Круговорот углерода в природе — особенности, описание и схема процесса

Понятие и краткое описание

Круговорот веществ в биосфере – это «путешествие» определённых химических элементов по пищевой цепи живых организмов, благодаря энергии Солнца. В процессе «путешествия» некоторые элемент, по разным причинам, выпадают и остаются как правила, в земле. Их место занимают такие же, которые, обычно, попадают из атмосферы. Это максимально упрощенное описание того, что является гарантией жизни на планете Земля. Если такое путешествие почему-то прервется, то и существование всего живого прекратится.

Чтобы описать кратко круговорот веществ в биосфере необходимо поставить несколько отправных точек. Во-первых, из более чем девяноста химических элементов, известных и встречающихся в природе, для живых организмов, необходимо около сорока. Во-вторых, количество этих веществ ограничено. В-третьих, речь идет только о биосфере, то есть о жизнь содержащей оболочке земли, а, значит, о взаимодействиях между живыми организмами. В-четвертых, энергией, которая способствует круговороту, является энергия, поступающая от Солнца. Энергия, рождающаяся в недрах Земли в результате различных реакций, в рассматриваемом процессе участия не принимает. И последнее. Необходимо опередить точку отсчета этого «путешествия». Она условна, так как не может быть конца и начала у круга, но это необходимо для того, чтобы с чего-то начать описывать процесс. Начнем с самого нижнего звена трофической цепи – с редуцентов или могильщиков.

Ракообразные, черви, личинки, микроорганизмы, бактерии и прочие могильщики, потребляя кислород и используя энергию, перерабатывают неорганические химические элементы в органическую субстанцию, пригодную для питания живыми организмами и дальнейшего ее движения по пищевой цепи. Далее эти, уже органические вещества, едят консументы или потребители, к которым относятся не только животные, птицы, рыбы и тому подобное, но и растения. Последние являются продуцентами или производителями. Они, используя эти питательные вещества и энергию, вырабатывают кислород, который является основным элементом, пригодным для дыхания всего живого на планете. Консументы, продуценты и, даже редуценты погибают. Их останки, вместе с органическими веществами, находящимися в них, «падают» в распоряжение могильщиков.

И все повторяется вновь. Например, весь кислород, существующий в биосфере, делает свой оборот за 2000 лет, а углекислый газ за 300. Такой кругооборот принято называть биогеохимическим циклом.

Обзор углеродного цикла

Углерод является существенным элементом для жизни, поскольку мы знаем это из-за его способности сформировать многократные, устойчивые связи с другими молекулами. Вот почему нуклеотиды, аминокислоты Сахар и липиды зависят от углеродных основ: углерод обеспечивает стабильную структуру, которая позволяет химии жизни происходить. Без углерода ни одна из этих молекул не могла бы существовать и функционировать так, чтобы происходила химия жизни.

График ниже иллюстрирует некоторые общие пути, по которым углерод проходит через экосистема :

Как газ, углерод в значительной степени принимает форму углекислого газа. Углекислый газ выделяется организмами, поскольку они расщепляются глюкозой. Автотрофные организмы, такие как растения, используют углекислый газ и солнечный свет для создания глюкозы. Однако углекислый газ также выделяется при разложении органических веществ, геологических процессах и сжигании ископаемого топлива. Избыток двуокиси углерода в значительной степени поглощается океаном, что приводит к подкислению океана и может быть причиной нескольких массовых вымирания.

Особенности круговорота углерода

Углерод – это элемент, который встречается во многих различных формах и местах нашей Земли и атмосферы. Как упоминалось ранее, он в больших количествах содержится в живых организмах. Без этого элемента мы бы даже не существовали. Ключевые молекулы, из которых состоит наш организм, такие как белки, углеводы и ДНК, содержат углерод в качестве основного компонента. Углерод также в изобилии присутствует в нашей атмосфере в форме углекислого газа или CO2. Кроме того, углерод также содержится в Земле в виде ископаемого топлива.

Круговорот углерода – это, по сути, естественный способ повторного использования атомов углерода различными способами и в разных местах. Это процесс, при котором углерод перемещается из атмосферы в живые организмы и Землю, а затем обратно в атмосферу. Но как он работает и что заставляет углерод циркулировать?

Важно понимать, что наша Земля и ее атмосфера в целом являются замкнутой средой. Материя, которая существует сейчас, – это все, что у нас когда-либо будет. Вы когда-нибудь слышали фразу: «Материю невозможно создать или уничтожить»? Возьмем, к примеру, воду. Вода постоянно циркулирует на Земле и атмосфере. Она испаряется из океанов и других водоемов и удерживается в облаках. Затем выпадает в виде дождя или снега. Вода никогда не создается и не уничтожается, она лишь перерабатывается.

