Какую роль в природе играет биологический круговорот. Роль растений в природе. Что такое фотосинтез

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.

Грибы и бактерии разлагают остатки отмерших организмов. Они превращают органические вещества в неорганические, которые вновь потребляются растениями. Таким образом, бактерии и грибы - это организмы-разрушители. При разложении органических веществ выделяется тепло, т. е. энергия, которая была когда-то поглощена от Солнца растениями. Если бы исчезли организмы-разрушители, была бы отравлена биосфера, так как многие продукты распада органических веществ ядовиты.

Таким образом, живые организмы переносят вещество и энергию из одних частей биосферы в другие. Такой перенос веществ и энергии образует биологический круговорот. Как и круговорот воды, он связывает в единое целое все части природы. Нарушение биологического круговорота человеком грозит катастрофическими последствиями.

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.

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.

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. По количеству живого вещества на единицу площади океан близок к континентальным пустыням.

В наши дни растения и животные преобразуют природную среду. Примером тому могут служить коралловые рифы в океане, отложения торфа на болотах, распространение лишайников, расселение водорослей, разрушающих горы, и микроорганизмов. В биологическом круговороте участвуют практически все химические элементы периодической системы Д. И. Менделеева, но среди них выделяются основные, жизненно необходимые.

Углерод. Источники углерода в природе столь же многочисленны, сколь и разнообразны. Между тем только углекислота, находящаяся либо в газообразном состоянии в атмосфере, либо в растворенном состоянии в воде, представляет собой тот источник углерода, который служит основой для переработки его в органическое вещество живых существ. Захваченная растениями углекислота в процессе фотосинтеза превращается в сахар, а другими процессами биосинтеза преобразуется в протеиды, липиды и т. д. Эти различные вещества служат углеводным питанием животным и не зеленым растениям. С другой стороны, все организмы дышат и выбрасывают в атмосферу углерод в форме углекислоты. Когда же наступает смерть, то сапрофаги разлагают и минерализуют трупы, образуя цепи питания, в конце которых углерод нередко вновь поступает в круговорот в форме углекислоты (так называемое «почвенное дыхание»). Накапливающиеся мертвые растительные и животные остатки замедляют круговорот углерода: животные-сапрофаги и сапрофитические микроорганизмы, обитающие в почве, превращают накопившиеся на ее поверхности остатки в гумус. Скорость воздействия организмов на гумус далеко не одинакова, а цепи грибов и бактерий, приводящие к окончательной минерализации углерода, бывают различной длины. Как правило, гумус разлагается быстро.
Иногда цепь может быть короткой и неполной. В этом случае цепь консументов лишается возможности действовать из-за недостатка воздуха или слишком высокой кислотности, в результате чего органические остатки накапливаются в форме торфа и образуют торфяные болота. В некоторых торфяных болотах с пышным покровом из сфагновых мхов слой торфа достигает 20 м и более. Здесь круговорот и приостанавливается. Скопления ископаемых органических соединений в виде и нефти свидетельствуют о том, что круговорот замедлился в масштабах геологического времени.

В воде также происходит замедление круговорота углерода, поскольку углекислота здесь накапливается в виде мела, известняка, доломита или кораллов. Часто эти массы углерода остаются вне круговорота в течение целых геологических периодов, пока они не поднимутся над уровнем моря. С этого момента в результате растворения известняка и или под воздействием лишайников, а также корней цветковых растений начинается включение углерода и кальция в круговорот.

АЗОТ. Круговорот азота довольно сложен. содержит 78% азота, однако, для того чтобы он мог быть использован подавляющим большинством живых организмов, он должен быть зафиксирован в виде определенных химических соединений. Фиксация азота происходит в процессе вулканической деятельности, при грозовых разрядах в атмосфере, при сгорании метеоритов. Однако несравненно большее значение в процессе фиксации азота имеют микроорганизмы как свободно живущие, так и обитающие на корнях, а иногда и на листьях некоторых растений. Из свободно живущих бактерий азот фиксируют аэробные организмы (т. е. обитающие при доступе кислорода), а также анаэробные (т. е. обитающие без доступа кислорода). Количество азота, фиксируемого такими свободно живущими бактериями, составляет от 2 — 3 кг до 5 - 6 кг на 1 га в год. Определенную роль в фиксации азота играют, видимо, обитающие в почве сине-зеленые водоросли.

