Нужно отметить тот факт, что абсолютно вся жизнь на Земле имеет в своем основании химические элементы углеродного типа. Каждая составляющая, которая принадлежит живому организму, имеет строение скелета углеродного типа. Словом, углерод с нами везде и всюду.
К тому же, атомы, относящиеся, непосредственно, к углероду, непрерывно осуществляют миграцию из одной области биосферы, которая принадлежит более узкой оболочке земли и на которой есть жизнь, в совершенно иную. Если основываться на примерах, то круговорот представленного элемента в природе можно проконтролировать, но только на этапе динамики.
Наиболее важные и значимые запасы углерода представляются в виде диоксида углерода, которые, так или иначе распространены в атмосфере. Именно поэтому, стоит изучить все те составляющие углекислого газа, которые содержатся в атмосфере.
Важным этапом является то, что растения осуществляют процесс поглощения молекул, после чего и происходит превращение атома в самые разные воссоединения органического типа. Этот процесс является неотъемлемой частью структуры всех растений на земле.
Помимо всего этого, углерод способен оставаться и производить все важные процессы до тех пор, пока растение не придет к своему концу жизни. Как правило, в таком случае, все молекулы идут напрямую в пищу в виде редуцента. Стоит напомнить, что редуцент, в свою очередь, является тем организмом, который питается омертвевшими составляющими органического типа, после чего идет полное разрушение его до самых элементарных соединений антибазисной категории.
Так, на завершающем этапе, представленный химический элемент возвращается в среду в вариации газа углекислой категории. Обозначение, которого известно всем – общепринятая формула СО2.
Стоит не забывать о том, что растения могут быть поглощены животными травоядного класса. На таком этапе, элемент возвращается либо обратно в атмосферу, либо же животные травоядного класса подвергаются съедению более хищными видами фауны. В первом случае, процесс дыхания осуществляется тогда, когда животное разлагается на самом последнем этапе.
Второй процесс может быть осуществим только после того, как углерод возвратится сразу же в живую среду. Растения также могут просто погибнуть и в завершении, оказаться под земной корой. Если такой процесс все же осуществился, то растения преобразуются в топливо ископаемого типа, к примеру, в уголь.
Если же исходные элементы углекислого газа просто растворятся в воде морского типа, то может произойти следующее:
На сегодняшний день, ко всем перечисленным факторам прибавились еще и все те выбросы, которые непосредственно образуются при процессе сжигания топлива ископаемого класса. В последнее время ощутимым камнем преткновения является то, что правительства различных стран уже несколько лет пытаются прийти к международному соглашению в углекислого газа.
Но ученые еще не могут быть уверены в том, что процесс накопления углекислого газа в живой среде можно приостановить одними лишь посадками растений и обширных лесопосадок. Надо отметить, что такой процесс как круговорот углерода в живой среде еще не является до конца открытым. Ученые постоянно работают над этим, и с каждым годом в науке происходят еще более удивительные открытия.
Вся земная жизнь основана на углероде. Каждая молекула живого организма построена на основе углеродного скелета. Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы (узкой оболочки Земли, где существует жизнь) в другую. На примере круговорота углерода в природе можно проследить в динамике картину жизни на нашей планете.
Основные запасы углерода на Земле находятся в виде содержащегося в атмосфере и растворенного в Мировом океане диоксида углерода, то есть углекислого газа (CO 2). Рассмотрим сначала молекулы углекислого газа, находящиеся в атмосфере. Растения поглощают эти молекулы, затем в процессе фотосинтеза атом углерода превращается в разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений. Далее возможно несколько вариантов:
В случае же растворения исходной молекулы CO 2 в морской воде также возможно несколько вариантов:
Если углерод вошел в состав осадочных отложений или ископаемого топлива, он изымается из атмосферы. На протяжении существования Земли изъятый таким образом углерод замещался углекислым газом, попадавшим в атмосферу при вулканических извержениях и других геотермальных процессах. В современных условиях к этим природным факторам добавляются также выбросы при сжигании человеком ископаемого топлива. В связи с влиянием CO 2 на парниковый эффект исследование круговорота углерода стало важной задачей для ученых, занимающихся изучением атмосферы.
