Круговорот биологический. роль живых организмов в биологическом круговороте

Биологический круговорот и превращение энергии в биосфере, роль в нем организмов разных царств

Наша планета окружена тремя оболочками. Круговорот веществ – это многократное участие веществ в процессах, протекающих в различных оболочках Земли. 

Этот процесс — явление непрерывное, циклическое. Круговорот веществ сопровождается превращением, потерями, закономерными перераспределениями органических и неорганических веществ. 

В процессе круговорота образуется живое вещество из неорганических соединений, впоследствии органика распадается на неорганические компоненты.

Круговорот веществ в биосфере происходит при участии живых организмов, которые преобразуют и передают энергию по пищевой цепочке. Биологический круговорот осуществляется по трофическим цепям (сетям) экосистемы и подчиняется закону Линдемана. В этом круговороте участие принимают все химические элементы, из них выделяют самые необходимые:

• Углерод. Основным его источником является углекислота. Именно она необходима для его переработки в органическое вещество. В процессе фотосинтеза, поглощенная зелеными растениями углекислота перерабатывается в сахар, а благодаря другим процессам биосинтеза преобразуется в липиды, протеиды и тому подобное. Именно эти вещества являются источником питания для растений. 
• Азот. В атмосфере содержится около 78% азота, однако он находится в том состоянии, в котором не может использоваться большинством живых организмов. Для того чтобы, организмы смогли им воспользоваться, азот должен быть зафиксирован в виде химических соединений. Фиксация протекает при вулканической активности, грозовых разрядах или же сгорании метеоритов, но основная фиксация происходит за счет микроорганизмов, обитающих на корнях высших растений, реже на листьях. 
• Кислород. Главная составляющая живой природы. В тканях живых организмов содержится около 62,8% кислорода и 19%углерода. Круговорот кислорода усложняется тем фактором, что он может образовывать большое количество различных химических соединений. При определенном содержании кислорода, он может быть губителен для клеток аэробных организмов. Луи Пастер доказал, что ни один анаэробный организм не выживет при концентрации кислорода превышающей 1%. Круговорот этого вещества происходит между живыми организмами и атмосферой. Процесс продуцирования и выделения кислорода растениями при фотосинтезе противоположен процессу потребления и выделения углекислого газа при дыхании. 

Круговорот фосфора

Биологическое значение фосфора в жизнедеятельности организмов исключительно велико. Его соединения входят в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем переноса энергии, в состав мозга и костной ткани. Содержание фосфора в тканях растений составляет 250—350, морских животных — 400—1800, наземных животных — 170—4400, бактерий — около 3000 мг на 100 г сухого вещества. Как и углерод, фосфор участвует в биологическом и геологическом круговороте вещества.

Резервуаром фосфора в биологическом круговороте служит литосфера, в частности фосфорсодержащие горные породы, какими являются фосфориты, апатиты, нефелиновые сиениты. В процессе выветривания соединения фосфора попадают в почвенный покров, выносятся поверхностными водами в конечные бассейны стока, где они или медленно оседают на дно и литифицируются, или рассеиваются глубинными водами.

Из почвы фосфор извлекается растениями в виде растворимых фосфатов, которые поглощаются с почвенными растворами и превращаются в ионы РO₄-2. Скорость усвоения растениями фосфора зависит от кислотности почвенного раствора. В щелочной среде фосфаты кальция и натрия практически нерастворимы, а в нейтральной — малорастворимы. По мере повышения кислотности они превращаются в хорошо растворимую фосфорную кислоту. Находящийся в растительности фосфор переходит к животным, потребляющим растительную пищу.

Органический фосфор, находящийся в растительном опаде, отмерших растительных и животных остатках в результате бактериальных преобразований в почве, трансформируется в фосфаты. Воздействующие на них фосфаторазрушающие бактерии продолжают биологический круговорот фосфора, переводя его в растворимую форму, которая, попадая в водную среду, принимает участие в геологическом круговороте.

