Большой круговорот веществ.

• Что такое биосфера?
• Какие «профессии» жителей биосферы вы знаете?
• Какую роль в экосистеме играют «кормильцы», «едоки», «мусорщики»? Могут ли они обходиться друг без друга?
• Кто поддерживает порядок в доме?

• Посмотрим, как поддерживается порядок в доме.

• Как природа поступает с нашими отходами?

• Организмы каких «профессий» могут это делать?

• Организмы каких «профессий» могут это делать?

• Как отходы превращаются в продукты?

• Организмы каких «профессий» участвуют в этом?

• Цепочка превращений, которая начинается и заканчивается одним и тем же веществом, называется

• Отходы жизнедеятельности одних организмов употребляются другими. Все вещества находятся в круговороте. Их последовательные превращения образуют замкнутые цепи. В конце каждой такой цепи вновь восстанавливается вещество, с которого эта цепь начиналась.

• КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ – это такое изменение веществ при последовательном использовании их живыми организмами, которое рано или поздно приводит к восстановлению исходного вещества – замыканию круговорота.

• Живые организмы могут перерабатывать мусор природного происхождения.

• Вещества, созданные человеком накапливаются. Это наносит непоправимый вред окружающей среде. Нарушается круговорот веществ.

• Люди должны перерабатывать мусор и не допускать свалок вокруг городов.

• Закономерности круговорота веществ

• Отходы одних организмов используют другие организмы.
• В конце цепи вновь восстанавливается вещество с которого эта цепь начиналась.
• Каждый вид организмов занимает определенное место.
• Каждый вид организмов выполняет свою роль.

• Отметьте знаком «+» то, что характерно для круговорота веществ.

• Поддержание постоянных условий
• Превращение различных веществ друг в друга
• Смена состояний одного вещества
• Велика роль живых организмов
• Поддерживает соотношение кислорода и углекислого газа
• Играет важную роль в формировании погоды
• Определяет состояние воды в атмосфере
• Важен для жизни человека

Круговорот азота

Биосфера – это оболочка Земли, заселенная живыми организмами. Биосфера нашей планеты является сложной системой, в которой постоянно осуществляются круговороты различных веществ, тесно взаимосвязанных между собой. Азот – один из обязательных элементов важнейших органических соединений, из которых состоят ткани всех живых организмов (белков, АТФ, нуклеиновых кислот, т.д.).

Основные запасы данного химического элемента находятся в атмосфере в виде молекулярного азота, который не доступен для усвоения растениями в такой форме. Процесс круговорота азота начинается с поступления в экосистему соединений азота при выпадении осадков. Азотистые соединения образуются в атмосфере при разрядах молний во время гроз. С дождем они попадают в почву и воду.

Малая доля азотистых соединений выбрасывается в окружающую среду при извержениях вулканов. Ученые считают, что источником всего азота при формировании нашей планеты был вулканогенный NH3, который затем подвергся окислению атмосферным кислородом.

Таким образом, есть два пути вовлечения молекулярного азота в биогенный круговорот. Первый способ заключается в электрическом и фотохимическом окислении азота атмосферного воздуха. Второй путь – биологическая фиксация данного элемента микроорганизмами-азотфиксаторами, в т.ч. клубеньковыми бактериями. Лишь некоторые прокариоты способны осуществлять связывание атмосферного азота. В результате их жизнедеятельности образуется в несколько раз больше оксида азота на кв.м. площади поверхности Земли в год, чем при окислении атмосферного азота кислородом.

Клубеньковые бактерии и другие азотфиксаторы переводят азот из молекулярного состояния в соединения, которые легко усваиваются растениями. Затем азот продвигается по пищевым цепочкам экосистем в биосфере до редуцентов, чаще в почвенном покрове. После гибели растений и животных их организмы разлагаются с участием многочисленных микробов. При этом органический азот участвует в различных химических реакциях. Так, в процессе денитрификации органических веществ образуется элементарный азот, который затем возвращается в атмосферу, где начинается новый виток его циркуляции по внешнему кругу. Но основные запасы азота экосистем размещены в почве. При разложении белков с участием гнилостных бактерий образуется аммиак его производные, которые окисляются нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов.

Технологическая карта урока окружающий мир 3 класс по теме: «Живые участники круговорота веществ»

Эти соединения поступают в воды Мирового океана и атмосферный воздух. Именно отсюда данный элемент попадает снова в организмы растений и далее «движется» по внутренним каналам круговорота. Таким образом, живые организмы выполняют ключевую роль в круговороте азота.

Хозяйственная деятельность человека крайне негативно сказывается на балансе азота в природе. До того, как человек стал интенсивно использовать азотные минеральные удобрения для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, процессы нитрификации и денитрификации в природе были полностью сбалансированы.

