Есть на Земле несколько химических элементов, без которых жизнь была бы невозможна. Один из них – это углерод. Он содержится в каждой органической молекуле и выступает в качестве ее строительной основы. Схема круговорота углерода в природе – постоянный процесс взаимного перехода из органического состояния в неорганическое, который обеспечивает жизнедеятельность всех организмов.
Все соединения на земле делятся на два класса: органические и неорганические. Первые – это следствие жизнедеятельности живых организмов. Вторые могут возникать и без живых форм вследствие химических реакций.
Переход из одного состояния в другое получил название «круговорот веществ». Углерод в данной системе занимает лидирующее место.
В атмосфере, воде и почве есть неорганические соединения, которые поглощаются живыми организмами. Чаще всего это растения, простейшие животные и грибы. Они образуют новые органические соединения, которые поглощаются высшими животными. После их смерти микроорганизмы снова перерабатывают соединения с углеродом в неорганические. Так в общих чертах можно описать круговорот углерода в биосфере. Но есть здесь немало частных нюансов.
Чаще всего углерод в природе встречается в форме углекислого газа. Он образуется вследствие процессов дыхания и горения. Именно в форме газов растениям проще всего его усваивать. За тысячелетия существования флора научилась перерабатывать углекислоту в органические соединения. С помощью хлорофилла в листьях при наличии солнечного света происходит сложная химическая реакция. В ее результате получаются кислород, моно- и полиуглеводы. Уже само название говорит о том, что в состав указанных веществ входит углевод.
Те же растения могут дышать, когда солнечного света недостаточно. В процессе этого явления расходуется кислород и образуется углекислый газ. Вот так происходит простейший круговорот углерода в природе. Но это только на примере растений. А есть еще и микроорганизмы, грибы и животные, которые также включаются в движение рассматриваемого элемента в биосфере.
Самые маленькие организмы на Земле могут смело называться началом и концом пищевой цепи. Именно благодаря им многие органические соединения попадают к высшим растениям и животным.
Отмирая и переставая функционировать, живые организмы попадают в почву или на дно Мирового океана. Они бы так и остались там лежать, если бы не бактерии и простейшие, начинающие перерабатывать органические соединения, выделяя углекислый газ или делая сложные углеводы более простыми. Новые соединения используются для питания живыми организмами, соответственно, углерод начинает новый круг движения в природе.
Не всем бактериям нужен кислород для того, чтобы расщеплять органические молекулы. Некоторые из них отлично справляются с заданием и без него.
Благодаря микроорганизмам круговорот углерода в природе происходит и в форме симбиоза. К примеру, клетчатка – это сложный углевод, который содержится во всех растениях. Желудок животного не может ее расщепить и усвоить. Но парнокопытные научились существовать в симбиозе с некоторыми бактериями. Последние находятся в желудке животного и расщепляют целлюлозу до более простых углеводов, которые далее легко усваиваются организмом парнокопытного.
В атмосфере находится около 0,33% углекислого газа. Этого более чем достаточно для того, чтобы его усвоили зеленые растения. На суше именно с них и начинается схема круговорота углерода в природе.
Растения выступают начальной ступенькой пищевой цепи. Их поедают травоядные животные, которые, как правило, становятся жертвами хищников. После смерти последних органические вещества попадают в почву, где перерабатываются насекомыми и микроорганизмами. Процессы их жизнедеятельности чаще всего выделяют неорганические соединения. Органика, которая усваивается, также может стать пищей для животных, стоящих выше в пищевой цепи.
Очень редко органические вещества надолго консервируются в таком виде. Нам они известны как полезные ископаемые: торф, уголь, нефть, метан. Углекислый газ из этих соединений освобождается в процессе горения, чем и обеспечивается круговорот углерода в природе.
Мировой океан также является средой, в которой происходит круговорот углерода в биосфере. Но здесь этот процесс немного сложнее. Все дело в том, что в воде углекислый газ плохо растворяется, поэтому его ассимиляция немного затруднительна. В верхних слоях океана всегда есть планктон, который и перерабатывает углекислоту. Это начало пищевой цепочки в воде. Далее все идет так же, как и на суше. Высшие организмы поедают низших. В итоге они погибают, опускаются на дно, где их перерабатывают другие микроорганизмы.
