Круговорот веществ
Круговорот веществ — это постоянное перемещение химических элементов между живыми организмами и компонентами неживой природы в экосистеме. В отличие от энергии, которая проходит через экосистему и рассеивается в виде тепла, вещества многократно используются повторно.
Сущность круговорота веществ
Экосистема включает живую часть — биоценоз — и неживую часть — биотоп. Вещество перемещается между ними благодаря жизнедеятельности организмов и физико-химическим процессам. Растения поглощают из среды воду, углекислый газ и минеральные соли; животные получают вещества с пищей; бактерии и грибы возвращают минеральные соединения в почву, воду или атмосферу.
Круговорот веществ — циклическое перемещение химических элементов между атмосферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами с участием продуцентов, консументов и редуцентов.
Основные участники круговорота связаны с трофическими уровнями. Продуценты создают органическое вещество из неорганического. Консументы потребляют готовое органическое вещество. Редуценты разлагают остатки организмов и продукты жизнедеятельности до простых неорганических соединений.
| Участник | Что делает | Результат для круговорота |
|---|---|---|
| Продуценты | Поглощают минеральные вещества и синтезируют органические | Вводят элементы в живую часть экосистемы |
| Консументы | Передают вещества по цепям питания | Перераспределяют органические соединения |
| Редуценты | Разлагают মৃতые остатки и отходы | Возвращают элементы в почву, воду и атмосферу |
Вещество в экосистеме циркулирует, а энергия направленно проходит от Солнца к продуцентам, затем к консументам и редуцентам. Поэтому поток энергии в экосистеме и круговорот веществ — связанные, но не одинаковые процессы.
Этапы биологического круговорота
Круговорот можно представить как последовательность четырёх основных этапов. В реальной природе они идут одновременно и образуют разветвлённую систему, связанную с пищевой сетью.
- Поглощение. Продуценты получают углерод из углекислого газа, азот — из доступных соединений почвы, а воду и минеральные соли — из почвенного раствора или водоёма.
- Передача. Органические вещества переходят от продуцентов к консументам по цепям питания. Часть элементов перемещается между консументами разных порядков.
- Возврат. При дыхании, выделении продуктов обмена и отмирании организмов элементы возвращаются в окружающую среду.
- Разложение и повторное использование. Редуценты минерализуют органические остатки. Получившиеся неорганические соединения снова могут быть поглощены продуцентами.
Важная роль редуцентов состоит в том, что без них остатки организмов накапливались бы, а минеральные элементы оставались бы связанными в органическом веществе. Особенно активно разложение идёт при достаточной влажности, доступе кислорода и подходящей температуре.
- A — Почва, вода, атмосфера
- B — Синтез органического вещества
- C — Питание и передача веществ
- D — Разложение органических остатков
Большие и малые круговороты
Различают малый и большой круговороты. Малый, или биологический, происходит внутри экосистемы: элементы переходят из почвы или воды в организмы и возвращаются обратно после отмирания и разложения. Большой, или геологический, включает перенос веществ между крупными оболочками Земли: атмосферой, гидросферой и литосферой.
| Признак | Малый круговорот | Большой круговорот |
|---|---|---|
| Масштаб | Одна экосистема или близкие экосистемы | Биосфера и геологические оболочки |
| Скорость | Обычно сравнительно быстрая | Может занимать тысячи и миллионы лет |
| Пример | Почва — растение — животное — почва | Выветривание пород — перенос — осадочные породы |
Часть веществ может временно выходить из быстрого биологического цикла. Например, углерод накапливается в торфе и горючих ископаемых, фосфор — в горных породах, а азот — в почвенном гумусе. Такие запасы называют резервуарами круговорота.
Какой процесс непосредственно возвращает минеральные соли из органических остатков в почву?
Круговорот углерода и азота
Круговорот углерода связан с фотосинтезом, дыханием, разложением и горением. При фотосинтезе углекислый газ включается в состав органических веществ. При дыхании организмов и разложении он снова выделяется в атмосферу. Горение топлива и лесные пожары также ускоряют поступление углекислого газа.
Круговорот азота сложнее, потому что большинство организмов не может непосредственно использовать атмосферный азот \(\mathrm{N_2}\). Азот становится доступным благодаря азотфиксирующим бактериям, затем соединения азота переходят в растения, животных и снова в почву. Нитрифицирующие бактерии превращают аммонийные соединения в нитриты и нитраты, а денитрифицирующие возвращают азот в атмосферу.
Углерод растения получают главным образом из \(\mathrm{CO_2}\) воздуха, а азот — преимущественно из минеральных соединений почвы. Атмосферный \(\mathrm{N_2}\) напрямую используют только некоторые микроорганизмы.
Разобранный пример: баланс углерода
В лесной экосистеме растения за год поглотили \(1200\) кг углерода в процессе фотосинтеза. На дыхание растений пришлось \(500\) кг, на дыхание животных — \(300\) кг, а редуценты выделили при разложении \(250\) кг. Определим, сколько углерода осталось накопленным в живом веществе и детрите.
Поступление углерода в экосистему сравнивают с его расходом. Поглощение растениями — приход, дыхание и разложение — расход.
Ответ: за год в экосистеме накопилось 150 кг углерода. Это не означает, что углерод исчез из круговорота: он временно запасён в биомассе организмов или органических остатках.
Не путайте круговорот веществ с потоком энергии. Нельзя утверждать, что энергия «возвращается» к Солнцу через редуцентов. Также нельзя считать редуцентов отдельным звеном только одной пищевой цепи: они перерабатывают остатки организмов всех трофических уровней.
Значение круговоротов для экосистемы
Круговороты обеспечивают относительную замкнутость экосистем и доступность элементов для новых поколений организмов. Однако природные циклы не полностью замкнуты в пределах одного участка: вещества могут выноситься водой, переноситься ветром, оседать в донных отложениях или поступать извне.
Деятельность человека изменяет скорость и направление круговоротов. Вырубка лесов уменьшает поглощение углекислого газа, сжигание топлива увеличивает его содержание в атмосфере, а избыток азотных и фосфорных соединений в воде может вызвать эвтрофикацию — чрезмерное развитие водорослей и недостаток кислорода.
Проверьте себя
Главное
- Круговорот веществ — перемещение химических элементов между живой и неживой природой.
- Продуценты включают неорганические вещества в органику, консументы передают их по пищевым связям, редуценты возвращают элементы в минеральную форму.
- Малый круговорот идёт внутри экосистемы, большой связывает экосистемы с геологическими оболочками Земли.
- Углерод активно участвует в фотосинтезе, дыхании и разложении; азот требует работы специализированных микроорганизмов.
- Вещество циркулирует, а энергия направленно проходит через экосистему и рассеивается.