Похожие материалы:

Круговорот веществ в биосфере
Круговорот углерода

Огромной заслугой В. И. Вернадского является обоснование нового содержания представлений о живом веществе. Живым веществом Вернадский называл «совокупность организмов, сведенных к их весу, химическому составу и энергии». Живое вещество по своей массе представляет собой ничтожную часть биосферы. Если все живое вещество Земли равномерно распределить по ее поверхности, то оно покроет нашу планету слоем толщиной 2 см. Однако именно живое вещество, по мнению В. И. Вернадского, выполняет ведущие функции в формировании земной коры.

Живое вещество обладает рядом специфических свойств:

1. Живое вещество характеризуется огромной свободной энергией.

2. В живом веществе химические реакции протекают в тысячи (иногда и в миллионы) раз быстрее, чем в неживом веществе. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе пользуются понятием исторического, а в косном веществе – геологического времени.

3. Химические соединения, входящие в состав живого вещества (ферменты, белки и др.), устойчивы только в живых организмах.

4. Живому веществу присуще произвольное движение – пассивное, обусловленное ростом и размножением, и активное – в виде направленного перемещения организмов. Первое является свойством всех живых организмов, второе характерно для животных и в редких случаях – для растений.

5. Для живого вещества характерно гораздо большее химическое и морфологическое разнообразие, чем для неживого.

6. Живое вещество в биосфере Земли находится в виде дисперсных тел – индивидуальных организмов. Размеры и масса живых организмов сильно колеблются (диапазон более 10⁹).

7. Живое вещество возникает только из живого и существует на Земле в форме непрерывного чередования поколений.

Живые организмы в пределах биосферы распределены очень неравномерно. На большой высоте и глубинах гидросферы и литосферы организмы встречаются достаточно редко. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности земли, в почве и поверхностном слое Мирового океана.

В. И. Вернадский выделил две формы концентрации живого вещества: жизненные пленки, занимающие огромные площади, и сгущения жизни, представленные небольшими площадями (например, пруд). Вся остальная часть биосферы является зоной разряжения живого вещества.

В океане можно выделить две жизненные пленки – планктонную и донную, которые находятся на границе раздела фаз. Планктонная лежит на границе атмосферы и гидросферы, донная – на границе гидросферы и литосферы. Сгущения жизни в океане различают трех типов: прибрежные, саргассовые и рифовые.

На суше также имеются различные формы концентрации жизни. Верхняя пленка жизни на суше – наземная, расположенная на границе атмосферы и литосферы. Под ней находится почвенная пленка жизни, представляющая собой сложную систему, населенную огромным количеством бактерий, простейших и других представителей живых организмов.

Сгущения жизни представлены на суше береговыми, пойменными и тропическими формами.

Важная закономерность наблюдается в соотношении видового состава живых организмов на Земле. Растения составляют 21 % от общего числа видов, образуя 99 % общей биомассы. Среди животных 96 % видов представлены беспозвоночными и только 4 % – позвоночные, из которых только 10 % – млекопитающие.

Таким образом, организмы, стоящие на относительно низком уровне эволюционного развития, в количественном отношении значительно преобладают.

Масса живого вещества очень мала по сравнению с массой неживого вещества и составляет всего 0,01-0,02 % от косного вещества биосферы. В то же время живое вещество играет главенствующую роль в геохимических процессах. Ежегодно благодаря жизнедеятельности растений и животных воспроизводится около 10 % биомассы.

Живым веществом в биосфере выполняются важные функции:

1. Энергетическая функция – поглощение солнечной энергии и энергии при хемосинтезе, дальнейшая передача энергии по пищевой цепи.

2. Концентрационная функция – избирательное накопление определенных химических веществ.

3. Средообразующая функция – преобразование физико-химических параметров среды.

4. Транспортная функция – перенос веществ в вертикальном и горизонтальном направлениях.

5. Деструктивная функция – минерализация необиогенного вещества, разложение неживого неорганического вещества.

Живые организмы осуществляют миграцию химических элементов в биосфере в процессе дыхания, питания, обмена веществ и энергии.

Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.

9.3. Биосфера – экосистема планетарного масштаба

В условиях научно-технического прогресса человечество все чаще вступает в конфликт с природой. Активная деятельность человека не только существенно меняет не только облик нашей планеты, но и влияет на характер процессов в биосфере.

Деятельность человека приводит к нарушению биотического круговорота веществ, истощению природных ресурсов, нарушению термодинамического равновесия и т. д. Дальнейшее углубление этого конфликта может привести к глобальной катастрофе, которая грозит гибелью всего живого на планете, в том числе и человека. В связи с этим должны быть коренным образом пересмотрены взаимоотношения человека с окружающей его средой, его место в природе. Существование и развитие человечества должны соизмеряться с законами развития биосферы.

