Концепції сучасного природознавства - Карпов Я. С. - 6.1.15 Кругообіг вуглецю

Біосфера, за В. І. Вернадським, — це "організована, виразно окреслена оболонка земної кори, пронизана життям". Протягом мільярда років існування біосфери організованість створюється й зберігається завдяки діяльності живої речовини — сукупності всіх живих організмів. Форма ж діяльності живого, його біогеохімічна робота в біосфері полягає в здійсненні необоротних і незамкнутих кругообігів речовини і потоків енергії між основними структурними компонентами біосферної цілісності: гірськими породами, природними водами, повітрям, грунтами, рослинністю, тваринами, мікроорганізмами. Цей процес неперервного кругообігу є одним із наріжних каменів в ученні про біосферу й називається біогеохімічною циклічністю.

Великий біосферний кругообіг складається з пов'язаних між собою процесів — біогеохімічних циклів вуглецю, води, азоту, фосфору, сірки, біогенних компонентів — кальцію, калію, натрію, заліза, бору, цинку, міді й ін. Життєво важливе значення для всіх організмів має кругообіг кисню.

Особливість кругообігу вуглецю полягає в тому, що існують два кругообіги цього елемента в біосфері. Один — на суші, інший — в океані.

У тепловому балансі атмосфери й вивітрюванні гірських порід головну роль відіграє двоокис вуглецю. Він утворюється в результаті окислення органічної речовини і є джерелом вуглецю для рослин. У навколишньому середовищі двоокис вуглецю існує в різних формах. В атмосфері міститься 0,03% С02. Двоокис вуглецю є джерелом вуглецю для всіх рослин, а коли тварини живляться рослинами, то більша частина органічного вуглецю видихається як двоокис вуглецю. Певна частина органічного вуглецю похована під відкладами. Вміст вуглецю (у молях) в атмосфері 5,4- 10,в; в океані на глибині 0-100 м — 7,4-1016; на глибині 100 м — 3,3-1018; у складі живих суходільних організмів — 7-10й, морських — 8-10й. Частина кругообігу вуглецю відбувається дуже повільно. За відповідних умов рослинні й тваринні рештки, що нагромадилися на поверхні ґрунту, за участі сапрофагів, тварин і мікроорганізмів перетворюються на гумус. Швидкість розкладання гумусу неоднакова й залежить від багатьох обставин.

Надходження річкової воли в океан протягом тривалого часу і її випаровування приводить до збільшення в морській воді вмісту НСО2 Надлишок СO2 виділяється в атмосферу, де двоокис вуглецю розчиняється в дощовій воді. Лужність і концентрація СО, у чистій воді дорівнює нулю. Коли СO2 розчиняється в чистій воді, то збільшується загальний вміст СO2, а лужність залишається без змін.

Дощова вода, насичена СO2, потрапляє на суходіл, де взаємодіє з вапняком і, розчиняючи його, утворює іони Са2+ і НС03". Згодом річкова вода повертається в океан і цикл повторюється. Загальним результатом циклу є розчинення карбонатних порід на суходолі й осідання їх у морі. Концентрація в атмосфері й океані залишається однаковою.

У кругообігу вуглецю є відгалуження, які закінчуються глибокими тупиками. Одним із них є торфовища. Нестача кисню й висока кислотність перешкоджають розпаду речовин, і вуглець "зберігається" в органічній масі торфу, шар якого досягає іноді потужності 20 метрів. Ще менше у вуглецю шансів на самостійне повернення в кругообіг із величезних "комор" — могутніх покладів кам'яного вугілля. У світових покладах вапняку, нафтоносних сланців та осадових порід, що містять вуглець, його маса становить приблизно 20 10'5 тонн. У вугіллі й нафті приблизно в 50 разів більше вуглецю, ніж його міститься у всіх живих організмах. У біосфері швидко обертається лише кілька відсотків колосальної кількості вуглецю, який знаходиться на поверхні Землі або близько до неї. У водних глибинах і вдалині від берега обмін СО, з атмосферою не відбувається, вуглець не надходить також у вигляді НСО, — з річковими водами Організми в морі, однак, взаємодіють з карбонатною системою двома шляхами. Рослини поглинають СO2, синтезуючи органічну речовину, у той час як тварини поїдають органічну речовину, виділяючи С02. Поглинання вуглекислого газу в процесі фотосинтезу обмежується верхніми шарами Світового океану. Рослинний планктон океанів споживає протягом року близько 40 мільярдів тонн вуглецю у вигляді його двоокису, розчиненого в поверхневих водах. Тут же розчинений і кисень, який виробляє фітопланктон. Вуглець, який у процесі фотосинтезу трансформується в органічну речовину сухопутних організмів, рано чи пізно повертається в атмосферу.

