Биологический круговорот веществ — это фундамент, на котором строится вся жизнь на Земле, невидимая сила, поддерживающая в равновесии всю сложную сеть экосистем нашей планеты. Он является ключевым принципом экологии, которым природа руководствуется в бесконечной игре создания, использования и перераспределения ресурсов.

Значение биологического круговорота для экосистем

Биологический круговорот лежит в основе поддержания жизни и функционирования всех живых систем на планете. Эти круговороты обеспечивают постоянное обновление и циркуляцию критически важных химических элементов, таких как углерод, азот, кислород и фосфор, между организмами и окружающей их средой.

Вот несколько основных аспектов, иллюстрирующих значение биологического круговорота для экосистем:

1
Поддержание жизнедеятельности: Через процессы, такие как фотосинтез, дыхание и минерализация, биологический круговорот возвращает в экосистему важные для жизни элементы в доступной для организмов форме. Так, растения поглощают углекислый газ и воду для производства органического вещества, которое затем используется животными и микроорганизмами.
2
Устойчивость экосистем: Биологический круговорот помогает поддерживать баланс экосистемы, предотвращая избыток или недостаток важных элементов, что может приводить к нарушению экологического равновесия и сокращению биоразнообразия.
3
Почвообразование: Микроорганизмы, действуя в качестве редуцентов, разлагают органические вещества до минералов, обогащая почву и способствуя ее плодородию, что важно для роста растений и сельского хозяйства.
4
Рециркуляция питательных веществ: Круговорот веществ предотвращает «истощение» экосистемы, так как питательные вещества, использованные одними организмами, возвращаются в среду и снова становятся доступными для других организмов.
5
Регулирование климата: Например, углеродный круговорот имеет решающее значение для регулирования уровня углекислого газа в атмосфере, который влияет на глобальный климат и парниковый эффект.
6
Самоочищение водных систем: Круговороты помогают поддерживать качество воды, удаляя отходы и токсины через естественные биохимические процессы.

Определение и основные понятия

Биологический круговорот – это непрерывный и замкнутый процесс обмена веществами и элементами между живыми организмами и их физической средой, позволяющий поддерживать биологическое равновесие и устойчивость экосистем.

В рамках биологического круговорота основные понятия включают:

Продуценты (автотрофы): Организмы, способные производить органические вещества из неорганических, обычно путем фотосинтеза или хемосинтеза. Растения, водоросли и некоторые бактерии являются типичными продуцентами.
Консументы (гетеротрофы): Живые существа, питающиеся органическими веществами, которые они не могут произвести сами; включают все животные, некоторые растения и микроорганизмы.
Редуценты (деструкторы): Микроорганизмы, такие как бактерии и грибы, разлагающие органические вещества мертвых организмов и отходов, возвращая их обратно в почву, воду и атмосферу для повторного использования продуцентами.
Биогеохимические циклы: Процессы переноса и трансформации химических элементов через биологические, геологические и химические пути. Они включают водный цикл, углеродный цикл, азотный цикл и др.
Трофические уровни: Различные уровни в цепочке питания, начиная с первичных продуцентов и затем к первичным и вторичным консументам и так далее.
Экосистемные услуги: Польза, которую природные системы предоставляют человечеству, в том числе очистка воды, опыление растений, регулирование климата и плодородие почвы.

Ключевые типы круговоротов веществ в природе

В природе существует несколько ключевых круговоротов веществ, которые играют жизненно важную роль в поддержании экосистем. Основные из них – это круговороты углерода, азота, фосфора и воды.

Каждый из этих круговоротов уникален по своему механизму и имеет решающее значение для поддержания жизни на Земле.