Основополагающее значение для разработки стратегической концепции взаимоотношений между человеческим обществом и окружающей средой имеют учение о биосфере (В. И. Вернадский, 1926) и понятия о биогеоценозах (В. Н. Сукачев, 1940) и экологических системах (А. Тенсли, 1935) как элементарных структурно-функциональных единицах биосферы. Биогеоценоз (экосистема) – это устойчивое сообщество организмов разных видов (растений, животных и микроорганизмов), тесно связанных между собой и с окружающей их неживой природой (биотопом) обменом веществ и энергии. Биогеоценоз пространственно ограничен (например, биогеоценоз дубравы) и относительно однороден (как по видовому составу живых существ, так и по комплексу абиотических факторов – свет, температура, давление и др.). Постоянное поступление энергии Солнца, минеральных веществ почвы, газов и воды обеспечивает жизненные процессы организмов, при которых выделяются теплота, кислород, диоксид углерода, продукты жизнедеятельности. Основные функции биогеоценоза – аккумуляция и перераспределение энергии и круговорот веществ.

3. Круговорот веществ в биосфере.

Ведущая активная роль в процессах взаимодействия компонентов биогеоценоза принадлежит живым существам. Организмы, входящие в биогеоценоз, можно отнести к трем функциональным группам – продуцентам, консументам и редуцентам. Продуценты составляют группу автотрофных организмов (фото– и хемосинтетиков), которые потребляют неорганические вещества из биотопа, используют энергию солнечного света (либо энергию, выделяемую при окислении ими неорганического субстрата) и синтезируют органическое вещество. К этой группе относятся растения и некоторые бактерии. Консументы – гетеротрофные организмы, использующие готовые органические вещества (в виде пищи) как источники энергии и веществ, необходимых для их жизнедеятельности. К ним относятся все животные, некоторые грибы, бактерии и растения (растения-хищники и растения-паразиты). Редуценты – это организмы-деструкторы, разлагающие остатки организмов, превращая их в простые неорганические соединения. Трофические отношения между тремя названными компонентами биоценоза определяют всю «экономику» биогеоценоза – потоки энергии и круговорот веществ. Продуценты, поглощая минеральные вещества и улавливая солнечную энергию, создают органические вещества, из которых строится их тело (солнечная энергия, таким образом, переводится в энергию химических связей). Консументы, поедая продуцентов и друг друга (растительноядные, хищные, паразитические организмы), расщепляют органические вещества пищи, используя их и высвобождающуюся энергию для построения собственного тела и обеспечения жизнедеятельности. Наконец, редуценты разлагают органические вещества мертвых организмов, получая необходимые им материалы и энергию. Редуценты обеспечивают возврат неорганических веществ, которые вновь могут быть использованы продуцентами. Постоянное осуществление круговорота веществ является залогом длительного существования биогеоценоза, несмотря на ограниченный запас минеральных веществ. Взаимодействия всех организмов биогеоценоза между собой и с физической средой характеризуются динамическим равновесием (экологический гомеостаз системы). Биогеоценозы являются структурно-функциональными единицами биосферы, ее материально-энергетическими ячейками и взаимосвязаны круговоротом веществ и потоком энергии.

Обмен веществами между биогеоценозами может осуществляться в газообразном, жидком и твердом состояниях, а также в форме живого вещества (например, миграции животных).

Биотический круговорот органических веществ – основа и условие существования биосферы. Его непрерывность – залог развития и самого существования жизни на Земле. Каждый вид является звеном в процессе биотического круговорота. Непрерывность жизни обеспечивается процессами синтеза и распада. Поступающая в биосферу солнечная энергия частично расходуется на синтез высокомолекулярного богатого энергией органического вещества. Передаваясь с одного трофического уровня на другой, энергия постепенно рассеивается. Особая роль в круговороте принадлежит микроорганизмам, которые превращают мертвые остатки растений и животных в неорганические вещества, используемые в дальнейшем зелеными растениями для фотосинтеза. Обновление всего живого вещества биосферы Земли происходит приблизительно за 8 лет. Вещество наземных растений обновляется за 14 лет, а вся биомасса океана – за 33 дня.

В. И. Вернадский рассматривал биотический круговорот как основу организации жизни в планетарном масштабе.

Во все геологические периоды геосфера как внешняя оболочка Земли, в которой взаимодействуют земная кора, атмосфера (до озонового слоя), гидросфера и биосфера, и где сосредоточены жизнь и хозяйственная дея­тельность человека, развивалась как единое целое. Единство, саморегулирование и развитие обеспечивались непрерывным движением вещества и энергии в биосфере.

Основу биосферы и ее функций составляет, прежде всего, круговорот биологически важных веществ, таких, как углерод, кислород, фосфор, азот и вода. Циклы элементов существенно отличаются от простого физического преобразования энергии, которая, в конце концов, деградирует в виде теплоты и никогда потом не используется снова.