Точно так же у нас есть фиксированное количество углерода на Земле и в атмосфере. Мы находимся в нашем собственном пузыре, и, по сути, практически ничто не выходит из нашего мира и не входит в него. Мы не получаем межгалактических поставок необходимых элементов, таких как углерод. Это означает, что весь углерод на Земле и в атмосфере, равен тому количеству, которое у нас всегда было. Итак, когда формируются новые организмы, необходим углерод для образования ключевых молекул, таких как белок и ДНК. Но откуда он берется? Вот тут и начинает работать круговорот углерода в природе.

Значение углерода в природе

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.

В атмосфере

Чтобы стать частью углеродного цикла, атомы углерода начинают в газообразной форме. Углекислый газ – CO2 – может быть произведен неорганическими процессами или метаболизмом живых существ.

До того, как на Земле появилась жизнь, углекислый газ, вероятно, возник в результате вулканической активности и ударов астероидов. Сегодня углерод также выделяется в атмосферу в результате деятельности живых существ, таких как выдохи животных, действия редуцент организмов, а также сжигание древесины и ископаемого топлива людьми.

Несмотря на то, что углекислый газ попадает в атмосферу, газ CO2 является отправной точкой углеродного цикла.

В океанской воде

Большая часть углерода попадает в океан, когда углекислый газ в атмосфере растворяется в океанской воде. Когда углекислый газ растворяется в воде (H2O), он образует кислоту, называемую углекислотой (H2CO3). Реакция задается уравнением:

CO2 + H2O ↔ H2CO3.

Двуглавая стрелка указывает, что реакция может протекать в любом направлении, в зависимости от условий и количества присутствующего углекислого газа. Например, в холодной воде реакция протекает легче в направлении слева направо.

В результате вблизи полюсов, где океанская вода холоднее, растворяется больше углекислого газа и в воде содержится больше углекислоты. Хотя углекислота является слабой кислотой, она является важным регулятором кислотно-щелочного баланса (рН) океанской воды.

Углекислота, в свою очередь, легко разделяется на ионы водорода (H+) и ионы бикарбоната (HCO3−). Это происходит в следующей реакции:

H2CO3 ↔ H+ + HCO3−.

Благодаря этим двум реакциям большая часть растворенного углекислого газа в океане находится в форме ионов бикарбоната. Другим источником бикарбонатных ионов в океанской воде является сток. Текущая вода разрушает породы, содержащие соединения углерода, такие как карбонат кальция.

При этом образуются ионы бикарбоната, которые сток переносит в ручьи, реки и, в конечном счете, в океан. Многие ионы бикарбоната в океанской воде переносятся океанскими течениями в глубины океана. Углерод может удерживаться в этом глубоководном океанском резервуаре в виде ионов бикарбоната в течение тысяч или более лет.

В биосфере

Ионы бикарбоната вблизи поверхности океана могут поглощаться фотосинтезирующими водорослями и бактериями, живущими вблизи поверхности. Эти и другие автотрофные организмы используют ионы бикарбоната или другие формы углерода для синтеза органических соединений.

Углерод необходим для жизни, потому что он является основным ингредиентом любого типа органических соединений. Органические соединения составляют клетки и ткани всех организмов и поддерживают их жизнь и функционирование. Углерод поступает во все экосистемы, как наземные, так и водные, через автотрофы, такие как растения или водоросли.

1. Автотрофы используют углекислый газ из воздуха или ионы бикарбоната из воды для получения органических соединений, таких как глюкоза.
2. Гетеротрофы потребляют органические молекулы и передают углерод через пищевые цепи и сети.

Все организмы выделяют углекислый газ в качестве побочного продукта клеточного дыхания.

Примечание 2

Клеточное дыхание — это процесс, посредством которого клетки окисляют глюкозу и производят углекислый газ, воду и энергию. Разлагатели также выделяют углекислый газ, когда они расщепляют мертвые организмы и другие органические отходы.

В сбалансированной экосистеме количество углерода, используемого при фотосинтезе и проходящего через экосистему, примерно такое же, как количество, выделяемое при дыхании и разложении. Этот круговорот углерода между атмосферой и организмами образует органический путь в круговороте углерода.

