ГДЗ: Параграф §25 / Биология 11 класс

Взаимосвязь потоков энергии и вещества в экосистеме заключается в том, что оба они необходимы для поддержания жизни и функционирования экосистемы. Поток энергии (солнечный свет) служит движущей силой для биогеохимических циклов, запуская, в частности, процесс фотосинтеза, в результате которого неорганические вещества превращаются в органические.

Различие состоит в следующем:

• Вещество циркулирует, совершая замкнутый круговорот (биогеохимические циклы), то есть возвращается в систему для повторного использования.
• Энергия течет однонаправленно: она поступает в систему (в виде солнечного света) и рассеивается (в виде тепловой энергии), не возвращаясь в исходное состояние.

Круговорот веществ (биогеохимический цикл) имеет ключевое значение, поскольку он обеспечивает повторное использование жизненно важных химических элементов, таких как углерод, кислород, азот и вода. Это позволяет поддерживать гомеостаз (относительное постоянство) химического состава атмосферы, гидросферы и почвы, что необходимо для непрерывного существования жизни и эволюции более сложных форм организмов на Земле. Без круговорота необходимые элементы были бы быстро исчерпаны.

Живые организмы (живое вещество) выполняют основную роль в замыкании биогеохимических циклов, осуществляя как синтез, так и разрушение органических веществ:

• Продуценты (растения) переводят неорганические вещества в органические, используя энергию Солнца (фотосинтез).
• Консументы (животные) переносят органические вещества по пищевым цепям.
• Редуценты (бактерии и грибы) разлагают органические остатки, возвращая неорганические элементы в почву, воду и атмосферу, делая их доступными для продуцентов, тем самым замыкая цикл.

Биогенными называют химические элементы, которые обязательно входят в состав живых организмов и участвуют в процессах их жизнедеятельности. К ним относятся:

• Основные элементы, составляющие органические вещества (углерод - \( C \), водород - \( H \), кислород - \( O \), азот - \( N \), фосфор - \( P \), сера - \( S \)).
• Элементы, необходимые для других жизненно важных функций (например, калий - \( K \), натрий - \( Na \), кальций - \( Ca \), железо - \( Fe \), магний - \( Mg \)).

Главная функция биосферы, по В. И. Вернадскому, состоит в поддержании глобального биогеохимического круговорота веществ. Совокупная деятельность живого вещества, включая человека, обеспечивает формирование и поддержание гомеостаза неорганической среды обитания (постоянства химического состава атмосферы, гидросферы, почвы), что является необходимым условием для существования жизни.

В круговороте воды растения играют роль грандиозного испарителя. Основной путь воды через живое вещество — это транспирационный ток (почва \(\rightarrow\) корни растений \(\rightarrow\) листья \(\rightarrow\) атмосфера). Растительность существенно влияет на климат территорий своего произрастания, возвращая влагу в атмосферу в виде пара.

В круговороте азота участвуют:

• Азотфиксирующие организмы (клубеньковые бактерии в симбиозе с бобовыми, свободноживущие бактерии и цианобактерии), которые переводят атмосферный азот (\( N_{2} \)) в доступные для растений соединения (\( NH_{3} \), \( NO_{3}^{-} \)).
• Растения, которые усваивают азот в виде нитратов и аммонийных соединений для синтеза органических веществ (белков, нуклеиновых кислот).
• Животные, которые получают азот с пищей.
• Бактерии и грибы-редуценты, которые разлагают органические остатки, возвращая азот в почву.

Закон глобального замыкания биогеохимического круговорота означает, что круговороты элементов и веществ в биосфере являются саморегулирующимися и безотходными (эти процессы являются обязательными для любого этапа развития биосферы). Это происходит потому, что все составные части экосистемы (продуценты, консументы, редуценты, а также неживые компоненты) участвуют в обмене веществ, обеспечивая возвращение элементов в цикл для повторного использования. Таким образом, материя на планете не «теряется» в глобальном масштабе.

Да, допустимо. Человеческая деятельность оказывает значительное влияние на биогеохимические круговороты, которое может быть как положительным, так и отрицательным.

• Отрицательное влияние: Изъятие веществ из круговоротов (например, добыча полезных ископаемых, таких как нефть, уголь), что может приводить к дефициту этих элементов. Уничтожение экосистем (например, вырубка лесов) нарушает естественное равновесие циклов.
• Положительное влияние: Возвращение веществ в круговороты (например, сжигание ископаемого топлива возвращает «законсервированный» углерод в атмосферу; использование синтетических азотных удобрений возвращает азот в глобальный круговорот).

Эти воздействия могут менять соотношение элементов даже в локальных участках биосферы.

Если из круговоротов азота и углерода исключить редуцентов (бактерии и грибы), то произойдут катастрофические изменения:

• Прекращение разложения: Органические остатки (мертвая биомасса, продукты жизнедеятельности) не будут разлагаться. Элементы, входящие в их состав (включая азот и углерод), останутся «запертыми» в этой массе.
• Истощение ресурсов: Запасы доступного для растений неорганического азота (\( NO_{3}^{-} \), \( NH_{3} \)) и углерода (\( CO_{2} \)) в почве и атмосфере начнут быстро истощаться, так как эти элементы не будут возвращаться из мертвой органики.
• Коллапс экосистемы: Растения (продуценты) не смогут синтезировать новые органические вещества из-за нехватки основных элементов. Это приведет к гибели растений, а затем и всех консументов, что вызовет коллапс всей экосистемы и остановку глобального круговорота веществ.

Факторы, препятствующие возвращению углерода:

• Химическая стабильность: Осадочные карбонатные породы (известняки - \( CaCO_{3} \), доломиты - \( CaMg(CO_{3})_{2} \)) чрезвычайно стабильны и не участвуют в быстром обмене. Углерод в них химически «законсервирован» в виде солей.
• Геологические процессы: Возврат углерода из этих резервуаров (минеральных карбонатов) происходит только в результате медленных геологических процессов:
  • Эрозия (выветривание) обнаженных пород.
  • Вулканическая деятельность (дегазация).
  • Процессы метаморфизма в недрах.
• Формирование осадочных пород: Эти породы образуются в основном из скелетов морских организмов, а также в результате химического осаждения в океанах. Этот процесс выводит углерод из быстрого круговорота в глубокий геологический резервуар на миллионы лет.

Влияние добычи и сжигания ископаемых:

Добыча и сжигание горючих ископаемых (угля, нефти, газа) — это по сути искусственное, очень быстрое возвращение в атмосферу углерода, который был выведен из круговорота миллионы лет назад. Это приводит к:

• Нарушению углеродного баланса: Увеличение концентрации углекислого газа (\( CO_{2} \)) в атмосфере.
• Изменению климата: Усиление парникового эффекта, ведущее к глобальному потеплению.
• Воздействию на экосистемы:
  • Наземные: Изменение ареалов видов, нарушение сроков сезонных явлений (фенологии).
  • Водные: Закисление океана (углекислый газ растворяется в воде, образуя угольную кислоту - \( H_{2}CO_{3} \)), что угрожает организмам с известковыми скелетами (кораллы, моллюски).
• Воздействию на обитателей: Прямое воздействие на здоровье человека и других гетеротрофов от смога, связанного со сжиганием топлива.