Биосфера играет важную роль в распределении энергетических потоков на Земле. В год до Земли доходит около 10²⁴ Дж солнечной энергии; 42% из нее отражается обратно в космос, а остальная часть поглощается. Другим источником энергии является теплота земных недр. 20% энергии возвращается в мировое пространство в виде теплоты, 10% расходуется на испарение воды с поверхности Мирового океана. Зеленые растения преобразуют в процессе фотосинтеза около 10²²Дж энергии в год, поглощают 1,7•10⁸ т углекислого газа, выделяют около 11,5•10⁷ т кислорода и испаряют 1,6•10¹³ т воды. Исчезновение растений привело бы к катастрофическому накоплению углекислого газа в атмосфере, и через сотню лет жизнь на Земле в ее нынешних проявлениях погибла бы. Наряду с фотосинтезом в биосфере происходят почти такие же по масштабам процессы окисления органических веществ при дыхании и разложении.

В организмах содержатся все известные сегодня химические элементы. Для синтеза живого вещества необходимо примерно 40 элементов. Наибольшую роль выполняют основные биогенные элементы.

Биогенные элементы – это химические элементы, по­стоянно входящие в состав организмов. Выполняют жизненно необходимые биологические функции, т. е. являются основой жизни. Прежде всего, это ки­слород (составляющий 70% массы организмов), углерод (18%), водород (10%).

Другие элементы требуются в меньших количествах, но и они также необходимы. Это кальций, железо, калий, магний, натрий, кремний и др. Все элементы попеременно переходят из живой материи в материю косную (неживую), участвуя в более или менее сложных биогеохимических циклах.

Успехи аналитической химии и спектрального анализа расширили перечень биогенных элементов: ученые находят все новые элементы, входящие в состав организмов в малых количествах (микроэлементы), и открывают биологическую роль многих из них. Вернадский считал, что все химические элементы, постоянно присутствующие в клетках и тканях организмов в естественных условиях, вероятно, играют определенную физиологическую роль. Многие элементы имеют большое значение только для определенных групп живых существ (например, бор необходим для растений, ванадий – для асцидий и т. п.).

Содержание тех или иных элементов в организмах зависит не только от их видовых особенностей, но и от состава среды, пищи (в частности, для растений – от концентрации и растворимости тех или иных почвенных солей), экологических особенностей организма и других факторов. Все элементы попеременно переходят из живой материи в косную (неживую), участвуя в сложных биогеохимических циклах, которые можно разделить на две основные группы:

• круговорот газов и воды, в котором главным резервуаром элементов служит атмосфера (круговорот углерода, азота, кислорода);

• круговорот осадочный, элементы которого в твердом состоянии находятся в составе осадочных пород (круговорот фосфора, железа и серы).

Организмы участвуют в миграции химических элементов как прямо (выделение кислорода в атмосферу, окисление и восстановление различных веществ в почвах и гидросфере), так и косвенно (восстановление сульфатов, окисление соединений железа, марганца и других элементов). Биогенная миграция атомов вызвана тремя основными процессами: обменом веществ, ростом и размножением организмов.

Огромную роль в биогеохимической активности играет человек, извлекая ежедневно в ходе добычи полезных ископаемых миллиарды тонн горной породы. Влияние человека на глобальные геохимические процессы с каждым годом только растет.

Круговорот углеродаявляется наиболее значимым для сохранения свойств биосферы. Единственным источником углерода, используемого автотрофными растениями для синтеза органического вещества, служит углекислый газ (диоксид углерода) – CO₂, входящий в состав атмосферы или находящийся в растворенном состоянии в во­де. Углерод горных пород (преимущественно карбонаты) автотрофами практически не используется. Круговорот углерода (рис. 3.4) начинается с фиксации атмосферного уг­лекислого газа в процессе фотосинтеза.

Рис.3.4 Круговорот углерода в биосфере

В результате фотосинтеза (рис. 3.5) из диоксида углерода и во­ды образуются углеводы, и высвобождается кислород, поступающий в атмосферу. Часть образовавшихся углево­дов используется самим фотосинтезирующим организмом (зеленым растением или некоторыми микроорганизмами и простейшими) для получения энергии, идущей на рост и развитие, а часть используется животными при их употреблении в пищу. При этом диоксид уг­лерода уходит в окружающую среду через корни, листья и не­которые другие органы растений, а также выделяется животными в процессе дыхания.

Мертвые животные и растения постепенно разлагаются микроорганизмами почвы, углерод их тканей окисляется до CO₂ и снова возвращается в атмосферу. Аналогичный процесс происходит не только на суше, но и в океане. Благодаря длительной фотосинтезирующей деятельности, в атмосфере накопилось достаточное количество свободного кислорода для процветания белковой жизни. Более того, в настоящее время для процесса фотосинтеза лимитирующим фактором является не только низкое содержание в атмосфере СО₂, но и высокое – кислорода. Фотосинтезирующие зеленые растения и карбонатная система моря весьма эффективно удаляют из атмосферы избыток СО₂, который может привести к перегреву планеты и угнетению жизни.

