§ 42. Круговорот химических элементов в природе

Определения и обозначения

Круговорот химических элементов — перемещение элементов между живыми организмами и неживой природой с повторным включением в природные процессы. Один и тот же атом может входить в состав разных веществ. Это понятие помогает проследить судьбу элемента в экосистеме, а не только одного соединения.

Биогенный круговорот — круговорот веществ и элементов, в котором участвуют организмы и процессы среды: фотосинтез, дыхание и разложение. Живые организмы связывают природные компоненты в единую систему обмена. Термин нужен, чтобы отличать биологически обусловленные превращения от простого перемещения вещества.

Биогенные элементы — элементы, необходимые организмам для построения веществ и поддержания жизнедеятельности. К ним относятся, например, углерод, кислород, азот и фосфор. Их доступность определяет рост организмов и устойчивость экосистем.

Резервный фонд круговорота — часть элемента, находящаяся в среде и сравнительно медленно вовлекающаяся в обмен между организмами и окружающей средой. Такими фондами могут быть горные породы, донные отложения или атмосферный газ. Они сохраняют запас элемента и постепенно пополняют активную часть круговорота.

Как это устроено

Элементы переходят из атмосферы, воды и горных пород в организмы, а затем возвращаются в среду, потому что живые системы используют готовые атомы, но не создают их заново. При этом изменяется химическая форма и место нахождения элемента. Поэтому вещество в природе не исчезает, а включается в следующий этап обмена.

Фотосинтез связывает углерод из углекислого газа с органическими веществами и одновременно выделяет кислород. Дыхание возвращает углерод в виде CO₂, поскольку органические вещества окисляются кислородом. Разложение действует сходным образом: микроорганизмы перерабатывают остатки организмов и высвобождают элементы для среды.

В круговороте азота важна фиксация атмосферного N₂, так как молекулярный азот химически малоактивен и недоступен большинству растений. Микроорганизмы превращают его в соединения, затем другие бактерии изменяют их состав, а растения поглощают доступные формы корнями. После отмирания организмов разложение возвращает азот в почву, а специальные превращения снова могут вывести его в атмосферу.

Фосфор поступает в экосистемы главным образом при выветривании горных пород, потому что его атмосферный резерв невелик. Растворимые соединения фосфора поглощают растения, затем элемент передаётся животным по цепям питания. Выделения и разложение возвращают фосфор в почву и воду, а часть оседает в отложениях.

Деятельность человека меняет скорость и направления круговоротов, потому что извлекает вещества из медленных резервуаров и переносит их в активную среду. Сжигание топлива увеличивает поступление углекислого газа, а удобрения повышают содержание соединений азота и фосфора. Избыток этих веществ может накапливаться в почвах и водоёмах и нарушать равновесие экосистем.

Основные элементы и процессы их круговорота

Читая таблицу, сначала определите, где хранится элемент, а затем проследите его переход в организм и обратно. Последний столбец показывает, на каком этапе человеческая деятельность усиливает или меняет естественный поток. Сравнение строк помогает увидеть общее: один элемент проходит несколько резервуаров и химических форм.

Разбор задач

Путь кислорода

Условие. Проследите путь кислорода от атмосферы через живой организм обратно в окружающую среду и назовите процессы. Нужно показать не один переход, а последовательность превращений.

1. Растение поглощает CO₂ и воду при фотосинтезе и выделяет O₂ в атмосферу.
2. Животное или другое растение получает кислород при дыхании.
3. При окислении органических веществ образуются CO₂ и вода, а разложение остатков продолжает возврат элементов в среду.

Ответ. Атмосферный кислород участвует в дыхании организма, после чего его атомы входят главным образом в воду и углекислый газ. Фотосинтез снова выделяет O₂, а разложение замыкает обмен веществ между организмами и средой.

Уравнения круговорота углерода

Условие. Запишите уравнения фотосинтеза, дыхания и полного сгорания углерода. Затем свяжите их с переходом углерода между CO₂ и органическими веществами.

1. Фотосинтез: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂.
2. Дыхание: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O.
3. Полное сгорание углерода: C + O₂ → CO₂.

Ответ. Фотосинтез переводит углерод из CO₂ в органическое вещество. Дыхание и горение возвращают его в атмосферу в форме CO₂, поэтому разные процессы образуют взаимосвязанный цикл.

Превращения азота

Условие. Составьте путь от атмосферного N₂ до соединений, доступных растениям, и обратно в атмосферу. Отметьте роль микроорганизмов.

1. Микроорганизмы фиксируют N₂ и образуют соединения аммония.
2. Другие бактерии превращают их в нитриты и нитраты, которые поглощают растения.
3. После разложения остатков денитрифицирующие бактерии возвращают азот в атмосферу в виде N₂.

Ответ. Схема такова: N₂ → соединения аммония → нитриты и нитраты → органические вещества организмов → соединения почвы → N₂. Микроорганизмы обеспечивают почти все ключевые переходы, недоступные растениям напрямую.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что каждый атом возвращается по одному неизменному замкнутому маршруту. На практике элемент переходит между несколькими резервуарами и формами, а часть надолго задерживается в породах или отложениях. Проверяйте себя вопросом: указаны ли разные пути и скорости переходов?

Ошибка — смешивать круговорот элемента с круговоротом одного вещества. Например, углерод содержится не только в CO₂, но и в органических соединениях, карбонатах и топливе. Чтобы избежать путаницы, перечислите все важные вещества, через которые проходит рассматриваемый элемент.

Ошибка — полагать, что организмы сами создают необходимые им элементы. Они получают атомы из среды и изменяют соединения в ходе питания, фотосинтеза или обмена веществ. Проверка проста: найдите источник элемента за пределами организма.

Ошибка — считать, что человек только ускоряет естественные процессы. Сжигание топлива и внесение удобрений могут нарушить равновесие и вызвать накопление веществ в отдельных средах. Сопоставляйте не только скорость процесса, но и его последствия для почвы, воды и атмосферы.

Связь с другими темами

Для понимания круговоротов нужны знания о составе воздуха, воды и органических веществ. Также используются представления о фотосинтезе, дыхании, горении и разложении. Эти процессы объясняют, почему элемент меняет форму и снова становится доступным живым организмам.

Тема связана с экологией и охраной окружающей среды. Она помогает объяснить загрязнение атмосферы и водоёмов, последствия применения удобрений и взаимозависимость организмов в экосистемах. Изменение одного потока может повлиять на несколько связанных процессов.

Что запомнить

• В круговоротах элементы переходят между живой и неживой природой.
• Один и тот же элемент может входить в состав разных веществ.
• Фотосинтез связывает углекислый газ с образованием органических веществ.
• Дыхание и разложение возвращают элементы в окружающую среду.
• В круговороте азота существенную роль играют микроорганизмы.
• Сжигание топлива и использование удобрений влияют на природные круговороты.