Меню

Этапы круговорота веществ в растении

Круговорот веществ в природе

Со времени образования Земли на планете происходят процессы перехода химических соединений и элементов из одного состояния в другое. Это круговорот веществ в природе. Как он происходит и для чего нужен разберём в этой статье.

Быстрая навигация по статье

Они такие разные

Круговорот веществ на самом деле, по сути, является бесконечно повторяющимися циклами. Причём благодаря взаимодействию химических элементов и разнообразию химических соединений они никогда не повторяются в точности. Рассмотрим разные виды циклов, а также то, как замкнутый круговорот веществ влияет на развитие и существование нашей планеты.

Биогеохимический круговорот веществ

Какова роль энергии в круговороте? Первичный источник энергии для круговорота веществ в большинстве случаев — Солнце. Эта энергия вовлекается из космоса.

Круговорот веществ и энергии

Энергия, вырабатываемая организмами, преобразуется в тепло и утрачивается для экосистемы. В отличие от неё движение веществ происходит с помощью саморегулирующихся процессов с участием всех составляющих различных экосистем. Из более 95 элементов, встречающихся в природе, для жизни живых организмов нужны всего 40. В их числе самые важные и необходимые в огромных количествах четыре основных элемента:

Откуда же они берутся в необходимом размере? Например, азот забирается из атмосферы с помощью действующих азотфиксирующих бактерий, затем возвращается другими бактериями. Кислород, используемый различными организмами для дыхания, приходит в атмосферу благодаря фотосинтезу. Растения усваивают углекислый газ, вовлекая его в круговорот веществ. В важных процессах также участвуют углерод и водород.

В природе ничего не происходит просто так. Посмотрим на вулканы. Во время их извержения в атмосферу поступают различные газы, в том числе и азот. Это круговорот газообразных веществ.

В деятельности эволюции в биосфере с каждым циклом увеличивается число биологических компонентов. В последнее время немаловажную роль в этих процессах играет человек. Своей деятельностью он усиливает сложившийся тысячелетиями круговорот веществ и поток энергии в экосистеме. Это действует разрушающим образом на биосферу, сложившуюся на настоящий момент.

Раньше, когда на Земле только зарождалась жизнь, в атмосфере было больше углерода, кислорода же почти не было. Поэтому первые живые организмы были анаэробными. С течением длительного промежутка времени накапливался кислород, уменьшался процент углерода. Сейчас количество углекислого газа увеличивается. Этому способствует использование горючих ископаемых и уменьшение «лёгких планеты» — джунглей, лесов. Антропогенный круговорот веществ утрачивает свою замкнутость.

Исследуя, в каких поясах Земли наиболее активны круговороты веществ и энергии, учёные пришли к выводу, что более консервативны в этом плане тропические экосистемы. Изучая влияние человека на эти процессы, нужно говорить не о том, что люди своей деятельностью меняют то, что не должно меняться, а о том, что эта деятельность влияет на скорость изменений.

В описании круговорота веществ иногда выделяют восходящую часть и нисходящую. В процессе круговорота веществ содержащаяся в органических веществах энергия, переходя из одного состояние в другое, постепенно теряется. Это нисходящая часть. Когда вещества уже не могут служить источником энергии, они становятся материалом для новых клеток. Это восходящая часть кругооборота.

Большой и маленький

Есть два основных кругооборота. Большой геологический круговорот веществ начался с момента образования планеты. Цикл в нём может длится тысячи лет. Под воздействием внешних факторов разрушаются горные породы, их мельчайшие частицы остаются на суше, некоторая их доля с водой попадает в Мировой океан, где, в свою очередь, образуются новые напластования. Благодаря геотектоническим процессам, движению и изменению рельефа дна эти напластования опять оказываются на суше и всё начинается сначала. Геологический круговорот веществ обусловлен взаимодействием двух энергий: Земли и Солнца. Он возможен только при присутствии всех составляющих.