Поступая в почву с продуктами обмена веществ и остатками растений и животных, органические вещества разлагаются до минеральных, при этом бактерии переводят азот органических веществ в соли аммония.

Способность азота в широких пределах менять валентность определяет его специфическую роль в создании разнообразных органических соединений.

Большой на поверхности земного шара хорошо известен. Вызываемое солнечной энергией испарение с водных пространств создает атмосферную влагу. Эта влага конденсируется в виде облаков, переносимых ветром. При охлаждении облаков выпадают осадки в виде дождя и снега. Осадки поглощаются почвой или стекают по ее поверхности. Вода возвращается в моря и океаны. Количество воды, испаряемой растениями, обычно велико. Если влаги и воды для растений много, испарение увеличивается. Одна береза испаряет за день 75 л воды, бук- 100 л, липа -200 л, а 1 га леса - от 20 до 50 тыс. л. Березняк, масса листвы которого на 1 га составляет лишь 4940 кг, испаряет 47 тыс. л воды в день, тогда как ельник, масса хвои которого на 1 га равна 31 тыс. кг. — только 43 тыс. л волы в лень. Пшеница на 1 га использует за период развития 3750 т воды, что соответствует 375 мм осадков.

Кислород в количественном отношении - главная составляющая живой материи. Если учитывать воду в тканях, то, например, тело человека содержит 62,8% кислорода и 19,4% углерода. Если рассматривать в целом, кислород по сравнению с углеродом и водородом является ее основным элементом.

Круговорот кислорода усложняется тем, что этот элемент может образовывать многочисленные химические соединения. В результате возникает множество промежуточных циклов между и атмосферой или между и двумя этими средами.

Кислород, начиная с определенной концентрации, очень токсичен для клеток и тканей даже у аэробных организмов. Французский ученый Луи Пастер (1822 — 1895) доказал, что никакой живой анаэробный организм не может выдержать концентрацию кислорода, превышающую атмосферную на 1% (эффект Пастера).

Круговорот кислорода происходит в основном между атмосферой и живыми организмами. Процесс продуцирования и выделения кислорода в виде газа во время фотосинтеза противоположен процессу его потребления при дыхании. При этом происходит разрушение органических веществ и взаимодействие кислорода с водородом. В некотором отношении круговорот кислорода напоминает обратный круговорот углекислого газа: движение одного происходит в направлении, противоположном движению другого.

Сера. Преобладающая часть круговорота этого элемента имеет осадочную природу и происходит в почве и воде. Основной источник серы, доступный живым существам, - это всевозможные сульфаты. Хорошая растворимость в воде многих сульфатов облегчает доступ неорганической серы в экосистемы. Поглощая сульфаты, растения их восстанавливают и вырабатывают серосодержащие аминокислоты.

Различные органические отбросы биоценоза разлагаются бактериями, которые, в конце концов, вырабатывают сероводород из сульфопротеинов, содержащихся в почве. Некоторые бактерии тоже могут вырабатывать сероводород из сульфатов, восстанавливаемых ими в анаэробных условиях. Эти бактерии, утилизируя сульфаты, получают необходимую для их обмена веществ энергию.

С другой стороны, существуют бактерии, способные опять окислить сероводород до сульфатов, что вновь увеличивает запас серы, доступной продуцентам. Подобные бактерии называются хемосинтезирующими, так как они могут вырабатывать клеточную энергию без участия света, только за счет окисления простых химических веществ. Итак, в биосфере осадочные породы содержат основные запасы серы, которая встречается главным образом в виде пирита, а также и сульфатов, например гипс.

