Круговорот углерода

Углерод является одним из самых необходимых для жизни компонентов. 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. В состав органического вещества он включается в процессе фотосинтеза (рис.). Затем основная его масса поступает в пищевые цепи животных и накапливается в их телах в виде различного рода углеводов.

Главную роль в круговороте углерода играет атмосферный и гидросферный фонды углекислого газа СО₂. Этот фонд пополняется при дыхании растений и животных, а также при разложении мертвой органики. Некоторая часть углерода ускользает из круговорота в захоронения. Однако человек в последнее время достаточно успешно разрабатывает эти захоронения, возвращая в круговорот жизни углерод и другие важные для жизни элементы, накопленные за миллионы лет. Хотя это приводит к ряду отрицательных для нас последствий, но как знать, может быть, именно эту миссию мы должны были выполнить для биосферы.

В процессе фотосинтеза зеленые растения и водоросли на свету выделяют кислород, причем не из углекислого газа, как это считалось раньше, а из воды. Суммарное уравнение фотосинтеза можно записать следующим образом:

6СО₂ + 6Н₂О ® С₆Н₁₂О₆ + 6О₂.

Растения поглощают молекулы углекислого газа, затем в процессе фотосинтеза атом углерода превращается в разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений. Эти вещества с пищей используют животные-консументы. Одновременно с этим в природе происходит обратный процесс. Все живые организмы дышат, выделяя углекислый газ, который поступает в атмосферу. В процессе аэробного дыхания, синтезированное органическое вещество вновь разлагается с образованием углекислого газа и воды, при этом высвобождается энергия Q:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ ® 6СО₂ + 6Н₂О + Q.

Мертвые растительные и животные остатки и экскременты животных разлагаются (минерализуются) микроорганизмами-редуцентами. Конечный продукт минерализации — углекислый газ — выделяется из почвы или водоемов в атмосферу. Часть углерода накапливается в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород. Так, в далекие геологические эпохи сотни миллионов лет назад значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и давления (процесс метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и уголь, во что именно — зависело от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах. Теперь мы в огромных количествах добываем это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в определенном смысле завершаем круговорот углерода. Если бы ни этот процесс в истории планеты, вероятно, человечество имело бы сейчас совсем другие источники энергии, а может быть и совсем другое направление развития цивилизации.

В морской воде углерод содержится в виде угольной кислоты и ее растворимых солей, но накапливается он в форме карбоната кальция CaCO₃. Возникают мощные толщи известняков (мел, известняки, кораллы). Часть углерода в виде карбонатов надолго исключается из круговорота, образуя осадки на дне водоемов. Однако с течением времени в процессах горообразования осадочные массы поднимаются на поверхность в виде горных пород. В результате преобразований этих пород углерод карбонатов вновь вовлекается в круговорот.

Углерод поступает в атмосферу также с выхлопными газами автомашин, с дымовыми выбросами заводов и фабрик. В процессе круговорота углерода в биосфере образуются энергетические ресурсы — нефть, каменный уголь, горючие газы, торф, древесина, которые широко используются человеком. Все эти вещества произведены фотосинтезирующими растениями за разное время. Возраст лесов — десятки и сотни лет; торфяников — тысячи лет; угля, нефти, газов — сотни миллионов лет. Следует учитывать, что древесина и торф — восполнимые ресурсы, т.е. воспроизводящиеся за относительно короткие промежутки времени, а нефть, горючий газ и уголь — ресурсы невосполнимые.

Рисунок. Структурная схема круговорота углерода

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода (сжигание угля, нефти, газа, дегумификация) приводит к возрастанию содержания СО₂ в атмосфере и развитию парникового эффекта.

Создавая органическое вещество, растения поглощают из атмосферы или воды углекислый газ, необходимый для получения углерода — основного элемента, слагающего все живые организмы. В атмосфере содержится всего 0,03% диоксида углерода, который выделяется в процессе дыхания растений, животных, разложения отмерших организмов.

Скорость круговорота СО₂, то есть время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.

Углерод имеет газообразный резервный фонд. Сейчас в атмосфере содержа­ние углекислого газа составляет 0,032%, а в начале века этот показатель был равен 0,029%. За 100 лет изменение его со­ставило всего 0,003%, однако это привело к заметному про­явлению «парникового эффекта»: среднегодовая температура повысилась на 0,5 °С, а уровень Мирового океана поднялся на 15 см. Если среднегодовая температура повысится на 3–4 °С, произойдет таяние вечных льдов, и уровень Мирового океана поднимется на 50–60 см, что приведет к затоплению значительной части суши. По подсчетам ученых, это может наступить менее чем через 100 лет, если сохра­нится нынешняя тенденция увеличения содержания углекислого газа в атмосфере. Потепление климата и возврат к тре­тичному периоду были бы благоприятны для человека как биологического существа, но с точки зрения человека как социального существа — это катастрофа. После образования пла­неты уровень углекислого газа в атмосфере был высокий. После появления растений углекислый газ начал ассимилиро­ваться, и когда суша стала заселяться высшими растениями, уровень углекислого газа начал снижаться и составил 0,1–0,4%. Эта эпоха характеризовалась теплым, влажным климатом и очень высокой продуктивностью растений, что привело к еще более значительному снижению уровня углекислого газа (0,010 — 0,015%) и наступлению ледникового периода. Сейчас наблюдается обратная тенденция.

Между атмосферой и Мировым океаном постоянно про­исходит карбонатный обмен. Океан обладает буферной емкостью, поэтому может удерживать углекислый газ. Этот процесс сбалансирован. При вулканической деятельности процесс выделения и поглощения углекислого газа также сбалансирован. Между сушей и атмосферой наблюдается баланс углекислого газа. Те изменения содержания углекислого газа в атмосфере, которые имели место в истории планеты, можно объяснить разной буферной емкостью водной среды или продуктивностью растений, их ассимиляционной активностью.

В настоящее время к этим природным процессам добавилось еще антропогенное влияние за счет промышленнос­ти, в результате деятельности которой ежегодно выделяется 6–8 млрд т углекислого газа, и сельского хозяйства, дающего ежегодно 2–3 млрд. т. СО₂. В связи с этим его содержание в атмосфере возрастает не линейно, а экспоненциально. Наибольший вклад в этот процесс вносят энергетика и транспорт. Процесс потепления климата протекал бы более ощутимо, если бы он не сдерживался пылевым загрязнением биосферы, в результате которого снижается прозрачность атмосферы, а значит, уменьшается количество поступающей на планету сол­нечной энергии. Таким образом, под действием человека ранее накопленный в виде полезных ископаемых углерод пере­водится в углекислый газ, который пополняет резервный фонд углерода в атмосфере.