Тварини можуть виділяти CO., у морську воду на всіх глибинах. Дихання тварин у глибинних водах, у темряві, збільшує концентрацію СО,, у той час як лужність води залишається незмінною.

Внутрішній чи зовнішній кістяк багатьох рослин і тварин складається із клітин, то містять карбонат кальцію. Багато із цих тварин мешкають у морі і, коли гинуть, їхні кістяки потрапляють на морське дно. Інші рослини іі тварини живуть на дні шельфової зони. Таким чином, на мілководді накопичується карбонат кальцію. Саме тому, коли відбувається процес занурення поверхні, на вершинах вулканів, які лежать на незначній глибині в тропічних водах, утворюються найбільші скупчення відкладів карбонату кальцію — продукту життєдіяльності морських рослин і тварин.

Дві величезні системи біосфери, океан та атмосфера, обмінюються двоокисом вуглецю через поверхню океану. Автономність цих систем порушують вітер і хвилі. Кількість двоокису вуглецю, розчиненого в поверхневих шарах океану, перебуває в рівновазі з його концентрацією у всій атмосфері. Повний цикл кругообігу вуглецю в біосфері відбувається за 2000 років.

Людина, вступивши в епоху індустріальної революції, усе більше порушує природний кругообіг карбонатів, інтенсивно спалюючи викопне паливо — вугілля й нафту. За існуючої інтенсивності спалювання палива вміст СО, в атмосфері через 240 років подвоїться. Однак споживання палива невпинно збільшується. За останніми прогнозами, вміст СЩ2 в атмосфері подвоїться вже приблизно до 2020 р.

В атмосфері CO, є сильним поглиначем інфрачервоної радіації, тому спричинює парниковий ефект, унаслідок чого температура біля поверхні Землі невпинно зростає

6.1.16 Кругообіг речовини

Живі організми біогеоценозу є неоднаковими з погляду асиміляції й передавання речовини й енергії від одного типу до іншого. Цей ланцюг називається харчовим, або трофічним. Насправді існують не ланцюжки, атрофічні мережі різної складності;які часто охоплюють тисячі організмів. Але схема харчового ланцюжка наочно ілюструє дві закономірності.

Перша — належність усіх організмів до певного трофічного рівня. Трофічний рівень — це сукупність організмів, об'єднаних типом живлення. На один ланцюжок зі світляком ми можемо посадити і малесеньку попелицю, що живиться соком рослин, і величезного слона, який поїдає листя й пагони дерев. Вони насамперед гетеротрофи, які живляться органічною речовиною, яку утворили рослини — автотрофи. У спеціальній системі понять рослини відомі як продуценти. Цей термін підкреслює їх здатність створювати органічну масу. А от її споживачі — це консументи. Попелицю й слона ріднить не тільки належність до великого братерства споживачів, вони консументи першого порядку, виключно рослиноїдні тварини. Консументи другого порядку — м'ясоїдні тварини.

Є консументи третього порядку — "хижаки хижаків". Таким є, наприклад, орел, здатний напасти і на голуба, і на вовка або лисицю. Деякі тварини можуть бути консументами і першого, і другого порядку.

Г друга закономірність — просування органічної речовини "знизу догори", віл продуцентів рослин — до консументів — тварин усе більш високих рангів.

Сонячні промені в хімічних лабораторіях зелених рослин запускають у дію процеси фотосинтезу. Рослини синтезують органічну речовину, яку поїдають консументи першого порядку — рослиноїдні тварини. Втрати речовини або пов'язаної з ними енергії при переході на цей рівень становлять у середньому 90 відсотків. Вони витрачаються на підтримку життєдіяльності тварин. М'ясоїдні з'їли рослиноїдних тварин — втрачається ще 90 відсотків енергії. Третя ланка одержує енергію від другої ланки. Остання ланка — це редуценти, тобто організми, які "утилізують" мертву органічну речовину, сприяючи її розкладанню й мінералізації. До них належать бактерії, гриби, тварини всіх систематичних груп, які живляться екскрементами. Остання ланка замикає трофічний ланцюг, роблячи його нескінченним і забезпечуючи тим самим замкнутість кругообігу речовин. Трофічні відносини — сила, що рухає біогенний кругообіг речовин у природі, народжує потоки енергії, укладеної в хімічних сполуках тканин живих організмів. Лише на суходолі щорічно утворюється й руйнується від 10 до 55 мільярдів тонн органічної речовини. Близько 90 відсотків її в кінцевому підсумку потрапляє в атмосферу Землі, а решта — у зовсім іншій формі — повертається в кругообіг або залишається в перехідному етапі.