Составной частью этих поисков является установление количества CO 2 , находящегося в тканях растений (например, в только что посаженном лесу) — ученые называют это стоком углерода . Поскольку правительства разных стран пытаются достичь международного соглашения по ограничению выбросов CO 2 , вопрос сбалансированного соотношения стоков и выбросов углерода в отдельных государствах стал главным яблоком раздора для промышленных стран. Однако ученые сомневаются, что накопление углекислого газа в атмосфере можно остановить одними лесопосадками.
Из всех биогеохимических циклов круговорот углекислого газа один из самых интенсивных. Основными хранилищами этого вещества являются:
гидросфера (1,3∙1014 т),
атмо-сфера (2,3∙1012 т)
биосфера (2,0∙1012т углерода) (в пересчёте на углерод).
Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры. Миграция СО2 в биосфере протекает двумя путями.
Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием глюкозы и других органических веществ, из которых построены все растительные ткани. Растения извлекают в процессе фотосинтеза из атмосферы и гидросферы около 150 млрд. т углерода в год в виде СО2 . Далее возможно несколько вариантов:
дыхание растений;
растения могут быть съедены травоядными животными. В этом случае углерод либо вернется в атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять же вернется в атмосферу теми же путями);
углерод может оставаться в растениях, пока растения не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищуредуцентам (организмам, которые питаются мертвым органическим веществом и при этом разрушают его до простых неорганических соединений), таким как грибы и термиты. В конце концов углерод вернется в атмосферу в качестве CO 2 ;
растения могут погибнуть и оказаться под землей. Тогда в конечном итоге они превратятся в ископаемое топливо - например, в уголь.
Второй путь - растворение в морской воде. Углекислый газ СО2 обладает свойствами летучести и легкой растворимости - 0,88 объёма в 1 объёме воды, особенно в морской воде. Из атмосферы СO2 (30%) адсорбируется гидросферой. Примерно 100 млрд т СО2 находится в непрерывном круговороте между атмосферой и океаном.
Диоксид углерода участвует в реакциях, протекающих в гидро-сфере:
СО2+Н2О Н2СО3 Н+ + НСО3-
В случае же растворения исходной молекулы CO 2 в морской воде также возможно несколько вариантов:
углекислый газ может просто вернуться в атмосферу (этот вид взаимного газообмена между Мировым океаном и атмосферой происходит постоянно);
углерод может войти в ткани морских растений или животных. Тогда он будет постепенно накапливаться в виде отложений на дне Мирового океана и в конце концов превратится в известняк или из отложений вновь перейдет в морскую воду.
По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где СО2 переходит в Н2СО3, НСО13, СО23. С помощью растворенного в воде кальция (или магния) происходит осаждение карбонатов (СаСО3) биогенным и абиогенным путями. Образуются мощные толщи известняков. По А. Б. Ронову, отношение захороненного углерода в продуктах фотосинтеза к углероду в карбонатных породах составляет 1:4.
Существует наряду с большим круговоротом углерода и ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.
Содержание СО2, определяющего кислотность морской воды, остается постоянной благодаря карбонатно-бикарбонатному буферу. Этот буфер действует следующим образом: углекислый газ водорастворим, и в океанах его растворено около 140 трлн. т (против 2,6 трлн. т в атмосфере). При избытке СО2нерастворимый карбонат (СаСО3) переходит в растворимый бикарбонат Са (НСО3)2. При недостатке СО2 растворимый бикарбонат переходит в нерастворимый карбонат.
Общее количество СО2, связываемое ежегодно при выветривании горных пород, достигает 2 млрд. т углерода.. Диоксид углерода атмосферы расходуется также на процесс выветривания горных пород, превращая последние сначала в средние, а за-тем в гидрокарбонаты, которые вымываются водой и накапливаются в океане. Например, при выветривании полевых шпатов, в частности анортита, образуется гидрокарбонат кальция:
Са (Al2 Si2 O8) +CO2 = CaCO3+Al2 O3+2SiO2
СаСО3+СО2+Н2О = Са (НСО3)2
Таким образом, главную роль в круговороте углерода играет атмосферный и гидросферный фонды углекислого газа. Этот фонд пополняется при дыхании растений и животных, а также при разложении мертвой органики. Некоторая часть углерода ускользает из круговорота в захоронения. Если углерод вошел в состав осадочных отложений или ископаемого топлива, он изымается из атмосферы. На протяжении существования Земли изъятый таким образом углерод замещался углекислым газом, попадавшим в атмосферу при вулканических извержениях и других геотермальных процессах.