Фосфор. Круговорот фосфора относительно прост и весьма неполон. Фосфор - один из основных составляющих элементов живого вещества, в котором он содержится довольно в большом количестве. Запасы фосфора, доступные живым существам, полностью сосредоточены в литосфере. Главные источники неорганического фосфора - изверженные породы (например, апатиты) или осадочные породы (например, фосфориты). Минеральный фосфор - редкий элемент в биосфере, в земной коре его не больше 1%, что является основным фактором, лимитирующим продуктивность многочисленных экосистем. Неорганический фосфор из пород земной коры вовлекается в циркуляцию путем выщелачивания и растворения в континентальных водах. Он попадает в экосистемы суши, поглощается растениями, которые при его участии синтезируют различные органические соединения, и таким образом включается в трофические связи. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ возвращаются в землю, где вновь подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в минеральные ортофосфаты, готовые к употреблению зелеными растениями и другими автотрофами (от греч. autos — сам и trophe — пища, питание).

В водные экосистемы фосфор приносится текучими водами. Реки непрерывно обогащают океаны фосфатами, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов, расположенных на различных уровнях пищевых цепей пресноводных или морских водоемов. История любого химического элемента в ландшафте складывается из бесчисленного множества круговоротов, различных по масштабу и продолжительности. Противоположные процессы - биогенная аккумуляция и минерализация - образуют единый биологический круговорот атомов.

Тундровые ландшафты образуются в условиях холодного с коротким летним периодом и потому малопродуктивны. Низкие и почвы — первопричина многих особенностей тундры. С дефицитом тепла связаны и «волны жизни»: в годы с более теплым летом возрастает продукция живого вещества. Некоторые растения цветут в тундре только в благоприятные годы (например, иван-чай в арктической тундре). Растения в тундре растут медленно. Лишайники за год вырастают на 1 - 10 мм; можжевельник на с диаметром ствола 83 мм может иметь до 544 годичных колец. Сказывается не только влияние низких температур, но и отсутствие достаточного количества питательных элементов.

Во многих тундрах большую роль играют мхи и лишайники. Есть ландшафты, в которых они преобладают.

В тундре биомасса растений равна 170,3 u/га, из них 72% приходится на подземную часть. Ежегодный прирост биомассы составляет 23,5 ц/га, а ежегодный опад - 21,9 ц/га. Таким образом, истинный прирост, равный разности между приростом и опадом, очень мал - 1,6 ц/га (в северной тайге - 10 ц/га, в южной тайге - 30 ц/га, во влажных тропиках — 75 ц/га).

Из-за низкой температуры разложение остатков организмов в тундре протекает медленно, многие группы микроорганизмов не функционируют или же работают очень слабо (бактерии, разлагающие клетчатку, и др.). Это ведет к накоплению органических веществ на поверхности и в почве.

Широколиственные леса в России распространены в европейской части, на , . Это все регионы влажного умеренно-теплого климата. Биомасса здесь не намного меньше, чем во влажных тропиках (3000 5000 ц/га), но ежегодная продукция и зеленая ассимилирующая масса меньше в несколько раз. Продукция колеблется от 80 до 150 ц/га (во влажных тропиках — 300 - 500 ц/га), зеленая ассимилирующая масса в дубравах составляет 1% биомассы и достигает 40 ц/га (8% и 400 ц/га во влажных тропиках).

Широколиственные деревья сравнительно богаты золой, особенно листья (до 5%). В золе листьев много Са - до 20% или 0,6 - 3,8% на сухое вещество, меньше К (0,15 - 2,0%) и Si (0,4 - 2,8%), еще меньше Mg, А1, Р, а также Fe, Mn, Na, С1.

В тайге биомасса не намного уступает влажным тропикам и широколиственным лесам. В южной тайге биомасса превышает 3000 ц/га и только в северной тайге понижается до 500 - 1500 ц/га. Зоомасса в тайге ничтожна (в южной тайге - 0,01% биомассы).

Более 60% биомассы представлено древесиной, состоящей из клетчатки (около 50%), лигнина (20 - 30%), гемицеллюлозы (более 10%).