Геологический круговорот веществ

Малый круговорот веществ в природе — это всегда часть большого. Он называется биогеохимический круговорот веществ и проявляется только в границах биосферы, присутствуя во всех экосистемах. Во время него питательные вещества, углерод и вода накапливаются в растениях, затем расходуются на рост не только самих растений, но и на жизнедеятельность других организмов. Как правило, это животные, которые съедают растения — консументы. Продукты жизнедеятельности и распада этих животных под действием микроорганизмов опять разлагаются на минеральные компоненты и с помощью растений снова вовлекаются в оборот. В таких циклах участвуют все химические элементы, в первую очередь нужные для построения живых клеток.

Самый подвижный

Вода никогда не стоит на месте. Испаряясь с разных поверхностей, она накапливается в атмосфере для того, что бы выпасть на землю в виде осадков. При этом она постоянно меняет свою форму. Поэтому количество воды не меняется — идёт её постоянное обновление. Это кругооборот воды в природе. Он связывает между собой геологический и биотический круговорот веществ.

Круговорот воды в природе

В биосфере вода, меняя своё состояние, проходит малый и большой кругообороты. Испарение с поверхности океана, конденсация в атмосфере и выпадение в виде осадков обратно в океан — это малый оборот. Когда часть водяного пара воздушными потоками переносится с океана на сушу, то эта вода участвует в большом кругообороте. Какая-то её часть испаряется и остаётся в атмосфере, остальная с ручьями, речками и грунтовыми водами попадает обратно в океан. На этом большой цикл завершается и начинается с начала.

Самый активный

В границах биосферы непрерывно происходит мгновенный обмен кислорода из воздуха с живыми организмами, что служит главным источником жизни. Он очень сложный, вступающий в различные комбинации минеральных и органических веществ. В настоящий момент развития биосферы наступил период, когда количество выделяемого кислорода практически равно поглощаемому количеству. Углерод в круговорот веществ включается благодаря, в том числе, и фотосинтезу. Синтез и его составляющие — основа обновления воздуха в биосфере.

Читайте также:  Мужские и женские цветы расположенные на одном растении

Круговорот кислорода в природе

Необходимый азот

Во время загнивания органических веществ часть находящегося в них азота преобразуется в аммониак, перерабатываемый обитающими в почве растениями обратно в азотную кислоту. Она вступает в микрореакцию с заключающимися в земле организмами и преобразуется в нитраты. Это — доступная для растений форма. Так образуется малый кругооборот азота.

Круговорот азота

Однако некоторое количество азота при гниении выделяется в атмосферу и образует свободный азот. Кроме этого такая форма появляется вследствие горения органических веществ, сжигания угля, дров.

Не дают нарушиться природному балансу азотобактерии. Некоторые из них живут на корнях растений семейства бобовых, образуя небольшие клубни. Выделяя из воздуха атмосферный азот, они преобразуют его в азотные соединения, которые переходят в растения. Позже растения трансформируют их в белки, жиры, углеводы и другие вещества. Так происходит кругооборот азота.

Используя растения, не давая им пройти стадию гниения, люди создают дефицит азота. Чтобы избежать этого человек научился вносить в почву азотные удобрения, тем самым возмещая природе утраченный баланс.

Незаменимая сера

Её значение в круговороте неоценимо. Сера служит источником энергии для серобактерий, без которых невозможна очистка вод. В природе эти бактерии широко распространены. Это важный компонент строительства многих видов белков. Круговорот веществ в земной коре также не обходится без серы. Вкладом серы в большой круговорот веществ являются питающиеся ею микроорганизмы, преобразующие аминокислоты. Основными антропогенными поставщиками серы в большой круговорот веществ выступают разлагающиеся растения и животные организмы. Они выделяют серный газ. Тем самым совершается кругооборот серы.

Кругооборот серы

Биосфера

Все представители живой природы, в том числе и человек, образуют биомассу. Она постоянно меняется, участвуя в процессах, происходящих в окружающей среде.