1
Круговорот воды (гидрологический цикл): Включает испарение воды с поверхности океанов и суши, транспирацию через растения, конденсацию паров в атмосфере с последующими осадками в виде дождя или снега, и сток, который возвращает воду в реки, озера и океаны.
2
Круговорот углерода: Основан на обмене углерода между атмосферой, биосферой, гидросферой и литосферой. Этот процесс включает фотосинтез, где растения захватывают углекислый газ и преобразуют его в органические вещества, которые затем используются в питательных цепях, и клеточное дыхание, которое высвобождает углекислый газ обратно в атмосферу.
3
Круговорот азота: Включает фиксацию атмосферного азота некоторыми видами бактерий, создающих биологически доступные формы азота, аммонификацию, нитрификацию и денитрификацию. Эти процессы превращают азот из одной формы в другую, что позволяет ему переходить от неживой природы к живым организмам и обратно.
4
Круговорот фосфора: Не содержит газовую фазу и проходит медленнее других круговоротов. Фосфор перемещается между почвой, водой, живыми организмами и осадочными породами. Он необходим для формирования ДНК, РНК, АТФ и фосфолипидов клеточных мембран.
5
Серный круговорот: Включает атмосферный сероводород, минеральные осадки сульфидов и сульфаты. Сера — важный элемент для белков, витаминов и некоторых гормонов. Круговорот создает окисление и восстановление между неорганическими и органическими формами серы.

Круговороты тесно связаны друг с другом и часто перекрещиваются; например, процессы фотосинтеза и дыхания включены как в круговороте углерода, так и в гидрологическом цикле.
Расстройство в одном круговороте может вызвать нарушения в других, что делает поддержание этих циклов критически важным для здоровья и устойчивости наших экосистем.

Примеры схем для различных круговоротов

Для лучшего понимания этих круговоротов часто используются схемы, которые представляют основные шаги и взаимосвязи в этих процессах. Вот несколько примеров схем для биологических круговоротов углерода, азота и фосфора:

Схема круговорота углерода:

  1. Включение углекислого газа (CO₂) из атмосферы в ткани растений через фотосинтез.
  2. Перемещение углерода по пищевой цепи, когда животные питаются растениями или другими животными.
  3. Возвращение углерода в атмосферу в результате дыхания растений, животных и микробов.
  4. Высвобождение углекислого газа при разложении органических веществ микроорганизмами (разложение).
  5. Захоронение углерода в виде ископаемого топлива и медленное его высвобождение из-за человеческой деятельности, такой как сжигание ископаемого топлива.

Схема круговорота азота:

  1. Фиксация молекулярного азота (N₂) из атмосферы нитрофиксирующими бактериями в аммиак (NH₃).
  2. Преобразование аммиака в нитриты (NO₂⁻) и затем в нитраты (NO₃⁻) нитрифицирующими бактериями.
  3. Усвоение нитратов растениями и их использование для синтеза аминокислот и белков.
  4. Передача азота по пищевой цепи через потребление.
  5. Возвращение азота в почву в форме аммиака и аминов при разложении отходов животных и остатков растений.
  6. Денитрификация нитратов денитрифицирующими бактериями, приводящая к выделению азота обратно в атмосферу.

Схема круговорота фосфора:

  1. Высвобождение фосфата (PO₄³⁻) в почву и водоемы из-за эрозии и выветривания пород, содержащих фосфор.
  2. Поглощение растворимых фосфатов растениями и их использование в биологических молекулах, таких как ДНК, РНК и АТФ.
  3. Транспортировка фосфора по пищевой цепи, когда животные поедают растения или друг друга.
  4. Возвращение фосфора в почву с экскрементами животных и разложением органического вещества.

Вы любили изучать биологию в школе?
Да!Нет

Этапы биологического круговорота веществ

Эти этапы состоят из серии процессов, через которые элементы перемещаются между органическими и неорганическими формами, а также между различными компонентами экосистемы – атмосферой, гидросферой, литосферой и биосферой.

