какую роль в природе играет биологический круговорот
Раздел 2. Организация биосферы
И.Ф. Рассашко, О.В. Ковалева, А.В. Крук
Общая экология
Тексты лекций для студентов специальности 1-33 01 02 «Геоэкология». – Гомель: ГГУ им. Ф. Скорины, 2010. – 252 с.
Раздел 2. Организация биосферы
Лекция 12. Биологический круговорот, круговорот азота, кислорода, углерода
12.1. Понятие о биологическом круговороте
Биологический круговорот – это возникший одновременно с появлением жизни на Земле круговорот химических элементов и веществ, осуществляемый жизнедеятельностью организмов. Он играет особую роль в биосфере. По этому поводу Н. В. Тимофеев-Ресовский писал: «Происходит огромный, вечный, постоянно работающий биологический круговорот в биосфере, целый ряд веществ, целый ряд форм энергии постоянно циркулируют в этом большом круговороте биосферы» (М. М. Камшилов, 1974; В. А. Вронский, 1997). В закономерностях биологического круговорота решена проблема длительного существования и развития жизни. На теле конечного объема, какова Земля, запасы доступных минеральных элементов, необходимых для осуществления функции жизни, не могут быть бесконечными. Если бы они только потреблялись, жизнь рано или поздно должна была бы прекратиться. «Единственный способ придать ограниченному количеству свойство бесконечного, – пишет В. Р. Вильямс, – заставить его вращаться по замкнутой кривой». Жизнь использовала именно этот метод. «Зеленые растения создают органическое вещество, незеленые разрушают его. Из минеральных соединений, полученных от распада органического вещества, новые зеленые растения строят новое органическое вещество и так без конца». С учетом этого, каждый вид организмов представляет собой звено в биологическом круговороте. Используя в качестве средств существования тела или продукты распада одних организмов, он должен отдавать в среду то, что могут использовать другие. Особенно велика роль микроорганизмов. Минерализуя органические остатки животных и растений, микроорганизмы превращают их в «единую валюту» – минеральные соли и простейшие органические соединения типа биогенных стимуляторов, снова используемые зелеными растениями при синтезе нового органического вещества. Один из главных парадоксов жизни заключается в том, что ее непрерывность обеспечивается процессами распада, деструкцией. Разрушаются сложные органические соединения, высвобождается энергия, теряется запас информации, свойственный сложно организованным живым телам. В результате деятельности деструкторов, преимущественно микроорганизмов, любая форма жизни неизбежно будет включаться в биологический круговорот. Поэтому с их помощью осуществляется естественная саморегуляция биосферы. Два свойства позволяют микроорганизмам играть столь важную роль: возможность сравнительно быстро приспосабливаться к различным условиям и способность использовать в качестве источника углерода и энергии самые различные субстраты. Высшие организмы не обладают такими способностями. Поэтому они могут существовать лишь в качестве своеобразной надстройки на прочном фундаменте микроорганизмов. Биологический круговорот, основанный на взаимодействии синтеза и деструкции органического вещества, – один из самых существенных форм организации жизни в планетарном масштабе. Только он обеспечивает непрерывность жизни и ее прогрессивное развитие.
В качестве звеньев биологического круговорота выступают особи и виды организмов разных систематических групп, взаимодействующие между собой непосредственно и косвенно с помощью многочисленных и многосторонних прямых и обратных связей. Биологический круговорот планеты также представляется сложной системой частных круговоротов – экологических систем, связанных между собой различными формами взаимодействия.
Биологический круговорот осуществляется в основном по трофическим (пищевым) цепям (рисунок 12.1).
При важной роли в нем растений и животных, поток биогенных элементов, как азот, фосфор, сера через популяции микроорганизмов в круговороте примерно на порядок выше, чем через популяции растений и животных. Важным показателем интенсивности биологического круговорота является скорость обращения химических элементов. В качестве показателя этой интенсивности можно использовать скорость накопления и разложения мертвого органического вещества, образующегося в результате ежегодного опада листьев и отмирания организмов.
