Роль углерода живой природе

6. Биогеохимические циклы углерода, азота, фосфора

В биосфере происходит постоянный обмен химическими элементами между живыми организмами и абиотической средой.

Этот процесс называют биогеохимическим круговоротом, или биогеохимическим циклом. В нём главную роль играют живые организмы.

Химические элементы, необходимые для жизни, называют биогенными элементами, или питательными веществами. Выделяют две группы таких элементов:

• макротрофные элементы ( C , H , O , N , P , K , Ca , Mg , S ) входят в состав тканей организмов.
• микротрофные элементы, или микроэлементы, содержатся в живых организмах в небольших количествах. Это Fe , Mn , Cu , Zn , B , Na , Mo , Cl , V и Co .

Биогенные элементы участвуют в круговороте, поэтому используются живыми организмами многократно и никогда не заканчиваются.

Углерод — главный элемент органических соединений. Главное значение в круговороте углерода имеют растения. Углекислый газ, содержащийся в атмосфере или в воде (в растворённом виде), растения усваивают в процессе фотосинтеза и превращают в органические соединения.

Образованное растениями органическое вещество используется в пищу животными. Во всех живых организмах происходит дыхание — обратный процесс, возвращающий углекислый газ в атмосферу.

Многие организмы используют углеродные соединения для образования твёрдых частей тела — раковин и скелетов. Из остатков морских животных образовались осадочные породы (известняки).

Круговорот углерода замкнут не полностью. Углерод выводится из него в виде известняков и ископаемого топлива (торфа, угля, нефти, природного газа). При сжигании топлива углерод опять вовлекается в круговорот.

Азот входит в состав белков, нуклеиновых кислот, витаминов и других соединений. Основным источником азота служит атмосфера, в которой он находится в виде газа. В почву этот элемент поступает тремя путями. Некоторое количество азота превращается в доступную растениям нитратную форму при атмосферной фиксации (при разрядах молний). До недавнего времени основным путём поступления азота была биологическая фиксация некоторыми бактериями (например, клубеньковыми). В последнее столетие приблизительно такое же значение имеет промышленная фиксация.

Образовавшиеся в почве соединения азота (нитраты и соли аммония) используются растениями для синтеза белков, которые разлагаются редуцентами до мочевины и аммиака. Нитрифицирующие микроорганизмы затем превращают эти вещества в доступную для растений нитратную форму.

Замыкают круговорот денитрифицирующие бактерии, возвращающие азот в атмосферу. Схема циркуляции азота в биосфере представлена на рисунке.

Источником фосфора служат фосфатные горные породы, которые при разрушении или вымывании выделяют фосфаты в почву или воду. Эти соединения используются растениями для образования органических веществ (фосфолипидов, нуклеиновых кислот и др.). Остатки организмов разрушаются редуцентами, фосфаты опять оказываются в почве и могут использоваться растениями. Некоторая часть фосфатов попадает в водоёмы, где тоже поступает в пищевые цепи. Часть фосфора из моря может снова попасть на сушу в виде помёта морских птиц.

Источник

Геохимический цикл углерода: схема, описание процесса и значение

Геохимический цикл углерода (круговорот углерода в природе) — это процесс, посредством которого углерод циркулирует между атмосферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами (биосферой).

Углерод: важнейший элемент

Когда вы в последний раз видели периодическую таблицу Менделеева? Возможно, вы помните таблицу, которая висела на стене в вашем школьном классе. В ней содержится вся ключевая информация о каждом элементе, существующем на Земле. Одни из элементов, представленных в таблице, редки и незнакомы, например иттрий и калифорний. Другие являются драгоценными и благородными, например, золото и серебро.

Но в периодической таблице есть один элемент, который незаменим для каждого живого организма. Он также входит в состав воздуха и постоянно циркулирует через нашу Землю, живые организмы и атмосферу. Этот элемент — углерод, и в этой статье мы рассмотрим очень важный процесс, называемый геохимическим циклом углерода.

