1.7.4. Жизнь в круговороте углерода и в истории Земли.

nCO₂ + nH₂O ↔ (СН₂О)_n + nO₂

реакция фотосинтеза

Начальным источником углерода в верхних геосферах является мантия. В результате ее дегазации в атмосферу и гидросферу попадает двуокись углерода (СО₂). Благодаря большой подвижности и хорошей растворимости в воде диоксид углерода занимает исключительное положение в геохимии углерода, являясь начальным и конечным звеном многочисленных его превращений (В.И.Ермолкин, 1993). Однако процентное содержание углерода в различных частях земли резко различно (Таблица 11).

Таблица 11. Распределение углерода в различных частях Земли (по В.А.Успенскому)

Части Земли	Среднее содержание, %	Общее количество, 1012 т	Доля углерода, %
Земля в целом	0,04	2 400 000	100
Осадочная оболочка	1,43	18 000	0,75
Поверхность земли	4,70	22	0,001
Живое вещество	23,74	0,5	0,00005

То есть содержание углерода в осадочной оболочке в 36 раз больше средней по Земле, а в почвах и илах – в 100 раз больше. Это перераспределение - результат действия живого вещества, хотя в самой биомассе заключена лишь ничтожная часть общего углерода.

На Земле существуют две различные ветви круговорота углерода и механизма его выхода из круговоротов биосферы – через неорганический углерод карбонатных минералов и через органическое вещество (рис. 1.18).

Вулканы 10⁸т

Атмосфера

СО₂ 10¹²т

Окисление

органических веществ

Океан: СО₂ 10 ¹⁴ т

Растворение

Са СО₃

Фотосинтез 10 ¹¹ т

Выпадение Са СО₃

Промышленная деятельность человека

Нефть и уголь 10¹⁵т

Известняк 10¹⁶т

Рис. 1.18. Круговорот углерода на Земле (По Реймерсу, 1990).

Обе эти ветви имеют единый источник углерода – атмосферу и гидросферу. Далее по первой ветви происходит нейтрализация оснований угольной кислотой и образование солей кальция и магния. Выделение и растворение карбонатов происходят в природе неоднократно. Эта ветвь дает начало разнообразным карбонатным породам и по количеству депонированного углерода в 6-7 раз превосходит другую ветвь.

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 СО₂ нерастворимый карбонат (СаСО₃) переходит в растворимый бикарбонат Са (НСО₃)₂. При недостатке СО₂ растворимый бикарбонат переходит в нерастворимый карбонат. В результате метаморфизма и эрозии, карбонатный углерод в виде СО₂ попадает в гидросферу и атмосферу и вновь включается в круговорот. Поэтому опасения, что атмосфера отравится углекислым газом от выбросов промышленных предприятий и спровоцирует парниковый эффект, не обоснован, потому что на Земле существуют океан и биосфера.

Другая ветвь превращений углеродных соединений начинается с ассимиляции СО₂ в результате фотосинтеза. При этом, из окисленной формы углерод за счет энергии света переходит в восстановленную, запасая энергию. Все последующие превращения происходят с потерей энергии и уменьшением количества органического вещества. Процесс происходит по двум возможным циклам малому и большому (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Основные циклы органического углерода на Земле (по Вельте)

Заимствовано из работы «Геология и геохимия, 2000.

На самых заключительных стадиях метаморфизма углерод переходит в инертную форму – графит.

В работе этого механизма с необходимостью участвует кислород, а весь свободный кислород планеты имеет биогенное происхождение. Так как он плохо растворим в воде, он идет в атмосферу, увеличивая его содержание уже на границе докембрия – кембрия до величин, сопоставимых с современным. Живые существа не только производят кислород, но и потребляют его. В биосфере проходит реакция nCO₂ + nH₂O ↔ (СН₂О)_n + nO₂. Слева направо реакция идет как фотосинтез, справа налево – как дыхание, горение, гниение. Увеличение содержания кислорода в атмосфере (то есть смещение равновесия), как известно из курса химии, возможно только при удалении одного из продуктов реакции – захоронения восстановленного, то есть не окисленного органического вещества.

Возраст древнейших пород, в которых найден углерод заведомо органического происхождения (по соотношению изотопов ¹²С и ¹³С) - это возраст древнейших осадочных пород. Временем 3,4 млрд. лет датируются первичные микроорганизмы(?) – цианобактерии (сине-зеленые водоросли) - то есть это время зарождения жизни и возникновения источника молекулярного кислорода. Примерно 2 млрд. лет назад биосфера «вывернулась наизнанку» – вместо кислородных оазисов вокруг скоплений живых организмов появились анаэробные «карманы». Тогда же содержание кислорода в атмосфере достигло 1% от современного (точка Пастера). Именно с этой пороговой концентрации энергетически выгодным для жизни становятся не реакции брожения, а реакции окисления. Начинается необратимое отравление (с точки зрения анаэробов) атмосферы кислородом. В течение протерозоя мир постепенно становится аэробным (рис. 1.16).

Роль жизни как планетного геологического фактора в наиболее последовательной форме раскрыл замечательный русский ученый, основоположник геохимии В.И.Вернадский. Он писал «…Вещество биосферы благодаря им <космическим и солнечным лучам> проникнуто энергией; оно становится активным, собирает и распределяет в биосфере полученную в форме излучений энергию, превращает ее, в конце концов, в энергию в земной среде свободную, способную производить работу... Жизнь является великим, постоянным и непрерывным нарушителем химической косности поверхности нашей планеты. Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе как о едином целом в механизме биосферы, хотя только часть его – зеленая, содержащая хлорофилл растительность – непосредственно использует солнечный луч, создает через него фотосинтезом химические соединения, неустойчивые в термодинамическом поле биосферы при умирании организма, или при выходе из него. С этой зеленой частью непосредственно и неразрывно связан весь остальной живой мир.” Зеленые растения составляют основание трофической пирамиды “Дальнейшую переработку созданных ею химических соединений представляет все вещество животных и бесхлорофильных растений… Можно рассматривать всю эту часть живой природы, как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли. Часть живого вещества не возвращается сразу же после гибели организма назад в биосферу, а захоранивается”. В результате “Мы имеем здесь дело с новым процессом – с медленным проникновением внутрь планеты лучистой энергии Солнца, достигшей его поверхности. Этим путем живое вещество меняет биосферу и земную кору… Вся земная кора целиком, на всю доступную нашему наблюдению глубину изменена этим путем… Скопления этих органических веществ являются очагами огромной потенциальной энергии, “погребенными лучами Солнца…”

* * *

Таким образом, живое вещество, зародившись на заре истории Земли, создало кислородную атмосферу, что позволило стратегии жизни перейти от анаэробных форм к значительно более эффективным, аэробным. Улавливая, пропуская через себя, восстанавливая и концентрируя углерод, живое вещество планеты создает, таким образом, концентрированные сгустки энергии в виде скоплений месторождений горючих ископаемых.