Ежегодная продукция в южной тайге почти такая же, как в широколиственных лесах (85 ц/га против 90 ц/га в дубравах), в северной тайге - намного меньше (40 - 60 ц/га). Растительный опад в южной тайге меньше, чем в дубравах, и равен 55 ц/га (в дубравах 65 ц/га); в северной тайге еще меньше - 35 ц/га.

Влажные тропики занимают большие площади в экваториальной , Южной и Юго- , Центральной и . Еще шире они были распространены в прошлые геологические эпохи (с конца девона). Изобилие тепла сочетается здесь с изобилием осадков, тепло и влага не лимитируют единого биологического круговорота атомов. атомов происходит с одинаковой интенсивностью в течение всего года, периодичность миграции выражена слабо.
Обилие тепла и влаги определяет большую ежегодную продукцию живого вещества во влажных тропиках. Величина продукции здесь в 2 - 3 раза больше, чем в широколиственных лесах и тайге, и достигает 300 - 500 ц/га. По соотношениям биомассы и продукции, надземной и подземной, зеленой и незеленой биомассы и многим другим показателям влажные тропики также существенно не отличаются от других влажных лесных ландшафтов. Однако по количеству калия в биомассе влажные тропики отличаются от и широколиственных лесов. Биомасса животных во влажных тропиках составляет около 1% биомассы (45 ц/га). Это главным образом термиты, муравьи и другие низшие животные. По этому показателю влажные тропики резко отличаются от тайги, в которой накапливается лишь 3,6 ц/га зоомассы (0,01% биомассы). Разложение большой массы органических веществ насыщает воды углекислым газом и органическими кислотами. Основными элементами, попадающими в воду при биологическом круговороте, являются Si и Са, К. Mg, Al, Fe, Mn, S. В листьях тропических деревьев высоко содержание Si. При биологическом круговороте дождевыми водами из листьев вымывается большое количество N, Р, К, Са, Mg, Na, CI, S и других элементов.

Степи и пустыни близки по многим свойствам. Биомасса в степях на порядок меньше, чем в лесных ландшафтах, - от 100 до 350 ц/га. Большая ее часть в отличие от лесов сосредоточена в корнях (70 - 90%). Биомасса животных в степях около 6%. Ежегодная продукция составляет 13 - 50 ц/га, т. е. 30 - 50% биомассы.

Ежегодно в биологический круговорот атомов в степях вовлекаются сотни килограммов растворимых в воде веществ (на 1 га), т. е. значительно больше, чем в тайге (луговые степи - 700 кг/га; южная тайга - 155 кг/га). В луговых степях с опадом ежегодно возвращаются 700 кг/га растворимых в воде веществ, в сухих - 150 кг/га (в ельниках южной тайги — 120 кг/га). В опаде большую роль играют основания, полностью нейтрализующие органические кислоты.

В отличие от лесных ландшафтов в почвах степей накапливается в 20 - 30 раз больше органического вещества, чем в биомассе (в луговых степях - до 8000 ц/га гумуса; в сухих степях - 1000 - 1500 ц/га). Для степей и пустынь наиболее характерны Са, Na и Mg, которые накапливаются при засолении в водах, почвах и продуктах выветривания.

По минеральному составу все степные травы делят на три группы: злаки с высоким содержанием Si и невысоким содержанием N; бобовые со значительным накоплением К, Са и N; разнотравье, занимающее промежуточное положение.

Круговороты в природе и переход энергии из одного состояния в другое - естественный процесс. Этот процесс идет со времен формирования географической оболочки в течение сотен миллионов лет и будет продолжаться. Время влияния человеческой деятельности на естественные круговороты весьма кратко, мгновение по сравнению со временем формирования и существования земных сфер. Но, несмотря на это, быстро усиливающееся влияние человека на современном этапе приобретает глобальные масштабы.