Растения называют продуцентами, животных — консументами. Простейшие и другие микроорганизмы, разлагающие органику в неорганику, называются редуценты. Их ещё называют разрушителями.

Процесс разлагания — это деструкция органического вещества.

Разберём, какую роль играют в круговороте веществ представители разных групп и какова роль продуцентов:

  • сине-зелёные бактерии и растения преобразуют солнечный свет в энергию химических связей. Таким образом происходит рождение органического вещества из неорганических элементов;
  • всеядные существа, способные питаться растениями. К ним относится и человек. Они потребляют растения (органику), перерабатывая внутри себя, на выходе давая неорганику;
  • плотоядные животные поедают растительноядных, органика также попадает в них, но не растениями, а в другой форме;
  • высшие хищники, способные питаться плотоядными животными. Это последнее перемещение органики внутри живых организмов;
  • простейшие, грибки и микроорганизмы, разлагающие останки живых существ. В ходе этого процесса они перерабатывают органику в неорганический вид — соли, воду, минералы и углекислый газ;
  • все эти элементы снова используются растениями.

В круговороте веществ наибольшую роль играют микроорганизмы, разрушителей считают начальным звеном явления.

Как видно из этой схемы, консументы в процессе круговорота веществ в биосфере используют пищевые связи, важный компонент цепочки. Однако всё начинается с растений и заканчивается ими же.

Разнообразие растений в природе

Помимо замкнутого существует и и незамкнутый круговорот веществ.

Экосистемы

Кратко, экосистемы — это природные комплексы, образованные средой обитания и совокупностью организмов (биоценозов), живущих в ней. Они являются компонентом, обеспечивающим круговорот веществ в биосфере. Их изучением занимается наука, получившая название экология.

В этой сфере работают люди разных профессий. В настоящее время глобальный круговорот веществ нарушается действиями человека, за счёт разрушающей деятельности антропогенного воздействия.

Экосистемы в процессе своего развития проходят множество биохимических циклов. Причём, если цикл не замкнутый, то одна экосистема со временем может преобразоваться в другую. На эту ситуацию влияет кругооборот веществ в биоценозе.

Рассмотрим, как основан круговорот веществ и превращение энергии в экосистемах различного вида.

Различная растительность: трава, цветы, растения небольшого размера являются продуцентами. Летающие и ползающие насекомые питаются травой, пыльцой. Этими насекомыми питаются птицы. После их смерти останками занимаются редуценты, и продукты деятельности последних становятся составляющими элементами новых продуцентов, растений. Получается, консументы в экосистеме луга участвуют в круговороте веществ и превращениях органики в неорганическое вещество.

Озеро

Каждое озеро имеет свою экосистему. Продуцентом тут выступает планктон и ряска, которые помимо функции переработки органики наполняют воду кислородом. Консументов или потребителей очень много. Это рыбы, питающиеся растениями, ракообразные, головастики и личинки. За ними идут хищные рыбы и водоплавающие птицы. Рано или поздно часть из них оказываются на дне в виде останков и тут за них берутся мелкие беспозвоночные и бактерии, редуценты. Так как консументов в озерах значительно больше редуцентов, они не могут переработать все останки, оказывающиеся на дне. Получается незамкнутый круговорот веществ и поток энергии в экосистеме. Если кругооборот замкнут не полностью, то условия в экосистеме постепенно меняются. Именно поэтому небольшие озёра со временем превращаются в болота.

Круговорот веществ в экосистеме озера

Круговорот веществ в аквариуме характерен такой же схемой.

Болото

Когда озеро начинает зарастать, у берегов появляется мох — сфагнум. С его появлением начинается круговорот веществ в болоте. Так как сфагнум плавает на поверхности, под ним образуется очень холодный слой воды без кислорода, в котором не могут существовать микроорганизмы. Веточки мха, отмирая, опускаются на дно, образуя торф. Толщина торфяной подушки достигает 5 метров – именно на ней живут обитатели болот. Так как круговорот веществ в болоте также не является замкнутым, через много-много лет болото превращается в лес, чем и объясняется постоянное образование, а затем зарастание болотин. Но пока этого не произошло, болото поддерживает уровень грунтовых вод и является необходимым компонентом в кругообороте веществ в биосфере.

