§ 37. Круговорот углерода в природе

Определения и обозначения

Круговорот углерода — непрерывное перемещение углерода между атмосферой, живыми организмами, водоёмами и горными породами. Углерод при этом меняет форму: он может быть частью CO₂, органического вещества или минерала. Это понятие помогает проследить, откуда углерод поступает в организмы и куда возвращается.

Углекислый газ — газообразное соединение углерода и кислорода с формулой CO₂. Он присутствует в атмосфере и растворяется в воде. Для растений это доступный источник углерода, который используется при фотосинтезе.

Карбонаты — соли угольной кислоты, содержащие углерод. Они входят в состав некоторых горных пород и раковин организмов. В виде карбонатов углерод может надолго сохраняться в осадках и земной коре.

Ископаемое топливо — уголь, нефть и природный газ, возникшие из остатков древних организмов и содержащие углерод. Они хранят его в земной коре, пока их не извлекут и не сожгут. Это понятие важно для понимания того, как деятельность человека влияет на содержание CO₂ в атмосфере.

Как это устроено

Атмосферный углекислый газ служит источником углерода для растений. Во время фотосинтеза растение поглощает CO₂ и использует его атомы углерода для образования органических веществ. Этот процесс возможен благодаря энергии света, поэтому углерод из воздуха оказывается в живой ткани и становится доступен другим организмам.

Углерод переходит от растений к животным по цепям питания: растительноядное животное ест растение, а хищник может съесть растительноядное животное. Органические вещества пищи становятся частью организма или используются для получения энергии. При дыхании происходит окисление органических веществ, и часть углерода выделяется в виде CO₂; так он возвращается в атмосферу.

После гибели организмов их остатки разлагают микроорганизмы. Если кислорода достаточно, разложение возвращает углерод в окружающую среду сравнительно быстро, в том числе в виде углекислого газа. При недостатке кислорода и захоронении остатков часть органического вещества не разлагается полностью, а за очень долгое время может превратиться в ископаемое топливо.

Углекислый газ растворяется в воде, потому что часть молекул CO₂ переходит из воздуха в водоём и взаимодействует с водой. Углерод из водной среды может входить в состав карбонатов, например в раковинах организмов, а затем накапливаться в осадках и породах. Поднятие пород, выветривание и другие геологические процессы постепенно возвращают его в доступные формы, поэтому этот путь намного медленнее биологического.

Сжигание угля, нефти и газа переводит углерод из топлива в атмосферный CO₂. При этом не возникают новые атомы углерода: меняется лишь форма вещества и место, где находится углерод. Поскольку топливо сжигают быстро, а природное образование таких запасов занимает очень долгое время, поступление CO₂ может опережать его удаление из атмосферы.

Переходы углерода между частями природы

Читайте строку таблицы как один переход: сначала найдите исходный резервуар, затем проследите, куда перемещается углерод. Столбец «Форма или пример» показывает, в каком виде он проходит этот этап. Так можно сравнить быстрые биологические переходы с накоплением углерода в породах и топливе.

Разбор задач

Задача 1

Растение поглотило углекислый газ из воздуха. Укажите, в каком процессе это произошло и куда перешёл углерод. Нужно определить процесс по направлению переноса: газ из атмосферы поступил в живой организм. Затем следует уточнить, в каком виде углерод находится в растении после этого перехода.

1. Растение поглощает CO₂ и использует его при фотосинтезе. Поэтому описанный процесс называется фотосинтезом.
2. В ходе процесса атомы углерода из CO₂ включаются в состав органических веществ. Значит, углерод перешёл из атмосферы в растение.
3. Проверяем направление: углекислый газ исчезает из воздуха и становится частью живого вещества. Это соответствует поглощению CO₂ при фотосинтезе.

Ответ: углерод поглощён при фотосинтезе и перешёл из атмосферного CO₂ в органические вещества растения.