Особенности круговорота углерода

Углерод — это элемент, который встречается во многих различных формах и местах нашей Земли и атмосферы. Как упоминалось ранее, он в больших количествах содержится в живых организмах. Без этого элемента мы бы даже не существовали. Ключевые молекулы, из которых состоит наш организм, такие как белки, углеводы и ДНК, содержат углерод в качестве основного компонента. Углерод также в изобилии присутствует в нашей атмосфере в форме углекислого газа или CO₂. Кроме того, углерод также содержится в Земле в виде ископаемого топлива.

Круговорот углерода — это, по сути, естественный способ повторного использования атомов углерода различными способами и в разных местах. Это процесс, при котором углерод перемещается из атмосферы в живые организмы и Землю, а затем обратно в атмосферу. Но как он работает и что заставляет углерод циркулировать?

Важно понимать, что наша Земля и ее атмосфера в целом являются замкнутой средой. Материя, которая существует сейчас, — это все, что у нас когда-либо будет. Вы когда-нибудь слышали фразу: «Материю невозможно создать или уничтожить»? Возьмем, к примеру, воду. Вода постоянно циркулирует на Земле и атмосфере. Она испаряется из океанов и других водоемов и удерживается в облаках. Затем выпадает в виде дождя или снега. Вода никогда не создается и не уничтожается, она лишь перерабатывается.

Точно так же у нас есть фиксированное количество углерода на Земле и в атмосфере. Мы находимся в нашем собственном пузыре, и, по сути, практически ничто не выходит из нашего мира и не входит в него. Мы не получаем межгалактических поставок необходимых элементов, таких как углерод. Это означает, что весь углерод на Земле и в атмосфере, равен тому количеству, которое у нас всегда было. Итак, когда формируются новые организмы, необходим углерод для образования ключевых молекул, таких как белок и ДНК. Но откуда он берется? Вот тут и начинает работать круговорот углерода в природе.

Фотосинтез и клеточное дыхание

Как упоминалось ранее, углерод находится во многих различных формах и в разных местах. Мы уже знаем, что он находится в нашей атмосфере. Но только некоторые организмы действительно могут использовать атмосферный углерод. Давайте начнем с рассмотрения процесса фотосинтеза, посредством которого углерод в атмосфере в форме CO₂ используется растениями.

Растения могут производить органические вещества, используя несколько простых ингредиентов: CO₂, воду (или H₂O) и солнечную энергию. Это можно представить следующим уравнением:

6CO₂ (диоксид углерода) + 6H₂O (вода) + солнечный свет → C₆H₁₂O₆ (углевод) + 6O₂ (кислород)

Теперь вы можете видеть, что в процессе фотосинтеза атомы углерода были взяты из углекислого газа и использованы для создания C₆H₁₂O₆ или глюкозы. И куда пойдет углерод дальше?

Подумайте, кто может есть растения. Например, люди, которые должны добывать себе пищу, чтобы выжить. Итак, когда мы едим растительные продукты, мы получаем из них глюкозу. Когда мы едим мясо, мы также можем получить глюкозу, так как животные питаются растениями.

После переваривания глюкоза из растения расщепляется в наших клетках для выработки энергии. Этот процесс называется клеточным дыханием. По сути, это процесс, противоположный фотосинтезу, и его побочным продуктом является CO₂. Организмы избавляются от этих отходов, выдыхая их обратно в атмосферу. Каждый раз, когда вы дышите, вы участвуете в круговороте углерода, потому что выдыхаете CO₂. Таким образом, вы можете видеть, как углерод движется по всей планете и влияет на каждый организм.

Углерод в ископаемом топливе и деревьях

Некоторое количество углерода в нашем мире находится в подвешенном состоянии сотни или даже миллионы лет. Углерод задерживается в ископаемом топливе, таком как уголь и нефть. Ископаемое топливо состоит из трансформированных останков живых организмов и содержит много энергии. Мы сжигаем ископаемое топливо для получения энергии, и в этом процессе углерод возвращается в атмосферу в форме CO₂.

Еще одно место, где углерод задерживается на долгое время — это деревья. Поскольку деревья живут очень долго, углерод не циркулирует, пока дерево не умрет или не сгорит. Затем CO₂ выпускается обратно в атмосферу, и цикл продолжается, поскольку этот углерод снова используется растениями для создания пищи.

