1.2. Пояснения к заданию

В природе существуют два круговорота веществ: биологический, или малый, и геологический, или большой.

Биологический круговорот – это циркуляция веществ между почвой, растениями, животными и микроорганизмами. Зеленые растения как автотрофные организмы в процессе фотосинтеза потребляют из воздуха диоксид углерода и выделяют кислород, создавая при этом органические вещества из неорганических. Они получили название продуцентов.

Животные – гетеротрофные организмы – относятся к консументам, т. е. потребителям органического вещества зеленых растений.

После смерти растений и животных бактерии, грибы, простейшие и некоторые насекомые перерабатывают возникающее органическое вещество и в результате получаются минеральные соли, диоксид углерода, вода, которые вновь используются зелеными растениями. Эту группу организмов называют редуцентами. Минерализуя органические вещества, они замыкают цепь круговорота.

Геологический круговорот осуществляется как циркуляция веществ между Мировым океаном и сушей. Вода океанов с имеющимися в ней твердыми включениями испаряется и воздушными течениями разносится на большие расстояния. Выпадая в виде осадков, она способствует процессам разрушения и выветривания горных пород, делает их доступными для растений и микроорганизмов. Растворенные в ней химические вещества и взвешенные частицы выносятся в реки, моря, океаны. Здесь они оседают на дно, накапливаются в виде осадочных пород.

Оба круговорота – геологический и биологический – взаимосвязаны и представляют собой единый процесс.

В биологическом круговороте участвуют почти все химические элементы неживой природы. Особенно важное значение имеют круговороты кислорода, углерода и азота.

Круговорот кислорода. Свободный кислород необходим для дыхания растений и животных. Почти весь кислород атмосферы биогенного происхождения. Часть его превратилась в озон и защищает поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения (рис. 1).

Рис. 1. Круговорот кислорода

К

Растворенный

в океанах

руговорот углерода. Углерод, содержащийся в виде CO₂ в атмосфере, служит "сырьем" для фотосинтеза растений, а затем вместе с их веществом потребляется консументами разных трофических уровней. При дыхании растений, животных и редуцентов, а также по мере разложения мертвого вещества в почве выделяется CO₂, в форме которого углерод и возвращается в атмосферу (рис. 2).

Р ис. 2. Круговорот углерода

Большая часть углерода, вовлеченного в круговорот, содержится в океанах. От углерода, содержащегося в океанах в виде карбонатов, главным образом зависит количество двуокиси углерода в атмосфере. Океан поглощает избыток двуокиси углерода из воздуха, в результате чего образуются карбонатные и бикарбонатные ионы. Существует и обратный процесс, в ходе которого двуокись углерода выделяется из океанов в атмосферу. Таким образом, океаны, поддерживающие концентрацию CO₂ в атмосфере на постоянном уровне, играют роль своеобразного буфера. Считается, что этот механизм обеспечивал относительное постоянство содержания двуокиси углерода в атмосфере, пока не вмешался фактор индустриализации.

В далекие геологические эпохи (сотни миллионов лет назад) значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под минеральными осадками. Находясь в земле миллионы лет, этот детрит (мертвые растительные и животные остатки) под действием высокой температуры и давления превращался в нефть, природный газ и уголь. Теперь мы в огромных количествах добываем это ископаемое топливо для обеспечения энергетических потребностей нашего индустриального общества и, сжигая его, завершаем круговорот углерода. При сжигании углерод топлива выделяется в виде CO₂, концентрация которого в воздухе резко возрастает: его поступление существенно превышает поглощающие возможности растений, что чревато серьезными климатическими последствиями.

Круговорот азота. Организмы нуждаются в различных химических формах азота для образования белков и генетически важных нуклеиновых кислот типа ДНК. Большинству зеленых растений требуется азот в форме нитрат-ионов (NO₃) и ионов аммония (NH₄+). Газообразный азот (N₂), составляющий 78 % объема земной атмосферы, ни растениями, ни людьми, ни большинством других организмов не может быть использован непосредственно. Газообразный азот может преобразовываться в растворимые в воде соединения, содержащие нитрат-ионы и ионы аммония, усваиваемые корнями растений в процессе круговорота азота (рис. 3).

Рис. 3. Круговорот азота

Преобразование атмосферного газообразного азота в усваиваемые растениями химические формы называется фиксацией азота. Осуществляется она, в основном, либо сине-зелеными водорослями и определенными видами бактерий в почве и воде, либо бактериями из рода Rhizobium, обитающими в небольших клубеньках на корнях люцерны, клевера, гороха, фасоли и других бобовых растений. Определенный вклад в фиксацию азота вносят грозовые разряды молний, при которых газообразные азот и кислород в атмосфере превращаются в оксид и диоксид азота. Эти газы взаимодействуют с водяным паром и преобразуются в нитрат-ионы, которые попадают на земную поверхность в форме азотной кислоты, растворенной в атмосферных осадках и в форме частиц нитратных солей.

Величина ретенции (накопления) азота компонентами экосистемы определяется по формуле:

P = M (N/100), (1)

где Р – накопление азота, кг/га;

М – биомасса компонентов экосистемы, кг/га;

N – содержание азота в компонентах экосистемы, %.

Массоперенос азота между компонентами экосистемы определяется по формуле:

F = L (N/100), (2)

где Р – массоперенос азота, кг/га;

L – величина переносимых биомасс (массоперенос), кг/га;

N – содержание азота в компонентах экосистемы, %.