Рис. 3.5 Схема процесса фотосинтеза

Однако необыкновенно возросшее потребление ископаемого топлива, газовые выбросы промышленности, а также снижение по­глотительной способности зеленых растений в связи со значительным сокращением лесов, прежде всего влажных джунглей Амазонки и таежных лесов Сибири, влиянием ряда химических загрязнителей на сам процесс фотосинтеза, начинают заметно отражаться и на атмосферном фонде круговорота углерода.

О масштабах круговорота углерода можно судить по следующим цифрам. Запасы углерода в атмосфере оцениваются в 700 млрд. т, в гидросфе­ре – в 50 000 млрд. т. Если принять, что общий годовой фотосинтез, согласно существующим подсчетам, составляет соответственно 30 и 150 млрд. т, то продолжительность круговорота углерода равна трем или четырем столетиям, а по некоторым данным – 1000 лет. Действительно, содержание CO₂ в атмосфере не уменьшается, так как его запасы постоянно пополняются за счет дыхания, брожения и сгорания. Наоборот, существует реальная опасность того, что в результате развития промышленного производства и нарушения равновесного состояния биосферы содержание СО₂ в ат­мосфере может значительно вырасти, что приведет к целому ряду отрицательных эффектов.

Круговорот воды в биосфере (рис. 3.6) предполагает, что суммарное испарение уравновешивается выпадением осадков. В средних широтах растения способны задерживать до 25% воды, выпа­дающей в виде осадков. Остальная вода впитывается в почву или стекает по поверхно­сти в водоемы. Благодаря испарению часть воды снова возвращается в атмосферу.

В Германии был проведен количественный учет дождевой воды на всей территории страны.

Выяснилось, что из годовой нормы осадков в 771 мм только 367 мм, или меньше 50%, достигает моря в виде ливневых стоков; остальная вода, т. e. 404 мм, испаряясь, возвра­щается в атмо­сферу. Растения поглощают и транспирируют (испаряют) в атмосферу 38% осадков. Показано, что задерживается и идет на создание живого вещества всего 1% атмосферной влаги.

Рис. 3.6 Круговорот воды в биосфере

В экваториальных районах испарение играет еще более существенную роль. Например, известно, что тропические леса бассейна реки Конго испаряют 2/3 вы­падающих осадков. Ежегодно с поверхности Мирового океана в атмосферу испаряется около 880, а с суши 140 мм воды и столько же выпадает на Землю в виде осадков. Живые организмы играют активную роль в круговороте воды на Земле. Подсчитано, что вся вода планеты проходит через живую оболочку Земли за 2 млн лет. Из океана испаряется больше воды, чем попадает в него с осад­ками, на суше – наоборот. «Лишние» осадки, выпадающие на суше, попа­дают в ледяные шапки и ледники и сохраняются там, пополняя грунтовые воды, откуда растения забирают их с помощью корневой системы и используют на рост и развитие. Грунтовые воды питают реки и озера, из которых снова возвращаются в океан со стоком.

Удаление некоторого количества воды в виде паров и водорода в космос компенсируется в основном за счет ювенильной воды, т. e. поднимающейся на поверхность из глубоких магматических очагов в результате вулканической деятельности и землетрясений.

Круговорот азота (рис. 3.7) также охватывает все области биосферы.

Презентация «Большой круговорот веществ» 3 класс

Его запасы в атмосфере практически неисчерпаемы, однако высшие растения могут усваивать азот лишь после того, как он образует легкорастворимые соли с водородом или кислородом. В этом процессе основополагающую роль играют азотфиксирующие бактерии. Растения, поглотившие азот, в дальнейшем поедаются животными. С энергетической точки зрения круговорот азота можно представить как ряд этапов, которые требуют энергии извне либо получают ее за счет энергонасыщенных соединений. В процессе круговорота азот протоплазмы переводится из органической в неорганическую форму в результате деятельности нескольких видов бактерий, каждый из которых выполняет од­ну индивидуальную функцию.

Рис.3.7 Круговорот азота в биосфере

Aтмосферный воздух является кладовой азота, так как на 78,09% он состоит из него, но, как уже указывалось выше, чтобы высшие растения смогли атмосферный азот усвоить, он должен соединиться с кислородом или водородом. С помощью азотфиксирующих бактерий азот атмо­сферы переходит в легко усваиваемые растениями формы. Растения, использовавшие азотсодержащие соли на pocт и развитие, поедаются животными. Продукты жизнедеятельности последних также с помощью бактерий разлагаются до аммиака, а затем другими микроорганизмами связываются до нитратов и нитритов и т. д. Таким образом, азот постоянно поступает в атмосферу благодаря жизнедеятельности денитрифицирующих бактерий, а также образуется при атмосферных электроразрядах (молниях) и снова включается в круговорот за счет деятельности азотфиксирующих бактерий и зеленых водорослей.

Для круговорота азота, как и для любого другого процесса, необходима энергия. Хемосинтезирующие бактерии, превращающие аммиак через ряд процессов в нитриты, получают энергию за счет разложения; дени­трифицирующие и азотфиксирующие бактерии – за счет других источников.