Сегодня хозяйственная деятельность человека оказывает влияние на круговорот горных пород, ускоряя денудационные процессы. Распашка полей, орошение, обводнение, осушение и другие пути разрушения почвенного покрова увеличивают речные наносы, вынос минеральных частиц с поверхности суши текучими водами и ветрами. В результате увеличивается интенсивность осадконакоп-ления в океанах и морях, в озерах и во впадинах земной поверхности. Кроме того, гражданское и промышленное строительство, строительство каналов, водохранилищ, ГЭС, дорог, разработка месторождений полезных ископаемых и другие работы постепенно изменяют рельеф местности.

Разработка топливно-энергетических ресурсов и их сжигание приводят к изменениям в природной среде и вносят свою лепту в денудацию рельефа.
Влияние человека на атмосферную циркуляцию вызывает изменения климата Земли. В современных условиях есть три пути изменения глобального климата в результате хозяйственной деятельности человека:

увеличение концентрации углекислого газа в составе атмосферы;
увеличение в атмосфере количества свободной энергии;
увеличение концентрации атмосферных аэрозолей.

Сжигание во всевозрастающих объемах каменного угля, нефти и газа увеличивает концентрацию атмосферной углекислоты, что может привести к значительным изменениям климата нашей пла-неты. Углекислый газ (С02) обладает свойством свободно пропускать коротковолновую радиацию и препятствовать длинноволновой. Поэтому, беспрепятственно пропуская солнечную радиацию, он препятствует отраженному от Земли длинноволновому излучению. Создается "эффект парника". В результате в приземном слое атмосферы создается избыток тепла, и это может способствовать изменению климата.

Второй путь изменения климата также связан с хозяйственной деятельностью человека. Известно, что современное производство потребляет значительное количество искусственно выработанной энергии. Темпы выработки энергии постоянно растут, так как растут потребности в ее использовании. Эта энергия также может привести к "нагреванию" приземного слоя атмосферы. Нагревание атмосферы дополнительной энергией в совокупности с солнечной энергией может изменить климат планеты.

Искусственное накопление аэрозолей может иметь двоякое влияние на состояние климата. В результате хозяйственной деятельности человека концентрация атмосферных аэрозолей неуклонно растет. Аэрозольные частицы задерживают свободное проникновение солнечной радиации любой длины волны. Таким образом, увеличение аэрозолей в атмосфере может препятствовать солнечным лучам, и, недополучая энергию, климат земной поверхности рискует измениться в сторону похолодания. С другой стороны, препятствуя уходящему от Земли длинноволновому излучению, искусственные аэрозоли могут способствовать потеплению климата.

Основные виды влияния человека на круговорот воды в природе - это ежегодное увеличение потребления воды, в том числе безвозвратное водопотребление, регулирование режима стока рек в желаемом направлении, строительство водохранилищ и нарушение естественного режима увлажнения территорий в связи с ведением сельского хозяйства. В результате такой деятельности человека в одних регионах появляются цветущие оазисы, в других -возникают экологические катастрофы. Например, нынешнее положение Арала и Приаралья непосредственно связано с деятельностью человека. Арал - наглядный пример того, как хозяйственная деятельность человека приводит к нарушению водного баланса.

Человек пока еще не вносил изменения в циркуляцию океанических вод. Но при нынешнем уровне науки и техники он вполне может внести изменения и в этот процесс. Например, давно существуют проекты изменения климатических условий побережий Северного Ледовитого океана, тем самым имеется возможность по-* влиять на ледовый режим прибрежных морей, чтобы удлинить сроки навигации Северного морского пути. Данный вопрос поднимается и научно-популярной литературой. Суть проекта такова: на Беринговом проливе построить плотину, соединяющую берега Азии и Америки, и выкачивать воду Северного Ледовитого океана в Тихий океан. Через определенное время теплое течение Гольфстрима продолжит свой путь дальше обычного - к берегам России. И климат северных побережий России станет таким же, как на побережье Норвегии. Человечеству уже в настоящее время под силу осуществление подобных проектов, но к чему это может привести, трудно предугадать.