Задача 2

Проследите путь атома углерода: углекислый газ — растение — травоядное животное — атмосфера. В цепочке нужно назвать процесс для каждого перехода, а не просто перечислить места нахождения углерода. Это помогает увидеть, как связаны обмен веществ у растений и питание животных.

1. Сначала атом углерода входит в состав CO₂ в атмосфере. Растение поглощает этот газ при фотосинтезе и включает углерод в органические вещества.
2. Травоядное животное поедает растение. Вместе с пищей органические вещества и содержащийся в них углерод поступают в организм животного.
3. При дыхании животное окисляет органические вещества. Часть углерода выходит из организма в виде CO₂ и попадает в атмосферу.

Ответ: CO₂ — фотосинтез — органические вещества растения — питание — организм травоядного — дыхание — CO₂ атмосферы. Один и тот же атом не обязан проходить весь путь за одинаковое время: он может надолго остаться в тканях или перейти в другие звенья круговорота.

Задача 3

Объясните, почему сжигание угля увеличивает содержание углекислого газа в атмосфере и чем этот источник отличается от дыхания организмов. Для ответа нужно установить, откуда взялся углерод в угле и что с ним происходит при горении. Затем сравним этот поток с обычными биологическими переходами.

1. Уголь образовался из остатков древних организмов и долго хранился в земной коре. Значит, при его сжигании высвобождается углерод из долгосрочного запаса.
2. Во время горения углерод соединяется с кислородом воздуха. В результате образуется CO₂, который поступает в атмосферу.
3. При дыхании тоже выделяется CO₂, но этот процесс возвращает углерод, недавно полученный организмами из пищи. Сжигание топлива быстро перемещает углерод из геологических запасов, на накопление которых ушло очень много времени.

Ответ: сжигание угля образует CO₂ из углерода топлива и увеличивает его поступление в атмосферу. В отличие от дыхания, оно быстро возвращает в атмосферу углерод, долго находившийся в земной коре.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что углерод существует только в виде CO₂. Так думают, потому что углекислый газ часто приводят как главный пример углеродного соединения в атмосфере. Но углерод есть также в органических веществах, карбонатах и ископаемом топливе. Проверьте себя: можете ли вы назвать форму углерода для атмосферы, организма, породы и топлива?

Ошибка: путать фотосинтез и дыхание. Оба процесса связаны с CO₂, поэтому легко перепутать направление его движения. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ, а при дыхании организм выделяет его. Чтобы проверить себя, задайте вопрос: CO₂ входит в организм или выходит из него?

Ошибка: представлять круговорот только как обмен между растениями и животными. Цепи питания заметнее других переходов, поэтому о водоёмах, атмосфере и породах иногда забывают. Однако углерод растворяется в воде, накапливается в карбонатах и может храниться в земной коре. Проверьте схему круговорота: в ней должны быть не только живые организмы.

Ошибка: думать, что сжигание топлива создаёт новые атомы углерода. При горении меняется химическая форма вещества, но атомы углерода уже содержались в топливе. Путаница возникает из-за того, что CO₂ появляется после сжигания. Для проверки проследите происхождение углерода: он был частью древних организмов, а затем долго хранился в земной коре.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в круговороте, нужно знать, что CO₂ — соединение углерода и кислорода, а также понимать роль фотосинтеза и дыхания. Эти процессы показывают, как углерод переходит между атмосферой и организмами. С круговоротом связаны образование осадочных пород и состав атмосферы: часть углерода запасается в карбонатах, а часть остаётся в воздухе. Поэтому сжигание топлива может влиять на окружающую среду, быстро перемещая углерод из земной коры в атмосферу.

Что запомнить

• Углерод перемещается между атмосферой, организмами, водоёмами и горными породами.
• При фотосинтезе растения поглощают углекислый газ.
• Дыхание и разложение организмов возвращают углерод в окружающую среду.
• Часть углерода надолго сохраняется в карбонатных породах и ископаемом топливе.
• Сжигание ископаемого топлива быстро увеличивает поступление CO₂ в атмосферу.
• Круговорот углерода включает как быстрые биологические, так и медленные геологические процессы.