Круговорот фосфора в биосфере не замкнут, так как часть его поступает в литосферу. Лишь небольшое количество фосфора безвозвратно теряется при геологических процессах, а часть — аккумулируется вместе с осадками. С речными стоками, согласно сделанным подсчетам, в Мировой океан поступает ежегодно около 3-4 млн. т. фосфора, который исключается из круговорота.

В морях и океанах фосфор концентрируется в виде фосфатных конкреций, которые в процессе седиментогенеза с течением времени превращаются в фосфориты. В зоне апвеллинга, когда происходит подъем глубинных вод, фосфор вместе с другими биогенными элементами и питательными веществами выносится на поверхность и поэтому зоны апвеллинга необычайно богаты организмами.

В почве и природных водах фосфор всегда находится в дефиците. Соотношение фосфора и азота в природных водах составляет в среднем 1:23 (в реках и ручьях 1:28), в биомассе 1:16. Это определенным образом тормозит биологическую продуктивность Земли. Хотя часть фосфора из Мирового океана естественным путем возвращается на сушу птицами и с выловленной рыбой, общий объем возврата фосфора явно меньше количества выноса его в гидросферу.

В течение XX в. в результате хозяйственной деятельности человека цепочка круговорота фосфора в биосфере оказалась нарушенной. Этому способствовали производство фосфорных удобрений и широкое их применение в сельском хозяйстве, получение в промышленных масштабах различных фосфорсодержащих препаратов, производство продовольствия и кормов, развитие рыбного промысла, добыча морских моллюсков и водорослей. Эти действия прямым образом отразились на круговороте фосфора и привели к перераспределению содержания фосфатов на суше и в гидросфере. Наблюдается также крайне неравномерная концентрация фосфора на земной поверхности. Его больше в местах развития сельского хозяйства, где происходит малообратимая аккумуляция органических соединений фосфора. Эрозия почв, смыв удобрений, органических отходов и экскрементов поверхностными водами, сбросы канализационных стоков приводят к сильнейшему фосфорному загрязнению рек, озер и прибрежных областей Мирового океана. Происходит фосфатизация почв, рек, водоемов суши, прибрежных участков морей, особенно в области дельт, заливов и эстуариев.

Пример лугового круговорота

Важное значение имеют все звенья, обозначенные в примере. Круговорот веществ на лугу — необходимое условие для существования данного сообщества

Почва способна обогащаться полезными веществами и элементами только благодаря деятельности ее обитателей — микроорганизмов-детритофагов, червей, мокриц и прочих существ. Без этого условия растениям будет недоставать неорганики для фотосинтеза и роста, а значит, будет в дефиците и органическое вещество, которое они производят. Такое, как крахмал, целлюлоза, белок и прочие. Это приведет к сокращению численности животных и птиц, а значит, и органического вещества в целом. Пострадают в итоге и детритофаги, так цикл нарушится.

Круговорот веществ на лугу можно проиллюстрировать и более конкретным примером. Попробуем составить такую схему.

• Минеральные соли, вода, углекислый газ, кислород потребляет ромашка аптечная.
• Пчела медоносная опыляет обозначенное растение и поедает его пыльцу, то есть углеводы и белки.
• Пчелоед и осоед склевывают пчелу медоносную и потребляют органическое вещество ее тела (хитин, белок, углеводы).
• Луговая полевка и другие мелкие грызуны и более крупные виды поедают органическую составляющую растений и насекомых.
• Пустельга (птица) поедает грызунов и потребляет питательные вещества.
• После смерти все животные и насекомые попадают на землю, где их тело подвергается разложению на составляющие соединения деятельностью микроорганизмов, червей, мокриц и других детритофагов.
• В результате почва снова насыщается неорганическими солями, водой и прочими соединениями, которые поглощают корни растений.

