Органического углерода на Земле

Хозяйственная деятельность человека интенсифицирует биотический круговорот углерода. Поступление техногенной углекислоты в атмосферу составляет примерно 2 10¹⁰ т/год, что намного меньше природных поступлений. Однако дальнейшая интенсификация этой деятельности может сопровож­даться повышением концентрации диоксида углерода в атмосфере до опасного уровня0,07%, при котором резко ухудшаются условия дыхания человека и животных.

2.4. Круговорот вещества и энергии в биосфере

Из всех земных процессов лишь единственный не расходует, а накапливает солнечную энергию. Это фотосинтез, создающий органическое вещество. В запасании и связывании солнечной энергии и заключается основная планетарная функция живо­го вещества. Важнейшей особенностью биосферы является су­ществование в ее пространстве потоков энергии и вещества.

В экосистемах перенос вещества и энергии осуществляет­ся посредством трофических (пищевых) цепей, за счет чего все химические элементы, из которых построены организмы, многократно используются в биосфере. Сущность биотического круговорота заключается в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и превра­щении ОВ при разложении вновь в неорганические соедине­ния. Этот круговорот для жизни биосферы является главным, и сам он является порождением жизни.

Живая материя (живое вещество) вещество рождается, изменяется и умирает, обеспечивая тем самым биогеохимический (биотический) круговорот вещества и энергии. Этот круговорот имеет циклический характер и представляет собой обмен веществ биоты с веществами атмосферы, гидросферы и литосферы.

Важнейшим элементом биосферы является биогеоценоз (экосистема), как целостное образование, в котором организ­мы и неорганические факторы выступают компонентами в устойчивом состоянии. В основе каждого биогеоценоза нахо­дятся автотрофные организмы (продуценты) — растения, ко­торые в процессе фотосинтеза создают органические соедине­ния из простых неорганических соединений. К продуцентам относятся зеленые растения, сине-зеленые водоросли и фотог синтезирующие бактерии.

Существуют растения, не являющиеся зелеными: это грибы. Они могут расти только на органических материалах и с точки зрения питания относятся скорее к животным, чем к растениям. Грибы получают энергию не из неживой материи, а из органического вещества когда-то живого источника.

Далее в экосистеме энергия по пищевой цепи передается консументам — гетеротрофам, которые питаются продуцентами. Отмершие организмы и растения разлагаются редуцентами на минеральные вещества, которые в дальнейшем исполь­зуется растениями для питания. Схема биохимического круговорота вещества и энергии в экосистеме приводится на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема биохимического круговорота

Вещества и энергии в экосистеме

Рис. 2.4. Пример пирамиды пищевой цепи

Энергия и вещество в пределах экосистемы передается с одного трофического уровня на другой. Пищевая цепь— путь однонаправленного потока энергии, поглощенной в процессе фотосинтеза, через живые организмы в окружающую среду в виде низкоэффективной тепловой энергии. Наглядным спосо­бом отражения связей между организмами разных трофичес­ких уровней и организации биоценозов является пищевая пирамида или пирамида энергий (рис. 2.4). Существует закон убывания биомассы на каждом последующем трофическом уровне. С каждого трофического уровня на следующий более высокий уровень по лестнице «продуцент—консумент—редуцент» передается только небольшая часть энергии — пример­но 10%. При каждом очередном переходе большая часть энер­гии (до 90%) теряется, переходя в тепло. Кроме того, при переходе с уровня на уровень часть органического вещества исклю­чается из круговорота и уходит в геологический запас. В ре­зультате происходит накопление органических веществ в оса­дочных породах.

Общее количество солнечной энергии, ежегодно поступа­ющей на Землю, составляет примерно 2∙10²⁴ Дж, из которых аккумулируется растениями — 1,9 10²¹ Дж. Разлагается фотохимическим путем около 130 млрд т воды и выделяется в окружающую среду 115 млрд. т кислорода. В биотическом кру­говороте кроме углерода участвуют азот, кремний, кальций, фосфор, сера и многие другие вещества. Всего в биотическом круговороте участвует более 60 химических элементов.

Углеводороды, как и все горючие полезные ископаемые, являются продуктом взаимодействия биоты и геосфер. Вся история их формирования и разрушения является частью об­щего глобального цикла углерода. Углерод наиболее ярко от­ражает связь биосферы с глубинными частями Земли. Это один из основных элементов, образующих живое вещество Земли. Его непрерывное поступление в атмосферу балансируется непрерывным удалением из атмосферы в гидросферу и осадочную оболочку планеты. Хранители углерода — живая биомасса, гумус, карбонатные осадочные породы, горючие полезные ископаемые.

За геологический период с момента появления жизни на Земле углерод атмосферы, гидросферы и литосферы неоднократно прошел через живые организмы. В течение примерно четырех лет растения усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере. Следовательно, за это время обнов­ляется углеродный состав атмосферы. Цикл оборота углерода в почве длится около 400 лет. Однако биотический цикл углерода не замкнут: этот элемент выходит из этого малого цикла и на длительное время переходит в большой глобальный цикл — «геологический запас» (рис. 2.5).

Углекислый газ из атмосферы в процессе фотосинтеза превращается в органическое вещество растений. Органическое вещество в результате дыхания организмов, их разложения и других процессов преобразуется, выделяется в атмосферу, гидросферу и запасается в осадках. Часть углерода на длительный срок выходит из биотического круговорота «в геологию» в виде торфа, сапропелей, гумуса. В водных системах огромное количество углерода консервируется в виде карбонатов.

В настоящее время в процессе фотосинтеза растительностью на суше и фотосинтетиками в океане на протяжении года расщепляется около 0,2 10¹² т воды и в органическом веще­стве связывается примерно 0,035∙10¹² т водорода.

Из приведенной выше реакции фотосинтеза видно, что свя­зывание 1 г углерода в органическое вещество сопровождается выделением 2,7 г кислорода в результате расщепления молекул воды. За всю историю фотосинтеза в осадочной оболочке Земли накоплено около 15 10¹⁵ т органического углерода С. Следовательно, за это же время при фотосинтезе выделилось 40 10¹⁵ткислорода. Из этого количества 1,2∙10¹⁵ т кислорода содержится в атмосфере, а остальное количество израсхо­довано на процессы окисления. Продуктивность растительности Мировой суши по выделению кислорода составляет примерно 165 млрд. т/год. Процессы фотосинтеза в океане поставляют в атмосферу кислорода до 130 млрд. т/год (при про­дуктивности С до 60 млрд т/год). Таким образом, суммарное выделение кислорода фотосинтетиками суши и океана составляет около 300 10⁹ т/год.