Отношение, например, массы подстилки к той части опада, которая формирует подстилку, служит показателем скорости разложения опада и освобождения химических элементов. Чем выше этот индекс, тем меньше интенсивность биологического круговорота в данной экосистеме. Наибольшей величиной индекса (более 50) характеризуются заболоченные леса и тундра. В темнохвойных лесах индекс составляет 10–17, в широколиственных – 3–4, в степях – 1,0–1,5, в саваннах – не более 0,2. Во влажных тропических лесах растительные остатки практически не накапливаются (индекс не более 0,1). Поэтому здесь биологический круговорот наиболее интенсивный.
Рисунок 12.1 – Круговорот веществ и поток энергии (S-энтропия)
в биосфере (по В. А. Радкевичу, 1997)
Для понимания биосферных процессов большое значение имеют биогеохимические циклы. Благодаря непрестанному функционированию системы «атмосфера – почва – растения – животные – микроорганизмы» сложился биогеохимический круговорот многих химических элементов и их соединений, охватывающий сушу, атмосферу, гидросферу. Именно поэтому живое вещество на Земле уже многие миллионы лет является фактором геологического значения.
§ 45. Роль биосферы в природе
Биологический круговорот. Каждая группа организмов играет в биосфере определенную роль. Растения — посредники между Солнцем и Землей. С помощью фотосинтеза под действием солнечного света они создают первичные органические вещества.
Следовательно, растения — это организмы-производители. Животные питаются растениями или другими животными, т. е. готовыми органическими веществами; это организмы-потребители. Поедая органические вещества, животные перемещают их по земной поверхности. Попутно они разносят споры, семена и тем самым способствуют расселению растений и грибов.
Таким образом, живые организмы переносят вещество и энергию из одних частей биосферы в другие. Такой перенос веществ и энергии образует биологический круговорот (рис. 157). Как и круговорот воды, он связывает в единое целое все части природы. Нарушение биологического круговорота человеком грозит катастрофическими последствиями.
Рис. 157. Схема биологического круговорота на примере широколиственного леса
Биосфера и жизнь Земли. Роль живых организмов как могучей природной силы долго недооценивалась. Это объясняется тем, что по сравнению с другими оболочками масса живого вещества кажется ничтожной. Если земную кору представить в виде каменной чаши весом 13 кг, то вся гидросфера, помещенная в эту чашу, весила бы 1 кг, атмосфера соответствовала бы весу медной монеты, а живое вещество — весу почтовой марки.
Однако миллиарды лет из поколения в поколение живые организмы перерабатывали вещество земных оболочек. Общее количество преобразованного ими вещества во много раз превысило массу самих организмов. Взаимодействие живых существ друг с другом и с неживыми телами формирует единый «организм» природы (рис. 158).
Рис. 158. Значение биосферы
Проанализируйте рисунок. Расскажите о связи биосферы с другими оболочками Земли.
Учение о биосфере как особой оболочке, населенной живыми организмами и изменяющейся под их влиянием, разработано гениальным русским ученым В. И. Вернадским. Именно он показал, что биосфера очень активная оболочка. Совокупная деятельность живых организмов, в том числе человека, формирует и преобразует географическую среду.
Распределение живого вещества в биосфере. Жизнь размещается в биосфере очень неравномерно. Основная часть живых организмов сосредоточена на границах соприкосновения воздуха, воды и горных пород. Поэтому более густо заселена поверхность суши и верхние слои вод морей и океанов. Это связано с тем, что здесь наиболее благоприятные условия: много кислорода, влаги, света, питательных веществ. Толщина наиболее насыщенного организмами слоя всего несколько десятков метров. Чем дальше вверх и вниз от него, тем разреженнее и однообразнее жизнь. Самое большое сгущение жизни отмечается в почве — особом природном теле биосферы.