Читайте также:  От чего зависит размер плода растения

Техногенный круговорот веществ

Отличие техногенного круговорота от биотического в том, что он всегда незамкнутый. Это, скорее, ресурсный цикл. На уровне жизни различных организмов в пределах биосферы это сказывается не лучшим образом. Например, скорость уменьшения объёма воды в таком цикле намного больше, чем в биотическом. То же можно сказать и о других расходуемых в процессе элементах. Эти данные зависят от уровня организации.

Заключение

Солнце — источник энергии, обеспечивающий круговорот веществ. Оно снабжает планету возобновляемой энергией, которая, в свою очередь, постоянно преобразуется. Есть множество циклов, которые изучаются учёными впервые. Даже зная принципы циклов кругооборотов, специалисты приходят к всё новым выводам и открытиям. Складывается впечатление что человек, не знает и десятой доли тех тайн природы, которые скрыты от его взгляда. От того, насколько быстро мы сможем эти тайны разгадать, зависит качество жизни будущих поколений. Главный вывод один: круговорот веществ и превращение энергии в экосистеме является залогом жизни на планете. Жизнь на Земле невозможна без круговорота.

Без круговорота, жизнь на земле невозможна

Из статьи видно, какую роль выполняют круговороты веществ и энергии в географической оболочке и в биосфере. Поэтому, думаем, понятно, что организации живой природы нуждаются в защите человека.

Источник

Биотический круговорот: описание и значение процесса

Что представляет собой биотический круговорот? В качестве замкнутой системы он успешно функционирует на протяжении нескольких миллиардов лет.

Попробуем разобраться в том, что представляет собой биотический круговорот.

Особенности

Мертвые растения и останки организмов перерабатывают насекомые, грибы, бактерии, простейшие. Животные и растения постепенно превращаются в элементарные органические и минеральные соединения. Биотический круговорот предполагает поступление этих веществ в почву, последующее потребление их растениями. Для процесса характерна замкнутость, непрерывность, распад, разложение конечных соединений. Это непрерывный круг, регулирующий жизнь на планете.

Значимость

Биотический круговорот углерода в наземных экосистемах рассмотрим на примере фосфора. Достаточное количество данного элемента находится в гумусовых горизонтах ненарушенных почв, а также в лесной подстилке. Благодаря круговороту удается накапливать порядка 106-107 тонн фосфора в биосфере. В фитомассе естественных луговых степей находится порядка 30 кг/га данного элемента, чего вполне достаточно для млекопитающих.

Обмен энергии

Биотический круговорот предполагает энергетический обмен. Суть его сводится к тому, что в цепи пищевых (трофических) превращений не исчезает энергия, а наблюдается ее превращение из одного вида в другую.

Солнечная энергия трансформируется в рамках подобного процесса на каждом его уровне. Непосредственное потребление энергии Солнца характерно только для зеленых растений в рамках фотосинтеза.

Ими создается органическое соединение (глюкоза) из углекислого газа и воды, осуществляется аккумулирование энергии. Листья растений включаются в подобный химический процесс только при наличии солнечного света и хлорофилла.

Особенности процесса

В некоторые периоды существования человечества нарушался биотический круговорот веществ. Осуществлялся вывод только излишков, которые откладывались в качестве газа, каменного угля, нефти, известняков, иных минералов органического вида.

В ходе сжигания нефти или каменного угля в печах (моторах) высвобождается и применяется энергия, которая накапливалась биосферой на протяжении миллионов лет. В прошлом такие излишки не засоряли биосферу, не наблюдалось их негативного влияния на биотический круговорот. Сегодня все иначе.