Разложение и углерод

Другой важный способ круговорота углерода в живых организмах — это разложение. Например, представьте, что сейчас осень, и листья меняют цвет и опадают на землю. Эти листья содержат углерод в виде глюкозы, образующийся в результате фотосинтеза. Когда листья падают на землю, они со временем разлагаются. Разложение высвобождает атомы углерода обратно в почву. И через процесс дыхания, в конечном итоге, этот углерод будет выпущен обратно в атмосферу в виде CO₂.

Подведение итогов

Круговорот углерода в природе — это процесс, при котором углерод перемещается между всеми оболочками Земли и живыми организмами. Растения забирают углекислый газ из воздуха и используют его для синтеза питательных веществ. Затем животные едят растения, и углерод накапливается в их телах или выделяется в виде CO₂ при дыхании. Углерод также возвращается в атмосферу при сжигании древесины и ископаемого топлива или разложении мертвых организмов.

Источник

Круговорот углерода в природе

Важную роль в жизнедеятельности живых организмов играет круговорот углерода в природе. Углерод входит в состав всех органических веществ и участвует в большинстве химических и физических процессов планеты.

Общее описание

Углерод – шестой элемент периодической таблицы Менделеева с относительной атомной массой 12. Углерод находится в четвертой группе и проявляет постоянную валентность IV. Это активное вещество, вступающее в реакцию с металлами, неметаллами, оксидами, кислотами.

В природе встречается в виде твёрдых веществ в составе горных пород. Элемент имеет несколько аллотропных модификаций – графит, алмаз, сажа, уголь. Большая часть газообразного углерода находится в атмосфере. Соединяясь с кислородом, образует угарный и углекислый газы.

Угарный газ (СО) – ядовитое вещество без цвета, запаха, вкуса. Соединяясь с гемоглобином крови, нарушает клеточное дыхание, что приводит к удушению.

Значение углерода

Углерод входит в состав угольной кислоты (H₂CO₃), соды (Na₂CO₃), всех органических соединений. Это один из жизненно важных элементов. Углерод участвует в процессах дыхания, синтеза веществ, энергетического обмена.

В живых организмах элемент содержат:

• ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота);
• нуклеиновые кислоты;
• аминокислоты;
• АТФ (аденозинтрифосфат) – универсальный источник энергии;
• липиды и жирные кислоты.

Благодаря четырём валентным электронам атом углерода способен образовывать четыре связи с атомами различных элементов. Именно этим объясняется распространённость элемента в природе в составе сложных веществ.

Круговорот

Краткая схема круговорота углерода в природе:

• углекислый газ используется растениями для фотосинтеза;
• продуктом фотосинтеза являются органические вещества, в частности углеводы;
• углерод попадает в тело травоядных животных, затем – хищников;
• обратно элемент возвращается в природу при дыхании животных и после их смерти в результате гниения (осуществляют бактерии, грибы).

Общее количество углерода в природе можно разделить на четыре части:

• оставшийся в составе клеток растения;
• находящийся в животных клетках;
• высвободившийся в атмосферу при дыхании или сжигании топлива;
• отложившийся в грунте, куда попадает в результате разложения.

Углекислый газ (СО₂) является конечным продуктом метаболизма. Он образуется в процессе дыхания и полного распада углеводов, жиров, аминокислот. Из клетки с током крови углекислый газ попадает в лёгкие, а оттуда – в атмосферу при внешнем дыхании.

Углекислый газ – продукт не только жизнедеятельности живых организмов. Газ образуется при сжигании органического топлива – нефти, природного газа, древесины, угля. При попадании углекислого газа в атмосферу круговорот элемента начинается заново.

Углерод накапливается в земной коре или на дне океана в виде горных пород или донных отложений. Именно так образуются каменный уголь, нефть, графит, алмаз.

Что мы узнали?

Углерод – жизненно важный элемент, участвующий в круговороте веществ в природе. Углерод в составе углекислого газа поглощают растения в процессе фотосинтеза и преобразуют в органические вещества, которые служат пищей для травоядных животных. Используя других животных в качестве пищи, хищники получают углерод в составе органических веществ. Обратно в природу углерод попадает при дыхании (выделяется в виде углекислого газа) и при гниении органических тканей.

Источник