Азот могут фиксировать многие бактерии, такие, как свободноживущие Azotobacter и Clostridium, симбиотические клубеньковые бактерии бобовых растений, некоторые пурпурные и различные почвенные бактерии. Кроме того, показано, что водоросли и бактерии, живущие на листьях, и эпифиты тропических лесов также могут фиксировать атмосферный азот, часть кото­рого опосредованно используется и деревьями, однако, не обнаружено ни одного высшего растения, которое могло бы самостоятельно получать азот из атмосферы и использовать его в процессе жизнедеятельности. Известно, что в биосфере в целом за год в среднем фиксируется из воздуха 140-700 мг/м³ азота. В основном это биологическая фиксация, и лишь крайне незначительное количество фиксируется за счет фотохимических и электрических процессов.

Круговорот фосфора (рис. 3.8), в отличие от круговорота азота, является сравнительно простым процессом, хотя по своей значимости для биосферы ему не уступает. Основные запасы фосфора содержатся в различных горных породах, которые постепенно за счет вымывания и выветривания отдают фосфаты наземным экосистемам. Фосфаты потребляются, прежде всего, растениями разного уровня организации и используются ими для синтеза органических веще­ств, таких, как аминокислоты, ферменты и др. При разложении растительных остатков и трупов животных бактериями фосфаты возвращаются в почву и затем снова используются растительными организмами и микробами. Помимо этого, часть фосфатов выносится с паводковыми водами в мо­ре, что обеспечивает развитие фитопланктона и существование зависящих от него организмов. Часть фосфора, содержащегося в морской воде и морских организмах, может вновь возвращаться на сушу при вылове рыб, моллюсков, ракообразных, водорослей и т. д.

Рис. 3.8 Круговорот фосфора в природе

Фосфор – один из наиболее важных элементов живого вещества. Он принимает участие в основных биохимических реакциях, обеспечивающих жизнедеятельность организма и его целостность. В связи с высокой активностью в окружающей среде свободный фосфор является относительно редким элементом. Ежегодно человеком добывается 2-2,5 млн т фосфорсодержащих пород, используемых в качестве минерального сырья для получения ряда продуктов, при этом большая часть фосфора исключается из круговорота. Запас же таких пород ограничен, и уже в настоящее время ощущается их дефицит.

Круговорот биогенных элементов в значительной мере обеспечивает плодородие почв.

На суше главным источником биогенных катионов служит почва, в которую они поступают в процессе разрушения материнских пород, а также приносятся атмосферными осадками. Катионы адсорбируются корнями, а затем распределяются по разным вегетативным органам растений. В наибольшем количестве биогенные катионы накапливаются в листьях. Травоядные животные поедают растительную биомассу, травоядных животных поедают хищники или они умирают, минерализация экскрементов и трупов возвращает биогенные элементы снова в почву. В умеренных широтах бóльшая часть минеральных питательных веществ сохраняется в мощном слое гумуса, в котором создаются резервы биогенов и основных питательных веществ. Поэтому выкашивание травы, сбор опада в лесу, пастьба скота, корчевка пней, выжигание растительности, снятие дерна приводит к исчезновению такого ресурса питательных веществ, как гумус. В результате этого нарушается круговорот биогенных элементов, происходит трансформация лесной экосистемы в пустошь или луг со скудной растительностью.

Круговорот веществ в природе представляет собой совокупность повторяющихся процессов превращения или перемещения веществ, имеющую более или менее выраженный циклический характер.

Начнем с круговорота воды.

Урок окружающего мира в 3-м классе по теме «Живые участники круговорота веществ» (УМК «Школа-2100»)

Это сложный геофизический процесс, основными звеньями которого являются: испарение воды, перенос ее паров воздушными потоками, образование облаков и выпадение осадков, поверхностный и подземный сток вод в океан.

В этот геологический круговорот воды встраивается биологический (или биотический) круговорот. Растения всасывают воду из почвы, а затем испаряют ее (см. Транспирация). Часть поглощенной растениями воды идет на построение органических веществ, которые, окисляясь, снова образуют воду (см. Биологическое окисление). Любой живой организм поглощает и выделяет воду, используя при этом энергию, полученную зелеными растениями от солнечного света (см. Фотосинтез). Таким образом, именно излучаемая в виде света энергия Солнца «вращает колесо» круговорота воды, и не только воды, а и всех других веществ.

Рассмотрим круговорот азота. Азот Земли находится в основном в ее атмосфере. Некоторые микроорганизмы, как свободноживущие (например, цианобактерии, азотобактер), так и симбиотические (например, клубеньковые бактерии бобовых), способны поглощать азот из воздуха и фиксировать его в своем теле в виде азотсодержащих органических соединений, превращать молекулярный азот в аммиак, хорошо усваиваемый растениями. Из растений азот в составе органических соединений поступает в организмы животных и других гетеротрофов.