Углерод может быстро циркулировать по этому органическому пути, особенно в водных экосистемах. Фактически, в течение определенного периода времени гораздо больше углерода перерабатывается органическим путем, чем геологическим путем.

В горных породах и отложениях

Геологический путь углеродного цикла занимает гораздо больше времени, чем органический путь. На самом деле, обычно углероду требуются миллионы лет, чтобы пройти геологический путь. Она включает в себя такие процессы, как образование горных пород, субдукция и вулканизм.

Большая часть углерода в океанской воде находится в форме бикарбонатных ионов. Ионы бикарбоната могут связываться с другими ионами, такими как ионы кальция (Ca+) или ионы магния (Mg+), и образовывать нерастворимые соединения.

Поскольку соединения нерастворимы, они выпадают в осадок из воды и постепенно образуют осадочные породы, такие как известняк (карбонат кальция, CaCO3) или доломит [карбонат кальция и магния CaMg(CO3)2.

Мертвые организмы также оседают на дно океана. Многие из них имеют оболочки, содержащие карбонат кальция. На протяжении миллионов лет давление дополнительных слоев отложений постепенно превращает карбонат кальция и другие оставшиеся органические соединения в углеродсодержащие осадочные породы.

В некоторые периоды истории Земли откладывались очень богатые органические отложения. Эти залежи образовали очаги углеводородов.

Определение 4

Углеводороды — это органические соединения, содержащие только углерод и водород. Углеводороды, обнаруженные в отложениях, являются ископаемым топливом, таким как природный газ. Углеводородный метан является основным компонентом природного газа.

Примечание 3

Углеродсодержащие породы и отложения на дне океана постепенно перемещаются к краям океана в результате процесса, называемого распространением морского дна.

1. Камни в конечном счете достигают трещин в земной коре, где они опускаются в мантию. Этот процесс, называемый субдукцией, происходит в зонах субдукции. В мантии горные породы плавятся, и в них накапливается углерод.
2. Когда вулканы извергаются, они возвращают часть накопленного углерода в мантии в атмосферу в виде углекислого газа, процесс, известный как вулканизм. Это завершает геологический путь углеродного цикла.

Почему углеродный цикл важен

Углеродный цикл в нормальных условиях обеспечивает стабильность таких переменных, как атмосфера Земли, кислотность океана и наличие углерода для использования живыми существами. Каждый из его компонентов имеет решающее значение для здоровья всех живых существ, особенно людей, которые полагаются на многие продовольственные культуры и животных, чтобы кормить наших больших Население.

Углекислый газ в атмосфере предотвращает выход солнечного тепла в космос, очень похожий на стеклянные стены теплицы. Это не всегда плохо – некоторое количество углекислого газа в атмосфере полезно для поддержания тепла Земли и ее стабильной температуры.

Но Земля в прошлом переживала катастрофические циклы потепления, такие как вымирание в Перми, которое, как считается, было вызвано резким повышением уровня парниковых газов в атмосфере. Никто не уверен, что послужило причиной перемен, которые привели к исчезновению перми. Но парниковые газы, возможно, были добавлены в атмосферу в результате воздействия астероидов, вулканической активности или даже сильных лесных пожаров.

Независимо от причины, во время этого потепления температура резко возросла. Большая часть Земли стала пустыней, и более 90% всех вид жизнь в то время вымерла. Это хороший пример того, что может произойти, если жизненно важные циклы нашей планеты претерпят большие изменения.

Схема и циклы круговорота

В целом, биологические и геологические процессы играют важную роль в поддержании углеродного баланса на планете. Углеродный цикл делится на следующие этапы:

1. Поступление углерода в атмосферу.
   Поступление углерода (в форме двуокиси углерода) в атмосферу знаменует начало углеродного цикла. Перед этим углекислый газ проходит через процесс дыхания (процесс, посредством которого организмы выделяют энергию из своей пищи) и горения. Оба процесса связаны с выбросом углекислого газа в атмосферу.
2. Поглощение углекислого газа производителями.
   Следующим этапом является включение углекислого газа в процесс фотосинтеза. Фотосинтезирующие организмы, такие как растения и водоросли (называемые производителями), преобразуют углекислый газ в сахара для использования энергии и для собственного воспроизводства.
3. Прохождение углеродных соединений в пищевой цепи.
   Следующим за вышеуказанным этапом является поступление углеродных соединений от самих растений (производителей) в пищевую цепочку. Когда животные потребляют эти растения, они получают соединения углерода.
4. Возврат углерода в атмосферу.
   Следующим шагом является возврат углерода в атмосферу за счет разлагателей (бактерий и грибов), поедающих трупы животных. Это происходит потому, что в процессе разложения в качестве побочного продукта выделяется углекислый газ.