Среди естественных круговоротов наибольшее влияние человека испытывают биологический круговорот и миграции химических элементов. На биологический круговорот человек оказывает влияние, сжигая на огромных территориях лесные массивы и саванны, распахивая степи и прерии.
Углекислый газ (С02) антропогенного происхождения выбрасывается в атмосферу при сжигании энергоносителей на металлургических предприятиях, в химической промышленности и т.д. Соотношение естественной выработки углекислого газа и выбросов антропогенного происхождения составляет 1:200. Причем правая часть этого соотношения постоянно растет.

Основной "потребитель" углекислого газа - фотосинтез. Сжигание органического топлива, вырубка лесов, лесные пожары сокращают естественное "потребление" этого газа в процессе фотосинтеза и увеличивают его концентрацию в свободной атмосфере.
В результате фотосинтеза ежегодно вырабатывается огромное количество кислорода (02), обеспечивается устойчивый баланс этого газа в природе и возможность свободно дышать для всех живых организмов. Хозяйственная деятельность человека оказывает вли-яниена круговорот кислорода, уменьшает в основном его природные запасы. Процесс горения, уменьшение площади лесов, загрязнение поверхности Мирового океана и другие процессы, связанные с человеческой деятельностью, сокращают объем атмосферного кислорода.

Хозяйственная деятельность человека оказывает влияние и на круговорот азота (N) в природе. Этот газ в больших количествах вырабатывают промышленным путем. На его основе производят азотсодержащие удобрения. Внося эти удобрения в почву и рассеивая их над полями, люди заметно изменяют естественный круговорот азота. Интенсивное применение азотных удобрений привело к появлению проблемы нитратов, загрязняющих пищевые продукты. Верхняя граница нормы нитратов на одного человека в день, установленная Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), равна 325 мг. При использовании экологически чистых продуктов человек в сутки без ущерба для здоровья потребляет примерно 100-200 мг нитратов, причем 60-70% - с овощами. В зерне, яго-дах, фруктах, мясе, рыбе нитратов содержится мало.

Если же продукция выращена на "переудобренных" нитратами почвах, то мы можем получить их дозу, превышающую норму в 2-5 раз. Причем "залповым", разовым образом. Это уже опасно, так как в организме избыточные нитраты не успевают расходоваться. Именно нитраты представляют угрозу здоровью, так как, всасываясь в кровь, они дезактивизируют дыхательные ферменты, что приводит к понижению в крови содержания гемоглобина и нарушению ее транспортной функции.

Огромное влияние человеческая деятельность оказывает на миграцию химических элементов в природе. В настоящее время большая часть открытых на планете химических элементов в той или иной степени в связи с деятельностью человека рассеивается в природе или концентрируется в отдельных точках, районах Земли. И то, и другое оказывает негативное влияние на нашу окружающую среду, и этот процесс набирает силу.

Вещества поступают к живым организмам из почвы, воздуха, воды. Вода испаряется из океанов, поднимается к слоям атмосферы, образуя дождь. Зеленые растения пользуются поступившей в почву водой. Поддерживая свою жизнедеятельность, они одновременно выделяют необходимый для жизни кислород. В то же время, без воздействия кислорода не могли бы происходить процессы разложения и гниения растений. Как называется этот замкнутый круг, обеспечивающий возможность жизни на Земле, и в чем состоят его особенности?

Главное понятие экологии

Биологический круговорот - это обращение химических элементов, возникшее одновременно с зарождением жизни на нашей планете, и которое происходит при участии живых организмов.

Закономерности, присущие круговороту веществ, решают основные задачи поддержания жизни на Земле. Ведь запасы питательных веществ на всей поверхности Земли не безграничны, хотя и являются огромными. Если бы эти запасы только потреблялись живыми существами, то в один момент жизнь должна была бы подойти к своему концу. Ученый Р. Вильямс писал: «Единственный метод, который позволяет ограниченному количеству иметь свойство бесконечного, - это сделать так, чтобы оно вращалось по траектории замкнутой кривой линии». Сама жизнь распорядилась так, чтобы на Земле был использован этот метод. Органические вещества создаются зелеными растениями, а незеленые подвергают его разрушению.

