» и возвращается в атмосферу при дыхании и разложении органических остатков. У разных атомов путь может отличаться: часть углерода задерживается в почве или водоёме. Но для описанного пути ключевы поглощение продуцентом, передача по питанию и возврат в среду.

Задача 2. В экосистеме резко сократилось количество редуцентов. Объясните, как это повлияет на круговорот и доступность минеральных веществ для растений. Чтобы ответить, проследите, что происходит с органическими остатками без их активного разложения. Затем установите, откуда растения обычно получают минеральные вещества.

1. Редуценты разлагают мёртвые организмы и отходы, превращая органические соединения в неорганические. Если их становится меньше, скорость такого превращения падает.
2. Органические остатки накапливаются или разлагаются медленнее, а элементы дольше остаются связанными в их составе. Возврат минеральных соединений в почву и воду замедляется.
3. Продуцентам становится труднее получать некоторые необходимые минеральные вещества из среды. Значит, нарушается не только разложение, но и дальнейшее включение элементов в новые организмы.

Ответ: круговорот замедлится, органические остатки будут разлагаться медленнее, а доступность минеральных веществ для растений снизится. Это может ограничить рост продуцентов и повлиять на консументов, зависящих от них. Сокращение одной группы организмов отражается на других звеньях системы.

Задача 3. Сравните круговорот воды и круговорот углерода по источникам вещества, участию организмов и путям возвращения в неживую среду. Важно различить физическое перемещение воды и включение углерода в органическое вещество. Для сравнения проследите типичные этапы каждого процесса.

1. Вода находится в океанах, водоёмах, почве, атмосфере и организмах. Она перемещается при испарении, образовании облаков и выпадении осадков; организмы поглощают воду и выделяют её, но не создают её из другого элемента.
2. Углерод содержится, например, в атмосферном CO₂ и растворённых соединениях. Продуценты включают его в органические вещества, а консументы получают с пищей; редуценты и дыхание возвращают углерод в неживую среду.
3. Сопоставьте источники и возврат: вода возвращается в среду через испарение и выделение, а углерод — в том числе через дыхание и разложение. В обоих круговоротах есть обмен организмов со средой, но пути и превращения различны.

Ответ: круговорот воды главным образом переносит одно и то же вещество между водоёмами, атмосферой, сушей и организмами. В круговороте углерода организмы активно переводят его из неорганических соединений в органические и обратно. Оба процесса связывают живую природу с неживой, но отличаются основными этапами и ролью организмов.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что вещества движутся только по пищевой цепи. Так думают, потому что легко проследить, кто кого ест, но забывают о поглощении веществ из среды, дыхании и разложении остатков. Проверьте себя вопросами «откуда элемент попал в организм?» и «как он вернулся в воду, воздух или почву?».

Ошибка — путать круговорот вещества с потоком энергии. Её допускают, потому что оба процесса связаны с пищевыми отношениями, однако атомы могут использоваться снова, а энергия рассеивается. Для проверки проследите судьбу вещества и энергии отдельно: первое возвращается в среду, второй необходим постоянный приток.

Ошибка — приписывать редуцентам создание органических веществ из неорганических. Путаница возникает из-за того, что редуценты преобразуют вещества, но их функция — разложение органических остатков. Спросите себя, кто связывает неорганические соединения в органические: это продуценты, а редуценты возвращают элементы в среду.

Ошибка — считать, что все круговороты идут с одинаковой скоростью. Обычно так рассуждают, представляя круговорот как один повторяющийся цикл, хотя в нём есть и быстрые биологические, и медленные геологические процессы. Проверьте, участвуют ли в рассматриваемом этапе организмы или процессы земной коры: последние часто занимают гораздо больше времени.

Связь с другими темами

Для понимания круговорота нужно знать роли продуцентов, консументов и редуцентов, а также различать органические и неорганические вещества. Тема связана с пищевыми цепями и трофическими уровнями: они показывают передачу вещества между организмами. От полноты круговорота зависит устойчивость экосистем, поскольку нарушение одного этапа меняет доступность веществ для других участников. Эти знания помогут разбирать круговороты углерода, азота и воды и оценивать влияние человека на биосферу.

Что запомнить

• Круговорот веществ связывает живую и неживую части биосферы.
• Продуценты включают неорганические вещества в состав органических.
• Консументы передают вещества по пищевым связям.
• Редуценты разлагают органические остатки и возвращают элементы в среду.
• Вещества в биосфере используются повторно.
• Энергия проходит через экосистему и рассеивается, поэтому ей нужен постоянный приток.