В конечных звеньях пищевых цепей органические вещества, попавшие в почву при разложении трупов и с выделениями организмов, служат пищей для бактерий и грибов. Определенные группы почвенных микроорганизмов (деструкторы) разлагают органические вещества до неорганических, которые могут усваиваться зелеными растениями. Так, органические соединения азота превращаются в почве в аммиак, который снова может быть усвоен растениями. Почвенные бактерии-хемосинтетики (см. Хемосинтез) окисляют аммиак до нитритов и нитратов, которые поступают с водой в растения и там восстанавливаются до аммиака. Есть в почве и микроорганизмы, превращающие аммиак в молекулярный азот, который поступает в атмосферу.

В местах, где выпадает мало осадков, нитраты, образующиеся из гуано — помета колониальных птиц, питающихся живущей в океане рыбой, накапливаются в виде залежей селитры (например, в Чили). Вновь в круговорот азота ее возвращает человек, используя селитру для удобрения полей.

Человек все активнее вмешивается в круговорот веществ. Например, осуществляется синтез сотен миллионов тонн азотных удобрений, но по своей интенсивности промышленная фиксация азота атмосферы уступает биологической и сопряжена с отравлением окружающей среды: излишки азотных удобрений атмосферные осадки смывают с полей в реки. Так они попадают в воду, потребляемую человеком. Оказалось, что нитраты не безвредны для человека — их излишек способствует образованию злокачественных опухолей. Кроме того, синтез азотных удобрений требует больших затрат энергии. Поэтому ученые интенсивно изучают механизм биологической фиксации атмосферного азота, чтобы разработать более эффективные пути обеспечения растений азотом (см. Азотфиксация).

Источником фосфора биосферы являются в основном апатиты, встречающиеся во многих горных породах. Организмы извлекают его из почв и водных растворов, включая в многочисленные фосфорсодержащие органические соединения. С гибелью организмов он возвращается в почву и илы морей, где может концентрироваться в виде отложений (гуано, отложения костей рыб и т. д.). Поскольку большинство почв содержит недостаточное количество фосфора, внесение фосфорных удобрений исключительно важно для получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур.

Так же можно описать круговорот многих других элементов. Каждый из них имеет свои особенности, но важно подчеркнуть, что энергия для любого круговорота в конечном счете поступает от Солнца.

Круговорот веществ сложен, и элемент «течет» от соединения к соединению не по одному руслу, а по нескольким, которые разветвляются и снова сливаются, причем круговороты различных элементов взаимосвязаны.

Биологический круговорот лишь часть геологического, но его скорость в сотни тысяч и миллионы раз больше, поскольку все биологические превращения катализируются ферментами, которые в сотни тысяч и миллионы раз активнее неорганических катализаторов.

Другая особенность биологического круговорота — это очень сильное концентрирование биологически важных химических элементов, например фосфора, а иногда даже редкоземельных (например, иттрия в хвощах).

Биолбгический круговорот цикличен, потому что пищевые цепи имеют замкнутый характер. Это обеспечило возможность длительного существования жизни на Земле, поскольку в противном случае самые богатые запасы любого вещества были бы быстро исчерпаны.

Из-за активного вмешательства человека в процессы, происходящие в природе, возникла проблема ее охраны (см. Охрана природы).

Ряд веществ в результате геологических и космических процессов теряется, выходит из круговорота. Так, улетучивается с Земли в космическое пространство водород, образующийся при разложении воды. На дне океанов отлагаются биогенные карбонаты, выводя из круговорота углерод. А из космического пространства с солнечным ветром и метеоритами поступает на Землю углерод и ряд других элементов. При извержении вулканов из земных недр на поверхность выбрасываются углекислый газ, вода и другие соединения. Таким образом, круговорот веществ на Земле связан с глобальными геологическими, биологическими и астрономическими процессами, а также с сознательной деятельностью человечества.

Поток энергии и круговорот веществ в биосфере

 

В биосфере, как и во всех экологи­ческих системах более низшего ран­га, происходит постоянный круговорот веществ и осуществляется движение тесно связанного с ним потока энергии (рис. 20.3). Обмен веществом и энергией между различными компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятельностью организмов и носящий циклический характер, называется биогеохимическим циклом. Движу­щей силой биогеохимических цик­лов служит энергия Солнца.

 

 

Солнечная энергия, достигающая поверхности Земли, составляет в среднем 5 х 10⁶ кДж/м в год. Лишь около 1% ее ассимилируется растениями и некоторыми микроорганиз­мами для создания органического ве­щества. По пищевым сетям синтезированные органические вещества с заключенной в них энергией пере­даются с одного трофического уровня на другой. На каждом трофиче­ском уровне органическое вещество использованной или отмершей биомассы через цепи питания редуцен­тов превращается в минеральные хи­мические соединения и возвращается во внешнюю среду, откуда вновь поглощается первичными продуцен­тами — растениями. Таким образом, круговорот веществ замыкается.