В биологическом круговороте каждый вид живых существ занимает свое место. Основной парадокс жизни заключается в том, что она поддерживается при помощи процессов деструкции и постоянного распада. Сложные органические соединения рано или поздно разрушаются. Этот процесс сопровождается выделением энергии, потерей свойственной живому организму информации. Огромное значение в биологическом круговороте веществ и развитии жизни играют микроорганизмы - именно с их участием любая форма жизни включается в биотический круговорот.

Звенья биоцепочки

Микроорганизмы имеют два свойства, которые позволяют им занимать столь важное место в круге жизни. Во-первых, они очень быстро могут приспосабливаться к меняющимся условиям окружающей среды. Во-вторых, для пополнения запасов энергии они могут использовать самые разнообразные вещества, а также углерод. Такими свойствами не обладает ни один из высших организмов. Они существуют лишь как надстройка над фундаментальным основанием царства микроорганизмов.

Особи и виды различных биологических классов являются звеньями круговорота веществ. Они также взаимодействуют между собой при помощи различных типов связей. Круговорот веществ планетарного масштаба включает в себя частные биологические круговороты в природе. Они осуществляются, главным образом, по пищевым цепочкам.

Опасные обитатели домашней пыли

Немалую роль в биологическом круговороте играют и сапрофиты - постоянные «жители» домашней пыли. Они питаются разнообразными веществами, которые входят в состав домашней пыли. При этом сапрофиты выделяют довольно токсичные фекалии, которые провоцируют возникновение аллергии.

Кем же являются эти невидимые для человеческого глаза создания? Сапрофиты принадлежат к семейству паукообразных. Они сопровождают человека на протяжении всей жизни. Ведь пылевые клещи питаются домашней пылью, в состав которой также входит человеческая кожа. Ученые полагают, что когда-то сапрофиты были жителями птичьих гнезд, а затем «перебрались» в жилище человека.

Пылевые клещи, играющие большую роль в биологическом обороте, имеют очень малые размеры - от 0,1 до 0,5 мм. Но они настолько активны, что всего лишь за 4 месяца один пылевой клещ может отложить порядка 300 яиц. Один грамм домашней пыли может содержать несколько тысяч клещей. Невозможно представить, сколько пылевых клещей может быть в доме, ведь считается, что за один год в человеческом жилище может накапливаться до 40 кг пыли.

Круговорот в лесу

В лесу биологический круговорот обладает наибольшей мощностью по причине проникновения корней деревьев в глубины почвы. Первым звеном в этом обороте обычно считается так называемое ризосферное звено. Ризосферой называется тонкий (от 3 до 5 мм) слой почвы вокруг дерева. Почва вокруг корней дерева (или «ризосферная почва»), как правило, очень богата корневыми выделениями и различными микроорганизмами. Ризосферное звено представляет собой своеобразные ворота между живой природой и неживой.

Звено потребления находится в корнях, которые поглощают минеральные вещества из почвы. Некоторая часть веществ смывается осадками обратно в почву, однако большей частью возврат питательных веществ осуществляется во время двух процессов - опада и отпада.

Роль опада и отпада

Опад и отпад имеют разное значение в биологическом круговороте веществ. Опад включает в себя шишки деревьев, ветки, листья, остатки от травы. Исследователи не включают в опад деревья - они относятся к категории отпада. Разложение отпада может происходить в течение десятков лет. Иногда отпад может служить материалом для питания других древесных пород - но только по достижении определенной стадии разложения. Отпад содержит много веществ, относящихся к классу зольных. Они медленно поступают в почву и используются растениями для дальнейшей жизнедеятельности.

От чего зависит опад?