Специфика

Для успешного осуществления круговорота важно разнообразие животных. Один вид не сможет расщепить в биогеоценозе до конечных продуктов органические вещества растений. Он расщепляет только часть их, а также некоторые органические соединения, находящиеся в них. Подобным образом формируются сети и цепи питания.

В биоценозе атмосфера имеет важное значение. Она способствует поддержанию биологического круговорота энергии и веществ, а также обеспечению водного баланса.

Загрязнитель может разлагаться до форм, которые могут вовлекаться в последующие этапы круговорота и усваиваться живыми организмами.

Базируется цикл на разложении и поглощении загрязнителей микроорганизмами, зависит он от активности и количественного показателя химических элементов, принимающих непосредственное участие в круговороте.

Экосистемой называют сумму неорганических и органических компонентов, внутри которой происходит биотический круговорот веществ.

Схема процесса

Растения, получая постоянный поток энергии Солнца, формируют из неорганической материи первичную продукцию. В остальных звеньях круговорота наблюдается изменение и потеря энергии. Продуценты, консументы, редуценты в экосистеме потребляют живое вещество первоначальной продукции. Животными потребляется для подобного процесса во много раз больше живого вещества низшего уровня, понижая и суммарные энергетические запасы. Обеспечивается круговорот благодаря взаимодействию трех групп.

Первую группу составляют продуценты. К ним относятся зеленые растения, которые принимают активное участие в фотосинтезе. Такими веществами являются и бактерии, которые способны к хемосинтезу. Именно они формируют первичное органическое вещество.

Вторая группа — консументы первого порядка. Они являются потребителями органического вещества. К ним причисляются хищники, а также простейшие. Животные, которых причисляют к хищникам, около 250 разных видов.

Читайте также:  Неумывакин о соде для растений

Третья группа — деструкторы (редуценты), которые разлагают мертвую органику до минеральных веществ. К ним причисляют грибы, бактерии, а также простейшие. Аккумулирование энергии Солнца осуществляется на восходящей ветви круговорота благодаря фотосинтезу. Растения на данном этапе синтезируют из азота, воды, углекислого газа органические вещества.

Расходование энергии

Что еще рассматривает биология? Дыхание растений в ней занимает важное место, так как при этом процессе происходит окисление почти половины органического вещества до углекислого газа, возврат его в атмосферу.

Второй по масштабности вариант расходования органического соединения и накопленной энергии — употребление консументами первого порядка растений. Энергия, которая запасается фитофагами с пищей, расходуется на жизнедеятельность, дыхание, размножение. Она выделяется с экскрементами.

Растительноядные животные — это пища для плотоядных (консументов высшего трофического уровня). Они, в свою очередь, тратят энергию, накопленную с пищей, аналогично растительноядным животным.

Взаимосвязь элементов

Отдельное звено экосистемы в окружающую среду поставляет органические остатки. Они и служат источником энергии и пищи для животных-сапрофагов (грибов, бактерий). Завершающим этапом превращения углевода является процесс гумификации, последующее окисление гумуса до углекислого газа, минерализация зольных фрагментов. Они потом снова попадают в атмосферу и в почву, являясь пищей для растений.

Биотический круговорот является непрерывным процессом создания и разрушения органических соединений. Реализуется он посредством всех трех групп организмов. Невозможна жизнь без продуцентов, так как именно они являются основой жизни. Только у них есть способность создавать первичное органическое вещество, без которого не будет протекать последующий круговорот.

Благодаря потреблению консументов разных порядков первичной и вторичной продукции, перевода из одного вида в другой, на Земле возможно многообразие форм. Редуценты, которые разлагают органику, возвращают его к первому этапу круговорота.

Масштабные циклы миграции химических компонентов связывают наружные оболочки планеты в одно целое, они объясняют непрерывность эволюции.

В качестве движущей силы биотического круговорота выступает энергия Солнца. Основным процессом, способствующим получению органического вещества, является фотосинтез. Он возможен только при применении зелеными растениями солнечной энергии.