Рис. 159. Масса живых организмов на суше и в океане
Живое вещество распределяется неравномерно не только по вертикали, но и по площади. Большинство организмов сосредоточено на суше. Их масса в 750 раз больше массы обитателей гидросферы (рис. 159). По количеству живого вещества на единицу площади океан близок к континентальным пустыням.
§ 53. Круговорот веществ в биосфере
| Сайт: | Профильное обучение |
| Курс: | Биология. 10 класс |
| Книга: | § 53. Круговорот веществ в биосфере |
| Напечатано:: | Гость |
| Дата: | Пятница, 29 Октябрь 2021, 14:13 |
Оглавление
Преамбула
Основой жизни на Земле являются круговороты веществ в биосфере и постоянный приток солнечной энергии. Круговорот веществ — цикличный, многократно повторяющийся процесс перемещения и перехода химических элементов из живых тел в соединения неживой природы и обратно. С использованием солнечной энергии на планете протекает два взаимосвязанных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биологический.
Геологический (большой) круговорот веществ — процесс миграции веществ и природных вод, происходящий в результате воздействия абиотических факторов (факторов неживой природы). При большом геологическом круговороте, протекающем миллионы лет, горные породы разрушаются, выветриваются, вещества растворяются и попадают в Мировой океан. Именно большой круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.
Биологический (малый) круговорот веществ — процесс циркуляции веществ между растениями, животными, грибами, микроорганизмами, атмосферой и почвой. Все химические элементы, используемые в процессах жизнедеятельности организмов, постоянно перемещаются, переходя из живых тел в соединения неживой природы и обратно. Так, в природе из неорганических веществ автотрофами синтезируются органические вещества. Выделенные в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов (как автотрофов, так и гетеротрофов) органические вещества подвергаются минерализации, то есть превращению в неорганические вещества. Эти неорганические вещества могут быть вновь использованы автотрофами для синтеза органических веществ. Возможность многократного использования веществ делает жизнь на Земле практически вечной при условии постоянного притока нужного количества энергии Солнца.
Геологический и биологический круговороты в совокупности формируют общий биогеохимический круговорот веществ, основу которого составляют циклы воды, углерода, кислорода и азота.
Круговорот воды
Большая часть биосферной воды представлена водами Мирового океана и водой вечных льдов. Более 99 % всех запасов воды в биосфере находится в твердом состоянии. Незначительная часть воды находится в газообразном состоянии — это атмосферные водяные пары. На испарение воды с поверхности океанов и суши затрачивается около половины всей поступающей на Землю солнечной энергии. После испарения вода потоками воздуха переносится на различные расстояния. Бóльшая ее часть в виде осадков выпадает в океан, откуда интенсивно испаряется, меньшая — на сушу. Излишки стекаются в реки, озера, а из них — в Мировой океан. Выпавшая на поверхность суши вода способствует разрушению горных пород, размывает верхний слой почвы и возвращается вместе с растворенными и взвешенными в ней веществами в реки, моря и океаны. Таким образом, вода переносит огромное количество неорганических и органических соединений.
В круговороте воды важную роль играют живые организмы. Растения извлекают воду из почвы и испаряют ее в атмосферу. Масса испаряемой при этом воды может быть весьма значительна. Так, с 1 га леса испаряется 20—50 т воды в сутки.
Чтобы произвести 10 кг биомассы, большинство растений потребляют примерно 1000 л воды. Из этой, пропущенной через корни воды, примерно 991 л идет на испарение с поверхности листьев, что необходимо растению в первую очередь для охлаждения. Из оставшихся около 9 л воды 7,5 л остается в тканях растений в виде химически свободной воды, и только 1,5 л используется в процессе фотосинтеза.
Животные организмы также активно участвуют в круговороте воды. Они потребляют воду для поддержания процессов жизнедеятельности и выделяют ее с продуктами обмена веществ.
Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете.
Круговорот кислорода
В функционировании биосферы кислород играет исключительно важную роль. Практически весь атмосферный кислород имеет биогенное происхождение и проходит через живое вещество за 2000 лет.
