- Углерод: важнейший элемент
- Последовательность круговорота углерода
- Что мы узнали?
- Схема круговорота углерода в природе
- Особенности круговорота углерода
- Геохимический цикл углерода
- Фотосинтез и клеточное дыхание
- Результаты круговорота углерода
- Углерод в ископаемом топливе и деревьях
- Этапы круговорота углерода
- Роль живых организмов в круговороте углерода
- Значение цикла
- Разложение и углерод
Углерод: важнейший элемент
Когда вы в последний раз видели таблицу Менделеева? Возможно, вы помните схему, которая висела на стене в классе в школе. Он содержит всю ключевую информацию о каждом элементе, найденном на Земле. Некоторые из представленных в таблице элементов являются редкими и неизвестными, например иттрий и калифорний. Другие драгоценны и благородны, как золото и серебро.
Но в таблице Менделеева есть один элемент, который необходим каждому живому организму. Он также входит в состав воздуха и постоянно циркулирует по нашей земле, живым организмам и атмосфере. Этот элемент — углерод, и в этой статье мы рассмотрим очень важный процесс, называемый геохимическим углеродным циклом.
Последовательность круговорота углерода
Последовательность биогенного круговорота углерода в природе всегда начинается с его потребления растениями из атмосферы и/или воды. Затем посредством фотосинтеза углерод в растениях «делится» на необходимые части: определенное количество остается в растении, часть уходит в атмосферу и почву (в случае естественной гибели растения). Поглощая растения в пищу, животные продолжают распространять углерод: выдыхая его в виде углекислого газа или выделяя в почву после смерти.
Все процессы круговорота углерода неотделимы друг от друга и всегда протекают параллельно. В природе не существует определенной последовательности действий по переносу углерода; каждый шаг протекает параллельно другому.
Что мы узнали?
Углерод – важный элемент, который участвует в круговороте веществ в природе. Углерод, содержащийся в углекислом газе, поглощается растениями посредством фотосинтеза и превращается в органическое вещество, которое служит пищей для травоядных животных. Используя в пищу других животных, хищники получают углерод из органических веществ. Углерод высвобождается обратно в природу при дыхании (выделяется в виде углекислого газа) и при распаде органических тканей.
Схема круговорота углерода в природе
Круговорот углерода в природе представляет собой обязательный комплекс разнообразных физических и химических процессов и реакций. Известно, что этот элемент входит в состав всех живых организмов на планете Земля и напрямую связан с процессами их жизнедеятельности. Атомы углерода в той или иной форме соединений непрерывно циркулируют во всех сферах планеты и фактически отражают общую динамику живых процессов.
Основная часть углерода находится в атмосфере – и это углекислый газ СО2. Вода также содержит углерод в форме диоксида. Когда жидкости и газы переходят в агрегатные состояния друг друга, происходит круговорот — углерод свободно «гуляет» в окружающей среде. В чистом виде соединение CO2 потребляется растениями, превращая его в ходе фотосинтеза в различные соединения и отдельные элементы, которые передаются по кругу. Таким образом, весь углерод, поступающий в растение, делится на следующие части:
- как часть объекта. Определенное количество углерода остается в клетках и удерживается в них до конца жизненного цикла растения;
- переходит к травоядным. Поедая растения, животные получают от них часть углерода, выделяя (буквально выдыхая) его в атмосферу в виде CO2;
- от травоядных к хищникам. По аналогичному принципу (посредством потребления пищи) плотоядные животные потребляют углерод и выделяют его диоксид в ходе дыхательных процессов;
- приходит на землю. Когда растение умирает, часть оставшегося углерода уходит в почву. При этом начинается процесс образования разнообразных топливных минералов. Классическим примером может служить уголь.
Аналогичные процессы происходят и в гидросфере. Углерод в воде потребляется морскими растениями и животными.
В целом выбросы углерода в атмосферу напрямую связаны с процессами жизнедеятельности живых организмов на планете. Отдельным природным процессом выброса углекислого газа в атмосферу является извержение вулкана. Сжигание топлива человеком считается искусственным. К сожалению, в совокупности это приводит к избытку углерода в атмосфере, что создает парниковый эффект, пагубно влияющий на состояние окружающей среды и экологии. Этот вопрос сейчас является одним из самых обсуждаемых в мире.
Особенности круговорота углерода
Углерод — это элемент, который встречается во многих различных формах и местах на нашей земле и в атмосфере. Как уже говорилось ранее, он содержится в больших количествах в живых организмах. Без этого элемента мы бы даже не существовали. Ключевые молекулы, из которых состоят наши тела, такие как белки, углеводы и ДНК, содержат углерод в качестве основного компонента. Углерод также в изобилии присутствует в нашей атмосфере в виде углекислого газа или CO2. Кроме того, углерод также содержится в земле в виде ископаемого топлива.