Круговорот веществ

Все эти слои составляют биосферу. Что такое круговорот биологический? Это когда вещества перемещаются по всей биосфере, а именно в почве, воздухе, в живых организмах. Это бесконечная циркуляция и называется биологическим круговоротом

Важно знать и то, что все начинается и заканчивается в растениях

Под круговоротом веществ скрывается неимоверно сложный процесс. Какие-либо вещества из почвы и атмосферы попадают в растения, затем в другие живые организмы. Тогда в телах, которые их поглотили, начинают активно вырабатывать другие сложные соединения, после чего последние выбираются наружу. Можно сказать, что это процесс, в котором выражается взаимосвязь всего на нашей планете. Организмы взаимодействуют между собой, только так мы и существуем по сей день.

Атмосфера не всегда была такой, какой мы ее знаем. Ранее наша воздушная оболочка очень сильно отличалась от нынешней, а именно была насыщена углекислым газом и аммиаком. Как же тогда появились люди, которые для дыхания используют кислород? Нам стоит поблагодарить зеленые растения, которые смогли привести состояние нашей атмосферы в нужный для человека вид. Воздух и растения поглощаются травоядными животными, они же входят в меню хищников. Когда животные умирают, то их остатки перерабатывают микроорганизмы. Именно так получается гумус, необходимый для роста растений. Как видите, круг замкнулся.

Фосфор

Значение биологического круговорота достаточно велико. Даже если мы возьмем фосфор, то он содержится в большом количестве в костях, необходим для растений. Главный источник – это апатит. Его можно встретить в магматической породе. Живые организмы способны его доставать из:

• почвы;
• водных ресурсов.

Он содержится и в организме человека, а именно входит в состав:

• белков;
• нуклеиновой кислоты;
• костной ткани;
• лецитинов;
• фитинов и так далее.

Именно фосфор необходим для накопления энергии в организме. Когда организм гибнет, то он возвращается в почву или в море. Это способствует образованию пород, богатых фосфором. Это имеет большое значение в биогенном цикле.

Круговорот кислорода

В функционировании биосферы кислород играет исключительно важную роль в процессах обмена веществ и дыхании живых организмов. Уменьшение количества кислорода в атмосфере в результате процессов дыхания, сжигания топлива и гниения компенсируется кислородом, выделяемым растениями при фотосинтезе.

Кислород образовывался в первичной атмосфере Земли при ее остывании. В силу своей высокой реакционной способности он переходил из газообразного состояния в состав различных неорганических соединений (карбонатов, сульфатов, оксидов железа и др.). Сегодняшняя кислородсодержащая атмосфера планеты образовалась исключительно за счет осуществляемого живыми организмами фотосинтеза. Содержание кислорода в атмосфере повышалось до нынешних значений в течение длительного времени. Поддержание его количества на постоянном уровне в настоящее время возможно только благодаря фотосинтезирующим организмам.

К сожалению, в последние десятилетия деятельность человека, приводящая к вырубке лесов, эрозии почв, снижает интенсивность фотосинтеза. А это, в свою очередь, нарушает естественный ход круговорота кислорода на значительных территориях Земли.

Небольшая часть кислорода атмосферы участвует в процессах образования и разрушения озонового экрана при действии ультрафиолетового излучения Солнца.

Специфика

Для успешного осуществления круговорота важно разнообразие животных. Один вид не сможет расщепить в биогеоценозе до конечных продуктов органические вещества растений

Он расщепляет только часть их, а также некоторые органические соединения, находящиеся в них. Подобным образом формируются сети и цепи питания.

В биоценозе атмосфера имеет важное значение. Она способствует поддержанию биологического круговорота энергии и веществ, а также обеспечению водного баланса

Загрязнитель может разлагаться до форм, которые могут вовлекаться в последующие этапы круговорота и усваиваться живыми организмами.

Базируется цикл на разложении и поглощении загрязнителей микроорганизмами, зависит он от активности и количественного показателя химических элементов, принимающих непосредственное участие в круговороте.

Экосистемой называют сумму неорганических и органических компонентов, внутри которой происходит биотический круговорот веществ.

