Круговорот углерода

Значение углерода в жизнедеятельности живой природы

 

 

Особое значение углерод в природе имеет не просто так: уникальные свойства серьезно выделяют его на фоне других химических элементов системы. Углерод образует прочные химические связи как внутри себя (между собственными атомами), так и с другими элементами. Но несмотря на свою прочность, эти связи могут быть достаточно просто разорваны во вполне мягких условиях.

 

В природе существует конкретная экономичность благодаря углероду: с помощью углерода и некоторого количества типов его связей производится сокращение ферментов, участвующих в расщеплении и синтезе органики. Важным также является то, что углерод – один из трех элементов (вместе с кислородом и водородом), которые составляют не больше, не меньше, чем 98 % всей массы живого на Земле.

 

В рамках гипотезы А.И. Опарина, принятой научным сообществом, предполагается, что самые первые органические соединения на нашей планете произошли абиогенным образом. Первичными источниками углерода были такие соединения, как HCN (цианистый водород) и CH4 (метан).

 

 

Именно эти вещества в основном содержались в атмосфере Земли начала времен. На данный момент углерод (в соединении СО2) отлично ассимилируется посредством фотосинтеза – сложного процесса, происходящего в клетках зеленых растений. Животные же в большинстве потребляют углерод в форме уже готовых органических соединений.

 

Самое распространенное соединение углерода – его двуокись (СО2). Будучи растворенной практически во всех жидкостях (в частности – и в воде) на Земле, двуокись углерода выполняет важную функцию поддержания кислотной среды. А такое соединение как, например, CaCO3 является основным в составе раковин и внешних покрытий беспозвоночных или в скорлупе яиц.

 

 

Геохимический цикл углерода

 

 

Геохимический цикл углерода по своей сути – это схема, отражающее то количество углерода, который циркулирует между слоями: атмосферой, геосферой и гидросферой. Замеры производятся в течение года и составляют миллиарды тонн. При это данный показатель еще включает и те 5,5 гигатонн, которые попадают в атмосферу при сжигании человеком ископаемого топлива.

 

По факту – геохимический цикл углерода представляет собой совокупность процессов по переносу углевода из одного так называемого геохимического резервуара в другой. Стоит отметить, что главную роль в этом процессе играют живые организмы.

 

Важно знать, что геохимический цикл углерода обладает рядом особенностей:

• Он всегда происходит сквозь гидросферу и атмосферу и поэтому серьезно влияет на все процессы в окружающей среде, и в первую очередь, на представителей биосферы;
• На протяжении становления и развития планеты происходящие катастрофические изменения значительно влияли на эволюцию цикла.

На данный момент самым изученным является четвертичный период геохимического цикла. В нем происходили те изменения, которые напрямую связаны с климатическими. Именно поэтому ученым намного проще отследить этот период, так как он четко зафиксирован вечной мерзлотой Арктики и Антарктиды.

 

 

 

Схема круговорота углерода в природе

 

 

Круговорот углерода в природе – это обязательный комплекс из различного рода физических и химических процессов и реакций. Известно, что данный элемент входит в состав всех живых организмов на планете Земля и прямо связан с процессами их жизнедеятельности. Атомы углерода в том или ином виде соединений непрерывно циркулируют во всех сферах планеты, отражая, по сути, общую динамику живых процессов.

 

 

Основная часть углерода представлена в атмосфере – и это углекислый газ СО2. В воде также присутствует углерод в форме также диоксида. При переходе жидкостей и газов в агрегатные состояния друг друга, круговорот и осуществляется – углерод свободно «гуляет» в окружающей среде. В чистом виде соединение СО2 потребляется растениями, преобразовывая его в процессе фотосинтеза в различные соединения и отдельные элементы, которые отправляются дальше по кругу. Таким образом, весь попавший в растение углерод разделяется на следующие части:

• в составе растения. Определенное количество углерода остается в клетках и задерживается в них до самого окончания жизненного цикла растения;
• переходит к травоядным. Потребляя в пищу растения, животные получают из них какую-то часть углерода, отдавая (буквально – выдыхая) его в атмосферу в виде СО2;
• от травоядных – к хищникам. По аналогичному принципу (через потребление пищи) плотоядные животные потребляют углерод и выделяют его диоксид посредством дыхательных процессов;
• попадает в грунт. Когда растение умирает, часть оставшегося в нем углерода переходит в почву. Так начинается процесс образования ряда топливных полезных ископаемых. Классическим примером может стать уголь.

 

Аналогичные процессы происходят в гидросфере. Содержащийся в воде углерод потребляется морскими обитателями растительного и животного мира.

 

В целом, попадание углерода в атмосферу связано напрямую с процессами жизнедеятельности живых организмов на планете. Отдельным естественным процессом выброса углекислого газа в атмосферу является извержение вулкана. Искусственным же считается сжигание топлива человеком. К сожалению, в совокупности это дает переизбыток углерода в атмосфере, чем создается парниковый эффект, пагубно влияющий на состояние окружающей среды и экологии. Эта проблема сейчас – одна из самых обсуждаемых в мире.

