Круговорот веществ и энергии является фундаментальным процессом в
экосистемах и определяет устойчивость биосферы. Он включает перенос
энергии и химических элементов через различные компоненты экосистемы —
от абиотической среды к живым организмам и обратно.
Потоки энергии в экосистеме
Энергия в экосистеме поступает в основном от солнечного излучения.
Фотосинтезирующие организмы (продуценты) преобразуют световую энергию в
химическую, создавая органические вещества.
Ключевые моменты:
- Первичная продукция — количество энергии,
аккумулированной растениями через фотосинтез. Она делится на валовую и
чистую первичную продукцию. Валовая продукция включает всю
синтезированную органику, а чистая — ту часть, которая остаётся после
дыхания растений.
- Трофические уровни — последовательные ступени
пищевой цепи: продуценты, консументы первого, второго и высших порядков,
редуценты.
- Законы термодинамики — поток энергии подчиняется
закону сохранения энергии и закону увеличения энтропии: при переходе
энергии с одного трофического уровня на другой часть её теряется в виде
тепла. Эффективность передачи энергии между уровнями редко превышает
10–15 %.
Круговорот химических
элементов
В экосистемах наблюдается циклическое движение основных химических
элементов, обеспечивающее непрерывность биологических процессов.
Основные биогеохимические циклы: углеродный, азотный, фосфорный, водный,
сульфурный.
Углеродный цикл:
- Основные источники: атмосфера (CO₂), литосфера (органические и
минеральные углеродные соединения).
- Роль фотосинтеза: фиксация CO₂ и превращение его в органику.
- Роль дыхания и разложения: возвращение CO₂ в атмосферу и почву.
- Влияние человека: сжигание ископаемого топлива и вырубка лесов
увеличивают концентрацию CO₂ в атмосфере, способствуя парниковому
эффекту.
Азотный цикл:
- Сложность обусловлена необходимостью превращения молекулярного азота
N₂ в биологически доступные формы (аммоний, нитрит, нитрат).
- Процессы: фиксация азота бактериями, аммонификация, нитрификация,
денитрификация.
- Ключевое значение: азот необходим для синтеза белков и нуклеиновых
кислот.
Фосфорный цикл:
- В отличие от углерода и азота, не имеет газовой фазы, протекает в
основном через почву, воду и живые организмы.
- Фосфор участвует в построении АТФ, нуклеотидов и клеточных
мембран.
- Ограничивающий фактор: медленное вымывание из горных пород и слабая
подвижность в почве.
Водный цикл:
- Включает процессы испарения, конденсации, осадков, инфильтрации и
стока.
- Важность: поддержание водного баланса, транспорта растворённых
веществ и поддержка жизни.
Роль редуцентов в
круговороте веществ
Редуценты (бактерии, грибы, некоторые животные) разлагают
органические вещества, превращая их в неорганические соединения,
доступные для продуцентов.
Ключевые функции редуцентов:
- Возврат элементов в почву и воду.
- Обеспечение устойчивости экосистемы за счёт переработки
органики.
- Участие в биогеохимических циклах, влияя на скорость процессов.
Взаимосвязь потоков
энергии и веществ
Энергия и вещества движутся в экосистеме по разным законам, но
взаимосвязаны:
- Энергия необходима для биохимических реакций, обеспечивающих
круговорот веществ.
- Круговорот веществ поддерживает производство органики, создавая
энергетическую базу для трофических уровней.
- Нарушения в одном процессе (например, потеря редуцентов или
увеличение антропогенной нагрузки) ведут к дисбалансу всей системы.
Антропогенные
воздействия на круговорот
Человеческая деятельность изменяет естественные циклы:
- Эмиссия CO₂, CH₄ и N₂O усиливает парниковый эффект.
- Использование азотных удобрений ускоряет нитрификацию и
денитрификацию, вызывая эвтрофикацию водоёмов.
- Внесение фосфорных соединений в почву и воду может приводить к
избыточной продуктивности и нарушению водного баланса.
Эффективное управление экосистемами требует понимания механизма
круговорота веществ и потоков энергии, что позволяет прогнозировать
последствия человеческой деятельности и разрабатывать стратегии
устойчивого природопользования.