Основная часть кислорода участвует в процессах дыхания аэробных живых организмов и в обмене веществ, небольшое его количество — в процессах образования озонового экрана.
Уменьшение количества кислорода происходит в атмосфере в результате процессов дыхания, окисления горных пород, горения при лесных пожарах, сжигания человеком топлива. Данное уменьшение кислорода компенсируется в процессе фотосинтеза. Таким образом, в природе непрерывно совершается круговорот кислорода.
Круговорот углерода
Углерод в атмосфере содержится в основном в составе углекислого газа. Первичный источник углекислого газа — вулканическая деятельность. Биосферный цикл углерода начинается с процесса фотосинтеза. Ежегодно в него вовлекается до 50 млрд т углерода. Растения поглощают его в составе углекислого газа. Продуцируемые ими органические вещества содержат значительное количество углерода (более 50 % углерода биосферы заключено в целлюлозе, составляющей основу клеточных стенок растений). Эти вещества используют сами растения и животные (консументы) для получения энергии. Кроме того, соединения углерода используются морскими организмами для построения раковин и скелетных образований. Одновременно с этим происходит обратный процесс. Углерод возвращается в среду, замыкая цикл, двумя путями. Первый путь — в виде углекислого газа, который образуется в процессе дыхания живых организмов. Второй путь — разложение (минерализация) детрита редуцентами. Один цикл круговорота углекислого газа проходит за 300 лет.
Однако цикл круговорота углерода замкнут не полностью. Часть углерода, как мы уже отмечали, на продолжительное время выводится из круговорота, концентрируясь в залежах торфа, каменного угля, нефти и горючих сланцев, образующихся при разложении детрита без доступа кислорода, а также в мощных отложениях известняков на дне морей и океанов, образованных из остатков раковин и скелетов отмерших морских организмов.
При сжигании ископаемого топлива, используемого человеком для получения энергии, образуется углекислый газ, который возвращается в атмосферу. За счет этого за последние сто лет его содержание в атмосфере возросло на 25 %, что нарушает отрегулированный веками круговорот углерода.
*Круговорот азота
Запасы азота в атмосфере практически неисчерпаемы (около 78 % по объему). Однако большинство живых организмов не могут использовать его непосредственно. Поэтому важным звеном в круговороте азота является его фиксация и перевод в доступную для организмов форму. Различают три пути фиксации азота.
Биологическая (почвенная) фиксация осуществляется микроорганизмами. Азотфиксирующие бактерии могут превращать биологически недоступный молекулярный азот атмосферы в соединения, доступные для зеленых растений.
Азотфиксирующие микроорганизмы делятся на две группы: живущие самостоятельно и симбионты высших растений. Свободноживущие азотфиксаторы — цианобактерии. Самые известные азотфиксаторы-симбионты, связывающие азот, находятся в клубеньках бобовых растений. Клубеньковые бактерии являются основными поставщиками фиксированного азота на суше. На использовании клубеньковых бактерий основан традиционный метод повышения плодородия почвы. На поле сначала выращивают горох или другие бобовые культуры, потом их запахивают в землю, и накопленный в их клубеньках связанный азот переходит в почву. Затем поле засевают другими культурами, которые могут использовать азот для построения аминокислот, белков и своего роста.
Азот в составе растений попадает в организм травоядных животных, а затем — хищных. После отмирания живых организмов (растений, животных) детрит разлагается редуцентами с выделением аммиака NH3. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитритов и нитратов, которые усваиваются растениями, а денитрифицирующие бактерии при разложении детрита возвращают молекулярный азот обратно в атмосферу.
Часть фиксированного азота почвы выносится в реки, а из них в моря и океаны, вызывая их загрязнение.