С наступлением научно-технического прогресса появился ещё один важный поток - обогащение атмосферы углекислым газом в результате сжигания ископаемого топлива.
В целом же без антропогенного вмешательства содержание углерода в биогеохимических резервуарах: биосфере (биомасса+почва и детрит), осадочных породах, атмосфере и гидросфере, - сохраняется с высокой степенью постоянства благодаря высоко сбалансированным потокам. По Т.А. Акимовой, В.В. Хаскину (1994), постоянный обмен углеродом, с одной стороны, между биосферой, а с другой - между атмосферой и гидросферой, обусловлен газовой функцией живого вещества - процессами фотосинтеза, дыхания и деструкции, и составляет около 60 млрд т/год. Общая масса углерода в ископаемом топливе (нефть, газ, уголь и др.) оценивается в 3,2 тлрд т, что соответствует средней скорости накопления 7 млн т/год. Это количество по сравнению с массой циркулирующего углерода незначительное и как бы выпадало из круговорота, терялось в нем. Отсюда степень разомкну-гости (несовершенства) круговорота составляет 10-4, или 0,01%, а соответственно степень замкнутости - 99,99% - потоки синтеза и распада органических веществ в биосфере с очень высокой точностью подогнаны друг к другу. Скоррелированность потоков синтеза и распада с указанной точностью доказывает наличие биологической регуляции окружающей среды, ибо случайная связь величин с такой точностью в течение миллионов лет невероятна».
Невозможно отрицать, что человек значительно (и не лучшим образом) влияет на окружающую среду, в частности на в природе. В наших силах сохранить экологическую обстановку на планете хотя бы в пригодном для жилья виде на как можно более долгий срок. Но почему, собственно, так важно наличие углерода? Что с ним вообще происходит, как он влияет на нас, и можем ли мы повлиять на круговорот в природе этого важного элемента?
Практически любая форма жизни на нашей планете содержит в себе углерод. Значит, он необходим для нормального существования всех биологических видов. Почему же нас пугают тем, что содержание углерода стремительно повышается? Сжигание нефти и газа в процессе эксплуатации машин, работы предприятий выбрасывает в атмосферу огромное количество углекислого газа, нарушая круговорот углерода в природе. Биосистема Земли перестает справляться с таким его количеством.
Где присутствует углерод?
В, казалось бы, ничтожно малой концентрации (0.04%) углерод присутствует в атмосфере Земли как диоксид СО2. Но этого достаточно, чтобы поддерживать жизнедеятельность земной растительности.
Углерод содержится также в почве и осадочных породах - в наземной биосфере.
Как уже говорилось, этот элемент в большом количестве присутствует в океане в виде живой и неживой морской органики и в уже растворенном виде.
Еще одно хранилище углерода - ископаемые ресурсы, обычно, органического происхождения.
Откуда появляется?
Круговорот углерода в природе, как и любого другого вещества, подразумевает, что он откуда-то берется, потом куда-то девается и возвращается назад. Посмотрим, как это происходит с углеродом.
. В атмосферу углерод выдыхают животные и люди.
. Отмершие организмы растений и животных обрабатываются бактериями, которые с участием кислорода выделяют при этом углекислый газ или метан, в котором также присутствует углерод.
. образовывается также при сжигании нефти, угля, торфа и природного газа.
. Лесные пожары - тот же источник попадания этого газа в атмосферу.
. Еще один серьезный источник - деятельность активных вулканов, которые выбрасывают в атмосферу много углекислого газа, пара и диоксида серы.
. Производство цемента, как результат человеческой деятельности; используя нагревание карбоната кальция (СаСО3), выделяем большое количество углерода в атмосферу.
. Много говорят о глобальном потеплении. Нагреваясь, поверхность океана дополнительно выделяет углекислый газ из воды.
Куда девается?
Если бы весь попадающий в воздух углерод там и оставался, мы бы давно уже задохнулись, и жизнь на Земле перестала бы существовать. Но круговорот углерода в природе предполагает, что из атмосферы он куда-то девается. Куда?