Изменения углеродного цикла

Углеродный цикл, вместе с циклами воды и питательных веществ, составляет основу жизни. Поддержание этих циклов определяет здоровье и устойчивость экосистем, а также их способность обеспечивать благосостояние человечества. Основные изменения углеродного цикла упомянуты ниже:

Атмосферные изменения

Атмосферный углекислый газ является парниковым газом. Вместе с метаном и другими газами он поглощает излучаемое тепло от поверхности земли, предотвращая его выброс в космос.

Тревожное увеличение содержания углекислого газа в атмосфере и других парниковых газов изменило энергетический баланс Земли. Это определяет глобальную циркуляцию тепла и воды в атмосфере, температуру и характер осадков, изменения в погодных условиях и повышение уровня моря.

Основное изменение человеком углеродного цикла основано на увеличении выбросов СО2. С 1987 года ежегодные глобальные выбросы CO2 от сжигания ископаемого топлива увеличились примерно на треть.

Строительная отрасль также вызывает прямые выбросы СО2 в производстве стали и цемента.

Атмосферные выбросы моноксида и углекислого газа транспортным сектором также увеличились в последние десятилетия. Произошел относительно высокий рост покупки личного автотранспорта. Кроме того, тенденция в пользу более тяжелых автомобилей и с более высоким потреблением энергии.

Изменения в землепользовании привели примерно к одной трети увеличения содержания углекислого газа в атмосфере за последние 150 лет. Особенно из-за потери органического углерода.

Потеря органического вещества

В течение последних двух десятилетий изменение в землепользовании привело к значительному увеличению выбросов углекислого газа и метана в атмосферу..

Сокращение лесопокрытой площади во всем мире первоначально привело к значительной потере биомассы в результате перехода на пастбища и сельскохозяйственные угодья..

Сельскохозяйственное использование земель уменьшает органическое вещество, достигая нового и более низкого равновесия из-за окисления органического вещества.

Увеличение выбросов также является результатом осушения торфа и заболоченных территорий с высоким содержанием органических веществ. С повышением глобальной температуры скорость разложения органических веществ в почве и торфе увеличивается, так что риск такого важного насыщения поглотителем углерода увеличивается.

Тундры могут превратиться из поглотителя углерода в источник парниковых газов.

Воздействие человека на цикличность процесса

Сжигание ископаемого топлива

При сжигании нефти или угля углерод выбрасывается в атмосферу быстрее, чем удаляется. В результате концентрация углекислого газа в атмосфере увеличивается. Природный газ, нефть и уголь являются ископаемыми видами топлива, которые обычно сжигаются для выработки электроэнергии на электростанциях, для транспорта, в домах и в других промышленных комплексах.

Основными видами промышленной деятельности, которые выделяют углекислый газ и влияют на углеродный цикл, являются переработка нефти, производство бумаги, продуктов питания и полезных ископаемых и производство химических веществ.

Связывание углерода

Определение 5

Когда растения удаляют углекислый газ из воздуха и накапливают его, этот процесс называется связыванием углерода или геологической секвестрацией.

Методы ведения сельского и лесного хозяйства могут повлиять на то, сколько углекислого газа удаляется из атмосферы и накапливается растениями. Этими поглотителями углекислого газа могут быть фермы, луга или леса. Деятельность человека по управлению сельскохозяйственными угодьями или лесами влияет на количество углекислого газа, удаляемого из атмосферы растениями и деревьями. Эти поглотители углекислого газа влияют на углеродный цикл, уменьшая его количество в воздухе.

Вырубка леса

Вырубка лесов означает, что новые деревья не будут посажены на месте их вырубки. В крупных масштабах это приводит к повышению уровня углекислого газа в атмосфере, поскольку деревья больше не поглощают его для фотосинтеза. В результате нарушается углеродный цикл. По данным National Geographic, сельское хозяйство является основной причиной вырубки лесов. Фермеры вырубают деревья в больших масштабах, чтобы увеличить посевные площади для сельскохозяйственных культур и домашнего скота.

Деятельность человека может повлиять на круговорот углерода, улавливая углекислый газ и храня его под землей, а не позволяя ему выбрасываться в атмосферу.

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.

Ваша оценка?

Петр Иваныч

Возможно этот человек ответит на ваши вопросы

Задать вопрос