Круговорот углерода в природе

Углерод – это универсальный химический элемент: он является как частью органических соединений, так и содержится в свободной форме в литосфере, атмосфере, гидросфере и биосфере. Постоянное перемещение его из органических соединений в неорганические структуры называется биогеохимическим циклом или круговоротом углерода. Важнейшую роль в нем играют живые организмы.

Распространение и природные резервуары

Углерод содержится в разных формах во всех оболочках Земли (табл.1).

Табл. 1. Формы углерода и их распространение в природе

В атмосфере углерод находится в виде углекислого газа, угарного газа, метана и других углеводородов. Основной источник поступления углекислого газа в воздух – извержения вулканов и дыхание живых существ, метана – испарения тропических лесов и болот. По сравнению с доиндустриальной эпохой, в данный момент содержание диоксида углерода увеличилось на треть, метана – в полтора раза. Углекислый газ и метан ответственны за развитие парникового эффекта. 

В океане содержится более чем в 100 раз больше углерода, чем в атмосфере. Он находится здесь в форме угольной кислоты, растворимых солей угольной кислоты, карбоната кальция (в виде отложений). Поверхностные слои океана могут обмениваться углеродом с атмосферой, а глубокие слои – с донными отложениями.

В коре содержится менее 1% всего земного запаса углерода, однако его активный перевод в атмосферу в процессе добычи и сжигания полезных ископаемых разрушает этот многовековой резерв. В условиях катастрофически изменений климата он может быть необходим для быстрого восстановления биоты.  

Природные резервуары (табл. 2) постоянно и динамически обмениваются запасом углеводорода, создавая так называемый круговорот или цикл. 

Табл.2 Природные резервуары углерода

Круговорот углерода

Биогеохимический цикл – это сложный процесс, который состоит из двух циклов:

• геологический цикл – процесс отложения углерода в осадочных породах и окисления органических веществ, продолжительность составляет от 100 тыс. до 100 млн лет;

• биосферный цикл – процесс быстрого обмена углеродом между живой и неживой природой, продолжительность составляет около 300 лет.

Растения-продуценты поглощают углекислоту из атмосферного воздуха, ежегодно это более 50 млрд тонн углерода. В процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды под воздействием солнечного света синтезируются углеводы и кислород. Углеводы используются как источник энергии растениями или откладываются в депозиты целлюлозы (составляет основу клеточных стенок растений), а кислород выделяется во внешнюю среду. 

Травоядные животные-консументы поглощают растения и в процессе пищеварения превращают целлюлозу в глюкозу, которая становится источником энергии на клеточном уровне или превращается в запасы гликогена. Хищные животные-консументы поедают травоядных и тоже запасают гликоген.

Как травоядные, так и хищники на клеточном уровне используют в качестве энергетического субстрата глюкозу, которую получают из гликогена. В процессе клеточного дыхания глюкоза распадается на воду и углекислый газ с выделением большого количества энергии. Вода используется для нужд организма, а углекислый газ возвращается в атмосферу. 

Таким образом, углерод замыкает круговорот, возвращаясь во внешнюю среду двумя способами:

• выделяясь живыми существами в процессе дыхания;

• высвобождаясь в процессе разложения микроорганизмами-редуцентами останков животных и растений (детрита).

Углерод частично выпадает из цикла, если для полного разложения недостаточно кислорода, и надолго сохраняется в земле в виде залежей ископаемых – торфа, нефти, каменного угля, горючих сланцах. При сжигании этих веществ человеком с целью получения энергии образуется диоксид углерода, который выделяется в воздух.

Углекислый газ растворен также в поверхностных слоях воды, где его использует фитопланктон для фотосинтеза, а моллюски – для формирования раковин. Не до конца разложившиеся останки морских обитателей в условиях недостатка кислорода формируют донные отложения известняков. 

Изменения углеродного цикла

В докембрийский период содержание в атмосфере углекислого газа и метана было значительно выше текущих показателей. Создаваемый ими парниковый эффект, очевидно, компенсировал недостаточную яркость Солнца, и обеспечивал условия для возникновения жизни на Земле, а именно – наличие незамерзающего слоя воды. В это время превалировал круговорот метана. 

В период протерозоя на первое место вышел круговорот углекислоты. Бактерии-фотосинтетики начали интенсивно выделять кислород, который изначально использовался на окисление свободных элементов, содержащихся в океане и атмосфере. Как только ресурс исчерпался, кислород стал «вытеснять» углеродные газы, температура начала падать, и наступил протерозойский ледниковый период. 

В период фанерозоя сохранялся углекислотный цикл круговорота, в атмосфере продолжал накапливаться кислород. В это время проходил активный период горообразования, в связи с чем несколько изменился круговорот углерода: усиливалось отложение пород, из коры на поверхность поднимались более тяжелые элементы.

В четвертичном периоде были зафиксированы множественные циклы оледенения, следовавшие друг за другом. Периодичность для таких циклов составляла 41 тыс. лет. При этом содержание метана и углекислого газа пропорционально менялось: начало каждого ледникового периода сопровождалось снижением, а завершение – быстрым увеличением.

Антропогенное влияние на углеродный цикл уже привело к увеличению выбросов углекислоты и превышению его естественного диапазона за последние 600 лет.