Углеродный цикл — это, по сути, природный способ переработки атомов углерода разными способами и в разных местах. Это процесс, посредством которого углерод перемещается из атмосферы в живые организмы и почву, а затем обратно в атмосферу. Но как это работает и что поддерживает циркуляцию углерода?
Важно понимать, что наша Земля и атмосфера в целом — это закрытая среда. Материя, существующая сейчас, — это все, что нам когда-либо понадобится. Слышали ли вы когда-нибудь выражение: «Материя не может быть ни создана, ни уничтожена»? Возьмем, к примеру, воду. Вода постоянно циркулирует на Земле и в атмосфере. Он испаряется из океанов и других водоемов и задерживается в облаках. Затем он выпадает в виде дождя или снега. Вода никогда не создается и не уничтожается, она только перерабатывается.
Точно так же у нас есть фиксированное количество углерода на Земле и в атмосфере. Мы находимся в своем собственном пузыре, и, по сути, ничто не покидает и не входит в наш мир. Мы не получаем межгалактических поставок таких важных элементов, как углерод. Это значит, что всего углерода на Земле и в атмосфере осталось то же количество, что и всегда. Поэтому при формировании новых организмов углерод необходим для образования ключевых молекул, таких как белок и ДНК. Но откуда это взялось? Именно здесь в игру вступает углеродный цикл в природе.
Геохимический цикл углерода
Геохимический цикл углерода — это, по сути, диаграмма, отражающая количество углерода, циркулирующего между слоями: атмосферой, геосферой и гидросферой. Измерения производятся в течение года и составляют миллиарды тонн. Более того, эта цифра также включает 5,5 гигатонн, которые попадают в атмосферу, когда люди сжигают ископаемое топливо.
По сути, геохимический круговорот углерода представляет собой совокупность процессов перехода углеводов из одного так называемого геохимического резервуара в другой. Стоит отметить, что живые организмы играют главную роль в этом процессе.
Важно знать, что геохимический цикл углерода выполняет ряд функций:
- Оно всегда происходит через гидросферу и атмосферу и поэтому серьезно влияет на все процессы в окружающей среде и в первую очередь на представителей биосферы;
- В ходе формирования и развития планеты произошедшие катастрофические изменения существенно повлияли на развитие цикла.
В настоящее время наиболее изученным является четвертичный период геохимического цикла. В нем произошли изменения, которые напрямую связаны с изменением климата. Именно поэтому ученым гораздо легче проследить этот период, поскольку он четко фиксируется вечной мерзлотой Арктики и Антарктики .
Фотосинтез и клеточное дыхание
Как упоминалось ранее, углерод встречается во многих различных формах и в разных местах. Мы уже знаем, что это в нашей атмосфере. Но только некоторые организмы могут реально использовать атмосферный углерод. Начнем с рассмотрения процесса фотосинтеза, при котором углерод атмосферы в виде 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 получения C6H12O6 или глюкозы. И куда пойдет углерод дальше?
Подумайте, кто может есть растения. Например, люди, которым приходится добывать себе еду, чтобы выжить. Поэтому, когда мы едим растительную пищу, мы получаем из нее глюкозу. Когда мы едим мясо, мы также можем получать глюкозу, поскольку животные едят растения.
После переваривания глюкоза из растения расщепляется в наших клетках для производства энергии. Этот процесс называется клеточным дыханием. По сути, это процесс, противоположный фотосинтезу, побочным продуктом которого является CO2. Организмы избавляются от этих отходов, выдыхая их обратно в атмосферу. Каждый раз, когда вы дышите, вы участвуете в углеродном цикле, потому что выдыхаете CO2. Таким образом, вы сможете увидеть, как углерод перемещается по планете и влияет на каждый организм.
Результаты круговорота углерода
Элемент углерод в своей простейшей форме постоянно циркулирует между сферами планеты и живыми организмами на ней. Поглощаясь растениями в форме CO2, он в процессе фотосинтеза превращается в простые сахара, которые затем становятся жизненно важными элементами пищевой цепи животных. Они, в свою очередь, преобразуют полученные вещества посредством метаболизма и выделяют углерод в атмосферу в виде CO2.
Геологические процессы также влияют на состояние и количество углерода. Углерод, попадающий в почву и превращающийся в ископаемое топливо (уголь, нефть, газ), на некоторое время исключается из дальнейшего углеродного цикла. Но как только человек производит их и использует для потребления, при сжигании топливных веществ углекислый газ возвращается в атмосферу в обильном количестве.