Опад имеет несколько иное значение в биологическом круговороте. В течение года весь его объем переходит в слой подстилки и подвергается полному разложению. Элементы золы гораздо быстрее поступают в биотический оборот. Однако фактически опад является частью биологического оборота уже когда листья находятся на дереве. Показатель опада зависит от многих факторов: климата, погоды в текущем и предыдущем годах, количества насекомых. В лесотундре она достигает нескольких центнеров, в лесах измеряется тоннами. Самое большое количество опада в лесах приходится на весну и осень. Различается этот показатель и в зависимости от года.

Что касается органического состава хвои и листьев, то в процессе круговорота они подвергаются одинаковым изменениям. В отличие от опада, зеленые листья обычно богаты фосфором, калием, азотом. Опад же, как правило, богат кальцием. На биологический круговорот большое влияние оказывают насекомые и животные. Например, листогрызущие насекомые могут значительно ускорить его. Однако самое большое влияние на скорость круговорота оказывают животные в процессе разложения опада. Личинки и черви поедают и измельчают опад, перемешивают с верхними слоями почвы.

Фотосинтез в природе

Растения для пополнения запасов энергии умеют использовать солнечный свет. Они делают это в два этапа. На первом этапе происходит улавливание света листьями; на втором энергия используется для процесса связывания углерода и образования органических веществ. Биологи называют зеленые растения автотрофами. Они являются основой для жизни на всей планете. Автотрофы имеют огромное значение в фотосинтезе и биологическом круговороте. Энергия солнечного света превращается ими в запасенную посредством образования углеводов. Самым главным из них является сахар глюкоза. Процесс этот получил название фотосинтеза. Живые организмы других классов могут получать доступ к солнечной энергии, употребляя в пищу растения. Таким образом появляется пищевая цепь, обеспечивающая круговорот веществ.

Закономерности фотосинтеза

Несмотря на важность процесса фотосинтеза, долгое время он оставался неизученным. Лишь в начале XX века английский ученый Фредерик Блэкман поставил несколько экспериментов, при помощи которых удалось установить этот процесс. Ученый выявил и некоторые закономерности фотосинтеза: оказалось, что он запускается при слабом освещении, постепенно усиливаясь с потоками света. Однако это происходит только до определенного уровня, после которого усиление света уже не ускоряет фотосинтез. Блэкман также установил, что постепенное повышение температуры при усилении освещения способствует фотосинтезу. Повышение температуры при слабом освещении не ускоряет этот процесс, как и усиление освещения при низкой температуре.

Процесс преобразования света в углеводы

Фотосинтез начинается с процесса попадания фотонов солнечного света в молекулы хлорофилла, расположенные в листьях растений. Именно хлорофилл придает растениям зеленый цвет. Улавливание энергии происходит в два этапа, которые биологи называют Фотосистема I и Фотосистема II. Интересно, что номера этих фотосистем отражают порядок их открытия учеными. Это одна из странностей в науке, так как вначале реакции происходят во второй фотосистеме, и лишь затем - в первой.

Фотон солнечного света сталкивается с 200-400 молекулами хлорофилла, находящимися в листе. При этом энергия резко возрастает и передается молекуле хлорофилла. Этот процесс сопровождается химической реакцией: хлорофилловая молекула теряет при этом два электрона (их, в свою очередь, принимает так называемый «акцептор электронов», другая молекула). А также при столкновении фотона с хлорофиллом происходит образование воды. Цикл, при котором солнечный свет превращается в углеводы, называется циклом Калвина. Значение фотосинтеза и биологического круговорота веществ нельзя недооценить - именно благодаря этим процессам на земле имеется кислород. Получаемые человеком полезные ископаемые - торф, нефть - также являются носителями запасенной в процессе фотосинтеза энергии.

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.

Рис. 158. Значение биосферы

Проанализируйте рисунок. Расскажите о связи биосферы с другими оболочками Земли.

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.

Вопросы и задания

Расскажите о роли в природе каждой группы живых организмов: растений, животных, бактерий, грибов.
Какую роль в природе играет биологический круговорот?
Равномерно ли распределены организмы в биосфере?
Какие участки биосферы заселены живыми организмами наиболее густо?