Что такое замкнутый круговорот веществ в экосистеме и как он работает

Если очень коротко, в устойчивой экосистеме атомы (углерода, азота, фосфора и т.д.) постоянно переходят из одной формы в другую и «ходят по кругу» между живыми организмами, почвой, водой и воздухом. Это и есть замкнутый круговорот веществ. Он замкнут по веществу, но не по энергии: энергия Солнца заходит, рассеивается в виде тепла и не возвращается назад.

Базовая схема

1. Продуценты (автотрофы) — растения, водоросли, цианобактерии. Они из неорганики (CO₂, вода, минеральные соли) синтезируют органику, «встраивая» элементы в биомассу.

2. Консументы (гетеротрофы) — травоядные, хищники, детритофаги. Питаются готовой органикой, переносят элементы по пищевым цепям.

3. Редуценты (деструкторы) — бактерии, грибы, почвенные животные. Разлагают мёртвое органическое вещество и отходы до простых неорганических соединений, возвращая элементы в среду, где их снова подхватывают продуценты.

Получается замкнутый цикл: минерализация → поглощение → ассимиляция → перенос по трофическим уровням → отмирание → разложение → минерализация.

Типы круговоротов

• Газовые (атмосферные) циклы: углерод (CO₂ ↔ органика), азот (N₂ ↔ нитраты/аммоний ↔ органика), кислород. Их «резервуар» — атмосфера; оборот сравнительно быстрый.

• Осадочные (седиментогенные) циклы: фосфор, сера, кальций, калий, железо. Главные резервуары — горные породы, донные отложения; оборот медленнее и сильнее зависит от выветривания и эрозии.

Как это выглядит на примерах

Углеродный цикл

• Растения фиксируют CO₂ в процессе фотосинтеза.

• Животные и микроорганизмы получают углерод с пищей и выделяют CO₂ при дыхании.

• Часть органики попадает в «депо» (гумус, торф, древесина, осадки); при разложении, горении или добыче ископаемого топлива CO₂ возвращается в атмосферу.

Азотный цикл

• Азотфиксация: симбиотические бактерии (например, у бобовых) и свободноживущие микроорганизмы переводят N₂ воздуха в аммоний.

• Нитрификация: бактерии превращают аммоний в нитриты, затем в нитраты — форму, удобную для поглощения растениями.

• Ассимиляция: растения включают азот в аминокислоты, белки; дальше он идёт по пищевой цепи.

• Аммонификация: разложение белков до аммония.

• Денитрификация: восстановление нитратов до N₂/NOₓ и возвращение в атмосферу.

Фосфорный цикл

• Выветривание пород высвобождает фосфаты → растения → животные → детрит → минерализация.

• Часть фосфора уходит в донные отложения и возвращается очень медленно (геологические масштабы).

Детритный и пастбищный пути

• Пастбищный: живые растения → травоядные → хищники → редуценты.

• Детритный: опад, трупы, экскременты → детритофаги и микроорганизмы → минеральные вещества. Во многих экосистемах именно детритный путь «тащит» основной объём оборота.

Что держит цикл «замкнутым»

• Отрицательные обратные связи: дефицит элемента снижает рост и ускоряет минерализацию, избыток — усиливает вынос и связывание.

• Биоценотическая структура: наличие всех звеньев — продуценты, консументы, редуценты — и их функциональное разнообразие (микориза у растений, разные группы бактерий).

• Физическая среда: влажность, температура, pH, аэрация почв — определяют скорость разложения и доступность элементов.

Важные нюансы

• Энергия не циклирует: она течёт «в одном направлении» и рассеивается, поэтому для поддержания замкнутого круговорота веществ нужна постоянная подпитка энергией (обычно солнцем).

• Степень замкнутости относительна: экосистемы обмениваются веществами с соседями (вынос стоком, унос ветром, миграции). «Замкнутость» означает в первую очередь внутреннее повторное использование элементов.

• Лимитирующие элементы: чаще всего азот и фосфор. От их доступности зависит продукция и скорость оборота.

• Скорости оборота различаются: в тропическом лесу круговорот быстрый (быстрое разложение, тонкий гумус), в тундре и пустыне — медленный (холод/сухость тормозят деструкцию).

Пример: лесная экосистема

• Листовой опад и мёртвая древесина образуют мощный поток детрита.

• Грибы и бактерии разлагают лигнин и целлюлозу, высвобождая азот и фосфор.

• Деревья через корни и микоризу быстро подбирают минералы обратно, поэтому значительная часть элементов «ходит по малому кругу» внутри почвенно-растительного слоя.

Роль человека

• Удобрения: усиливают первичную продукцию, но избыток выносится в водоёмы → эвтрофикация.

• Землепользование и вырубки: нарушают баланс между продукцией и деструкцией, ускоряют эрозию (утечка фосфора/калия).

• Сжигание ископаемого топлива: быстро высвобождает «законсервированный» углерод, меняя соотношения в углеродном цикле.

Как понять, «здоров» ли круговорот

• Есть все функциональные группы организмов.

• Низкие потери питательных веществ за пределы системы (минимальный вынос стоком).

• Стабильная или растущая биомасса и гумус.

• Отсутствие хронических дефицитов (или токсичных избытков) элементов.

Итог: замкнутый круговорот веществ — это самообеспечивающееся перераспределение химических элементов внутри экосистемы, поддерживаемое постоянным притоком энергии и работой продуцентов, консументов и редуцентов. Благодаря этому экосистемы могут долго существовать без внешних «подкормок» веществами, пока не нарушены их структура и потоки.