Круговорот воды

Мы уже обозначили, что самый важный и исторически сложившийся жизненный процесс — это круговорот веществ в природе

Вода является тем неорганическим соединением, значение которого особенно важно и масштабно. Поэтому то, как происходит ее циркуляция, рассмотрим в общих чертах

1. Огромное количество воды сосредоточено на поверхности нашей планеты в водоемах разного рода. Это моря и океаны, болота, реки, озера, ручьи, искусственные сооружения. С их поверхности происходит постоянное испарение влаги, то есть вода в виде пара переходит в слои атмосферы.
2. Почва, как ее наружная, так и внутренняя часть, также содержит много влаги. Это подземные или грунтовые воды. С поверхности пар поступает в атмосферу, с внутренних слоев стекает в водоемы, а оттуда испаряется.
3. Конденсируясь в атмосфере, вода постепенно достигает максимума и начинает возвращаться на землю в виде осадков. Зимой это снег, летом — дождь.
4. Растения принимают активное участие в поглощении и транспирации воды, так как проносят через себя огромное ее количество.

Таким образом, круговорот воды и круговорот веществ в природе обеспечивают нормальное состояние любой экосистемы, а значит, и организмов.

Взаимосвязь элементов

Отдельное звено экосистемы в окружающую среду поставляет органические остатки. Они и служат источником энергии и пищи для животных-сапрофагов (грибов, бактерий). Завершающим этапом превращения углевода является процесс гумификации, последующее окисление гумуса до углекислого газа, минерализация зольных фрагментов. Они потом снова попадают в атмосферу и в почву, являясь пищей для растений.

Биотический круговорот является непрерывным процессом создания и разрушения органических соединений. Реализуется он посредством всех трех групп организмов. Невозможна жизнь без продуцентов, так как именно они являются основой жизни. Только у них есть способность создавать первичное органическое вещество, без которого не будет протекать последующий круговорот.

Благодаря потреблению консументов разных порядков первичной и вторичной продукции, перевода из одного вида в другой, на Земле возможно многообразие форм. Редуценты, которые разлагают органику, возвращают его к первому этапу круговорота.

Масштабные циклы миграции химических компонентов связывают наружные оболочки планеты в одно целое, они объясняют непрерывность эволюции.

В качестве движущей силы биотического круговорота выступает энергия Солнца. Основным процессом, способствующим получению органического вещества, является фотосинтез. Он возможен только при применении зелеными растениями солнечной энергии.

Листья растений (автотрофов), которые синтезируют глюкозу, «консервируют» солнечную энергию в органическое соединение. Попадая в биосферу из космоса, энергия скапливается и в растениях, и в горных породах, и в почве. Солнце обеспечивает круговорот химических элементов, позволяет образовывать поочередно неорганические или органические вещества.

Круговорот ртути

Этот редко встречаемый химический элемент очень токсичен. Сильной токсичностью обладают и соединения ртути. В природе ртуть рассеяна в земной коре и очень редко встречается в таких минералах, как киноварь, где она содержится в концентрированном виде. Ртуть участвует в круговороте веществ, мигрируя в газообразном состоянии и в водных растворах.

В атмосферу ртуть поступает из гидросферы при испарении, вместе с вулканическими газами и газами из термальных источников. Часть газообразной ртути переходит в твердую фазу и удаляется из воздушной среды. Выпавшая вместе с атмосферными осадками ртуть поглощается почвенными растворами и глинистыми породами. Ртуть в небольших количествах содержится в нефти и каменном угле (до 1 мг/кг). В водной массе океанов ее количество составляет около 1,6 млрд. т., в донных осадках заключено около 500 млрд. т., а в планктонных организмах находится до 2 млн. т. ртути и ее соединений. Речными водами ежегодно с суши выносится около 40 тыс. т. ртути, что на порядок меньше, чем поступает в атмосферу при испарении.

В результате усилившихся техногенных выбросов в атмосферу и гидросферу ртуть из естественного компонента природной среды, участвующего во всех круговоротах, превратилась в весьма опасный компонент для здоровья человека и живого вещества. Ртуть применяют в металлургической, химической, электротехнической, электронной, целлюлозно-бумажной и фармацевтической промышленности, используют для производства взрывчатых веществ, люминесцентных ламп, лаков и красок. Промышленные стоки и атмосферные выбросы, горно-обогатительные фабрики при ртутных рудниках, теплоэнергетические установки, использующие минеральное топливо, являются главными источниками загрязнения биосферы этим токсичным компонентом. Кроме того, ртуть входит в состав некоторых пестицидов, которые используют в сельском хозяйстве для протравливания семян и защиты их от вредителей. В организм человека ртуть и ее соединения поступают вместе с пищей.