Углерод в ископаемом топливе и деревьях
Некоторая часть углерода в нашем мире находилась в подвешенном состоянии в течение сотен или даже миллионов лет. Углерод задерживается в ископаемом топливе, таком как уголь и нефть. Ископаемое топливо состоит из трансформированных остатков живых организмов и содержит много энергии. Мы сжигаем ископаемое топливо для получения энергии, и в этом процессе углерод выбрасывается обратно в атмосферу в виде CO2.
Еще одно место, где углерод сохраняется в течение длительного времени, — это деревья. Поскольку деревья живут так долго, углерод не циркулирует до тех пор, пока дерево не умрет или не сгорит. Затем CO2 выбрасывается обратно в атмосферу, и цикл продолжается, поскольку этот углерод повторно используется растениями для производства продуктов питания.
Этапы круговорота углерода
Наибольшее количество углерода на планете находится в форме углекислого газа или углекислого газа CO2. Он содержится в атмосфере и растворен в водах мирового океана. Для процессов, происходящих в слоях атмосферы, круговорот углерода происходит следующим образом:
- углерод, остающийся в растениях после поглощения из воздуха, удерживается некоторыми из них и после отмирания уходит в почву. Углерод тогда становится материалом для «работы» разлагателей — грибов и термитов, — которые питаются органическими веществами и расщепляют их на более простые неорганические вещества. Затем углерод, рекомбинировавший с кислородом в виде CO2, вернется в атмосферу;
- дополнительный метод – если растение падает под землю. Там, разлагаясь, он может превратиться в ископаемое топливо, основанное на углероде. Так появляется уголь.
- другим сценарием может быть поедание растений травоядными. Углерод, попадающий в организм животного, затем высвобождается при дыхании обратно в воздух или в почву в процессе разложения после смерти. Травоядное животное также может стать пищей для хищников, передавая тем самым ему углерод, который таким же образом вернется в воздух и почву.
В воде цикл имеет меньше вариаций, но также возможны несколько путей:
- растворенный в воде углекислый газ регулярно циркулирует между океанами и атмосферой в процессе газообмена;
- углерод содержится в тканях растений и животных, которые после отмирания превращаются в известняк, оседают на дне и выделяют углерод в воду.
Роль живых организмов в круговороте углерода
Живые организмы являются важным и неотъемлемым компонентом углеродного цикла. Их участие в этапах движения углерода и организации его природных соединений в ходе химических реакций и физических процессов играет важную роль для распределения и ассимиляции.
Поглощая углерод, содержащийся в воздухе в виде CO2, растения синтезируют его в вещества и соединения, которые впоследствии дают жизнь травоядным и хищникам. Процесс пищевого цикла напрямую связан с круговоротом углерода – важным химическим элементом, уровень которого необходимо поддерживать на всех этапах потребления животной пищи.
Растения, которые не используются в пищу животным, после смерти попадают в почву. Выделяющийся из них углерод становится основой для формирования ископаемых, используемых человеком для организации жизни. Появление добытых ресурсов невозможно без микроорганизмов, обладающих способностью разлагать сложные органические соединения до неорганических.
Именно благодаря этим разлагателям (грибам и другим простейшим организмам) в почве происходит длительный процесс образования угля, нефти и природного газа. При этом человек, как и любой другой живой организм, использует необходимое количество углерода не только технологически, но и в естественных процессах организма, выделяя в атмосферу углекислый газ.
Распределение углерода в Мировом океане происходит по разным принципам и имеет свои особенности, но все живые организмы – обитатели морских глубин – принимают активное участие в круговом обмене углерода как в пределах своего ареала, так и по всей планете включительно.
Значение цикла
За время существования Земли в атмосфере накопилось большое количество углекислого газа. Если исключить круговорот углерода в природе, жизнь потеряет потенциал развития. Этот химический элемент можно смело назвать важнейшим в биологической системе планеты благодаря следующим свойствам:
- Углеводы необходимы для жизнедеятельности всех представителей флоры и фауны.
- Углерод входит в состав гликогена, который является дополнительным источником энергии для высших организмов. Это вещество синтезируется клетками печени и мышц.
- Химический элемент является строительным материалом для белков, входящих в состав тканей организма человека и животных.
Значение круговорота углерода в природе трудно переоценить. Школьники должны знать, как это происходит и зачем это нужно. Только разобравшись в этой проблеме, они смогут подготовить сообщение на заданную тему.
Разложение и углерод
Еще одним важным способом круговорота углерода в живых организмах является разложение. Например, представьте, что наступила осень, листья меняют цвет и падают на землю. Эти листья содержат углерод в форме глюкозы, вырабатываемой в результате фотосинтеза. Когда листья падают на землю, они со временем разлагаются. В результате разложения атомы углерода возвращаются в почву. И в процессе дыхания этот углерод в конечном итоге будет выброшен обратно в атмосферу в виде CO2.
Читайте также: Население ⭐ Африки: описание, численность, средняя плотность, прочие характеристики