Круговорот веществ в биосфере

Циркуляция химических элементов (веществ) в биосфере называется биогеохимическими циклами. Живые организмы играют в этих процессах решающую роль. Необходимые для жизни элементы условно называют биогенными (дающими жизнь) элементами, или питательными веществами. Различают две группы питательных веществ.

К макротрофным относятся элементы, которые составляют химическую основу тканей живых организмов. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера.

Микротрофные вещества включают в себя элементы и их соединения, также необходимые для существования живых систем, но в исключительно малых количествах. Такие вещества часто называют микроэлементами. Это железо, марганец, медь, цинк, бор, натрий, молибден, хлор, ванадий и кобальт. Недостаток микроэлементов может оказывать сильное влияние на живые организмы (в частности, ограничивать рост растений), так же как и нехватка биогенных элементов.

Циркуляция биогенных элементов обычно сопровождается их химическими превращениями. Азотфиксирующие бактерии, клубеньковые и цианобактерии переводят свободный азот в нитраты. Нитратный азот растениями превращается в белковый, затем животный белок переходит в мочевину. Аммонифицирующие бактерии мочевину превращают в аммиак, который или вновь превращается в нитратную форму (нитрифицирующими бактериями) или с помощью денитрифицирующих бактерий нитраты превращаются в свободный азот, который возвращается в атмосферу. В биохимическом цикле азота действуют различные механизмы, как биологические, так и химические. Схема циркуляции азота в биосфере представлена на рисунке 68.

В отличие от энергии биогенные элементы благодаря участию в круговороте могут использоваться неоднократно. Запасы биогенных элементов непостоянны: некоторая их часть связана и входит в состав живой биомассы, что снижает количество, остающееся в среде экосистемы. И если бы растения и другие организмы в конечном счете не разлагались, запас питательных веществ исчерпался бы и жизнь на Земле прекратилась. Отсюда можно сделать вывод, что активность гетеротрофных организмов, в первую очередь редуцентов, — решающий фактор поддержания круговорота биогенных элементов и сохранения жизни.

Рассмотрим биогеохимический цикл углерода. Естественным источником углерода, используемого растениями для синтеза органического вещества, служит углекислота, входящая в состав атмосферы или находящаяся в растворенном состоянии в воде. Основные звенья круговорота углерода показаны на рисунке 69. В процессе фотосинтеза углекислота превращается в органическое вещество, служащее пищей животным. Дыхание, брожение и сгорание топлива возвращают углекислоту в атмосферу. Запасы углерода в атмосфере оцениваются в 700 млрд т, а в гидросфере — в 50 000 млрд т. Согласно расчетам, за год в результате фотосинтеза прирост растительной массы на суше и в воде равен соответственно 50 и 180 млрд т.

Одним из наиболее простых циклов является цикл фосфора (рис. 70). Основные запасы фосфора содержат различные горные породы, которые постепенно (в результате разрушения и эрозии) отдают свои фосфаты наземным экосистемам. Фосфаты потребляют растения и используют их для синтеза органических веществ. С выделениями животных и при разложении органики микроорганизмами фосфаты возвращаются в почву и затем снова используются растениями. Помимо этого часть фосфатов выносится с током воды в море. Это обеспечивает развитие фитопланктона и всех пищевых цепей с участием фосфора. Часть фосфора, содержащаяся в морской воде, может вновь вернуться на сушу в виде гуано — экскрементов морских птиц. Там, где они образуют большие колонии, гуано добывают как очень ценное удобрение.

Некоторые организмы могут играть исключительно важную роль в круговороте фосфора. Моллюски, например, фильтруя воду и извлекая оттуда мелкие организмы, их остатки, захватывают и удерживают большое количество фосфора. Несмотря на то, что роль моллюсков в пищевых цепях прибрежных морских сообществ невелика (они не образуют плотных скоплений с высокой биомассой, их пищевая ценность невысока), эти организмы имеют первостепенное значение как фактор, позволяющий сохранить плодородие той зоны моря, где они обитают.

Популяции моллюсков подобны природным аккумуляторам, только вместо электроэнергии они накапливают и удерживают фосфор, необходимый для поддержания жизни в прибрежных зонах морей.

Иначе говоря, популяция этих организмов более важна для экосистемы как «посредник» в обмене веществом между живой и неживой природой (сообществом и биотопом). Этот пример — хорошая иллюстрация того, что ценность вида в природе не всегда зависит от таких показателей, как его обилие или сырьевые качества. Эта ценность может проявляться лишь косвенно и не всегда обнаруживается при поверхностном исследовании.

Письменная работа с карточками на 10 мин:

1. Круговорот азота в природе.

2. Круговорот углерода в природе.

3. Круговорот фосфора в природе.

1. Формулировки законов, определения, или сущность понятий: 1. Фиксация атмосферного азота. 2. Возвращение азота в атмосферу. 3. Аммонифицирующие бактерии. 4. Захват неорганического углерода организмами. 5. Возвращение углерода в неживую природу. 6. Захват фосфора живыми организмами. 7. Возвращение фосфора в неживую природу.

Карточка у доски:

1. Какие организмы способны фиксировать атмосферный азот?

2. Какие организмы мочевину превращают в аммиак?

3. Какие организмы аммиак превращают в нитраты?

4. Каково значение денитрифицирующих бактерий?

5. Как углерод попадает из неживой природы в живые организмы?

6. Как углерод возвращается из живых организмов в неживую природу?

7. Как фосфор попадает в живые организмы?

8. Как фосфор возвращается в неживую природу?

9. Какой процесс обеспечивает пополнение кислорода в атмосфере?

Тестовое задание:

1. Организмы, способные фиксировать атмосферный азот:

1. Цианобактерии.

2. Растения.

3. Клубеньковые бактерии.

4. Некоторые свободноживущие бактерии.

2. Организмы, превращающие мочевину в аммиак:

1. Нитрифицирующие бактерии.

2. Клубеньковые бактерии.

3. Аммонифицирующие бактерии.

4. Денитрифицирующие бактерии.

3. Организмы, превращающие аммиак в нитратную форму:

1. Нитрифицирующие бактерии.

2. Клубеньковые бактерии.

3. Аммонифицирующие бактерии.

4. Денитрифицирующие бактерии.

4. Организмы, возвращающие азот в атмосферу:

1. Нитрифицирующие бактерии.

2. Клубеньковые бактерии.

3. Аммонифицирующие бактерии.

4. Денитрифицирующие бактерии.

5. Организмы, в основном захватывающие неорганическую форму углерода:

1. Растения.

2. Животные.

3. Грибы.

4. Бактерии.

**6. Организмы, возвращающие углерод в неживую природу при дыхании:

1. Растения.

2. Животные.

3. Грибы.

4. Бактерии.

7. Организмы, в основном захватывающие неорганические фосфаты:

1. Растения.

2. Животные.

3. Грибы.

4. Бактерии.

**8. Как фосфор возвращается неживую природу:

1. С выделениями животных.

2. С помощью бактерий гниения.

3. Денитрифицирующими бактериями.

4. Аммонифицирующими бактериями.

9. Какой процесс обеспечивает пополнение кислорода в атмосфере:

1. Дыхание.

2. Фотосинтез.

3. Гниение.

4. Денитрификация.