Решебник по биологии 11 класс Пасечник §25

В экосистеме происходит постоянный обмен веществ и энергии между живыми организмами и окружающей средой. Однако потоки энергии и вещества различаются по своей природе. Энергия поступает в экосистему в основном от Солнца и превращается в процессе фотосинтеза в химическую энергию, которая затем передается по пищевым цепям. Этот процесс односторонний: энергия рассеивается в виде тепла и не возвращается в систему. В отличие от энергии, вещество в экосистеме циркулирует по замкнутым биогеохимическим круговоротам, многократно переходя из одной формы в другую.

Круговорот веществ в экосистеме обеспечивает поддержание жизни на Земле, так как он возвращает необходимые элементы в доступные для организмов формы. Благодаря этому процессы разложения органического вещества, минерализации, фотосинтеза и дыхания формируют сбалансированную систему, в которой элементы не исчезают, а постоянно распределяются между компонентами экосистемы. Без круговорота веществ ресурсы быстро истощались бы, что сделало бы жизнь невозможной.

Основную роль в круговороте веществ в экосистемах играют три группы организмов:

1) продуценты (растения, водоросли и некоторые бактерии, которые фиксируют солнечную энергию и преобразуют неорганические вещества в органические);

2) консументы (животные и другие организмы, которые питаются органическим веществом);

3) редуценты (бактерии и грибы), которые разрушают мертвые организмы и органические остатки, возвращая элементы обратно в почву, воду и атмосферу.

Биогенными называют химические элементы, которые необходимы для жизнедеятельности организмов. Они участвуют в метаболических процессах и входят в состав белков, нуклеиновых кислот и различных органических соединений, из которых состоят организмы. Например, кислород, водород, азот, железо и т.д.

Незамкнутость биогеохимических круговоротов в биосфере может привести к накоплению или дефициту определенных веществ, что может вызывать глобальные экологические проблемы. Например, избыточное накопление углекислого газа в атмосфере может вызвать парниковый эффект и глобальное потепление. Если азот накапливается в почве и водоемах в виде нитратов, то происходит массовое цветение водорослей, что снижает уровень кислорода и вызывает гибель водных организмов.

Биоразнообразие играет ключевую роль в поддержании устойчивости биогеохимических циклов. Чем больше видов организмов в экосистеме, тем сложнее и надежнее она функционирует. Например, в тропических лесах богатое видовое разнообразие растений и животных обеспечивает эффективный круговорот углерода, воды и питательных веществ. В отличие от них, монокультурные сельскохозяйственные угодья с низким биоразнообразием подвержены истощению почв и требуют искусственного внесения удобрений.

Главная функция биосферы заключается в круговороте химических веществ.

Растения в круговороте воды играют роль грандиозных испарителей, тем самым оказывая существенное влияние на климат территории, где произрастают. Основным ее путем является транспирационный ток, который осуществляется в направлении «почва – корни растений – листья – атмосфера».

Фиксация азота в живом веществе происходит ограниченным количеством живых организмов. Например, некоторые бактерии, которые живут в почве и в верхних слоях Мирового океана, могут расщеплять молекулярный азот и использовать его атомы для построения аминогрупп белков и других соединений. Поглощается атмосферный азот азотфиксирующими бактериями и некоторыми видами цианобактерий, которые синтезируют нитраты, делая их доступными для использования растениями биосферы. Биофиксация азота осуществляется некоторыми бактериями в симбиозе с растениями в почвах. После гибели растения и животные возвращают азот в почву, откуда он поступает в состав новых поколений растений и животных.

Закон глобального замыкания биогеохимического круговорота гласит, что все химические элементы, циркулирующие в биосфере, многократно проходят через живые организмы и окружающую среду, не исчезая и не создаваясь заново. Это означает, что количество углерода, кислорода, азота и других биогенных элементов на Земле остается относительно постоянным. Изменяется только их распределение между различными компонентами биосферы.

Человек может оказывать значительное влияние на биогеохимические циклы, изменяя скорость и направление круговоротов веществ. Например, вырубка лесов снижает количество растений, которые участвуют в фотосинтезе, что замедляет круговорот углерода. Использование удобрений в сельском хозяйстве увеличивает содержание азота и фосфора в почве, что может вызывать загрязнение водоемов. Сжигание ископаемого топлива приводит к повышению концентрации СО₂ в атмосфере и ускорению глобального потепления.

Редуценты (грибы и бактерии) играют ключевую роль в разложении органических остатков и возвращении биогенных элементов в круговорот. Если редуценты исчезнут, то органические вещества (мертвые растения и животные) будут накапливаться, вызывая застой в экосистеме. Дефицит доступного азота приведет к снижению плодородия почв, что отрицательно скажется на росте растений. Углерод будет накапливаться в органических остатках, а его содержание в атмосфере начнет снижаться, что нарушит процесс фотосинтеза и энергетический баланс биосферы.

Несмотря на то, что углерод многократно проходит через живые организмы, значительная его часть остается недоступной для живых организмов по нескольким причинам:

1) захоронение в осадочных породах (Большая часть углерода фиксируется в виде карбонатных отложений, которые формируются из останков морских организмов с известковыми скелетами. Эти осадочные породы накапливаются миллионы лет и возвращаются в активный цикл только при тектонических процессах);

2) формирование ископаемого топлива (Углерод, который содержится в останках древних организмов, со временем превращается в уголь, нефть и природный газ. Без вмешательства человека этот углерод остается запертым в недрах Земли на миллионы лет).

Известняки и доломиты формируются в результате отложения карбонатных соединений, главным образом из остатков морских организмов (кораллы, моллюски и т.д.). Эти отложения уплотняются и превращаются в твердые породы, которые накапливаются в течение миллионов лет.

Человеческая деятельность, связанная с добычей угля, нефти и газа, ускоряет возврат углерода из резервного фонда в атмосферу. Это приводит к повышению концентрации парниковых газов и изменению климата, к выпадению кислотных дождей, которые негативно влияют на почвы и водоемы, а также к ухудшению условий жизни для многих видов, что приводит к утрате биоразнообразия.