Роль Биосферы в круговороте кислорода и углерода.

Круговороты углерода и кислорода. Биогеохимические циклы обоих элементов тесно взаимосвязаны, поскольку они входят в состав углекислого газа и являются важнейшими компонентами всех органических соединений – углеводов, жиров и белков, нуклеиновых кислот, макроэргических соединений. Углекислый газ и вода являются исходными веществами для процесса фотосинтеза, в результате которого в атмосферу поступает кислород. Образующиеся при этом органические вещества являются источником пищи для всех видов гетеротрофных организмов, в том числе и человека. Углерод – один из важнейших элементов органического топлива - угля, нефти, природного газа, торфа, дров и т.д. Соотношение запасов углерода и кислорода Биосфере соотносится как 12:32. Общее количество углерода, находящегося сейчас в Биосфере во всех его формах (наибольшее его количество заключено в органических ископаемых), оценивается в 252 1014 тонн, а кислорода - 590 1014 тонн. Основная доля обоих элементов заключена в осадочных породах и не участвует биотическом круговороте. Например, кислород содержится в самых распространенных минералах земной коры -- песчаных породах (SiO2), железных (Fe2O3) и алюминиевых (Al2O3) рудах. Углерод входит в состав карбонатных пород (известняк, мел, мрамор [CaCO3]), а также органических полезных ископаемых (нефть, уголь, природный газ). Все эти вещества обладают низкой химической активностью и потому лишь в очень незначительной степени используются живыми организмами. В биотическом круговороте участвуют преимущественно лишь те части углерод и кислород, которые находятся в атмосфере, гидросфере и живых организмах. В атмосфере содержится лишь небольшая доля общих запасов кислорода, хотя его доля в общем объеме атмосферы составляет 20,95%. В воде содержание кислорода в 30 – 40 раз ниже. Например, при 20оС оно составляет 5 – 7 мл литр-1. Содержание СО2 в атмосфере на первый взгляд, незначительно, всего 0,03%, что в весовом исчислении это составляет 2300 млрд тонн. Основной запас СО2 (130 000 млрд тонн) находится в гидросфере. Содержание СО2 в воде составляет около 0,5 мл л-1. Биотические круговороты углерода и кислорода в Биосфере осуществляются преимущественно через процессы фотосинтеза и дыхания. При фотосинтезе углекислый газ поглощается, а углерод, содержащийся в нем, используется для образования органических веществ и кислорода. Выделяющийся кислород образуется при расщеплении воды:

6 СО2 + 6 Н20 → С 6 Н12О6+ 6 О2↑

По самым приближенным оценкам за год на суше в процессе фотосинтеза фиксируется от 10 до 100 млрд тонн углерода (в форме его двуокиси); приблизительно столько же фиксируется одноклеточными и многоклеточными водорослями в Мировом океане. В результате дыхания всех живых организмов происходит разрушение органических веществ и выделение углерода в виде форме углекислого газа:

С6Н12 О6 + 6 О2 → 6 СО2↑+ 6 Н2О

Если принять, что при фотосинтезе за год в Биосфере фиксируется 138 миллиардов тонн углерода, то при этом выделяется 100 миллиардов тонн кислорода. Органические остатки погибших животных и растений остатки разлагаются редуцентами (бактерии и грибы) до простых неорганических

, в том числе СО2, метана (СН4), воды, соединений азота (NH4, CO(NH2)2, NO2, NO3), которые возвращаются в биотический круговорот. В геологические процессы – извержение вулканов, химическое взаимодействие с различными соединениями вовлечено незначительное количество СО2 – не более 100 млн тонн в год.

П р о ц ессы фотосинтеза с одной стороны, дыхания и разложения органических соединений с другой взаимно уравновешивают друг друга. Поэтому количество углерода, участвующего в биотическом круговороте в Биосфере в настоящее время остается достаточно постоянным. Однако так было не всегда. В каменноугольном периоде продукция наземных растений значительно превышала ее разрушение животными. Это привело к образованию огромных залежей органических полезных ископаемых – каменных углей, горючих сланцев и т.д. Вскоре (в пермском периоде) на Земле появились первые настоящие наземные животные – пресмыкающиеся. Многие их растительноядные виды, отличавшиеся очень крупными размерами, перешли на питание листвой этих деревьев. Нарушенное равновесие между продукцией и деструкцией органического вещества было восстановлено. Поэтому исчезли предпосылки для образования органических полезных ископаемых, по крайней мере, в значительных количествах. Однако в торфяных болотах постоянно происходит образование торфа, который через несколько миллионов лет при благоприятных условиях может превратиться в бурый уголь. Молекулярный кислород является сильнейшим окислителем. Поэтому если бы его запасы не пополнялись бы постоянно в процессе фотосинтеза, то из атмосферы он исчез бы уже через 2000 лет в результате окисления различных органических и неорганических соединений. Достигнутое равновесие между первичной продукцией и деструкцией в Биосфере вновь оказалось нарушенным уже в современную эпоху. В связи с интенсивным развитием промышленности и другими антропогенными факторами (войны и т.д.) в Биосферу начало поступать значительные дополнительные количества СО2, в результате сжигания органического топлива, извержений вулканов, пожаров и т.д. Ежегодно в мире в промышленности и на транспорте при сжигании органического топлива выделяется приблизительно 6 млрд тонн СО2, на что тратится приблизительно такое же количество кислорода. В США и большинстве стран Западной Европы количество используемого для этих целей кислорода превышает его производство растениями, находящимися на их территории. Еще 2 млрд тонн СО2, в год поступает в результате вспашки почвы при ведении сельского хозяйства. Таким образом, техногенное поступление СО2 в атмосферу сейчас уже вполне сопоставимо с ее выделением в процессе дыхания живых организмов. Поступление СО2 в атмосферу постоянно возрастает и уже превышает его возможности его фиксации растениями, тем более, что площади лесов на Земле также существенно сократились. Особенно тревожным является быстрое сокращение площади тропических лесов Амазонской низменности,