. Большое спасибо за очищение воздуха от углекислого газа нужно сказать деревьям, которые являются главными хранилищами этого элемента. Причем, углерод может сохраняться в них сотни лет. Особенно полезны в этом смысле молодые деревья, которые быстро растут и, значит, быстро расходуют углерод.
. Чем ниже температура, тем более растворимым становится углекислый газ, и холодная поверхность воды ближе к северному полюсу отлично его поглощает. Но глобальное потепление грозит тем, что океан начнет испарять углекислый газ назад в атмосферу. Это еще одна проблема, которая волнует ученых и все человечество.
. Еще одна серьезная фабрика по утилизации углерода - морские организмы, обитающие в верхних слоях океана. Они абсорбируют углерод для строительства своих клеток. Приблизительные подсчеты ученых говорят о 36 тысячах гигатонн углерода в мировом океане.
. Отмирая,
Круговорот углерода в природе
Важнейшие биогеохимические круговороты
Углерод - основная составляющая углеводов, белков, нуклеиновых кислот и других жизненно важных органических соединений.
В основе круговорота углерода в природе в основном лежат реакции окисления и восстановления углерода. Принципиальная схема круговорота углерода в природе приведена на рис. 3.
Углекислый газ из атмосферы в процессе фотосинтеза превращается в органическое вещество растений:
Растения (органическое вещество) поедаются животными:
Органическое вещество в результате (сжигания) жизнедеятельности организмов, разложения трупов и других процессов выделяется в атмосферу в виде СО 2 (и Н 2 О), и запасается в виде гумуса, торфа. Последние являются основой превращения их в каменные угли, нефть и газы.
Источниками поступления углекислого газа в атмосферу является также вулканическая деятельность, разложение органических веществ, Мировой океан и деятельность человека, связанная со сжиганием угля, нефти, газа.
Круговорот углерода в гидросфере значительно сложнее континентального, поскольку возврат этого элемента в виде СО 2 зависит от поступления кислорода в верхние слои воды как из атмосферы, так и из нижележащей толщи воды. По этой причине в целом показатели годичного круговорота углерода в Мировом океане почти вдвое ниже, чем на суше.
В водных системах огромное количество угольной кислоты (Н 2 СО 3) законсервировано в виде известняков и других пород. Часть углерода ускользает из круговорота и «уходит в геологию» в виде торфа, угля, нефти и карбонатных отложений водных систем.
Между сушей и Мировым океаном происходит постоянная миграция углерода. Здесь преобладает его вынос с суши в океан в виде карбонатов и органических соединений. Поступление углерода из Мирового океана на сушу осуществляется только в виде СО 2 , переносимого воздушными течениями. СО 2 атмосферы и гидросферы полностью обменивается живыми организмами за 395 лет.
Суммарное количество СО 2 (т) составляет:
в атмосфере - 2,3 ∙10 12
в Мировом океане - 1,3 ∙10 14
в литосфере (в связанном состоянии) - 2 ∙10 17
в живом веществе биосферы - около 2,3 ∙10 12
 |
Рис.3. Схема круговорота углерода
Основные отрицательные последствия нарушения круговорота углерода человеком проявляется в сокращении площадей лесов, разрушении почвы, сжигании топлива. Часть углерода накапливается в атмосфере в форме углекислого газа и метана, обуславливая парниковый эффект.
За геологический период с момента появления жизни на Земле углерод атмосферы и гидросферы неоднократно прошел через живые организмы. В течение 3-4 лет растения усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере. Следовательно, за четыре года может обновиться углеродный состав атмосферы, и условно можно считать, что углерод атмосферы за данный срок завершает свой цикл (Гришина, 1976). Цикл углерода гумосферы охватывает 300-400 лет. При этом цикл биологического круговорота углерода не замкнут: данный элемент часто выходит из круговорота на длительный срок в виде карбонатов, торфов, углей, гумуса. С другой стороны нарушение цикла происходит и благодаря поступлению в атмосферу глубинного углекислого газа и окиси углерода.
После рассмотрения свойств и особенностей углеродсодержащих соединений следует еще раз подчеркнуть ведущую роль углерода-органогена № 1:
во-первых, атомы углерода формируют скелет молекул органических соединений;
во-вторых, атомы углерода играют ключевую роль в окислительно-восстановительных процессах, поскольку среди атомов всех органогенов именно для углерода наиболее характерна окислительно-восстановительная двойственность.