В некоторых случаях круговорот углерода в природе может смешиваться на суше и в море. Но такие движения – не настолько частое явление, чтобы его рассматривать в отдельности. Просто есть некоторое количество животных, обитающих в обеих стихиях.
Выше мы рассмотрели классическое описание круговорота углерода в природе. Но в этот процесс включается человек, который уже давно вышел за пределы жизнедеятельности животного. Он начал перестраивать природу под собственные нужды, используя ее ресурсы.
Из-за человека ежегодно уменьшается количество зеленых насаждений, которые неорганический углекислый газ перерабатывают в органические углеводы. В то же время он сжигает полезные ископаемые, увеличивая концентрацию углекислоты в атмосфере. Это приводит к дисбалансу круговорота данного вещества. Продолжение устоявшейся стратегии деятельности может стать причиной настоящей экологической катастрофы.
Углекислый газ в атмосфере обуславливает своеобразный парниковый эффект. Он удерживает тепловую энергию недалеко от поверхности планеты. Повышение средней температуры воздуха на полградуса-градус станет причиной таяния ледниковых шапок.
Вслед за этим увеличится площадь Мирового океана, погибнет значительное количество животных и растений. Постепенно концентрация углекислоты в атмосферном воздухе уменьшится, вода снова замерзнет на полюсах.
Таким образом, экосистема «перезагрузится», чтобы нормализировать оптимальный круговорот углерода.
За миллиарды лет существования Земли на ней появлялись и исчезали многие виды живых организмов. Все они как-то влияли на круговорот углерода в природе. За эти годы в органических соединениях накопилось 6000000 млрд. тонн этого элемента. Сюда относятся как ныне живущие организмы, так и ископаемые углеродные вещества.
По оценкам ученых, это примерно 1/5 всего углерода на планете. Если бы не происходил его круговорот, то со временем жизнь на Земле стала бы не возможной.
Вследствие этого процесса живые организмы накапливают около 400 млрд. тонн углерода, который частично возвращается в неживую природу. Остаток же продолжает циркулировать внутри живого мира, поддерживая существование этих организмов.
Ученые уже давно оценили, насколько велико значение углерода в природе. Именно первые его соединения со временем дали начало жизни на планете. Сегодня он является главным строительным элементом всех живых молекул.
Первые в этом списке – углеводы. Они образуются вследствие процесса фотосинтеза. Они играют роль своеобразного строительного материала для растений и источника энергии для животных. Науке известен один нерастительный углевод – гликоген. Он образуется в печени млекопитающих и выступает в качестве запасного источника энергии.
В организме животных углеводы распадаются на воду и энергию, но могут быть основой для синтеза жиров. Это своеобразная животная батарейка, которая накапливается для возможности использования в будущем, когда почувствуется нехватка энергии. Также это теплоизоляция для животных, которые обитают в холодном климате.
Основой животной клетки является белок. Это самая большая молекула на Земле, которая состоит из цепочки аминокислот. Строительным материалом для последних также выступает углерод, поэтому очень сложно переоценить роль данного элемента для жизни на нашей планете.
www.syl.ru
Углерод является важнейшим биогенным химическим элементом, составляющим основу всех органических и биоорганических соединений. Круговорот углерода в природе тесно связан с круговоротом кислорода и водорода как обязательными составляющими биоорганических веществ. Тесно взаимосвязаны с круговоротом углерода и циклы азота, фосфора и серы, так как эти элементы являются обязательными компонентами белков и нуклеиновых кислот.
Биогеохимический цикл углерода определяет энергетику биосферы Земли, ведь жизнедеятельность фотосинтезирующих организмов и их взаимодействие с гетеротрофными организмами и неживой природой являются механизмом улавливания, накопления и перераспределения солнечной энергии, поступающей на Землю.
Условно круговорот углерода в природе можно начать с углекислого газа, который находится частично в виде газа в атмосфере Земли (до 0,04% по объему), а частично в растворенном состоянии в водах Мирового океана и других водоемов, при этом реализуется постоянный газообмен между атмосферой и гидросферой Земли. Углекислый газ образуется в процессе дыхания аэробных организмов, что является источником его появления как в атмосфере, так и в гидросфере. Большие количества СO2 образуются при извержениях вулканов, в результате природных и антропогенных пожаров, а также при сжигании топлива, окислении органических веществ отмерших растений и трупов животных.