Ниже представлены обобщенные этапы биологического круговорота веществ, взятые в разрезе общих принципов:

  1. Производство органических молекул: Происходит синтез органических соединений из неорганических, часто в ходе таких процессов, как фотосинтез у растений, водорослей и некоторых бактерий.
  2. Потребление: Органические вещества переходят из производителей (например, растений) к потребителям (например, животным), когда те питаются растительной или животной пищей.
  3. Метаболизм и ассимиляция: Живые организмы преобразуют поглощенные органические молекулы в энергию и собственные биологические молекулы через метаболические пути, включая дыхание и биохимические синтезы.
  4. Разложение: Микроорганизмы, такие как бактерии и грибы, разлагают органические останки и продукты жизнедеятельности, переводя их обратно в неорганическую форму.
  5. Минерализация: Процесс, с помощью которого микроорганизмы преобразуют питательные вещества из органического в неорганическое состояние, делая их доступными для дальнейшего использования растениями.
  6. Восстановление неорганических молекул: В ходе некоторых круговоротов, в частности азотного, специализированные микроорганизмы используют различные формы неорганических молекул для их восстановления до более простых соединений, таких как азот и сероводород, которые затем могут возвращаться в атмосферу или использоваться для нового цикла фиксации.
  7. Абиотическая трансформация: Неорганические питательные вещества изменяют свою форму также в результате абиотических процессов, таких как испарение, осаждение, окисление и восстановление.

Каждый из этих этапов включает множество специализированных процессов и видов деятельности – от захвата света и фиксации углекислого газа растениями до процессов фиксации и денитрификации бактериями.

Именно благодаря этому сложному взаимодействию биотических и абиотических компонентов, круговороты веществ поддерживают жизнь на Земле, делая питательные вещества доступными для всех форм жизни.

Биологический круговорот веществ в природе

Влияние человека на биологические круговороты

Человеческая деятельность оказывает значительное влияние (часто отрицательное) на биологические круговороты, приводя к изменениям в естественных процессах, иногда с далеко идущими последствиями для экосистем и климата на планете.

Ниже приведены некоторые примеры такого влияния:

Круговорот углерода
  • Сжигание ископаемого топлива для производства энергии значительно увеличивает количество углекислого газа (CO₂) в атмосфере, вызывая парниковый эффект и глобальное потепление.
  • Обезлесение и уничтожение тропических лесов уменьшают способность биосферы поглощать CO₂ из атмосферы, дополнительно усиливая климатические изменения.
Круговорот азота
  • Искусственное производство и использование азотных удобрений в сельском хозяйстве приводят к насыщению почв и водных систем избыточным азотом, что может вызывать эвтрофикацию и снижение биоразнообразия.
  • Выбросы оксидов азота из легковых и грузовых транспортных средств, электростанций и промышленных предприятий способствуют образованию смога и кислотных дождей, негативно влияя на экосистемы.
Круговорот фосфора
  • Интенсивный горнодобывающий промысел и применение фосфатных удобрений также могут вызвать эвтрофикацию водных объектов, приводя к росту водорослей и уменьшению кислородного баланса в воде.
  • Строительство дамб и изменение водного режима водоемов препятствуют естественному движению фосфора в экосистемах.
Круговорот воды
  • Разведение ирригационных систем и строительство плотин меняют естественный поток воды, что может привести к уменьшению биоразнообразия и нарушению водного баланса.
  • Урбанизация и застройка уменьшают площадь естественных водопоглощающих поверхностей, что усиливает поток поверхностного стока и может повышать риск наводнений.
Общие последствия для экосистем
  • Комбинированное воздействие изменений в круговоротах веществ увеличивает уровни загрязнения, изменяет климат, вызывает сокращение видового разнообразия и нарушает функции экосистем.
  • Введение инвазивных видов изменяет местные круговороты питательных веществ и давление на экосистемы, что может привести к вытеснению родных видов и разрушению трофических цепей.

Заключение

Понимание биологического круговорота веществ предоставляет глубокие знания о сложных взаимоотношениях и процессах, происходящих в природных экосистемах. Только через призму этих непрерывных циклов мы можем оценить невероятную способность природы к саморегуляции и поддержанию жизни на нашей планете. Человеческая деятельность, несомненно, оказывает значительное воздействие на эти круговороты, часто нарушая их баланс и внося изменения в хрупкие экосистемы.