Примеры круговорота веществ

В телах живых организмов находятся практически все химические элементы Земли, обозначенные в таблице Менделеева. Одни их них как макроэлементы в большом количестве присутствуют в телах организмов, другие — в виде микроэлементов. Те и другие чрезвычайно важны в жизнедеятельности живых существ. Можно проследить круговороты всех этих элементов. Мы рассмотрим круговороты тех атомов, которые как универсальные свойственны всем без исключения живым организмам.

Круговорот углерода

Углерод — важнейший элемент, определяющий все многообразие органических соединений. Источником углерода в живых организмах служит углекислый газ, находящийся в атмосфере и растворенный в воде. Участвующий в фотосинтезе углерод превращается в сахара, а в результате других процессов биосинтеза он включается в состав белков и липидов. Но образующийся в процессе дыхания и при разложении мертвых тел углерод вновь поступает в круговорот в форме углекислоты. Частично он накапливается в биосфере в форме CaCO3 (мел, известняки, кораллы), каменных углей, нефти и надолго остается вне круговорота. Но в процессе жизнедеятельности растений, животных и человека углерод может быть освобожден и тогда вновь окажется в круговороте.

Схема круговорота углерода в биосфере
Схема круговорота углерода в биосфере

Круговорот кислорода

Земля — единственная планета Солнечной системы, в атмосфере которой содержится значительное количество свободного кислорода. Растительный мир и фотосинтезирующие прокариоты (цианобактерии) являются основными поставщиками кислорода в биосферу. Это обусловлено процессом фотосинтеза хлорофиллсодержащих организмов. Поэтому круговорот кислорода протекает в тесной связи с круговоротом воды, так как вода — важнейший компонент фотосинтеза и образования в этом процессе свободного кислорода.

Так как кислород входит в состав многих широко распространенных на Земле неорганических веществ (вода, углекислота, карбонаты и др.) и органических соединений живых тел, его круговорот очень сложен. Основные ветви этого круговорота — образование свободного кислорода при фотосинтезе и его поглощение в процессе дыхания живых организмов и процессах горения — окисления химических веществ органического и неорганического происхождения.

Схема круговорота кислорода в биосфере
Схема круговорота кислорода в биосфере

Круговорот фосфора

Круговорот фосфора представляет собой пример простого незамкнутого цикла. Фосфор важная составная часть цитоплазмы и нуклеиновых кислот. Редуценты минерализуют органические соединения фосфора в фосфаты, которые вновь потребляются корнями растений. Много фосфора накапливается в горных породах, скапливается в глубинных отложениях, откуда с помощью животных он возвращается в круговорот. Из всех элементов минерального питания фосфор считается наиболее дефицитным.

Схема круговорота кислорода в биосфере
Схема круговорота кислорода в биосфере

Круговорот азота

Азот входит в состав большинства биологически важных органических веществ всех живых организмов: белков, нуклеиновых кислот, липопротеидов, хлорофилла и др. Хотя атмосфера Земли состоит в большинстве своем из азота (79%), этот элемент оказывается дефицитным для живых организмов. Дело в том, что газообразный азот не может использоваться непосредственно из воздуха растениями, животными и даже большинством бактерий. Они усваивают так называемый фиксированный азот в виде его соединений — ионов аммония или нитратных ионов. Доступные для растений соединения азота частично образуются путем его небиологической фиксации в процессах ионизации атмосферы. Биологическая фиксация азота в природе совершается только некоторыми видами прокариот: азотфиксирующими аэробными бактериями (азотобактер), некоторыми анаэробными почвенными бактериями (клостридиум) и клубеньковыми бактериями (ризобиум), находящимися в симбиозе с корнями бобовых растений, а также с корнями ольхи, облепихи и др. От этих растений через цепи питания азот получают все остальные живые организмы. Однако наряду с азотфиксирующими организмами в природе имеются и денитрифицирующие бактерии, возвращающие в атмосферу молекулярный азот.

Схема круговорота азота в биосфере
Схема круговорота азота в биосфере

Круговорот серы

Основное значение серы для жизни организмов вызвано ее вхождением в состав серосодержащих аминокислот (цистеина, метионина) и ряда других биологически важных молекул. Сера усваивается растениями только в окисленной форме, в виде иона SO4. В растениях сера восстанавливается и входит в состав аминокислот. Животные организмы усваивают и используют только восстановленную серу, включенную в органические вещества. Возвращается сера в окружающую среду после отмирания растений и животных и переработки их тел редуцентами.

Схема круговорота серы в биосфере
Схема круговорота серы в биосфере

Круговорот воды

Круговорот воды на поверхности земного шара известен как компонент большого круговорота: под действием солнечной энергии в результате испарения создается атмосферная влага, конденсируется в форме облаков, а при их охлаждении вода выпадает в виде осадков (дождя, снега, града), которые поглощаются почвой или стекают в реки, озера, моря и океаны. Количество воды, испаряемой растениями с помощью транспирации, очень велико — оно всегда больше, чем испарение с поверхности водоемов. Но в разных местах биосферы круговорот воды совершается особо, поэтому обычно исследуются отдельные региональные круговороты воды. Например, процессы, наблюдаемые в бассейне реки Конго, - пример регионального круговорота воды. Вода, теряемая в процессе испарения тропическим лесом и саванной, впоследствии возвращается с осадками в почву. Притом осадки более обильны, чем сток воды в море. Этим объясняется высокая влажность тропических лесов по берегам Конго.

Схема круговорота воды в бассейне реки Конго
Схема круговорота воды в бассейне реки Конго

Круговороты разных веществ и биогенных элементов сильно отличаются друг от друга процессом движения элементов и скоростью, однако все они обладают двумя основными чертами: 1) все круговороты связаны с потоком энергии, проходящим через экосистему и приводящим ее в движение; 2) химические элементы, входящие в состав питательных веществ, участвуя в биохимических процессах обмена веществ (синтеза и распада) организмов, попеременно переходят из косного вещества в живое и обратно. При этом сама биосфера как функциональная система (экосистема) глобального масштаба и как устойчивая живая система (биосистема) в значительной степени является результатом этого процесса.