Свободный и растворенный СO2 подвергается процессам связывания. Так, большое количество этого газа вступает в процессы фотосинтеза, в результате которого образуется органическое вещество растительного происхождения. Этим процессом СO2 вступает в круговорот и вновь возвращается в исходное состояние, когда органические вещества окисляются либо в процессах дыхания, либо в процессах медленного окисления (гниения), либо в процессах горения (пожары, сжигание в результате антропогенного воздействия).
На этом процессы связывания углекислого газа не завершаются. Водные растворы СO2 могут взаимодействовать с карбонатными породами как на суше, так и в воде:
СаСО3 + СO2 + Н2O = Са(НСO3)2
В этом процессе образуются растворимые гидрокарбонаты, которые с водным потоком (реки, морские течения) могут перемещаться по планете. Эти процессы (образование гидрокарбонатов) протекают при относительно низких температурах (в холодных водах). При нагревании природных вод гидрокарбонаты разлагаются с образованием нерастворимых карбонатов и углекислого газа, который может либо оставаться в растворенном состоянии, либо удаляться в атмосферу (это еще один источник поступления СO2 в атмосферу или гидросферу:
Са(НСO3)2 = СаСO3↓ + СO2↑ + Н2O
Получившиеся нерастворимые карбонаты участвуют в образовании осадочных горных пород, что выводит углекислый газ, а вместе с ним и углерод из круговорота на длительное время, если местная концентрация СO2 будет невелика и не произойдет перехода карбонатов в гидрокарбонаты.
В настоящее время считается, что биогеохимический цикл углерода нарушен за счет антропогенных факторов, так как количество поступающего в атмосферу СO2 за счет хозяйственной деятельности человека увеличивается до 10% от ежегодного нормального уровня биогенного выделения этого газа и это количество продолжает неуклонно возрастать.
Однако неблагоприятное действие деятельности человека на процессы, регулирующие круговорот углерода на Земле, смягчаются процессами связывания оксида углерода(IV), протекающими в океане.
Итак, круговорот углерода в природе является системой динамических, достаточно устойчивых процессов, при этом локальные изменения происходят относительно легко, а глобальные процессы легко компенсируют локальные воздействия. И тем не менее необходимо корректировать производственную деятельность человека с целью снижения возможностей нарушения естественного хода процессов круговорота углерода и других элементов, с ним связанных.
www.polnaja-jenciklopedija.ru
12-Авг-2013 | Нет комментариев | Лолита Окольнова
Все вещества, все химические элементы постоянно циркулируют в биосфере. Они переходят из живых организмов в окружающую среду и обратно. Одних элементов в природе много, они преобладающие, других меньше, некоторых совсем мало (микроэлементы).
Рассмотрим
1. Сначала надо определиться, в виде каких соединений углерод находится в природе.
В атмосфере нашей планеты и в Мировом океане — это углекислый газ — CO2
В живых организмах — все органические соединения основаны на углероде
в земной коре в виде осадочных отложений или ископаемого топлива
2. Как осуществляется переход от одного соединения углерода к другому:
переход от CO2 к органическим соединениям: все растения на земле поглощают углекислый газ и с помощью энергии света производят органические вещества (фотосинтез). То же самое делают водоросли в водной среде. Т.о. углерод находится в структуре растения.
путь 2: растения погибают и оказываются в слое земли (под землей). Так образуется ископаемое топливо — нефть, торф,уголь.
Углерод может накапливаться на дне морей и океанов в виде известняка (останки погибших водных организмов)
Если мы рассматриваем перемещение углерода из атмосферы в живые организмы и обратно, то более точно такой круговорот называется “Круговорот углерода в биосфере”.
Если углерод перешел из атмосферы в состав отложений или топлива, то это уже “Круговорот углерода в биогеосфере”
Влияние человека (антропогенное влияние) на круговорот углерода:
(это одна из многочисленных теорий и предположений причин глобального потепления на нашей планете, но в формате подготовки к ЕГЭ рассматривается именно этот вариант)
Естественно, человек выделяет углекислый газ (CO2) в результате дыхания;
При сжигании различных видов топлива в атмосферу выделяется ОГРОМНОЕ количество CO2 (+ выхлопные газы машин).Это нарушает сложившийся за миллиарды лет баланс на Земле, что приводит к Парниковому эффекту — большая концентрация CO2 играет роль стекла — под действием солнца атмосфера нагревается сильнее, чем обычно.
distant-lessons.ru
