20. Кругообіг кисню

В кількісному відношенні головною складовою живої матерії є кисень, кругообіг якого ускладнений його здатністю вступати в різні хімічні реакції, головним чином реакції окислення. В результаті виникає безліч локальних циклів, що відбуваються між атмосферою, гідросферою та літосферою, які в свою чергу можуть бути порушені антропогенним фактором. Кисень, що міститься в атмосфері і в поверхевих мінералах (осадові кальцити, залізні руди), має биогенное походження і повинно розглядатися як продукт фотосинтезу. Цей процес протилежний процесу споживання кисня при диханні, який супроводжується руйнуванням органічних молекул, взаємодією кисня із водородом (отщепленим від субстрата) та утворенням води. В деякому відношенні кругообіг кисня нагадує зворотний кругообіг вуглекислого газу. В основному він відбувається між атмосферою та живими організмами. Споживання атмосферного кисня та його відшкодування рослинами в процесі фотосинтезу здійснюється досить швидко. Розрахунки показують, що для повного поновлення всього атмосферного кисня вимагається біля двох тисяч років.

Біотичний кругообіг кисню становить 250 Гт / рік, а загальна його кількість в межах біосфери - близько 1014 т. Кисень на Землі - перший за поширеністю елемент: його зміст (у вагових відсотках) в атмосфері - 23,1; в біосфері (у складі сухий органіки) - 44,8; в літосфері - 47,2; в гідросфері (у складі Н2О) - 86,9. Однак для водних організмів необхідний кисень, розчинений у воді. Його середній вміст в фотіческом шарі гідросфери становить 4,5 мг / л і зазнає значні коливання.

Вміст кисню в атмосфері в 64 рази більше - 288 мг / л - і протягом тривалої геологічної епохи завдяки біотичної регуляції (продукції О2 рослинами) постійно. Відхилення від цього рівня могли б сильно позначитися на стані біоти біосфери: при зниженні концентрації - помітно зменшити фауну океану, при підвищенні - привести до небезпечного збільшення окисних властивостей середовища. Наземні тварини також досить чутливі до відхилень від цього рівня. Певний дефіцит кисню для тварин і людини виникає тільки у високогір'ї, у зонах інтенсивного споживання і в штучних пристроях.

З круговоротом кисню тісно пов'язане утворення озону. У високих шарах атмосфери під впливом жорсткого ультрафіолетового випромінювання відбувається іонізація та дисоціація частини молекул кисню, утворюється атомарний кисень, який негайно приєднується до порушених молекул кисню, утворюючи озон - триатомним кисень.

21. Глобальний КолообІг вуглецю

Серед багатьох хімічних елементів, без яких неможливе життя на землі, вуглець є найголовнішим. Хімічні перетворення органічних речовин пов’язані з можливістю атома вуглецю утворювати довгі ланцюги та кільця.

Основними резервуарами вуглецю є атмосфера, континентальна біомаса, включаючи ґрунти, гідросфера з морською біотою та літосфера. Понад 99% вуглецю в атмосфері знаходиться у вигляді вуглекислого газу. Близько 97% вуглецю в океанах існує в розчиненій формі, а в літосфері – у вигляді мінералів. Елементний вуглець присутній в атмосфері в малих кількостях у вигляді графіту і алмазу, а у ґрунті – у формі гумінових кислот.

Асиміляція вуглецю в процесі фотосинтезу веде до утворення відновленого вуглецю, який присутній у біоті, мертвій органічній речовині ґрунту, у верхніх шарах осадових порід у вигляді горючих копалин, і в літосфері – у вигляді розсіяного недоокисненого вуглецю.

В океанах міститься велика кількість розчинених сполук органічного вуглецю, процеси окиснення яких малодосліджені. Вуглець є основою всіх органічних речовин. Кожен живий організм складається в значній мірі з вуглецю. Вуглець – основа життя, джерелом вуглеводів для живих організмів є СО2 з атмосфери або води.

Маса діоксиду вуглецю в атмосфері оцінюється цифрою 400 млрд. тонн. В процесі вивітрювання та фотосинтезу щороку з атмосфери поглинається понад 800 млн. тонн СО2. Коли б не було механізму колообігу, то за кілька тисяч років вуглець повністю зник би з атмосфери, опинився «захованим» в гірських породах.

Вуглець – дуже важливий біогенний елемент, який є основою життя на Землі, структурна одиниця величезної кількості органічних сполук, що беруть участь у побудові організмів та забезпеченні їхньої життєдіяльності. Значна частина необхідної для організмів енергії утворюється в клітинах за рахунок окиснення вуглецю. Виникнення життя на Землі розглядається наукою як складний процес еволюції вуглецевих сполук.

Унікальна роль вуглецю в живій природі зумовлена його властивостями, яких у такому поєднанні не має жоден елемент періодичної системи. Між атомами вуглецю, а також між вуглецем та іншими елементами, утворюються міцні хімічні зв’язки, які, проте, можуть бути розірвані за порівняно м’яких умов. Ці зв’язки можуть бути одинарними, подвійними та потрійними.

Найпотужніший механізм засвоєння вуглецю (у формі СО2) – фотосинтез, який здійснюється повсюдно зеленими рослинами. Щороку асимілюється близько 100 млрд. т СО2. Рослини поглинають вуглекислий газ з повітря, виділяючи в атмосферу такий же об’єм кисню. У присутності хлорофілу СО2 взаємодіє з водою, перетворюючись на більш складні вуглецеві сполуки, наприклад, вуглеводи.

Схематично процес утворення вуглеводів може бути представлений рівнянням:

6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2 .

Одночасно утворюється крохмаль та інші різноманітні речовини, з яких складаються рослини. На Землі існує еволюційно більш давній спосіб засвоєння СО2 шляхом хемосинтезу. Окрім основної функції – джерела вуглецю – діоксид вуглецю, розчинений в природних водах і біологічних рідинах, бере участь у підтримці оптимальної для життєвих процесів кислотності середовища.

У складі СаСО3 вуглець утворює зовнішній кістяк багатьох безхребетних тварин (наприклад, мушлі молюсків), а також міститься в коралах, шкаралупі яєць птахів тощо.

Біологічний цикл вуглецю полягає в тому, що вуглець у вигляді СО2 поглинається із тропосфери рослинами. Потім із біосфери знову повертається в геосферу: з рослинами вуглець потрапляє до організму тварин та людини, а потім, при гнитті тваринних та рослинних матеріалів, – до ґрунту, і у вигляді СО2 – до атмосфери.