Понятие о круговороте веществ

Круговорот веществ в биосфере — цикличный, многократно повторяющийся процесс совместного, взаимосвязанного превращения и перемещения веществ. Наличие круговорота веществ является необходимым условием существования биосферы. После использования одними организмами вещества должны переходить в доступную для других организмов форму. Такой переход веществ от одного звена к другому требует энергетических затрат, поэтому возможен только при участии энергии Солнца. С использованием солнечной энергии на планете протекают два взаимосвязанных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биологический (биотический).

Геологический круговорот веществ — процесс миграции веществ, осуществляемый под влиянием абиотических факторов: выветривания, эрозии, движения вод и т. д. Живые организмы участия в нем не принимают.

С возникновением на планете живого вещества появился биологический (биотический) круговорот. В нем принимают участие все живые организмы, поглощающие из окружающей среды одни вещества и выделяющие другие. Например, растения в процессе жизнедеятельности потребляют из окружающей среды углекислый газ, воду, минеральные вещества и выделяют кислород. Животные используют выделенный растениями кислород для дыхания. Они поедают растения и в результате пищеварения усваивают образовавшиеся в процессе фотосинтеза органические вещества. Выделяют углекислый газ и непереваренные остатки пищи. После отмирания растения и животные образуют массу мертвого органического вещества (детрит). Детрит доступен для разложения (минерализации) микроскопическими грибами и бактериями. В результате их жизнедеятельности в биосферу поступает дополнительное количество углекислого газа. А органические вещества превращаются в исходные неорганические компоненты — биогены. Образовавшиеся минеральные соединения, попадая в водоемы и почву, снова становятся доступны растениям для фиксации посредством фотосинтеза. Такой процесс повторяется бесконечно и носит замкнутый характер (круговорот). Например, весь атмосферный кислород проходит по этому пути примерно за 2 тыс. лет, а углекислому газу для этого требуется около 300 лет.

Энергия, заключенная в органических веществах, по мере перемещения в пищевых цепях уменьшается. Большая часть ее рассеивается в окружающей среде в виде тепла или расходуется на поддержание процессов жизнедеятельности организмов. Например, на дыхание животных и растений, транспорт веществ у растений, а также на процессы биосинтеза живых организмов. К тому же образовавшиеся в результате деятельности редуцентов биогены не содержат доступной для организмов энергии. В данном случае можно говорить лишь о потоке энергии в биосфере, но не о круговороте. Поэтому условием устойчивого существования биосферы является постоянно протекающий в биогеоценозах круговорот веществ и поток энергии.

Геологический и биологический круговороты в совокупности формируют общий биогеохимический круговорот веществ, основу которого составляют циклы азота, воды, углерода и кислорода.

Подведем итоги

В биосфере вещества циркулируют, формируя биогеохимические круговороты. Для них в больших количествах нужны следующие элементы: кислород, азот, углерод, водород. Циркуляция их возможна благодаря саморегулирующимся процессам, в которых активными участниками становятся другие компоненты экосистем.

На всех этапах развития биосферы действует закон глобального замыкания круговорота. Основой подобного процесса является солнечная энергия, а также хлорофилл зеленых растений.

Для полного разложения органического вещества, которое создается зелеными растениями, необходимо столько же кислорода, сколько и выделяется в ходе фотосинтеза. Благодаря захоронению органики в торфе, угле, осадочных породах в атмосфере поддерживаетсяобменный фонд кислорода.

В результате увеличения количества транспорта, промышленных предприятий нарушается круговорот кислорода в природе. Это негативно отражается на жизнеспособности биосистемы, приводит к мутациям и полному вымиранию некоторых видов живых растений и животных.