Листья растений (автотрофов), которые синтезируют глюкозу, «консервируют» солнечную энергию в органическое соединение. Попадая в биосферу из космоса, энергия скапливается и в растениях, и в горных породах, и в почве. Солнце обеспечивает круговорот химических элементов, позволяет образовывать поочередно неорганические или органические вещества.

Что важно знать

В биотическом круговороте кроме углерода, кислорода, водорода, также участие принимают и иные биологически важные элементы: кальций, азот, фосфор, кремний, калий, натрий, сера. Невозможен данный процесс и без микроэлементов: йода, цинка, брома, молибдена, серебра, никеля, свинца, магния. В списке элементов, которые поглощаются живым веществом, присутствуют даже яды — мышьяк, селен, ртуть, а также радиоактивные компоненты (радий, уран).

Скорость круговорота

Энергообмен имеет циклический характер. Обновление живого вещества биосферы осуществляется примерно через 8 лет. Гораздо быстрее процесс протекает в океане (через 33 дня). В атмосфере замена кислорода происходит за две тысячи лет, а оксида углерода — за 6 лет. Полная замена воды в гидросфере происходит за 2800 лет.

Химические соединения, которые доступны для компонентов биосферы, ограничены. Из-за их исчерпаемости тормозится развитие некоторых групп организмов в океане и на суше.

Варианты круговорота

Только благодаря круговороту энергии и веществ поддерживается устойчивое состояние биосферы. Выделяют два варианта — геологический (большой) и биогеохимический (малый).

Рассмотрим первый вариант круговорота. Магматические горные породы под действием биологических, химических, физических факторов превращаются в осадочные породы, в частности, в глину и песок. Они могут возникать также при синтезе биогенных минералов (отмерших микроорганизмов) из вод морей и океанов. Водянистые рыхлые осадки постепенно скапливаются на дне водоема, отвердевают, формируют плотные горные породы.

Затем идет их преобразование, наблюдаются процессы метаморфизма. Под действием порций эндогенной энергии слои переплавляются, формируя магму. При поднятии на поверхность Земли под действием выветривания, переноса они снова трансформируются в осадочные породы.

Большой круговорот характеризуется взаимодействием экзогенной (солнечной) энергии с эндогенной (глубинной) энергией Земли. Благодаря такому процессу перераспределяется вещество между глубокими горизонтами и биосферой планеты.

К нему относится и движение воды между литосферой, атмосферой, гидросферой, аккумулируемое солнечной энергией. Сначала вода испаряется с поверхности океана (моря, озера, реки), далее в виде осадков возвращается на землю. Компенсируют такие процессы речные стоки. Растительность играет важную роль в круговороте воды.

Малый круговорот характерен только для биосферы. Создаются круговороты в масштабах планеты из циклических многократных движений атомов, а также тех перемещений, что вызваны вулканизмом, движением морского дна, энергией ветра, подземными стоками.

Подведем итоги

В биосфере вещества циркулируют, формируя биогеохимические круговороты. Для них в больших количествах нужны следующие элементы: кислород, азот, углерод, водород. Циркуляция их возможна благодаря саморегулирующимся процессам, в которых активными участниками становятся другие компоненты экосистем.

На всех этапах развития биосферы действует закон глобального замыкания круговорота. Основой подобного процесса является солнечная энергия, а также хлорофилл зеленых растений.

Для полного разложения органического вещества, которое создается зелеными растениями, необходимо столько же кислорода, сколько и выделяется в ходе фотосинтеза. Благодаря захоронению органики в торфе, угле, осадочных породах в атмосфере поддерживаетсяобменный фонд кислорода.

В результате увеличения количества транспорта, промышленных предприятий нарушается круговорот кислорода в природе. Это негативно отражается на жизнеспособности биосистемы, приводит к мутациям и полному вымиранию некоторых видов живых растений и животных.

Источник