Поток же энергии через экосистемы не имеет замкнутого характера, так как большая часть ее на каждом трофическом уровне расходуется в процессе дыхания и рассеивается в виде тепла. Поэтому для существова­ния биосферы необходим постоянный приток энергии Солнца.

В биосфере непрерывно протекают взаимосвязанные геохимические циклы многих элементов, благодаря чему создается ее устойчивая организация. Особо важное значение имеют циклические круговороты биоген­ных элементов — С, О, N, S, Р, Са, К и др. За всю историю биосферы они проходили через живое вещество бес­численное число раз. Так, например, весь кислород атмосферы оборачива­ется через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ — за 200 (300) лет, а вся вода — за 2 млн лет. Нормальные биогеохимические циклы замкнуты не полностью. Сте­пень обратимости важнейших био­генных элементов достигает 95— 98%. За счет доли веществ, выходя­щих из биосферных циклов за время развития жизни на Земле, произошло биогенное накопление кислорода и азота в атмосфере, каменного угля, нефти, горючих сланцев, природного газа, кальция, кремния и других ве­ществ в литосфере. Этому благопри­ятствовала способность многих орга­низмов аккумулировать из среды оби­тания различные элементы.

Круговорот углерода.

Углерод, содержащийся в атмосфере в виде СО₂, включается в органическое ве­щество растений в процессе фотосин­теза и передается по цепям питания (рис. 20.4). Высвобождение углерода обратно в атмосферу происходит во время дыхания организмов. Основ­ная же масса углерода высвобожда­ется из мертвого органического ве­щества при его переработке редуцен­тами. Небольшая часть углерода выключается из круговорота, накап­ливаясь в виде торфа, угля, нефти, газа. Кроме того, в океане некоторая часть углерода в составе мертвого ор­ганического вещества (раковины планктона, моллюсков) отлагается в осадочных породах (известняки и пр.) и также в дальнейшем кругово­роте не участвуют.

 

Круговорот азота.

Несмотря на большое содержание азота в атмосфе­ре (78%), его количество в доступной для растений форме, в виде соедине­ний с водородом и кислородом (глав­ным образом, нитратов и нитритов) в природе довольно ограниченно (рис. 20.5). Аммиак и ионы аммония образуются, в основном, в результате жизнедеятельности бактерий, назы­ваемых азотофиксаторами. К ним относятся клубеньковые бактерии, живущие в симбиозе с некоторыми высшими растениями, например с бобовыми, и свободноживущие азотофиксирующие бактерии (азотобак­тер и др.), а также сине-зеленые водо­росли (цианобактерии). Кроме того, азот в доступной для растений форме образуется при разложении отмер­ших организмов особой группой бак­терий — аммонификаторов. Образу­ющийся при этом аммиак в результате деятельности бактерий — нитрификаторов — преобразуется в нитри­ты (NO₂^—), а затем — в нитраты (NO₃^—). Часть атмосферного азота превращается в нитраты под воздействием атмосферного электричества во время грозовых разрядов и при фотохимических реакциях в атмосфере. Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности почвенных бактерий — денитрификаторов, восстанавливающих ни­траты до свободного азота. В природный круговорот азота в настоящее время включены получаемые промышленным способом аммиак, нитриты и нитраты, которые в виде удобрений ши­роко применяются в сельском хозяйстве, а также в бытовой химии.

Круговорот фосфора.

В кругово­роте фосфора отсутствует газообразная фаза, так как его соединения не летучи. Круговорот фосфора со­вершается в почвенно-наземном слое (рис. 20.6). В почвах, особенно щелочных и хорошо аэрированных, большая часть фосфора находится в виде нерастворимых соединений с кальцием и железом. Растения же усваивают его из водных растворов в виде неорганических фосфат-ионов (РО₄^-3) преимущественно в кислой, бедной кислородом среде.

Какие связи обеспечивают круговорот веществ

Поэтому фосфора в доступной для растений растворимой форме в почвах почти всегда не хватает. Ассимилированный растениями фосфор распространяется по всем консументам экосистемы и возвращается в почву с их экскрементами или в процессе раз­ложения редуцентами отмершей ор­ганической массы. Часть фосфора выносится поверхностными и грун­товыми водами в водные бассейны. Здесь совершается второй круг циркуляции фосфорных соединений сре­ди водных сообществ, в процессе которого, часть фосфора уходит в состав донных отложений. Верти­кальными подводными течениями они могут выноситься на поверхность и вновь вступать в круговорот. Большая же часть фосфора все же остается на дне. Поэтому его количество в круговороте веществ постоян­но убывает. Пополнение фосфора происходит за счет выветривания горных пород, а также при поднятии участков морского дна на поверх­ность во время геологических процессов. Дефицит фосфора в почве в значительной мере восполняется человеком путем внесения минеральных удобрений, которые являются, в основном, продуктами переработки морских осадочных пород.