Если нитратов и нитритов в почвенных растворах много, их много и в растительных продуктах питания. Нередко их концентрация в десятки раз превышает предел, установленный Всемирной организацией здравоохранения (45 мг/л). Зарегистрированы случаи заболевания людей и животных, связанные с высоким содержанием нитратов в растительных пищевых продуктах, кормах и воде. Существуют рекомендации, позволяющие снизить содержание нитратов в пищевых продуктах.
Атмосферная фиксация. В атмосфере связанный азот образуется при разрядах молний, вызывающих взаимодействие азота с кислородом с образованием оксида азота, а затем диоксида азота. Диоксид азота растворяется в водяных парах, образуя азотную кислоту (HNO3), которая вместе с осадками попадает в почву. На долю атмосферной фиксации азота приходится около 3 % ежегодной азотфиксации в биосфере.
Промышленная фиксация. Цивилизация существенно усилила поступление связанного азота в биосферу. При высокотемпературных процессах сгорания топлива на электростанциях и в транспортных двигателях азот воздуха окисляется и в виде оксидов попадает в атмосферу. Большое количество азота ежегодно связывается промышленным путем при производстве минеральных азотных удобрений. Азот из таких удобрений усваивается растениями в аммонийной и нитратной формах.
В результате антропогенные потоки связанного азота стали примерно равны природным. Уже сейчас это приводит к серьезным локальным и региональным последствиям.
Повторим главное. Главными условиями устойчивого существования биосферы являются постоянно протекающий круговорот веществ и поток энергии. С использованием солнечной энергии на планете протекают два взаимосвязанных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биологический. В круговоротах кислорода, углерода и азота основная роль принадлежит живым организмам. Основу же глобального круговорота воды в биосфере обеспечивают физические процессы.
Проверим знания
1. Что представляет собой круговорот веществ в биосфере?
2. Каким образом живые организмы участвуют в круговороте веществ?
3. Какова роль фотосинтеза в круговороте веществ?
1. Какие условия являются необходимыми для поддержания непрерывности круговорота веществ?
*2. Сравните большой и малый круговороты веществ. Укажите черты сходства и отличия.
3. Укажите возможные последствия чрезмерного поступления углекислого газа в атмосферу.
*4. Укажите возможные последствия чрезмерного поступления азота в почву.
*5. С чем, на ваш взгляд, связано повышенное содержание нитратов в воде колодцев? Ответ обоснуйте.
биологический круговорот
Смотреть что такое «биологический круговорот» в других словарях:
БИОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ — круговорот веществ малый, возникший одновременно с появлением жизни на Земле круговорот химических элементов и веществ, осуществляемый жизнедеятельностью организмов. Основную роль в биологическом круговороте играют первичные продуценты (зеленые… … Экологический словарь
БИОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ, или малый К.в. — БИОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ, или малый К.в. поступление веществ из почвы и атмосферы в живые организмы с соответствующим изменением их химической формы, возвращение их в почву и атмосферу в процессе жизнедеятельности организмов и с… … Экологический словарь
БИОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ — Поступление веществ из почвы и атмосферы в живые организмы с соответствующим изменением их химической формы, возвращение их в почву и атмосферу в процессе жизнедеятельности организмов и с посмертными остатками и повторное поступление в живые… … Словарь бизнес-терминов
БИОЛОГИЧЕСКИЙ ПЕРЕНОС — участие живых организмов в круговороте химических элементов в природе. См. также Биологический круговорот. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев: Главная редакция Молдавской советской энциклопедии. И.И. Дедю. 1989 … Экологический словарь
круговорот веществ в природе — повторяющийся циклический процесс превращения и перемещения отдельных химических элементов и их соединений. Происходил в течение всей истории развития Земли и продолжается в настоящее время. Всегда имеет место определённое отклонение в составе и… … Географическая энциклопедия
КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ — в природе, относительно повторяющиеся взаимосвязанные физические, химические и биологические процессы превращения и перемещения вещества в природе. До создания В. И. Вернадским биогеохимии и учения о биосфере в науке бытовало представление о… … Биологический энциклопедический словарь
КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В ОКЕАНЕ — многократно повторяющееся участие веществ в природных, процессах, протекающих в океане. Наиболее значителен биологический: повторное использование морскими организмами биогенных хим. компонентов (С, N, P, SiO2, CaCO3, a также Fe, Mn и др.),… … Геологическая энциклопедия
Круговорот азота — Схематическое представление прохождения азота через биосферу. Ключевым элементом цикла являются разные виды бактерий (англ.) Круговорот азота био … Википедия
Круговорот веществ биологический — (биотический), биотический круговорот явление непрерывного относительно циклического, но неравномерного во времени и пространстве и сопровождающегося более или менее значительными потерями, закономерного перераспределения веществ, энергии и… … Концепции современного естествознания. Словарь основных терминов
БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ химических элементов — циклические процессы перемещения и трансформации химических элементов в пределах биосферы, происходящие между ее (био)хорологическими подразделениями: биогеоценозами, ландшафтами и т.п. Ср. Биологический круговорот веществ и Геологический… … Экологический словарь
§ 45. Роль биосферы в природе
Биологический круговорот. Каждая группа организмов играет в биосфере определенную роль. Растения — посредники между Солнцем и Землей. С помощью фотосинтеза под действием солнечного света они создают первичные органические вещества. Следовательно, растения — это организмы-производители. Животные питаются растениями или другими животными, т. е. готовыми органическими веществами; это организмы-потребители. Поедая органические вещества, животные перемещают их по земной поверхности. Попутно они разносят споры, семена и тем самым способствуют расселению растений и грибов.
Таким образом, живые организмы переносят вещество и энергию из одних частей биосферы в другие. Такой перенос веществ и энергии образует биологический круговорот (рис. 157). Как и круговорот воды, он связывает в единое целое все части природы. Нарушение биологического круговорота человеком грозит катастрофическими последствиями.
Рис. 157. Схема биологического круговорота на примере широколиственного леса
Биосфера и жизнь Земли. Роль живых организмов как могучей природной силы долго недооценивалась. Это объясняется тем, что по сравнению с другими оболочками масса живого вещества кажется ничтожной. Если земную кору представить в виде каменной чаши весом 13 кг, то вся гидросфера, помещенная в эту чашу, весила бы 1 кг, атмосфера соответствовала бы весу медной монеты, а живое вещество — весу почтовой марки.
Однако миллиарды лет из поколения в поколение живые организмы перерабатывали вещество земных оболочек. Общее количество преобразованного ими вещества во много раз превысило массу самих организмов. Взаимодействие живых существ друг с другом и с неживыми телами формирует единый «организм» природы (рис. 158).
Рис. 158. Значение биосферы
Проанализируйте рисунок. Расскажите о связи биосферы с другими оболочками Земли.
Учение о биосфере как особой оболочке, населенной живыми организмами и изменяющейся под их влиянием, разработано гениальным русским ученым В. И. Вернадским. Именно он показал, что биосфера очень активная оболочка. Совокупная деятельность живых организмов, в том числе человека, формирует и преобразует географическую среду.
Распределение живого вещества в биосфере. Жизнь размещается в биосфере очень неравномерно. Основная часть живых организмов сосредоточена на границах соприкосновения воздуха, воды и горных пород. Поэтому более густо заселена поверхность суши и верхние слои вод морей и океанов. Это связано с тем, что здесь наиболее благоприятные условия: много кислорода, влаги, света, питательных веществ. Толщина наиболее насыщенного организмами слоя всего несколько десятков метров. Чем дальше вверх и вниз от него, тем разреженнее и однообразнее жизнь. Самое большое сгущение жизни отмечается в почве — особом природном теле биосферы.
Рис. 159. Масса живых организмов на суше и в океане
Живое вещество распределяется неравномерно не только по вертикали, но и по площади. Большинство организмов сосредоточено на суше. Их масса в 750 раз больше массы обитателей гидросферы (рис. 159). По количеству живого вещества на единицу площади океан близок к континентальным пустыням.