Тропической Африки и Юго-Восточной Азии, являющихся основными производителями кислорода на планете. Дисбаланс между выделением и биогенной фиксацией СО2 с каждым годом возрастает. Напротив, содержание кислорода в атмосфере понижается, пусть и крайне незначительно -- за последние сто лет от 20,948 до 20,946 %.

Понижение содержание кислорода в атмосфере никакой опасности для дыхания живых организмов на Земле даже в достаточно отдаленном будущем представлять не будет. Однако оно заметнее всего будет ощущаться в верхних слоях атмосферы, поскольку приводит к уменьшению содержания в ней озона («озоновые дыры»), что приведет к увеличению потока ультрафиолетового излучения. Содержание озона в верхних слоях атмосферы за последние десятилетия снизилось на 10%, что привело к усилению потока ультрафиолетовых лучей, достигающих поверхности Земли. Частично избыток углекислого газа поглощается океанами и морями, поскольку он хорошо растворяется в воде:

СО2 + Н20 → Н2СО3→ +Н + -НСО3

Карбонат-ион (-НСО3) соединяется с атомом кальция с образованием нерастворимого в воде карбоната кальция:

Са + -НСО3→ СаСО3+ +Н

Карбонат кальция выпадает в донные отложения водоемов. Он также поглощается водными организмами и используется ими для постройки раковинок (моллюски) или внешних покровов тела (ракообразные). Обыкновенный мел образован слежавшимися остатками раковинок ископаемых моллюсков. Поэтому значительная доля «излишнего» СО2 поглощается Мировым океаном и выводится из биотического круговорота. Однако способность Мирового океана к поглощению избытка СО2 не безгранична и, как считается, в настоящее время близка к исчерпанию. Повышение концентрации СО2 в атмосфере вызывает «парниковый эффект». Он обусловлен тем, что СО2и другие парниковые газы, например, метан, препятствует тепловому потоку, излучаемому нагретой солнечными лучами земной поверхностью уходить в космическое пространство. Это приводит к постоянному повышению температуры надземного слоя атмосферы. Начиная с середины ХХ столетия отмечена тенденция к повышению среднегодовой температуры Земли. Это привело пока к очень медленному (до 1-2 мм в год) повышению уровня Мирового океана, значительному сокращению площади вечных льдов Северного Ледовитого океана, отступлению на север кромки арктических льдов и южных границ зон тундры и лесотундры. Если в начале XX столетия южная граница распространения арктических айсбергов достигала почти 55о с.ш. (что стало причиной гибели«Титаника»), то сейчас они практически не выходят за пределы Северного полярного круга (67о с.ш.). С другой стороны повышение содержания пыли, дымов и других твердых загрязнителей в атмосфере может снизить температуру приземных слоев атмосферы, поскольку пыль отражает солнечные лучи в космическое пространство, что уменьшает нагрев ими земной поверхности («эффект зеркала»). Содержание пыли в атмосфере определяется многочисленными и трудно прогнозируемыми факторами, в первую очередь антропогенными (развитие промышленности, транспорта, пожары, войны, смог и т.д.), а также природными катастрофами - извержения вулканов, пыльные бури и т.д. Математическое моделирование последствий военного конфликта даже с ограниченным применением ядерного оружия показало, что задымление и запыление атмосферы может привести к понижению средней температуры на поверхности Земли на 5-6оС, что вызовет наступление нового ледникового периода («ядерная зима»). От того, какой из возможных сценариев развития атмосферных процессов («всемирный потоп» или «ледниковый период») может реализоваться, и как избежать нежелательного развития событий, во многом зависит будущее человечества. В последние годы все больший вклад в биосферный круговорот азота вносят анаэробные метаногенные бактерии. Они осуществляют метановое брожение, т.е. разрушение органических веществ с выделением свободного метана:

Органические соединения + Н2О→ СН4+СО2+ С5Н7NО2+ NH4+ HCO3. Эти бактерии наиболее интенсивно развиваются в анаэробных условиях, напр., в переувлажненных почвах, болотах, желудках жвачных животных, особенно крупного рогатого ската, поголовье которого сейчас достигает 1,3 млрд. голов, пластах каменных углей, что вызывает взрывы на каменноугольных шахтах. Отсюда другие названия метана – «болотный» и «рудничный» газ. В настоящее время в связи с глобальным потеплением происходит интенсивное таяние вечной мерзлоты в обширных районах арктических зон Евразии и Северной Америки, что создает благоприятные условия для деятельности метаногенных бактерий. Эти факторы привели к быстрому росту содержания метана в атмосфере. С 1750 г. она увеличилась в 1,5 раза. Парниковая активность метана примерно в 21 раз выше, чем у углекислого газа. В настоящее время вклад метана в парниковый эффект атмосферы составляет 4-9% (для сравнения: пары воды – 36 – 72%; СО2 – 9 -26%; О3 – 3-7%).