 

 

 

Этапы круговорота углерода

 

 

Наибольшее количество углерода на планете представлено в форме соединения диоксида углерода или углекислого газа CO2. Он содержится в атмосфере, растворен в водах Мирового океана. Для процессов, происходящих в атмосферных слоях, круговорот углерода происходит следующим образом:

• оставшийся в растениях после поглощения из воздуха углерод задерживается некоторой частью в них самих и уходит в почву после отмирания. Далее углерод становится материалом для «работы» редуцентов – грибов и термитов – которые, питаясь органическими веществами, разлагают их до более простой неорганики. Впоследствии вновь соединившийся с кислородом углерод в форме CO2 вернется в атмосферу;
• дополнительный способ – если растение попадает под грунт. Там, разлагаясь, оно может превратиться в ископаемое топливо, в основе которого лежит углерод. Так появляется уголь.
• вторым вариантом развития событий может стать употребление растений в пищу травоядными. Углерод попадая в организм животного, затем выходит с дыханием обратно в воздух или и в почву в процессе разложения после смерти. Также травоядное животное может стать пищей для хищников, тем самым передав ему углерод, который вернется в воздух и почву тем же образом.

 

В воде круговорот имеет меньше вариаций, но также возможны несколько способов:

• растворенный в воде углекислый газ в процессе газообмена регулярно циркулирует между Мировым океаном и атмосферой;
• углерод находится в составе тканей растений и животных, которые после отмирания превращаются в известняк, оседая на дне и отдавая углерод в воду.

 

 

 

Последовательность круговорота углерода

 

 

Последовательность биогенного круговорота углерода в природе всегда начинается с его потребления растениями из атмосферы и/ или воды. Далее посредством фотосинтеза углерод в растениях «разделяется» на нужные части: некоторое количество остается в растении, часть уходит в атмосферу и почву (в случае естественной гибели растения). Поглощая растения как пищу, животные продолжают распространение углерода: выдыхая его в виде углекислого газа или отдавая в почву после смерти.

 

Все процессы круговорота углерода неотделимы друг от друга и всегда протекают параллельно. В природе нет сеткой последовательности действий перемещения углерода, каждый из этапов протекает параллельно другому.

 

 

Результаты круговорота углерода

 

 

Элемент углерода в простейшем виде постоянно осуществляет циркуляцию между сферами планеты и живыми организмами на ней. Будучи поглощенным растениями в форме CO2, в процессе фотосинтеза он превращается в простые сахара, которые затем становятся жизненно важными элементами в цепочке питания животных. Они же, в свою очередь, преобразуя за счет метаболизма полученные вещества, отдают углерод в атмосферу в виде соединения CO2.

 

 

 

Также на состояние и количество углерода влияют геологические процессы. Попавший в почву углерод, превратившийся в горючее ископаемое (уголь, нефть, газ) на какое-то время исключается из дальнейшего круговорота углерода. Но как только человек производит их добычу и пускает дальше в потребление, при сжигании топливных веществ, углекислый газ возвращается в атмосферу в обильном количестве.

 

 

Роль живых организмов в круговороте углерода

 

 

Живые организмы – важна и неотъемлемая составляющая круговорота углерода. Их участие в этапах перемещения углерода и организации его естественных соединений в ходе химических реакций и физических процессов играет важную роль для его распространения и усвоения.

 

Поглощая углерод, входящий в состав воздуха в виде СО2, растения синтезируют его в те вещества и соединения, которые в дальнейшем обеспечивают жизнь травоядным животным и хищникам. Процесс круговорота питания напрямую связан с круговоротом углерода, который является важным химическим элементом, уровень которого должен быть поддержан на всех этапах потребления пищи животными.

 

Те растения, которые не идут в пищу животным, после отмирания попадают в почву. Выделяемый из них углерод становится основой для образования ископаемых, используемых человеком для организации жизнедеятельности. Появление добываемых ресурсов невозможно без микроорганизмов, которые имеют возможность разлагать сложные органические соединения до неорганических. Именно благодаря эти редуцентам (грибам и прочим простейшим организмам) происходит длительный процесс появления в почве угля, нефти и природного газа. При этом человек, как и любой другой живой организм, потребляет необходимое количество углерода не только техногенно, но и в естественных процессах работы его организма, и отдает углекислый газ в атмосферу.

 

Распространение углерода в Мировом океане происходит по иным принципам имеет свою специфику, но все живые организмы – обитатели морских глубин – принимают активное участие в круговом обмене углеродом как внутри своего ареала, так и по всей планете включительно.

 

 

Особенности круговорота углерода

 

 

Главной особенностью круговорота углерода является возможность консервации этого элемента. Большинство используемых сейчас ископаемых ресурсов, образовавшихся с помощью углерода миллионы лет назад, сжигаются и по факту являются завершающим этапом круговорота углерода и одновременно начинают новый, отдавая большое количество углекислого газа атмосфере.

 

Существует ряд статистик и оценок, по которым за год в процессе фотосинтеза появляется порядка 60 млрд тонн углерода, а разложение растений дает около 48 млрд тонн. При этом в почве оседает и начинает консервироваться не менее 10 млрд тонн. Стоит еще не упускать из внимания то, что в среднем в год сжигается порядка 4 млрд тонн топлива, а вместе с ним – 1 млрд углерода уходит в атмосферу.

 

Главные производители углерода на Земле – леса. При этом основными среди них являются тропические и бореальные леса. Именно они аккумулируют большую часть углерода на планете в своей биомассе и почве. В этом плане Россия – передовая в отношении лесозоны страна. Все российские леса – это 73 % бореальной лесной зоны всей планеты. А Сибирь – это 42 % из этих самых 73%.

 

Помимо атмосферы круговорот углерода происходит и в воде: там процесс носит более сложный характер. Связано это в первую очередь с тем, что проникновение углерода в воду значительно зависит от поступления кислорода в верхние слои океана. Общие показатели перемещаемого в Мировом океане углерода примерно вдвое меньше, чем на суше. Однако миграция углерода при этом регулярна, поэтому его уровень постоянно меняется и зависит от множества как естественных, так и антропогенных факторов.