§ 37. Круговорот углерода в природе

Определения и обозначения

Круговорот углерода в природе — непрерывный переход углерода между атмосферой, живыми организмами, водоёмами и горными породами. Углерод не исчезает, а меняет форму и место нахождения. Это понятие помогает увидеть связь между жизнью организмов, составом воздуха, водой и образованием полезных ископаемых.

В атмосфере и гидросфере углерод прежде всего находится в составе углекислого газа CO₂. В воде он также входит в растворённые соединения, которые образуются при взаимодействии CO₂ с водой. Поэтому водоёмы могут поглощать углерод из воздуха и переносить его в другие природные резервуары.

Карбонаты — соли угольной кислоты, содержащие углерод и группу CO₃²⁻. Они входят в состав известняка, мела, доломита и многих раковин организмов. Карбонаты связывают углерод на длительное время и участвуют в образовании осадочных горных пород.

Ископаемое топливо — уголь, нефть и природный газ, образовавшиеся из древнего органического вещества. В нём заключён запас углерода, накопленный за очень длительный период. При сжигании этот запас быстро переходит в углекислый газ, поэтому топливо связывает геологическую историю Земли с современным составом атмосферы.

Как это устроено

Растения поглощают углекислый газ из воздуха через листья и используют его при фотосинтезе. Энергия света позволяет превращать воду и CO₂ в органические вещества, например глюкозу. Поэтому углерод из неорганической формы переходит в состав веществ растения и становится доступным другим организмам.

При дыхании клетки расщепляют органические вещества и получают энергию для жизнедеятельности. Одним из продуктов этого процесса становится углекислый газ, который выделяется в атмосферу. После отмирания организмов их остатки разлагаются, и микроорганизмы постепенно переводят содержащийся в них углерод в CO₂ и другие соединения.

Углерод перемещается между организмами по пищевым цепям. Растительноядное животное получает его, поедая растения, а хищник — поедая другое животное. Часть вещества расходуется на дыхание, а оставшаяся часть входит в ткани и после смерти организма возвращается в почву, воду или атмосферу при разложении.

Углекислый газ из атмосферы растворяется в дождевой и речной воде, поэтому углерод попадает в водоёмы. В воде он может переходить в растворённые соединения, а затем участвовать в образовании карбонатов. Частицы карбонатов и остатки раковин оседают на дне, уплотняются и со временем образуют осадочные породы.

Органические остатки, оказавшиеся глубоко под землёй без доступа кислорода, могут постепенно превращаться в уголь, нефть и природный газ. Так углерод временно выходит из быстрого природного обмена и накапливается в недрах. При добыче и сжигании топлива он соединяется с кислородом, образуя CO₂, поэтому деятельность человека ускоряет естественный поток углерода в атмосферу.

Формы углерода и его переходы между природными резервуарами

Таблицу удобно читать по строкам, прослеживая судьбу углерода в одном резервуаре. По столбцам можно сравнить, в какой форме он находится и какие процессы обеспечивают его перемещение. Например, строка «Атмосфера» показывает, что дыхание и горение увеличивают содержание CO₂, а фотосинтез уменьшает его.

Разбор задач

Задача 1

Условие: Назовите процесс, благодаря которому углерод из атмосферного углекислого газа попадает в растение. Нужно определить не просто вещество, поглощаемое растением, а процесс его включения в органические соединения.

1. Растение получает углекислый газ из воздуха.
2. На свету CO₂ используется вместе с водой для образования органических веществ.
3. Этот процесс называется фотосинтезом и идёт с поглощением энергии света.

Ответ: углерод из атмосферного CO₂ попадает в растение при фотосинтезе.

Задача 2

Условие: Проследите путь углерода от растения к животному, а затем обратно в атмосферу. Нужно учесть и питание, и процессы, возвращающие углерод из организма.

1. Растение связывает CO₂ и превращает углерод в органические вещества.
2. Животное поедает растение, поэтому углерод поступает в его ткани с пищей.
3. При дыхании животного часть углерода возвращается в атмосферу в виде CO₂, а после смерти остатки разлагаются и дают дополнительный источник углекислого газа.

Ответ: путь можно записать так: атмосфера → растение → животное → дыхание и разложение → атмосфера.

Задача 3

Условие: Объясните, почему сжигание угля увеличивает содержание углекислого газа в атмосфере и как это связано с круговоротом углерода. Важно отличить образование нового углерода от перехода уже накопленного углерода в другую форму.

1. Уголь содержит углерод, накопленный в древнем органическом веществе.
2. При горении углерод соединяется с кислородом воздуха: C + O₂ → CO₂.
3. Углекислый газ быстро поступает в атмосферу, тогда как образование угля занимало очень длительное время.

Ответ: сжигание не создаёт углерод, а переводит его из ископаемого топлива в атмосферный CO₂; поэтому человеческая деятельность усиливает круговорот углерода.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что углерод поглощают только растения. Углекислый газ также растворяется в воде, а углерод включается в состав карбонатов. Проверка: вспомните не только фотосинтез, но и водоёмы с горными породами.

Ошибка 2. Путать фотосинтез с дыханием. При фотосинтезе растение поглощает CO₂, а при дыхании выделяет его, потому что расщепляет органические вещества. Проверка: спросите себя, увеличивается или уменьшается содержание углекислого газа.

Ошибка 3. Представлять круговорот как обмен только между атмосферой и растениями. В нём участвуют животные, микроорганизмы, водоёмы, осадки, породы и ископаемое топливо. Проверка: попробуйте найти для углерода хотя бы один путь через пищевую цепь и один путь через воду.

Ошибка 4. Считать, что сжигание топлива создаёт углерод. На самом деле горение соединяет уже существующий углерод с кислородом и образует CO₂. Проверка: определите, где углерод находился до реакции и в каком виде оказался после неё.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о составе углекислого газа и реакциях горения. Также важно вспомнить основы фотосинтеза, дыхания организмов и разложения органических веществ, потому что именно эти процессы перемещают углерод между резервуарами. Круговорот углерода помогает объяснить экологические проблемы, изменение климата и влияние хозяйственной деятельности человека на состав атмосферы.

Что запомнить

• Углерод непрерывно переходит между атмосферой, организмами, водоёмами и горными породами.
• Фотосинтез связывает атмосферный углекислый газ с органическими веществами.
• Дыхание, разложение и горение возвращают углерод в атмосферу в виде углекислого газа.
• Часть углерода накапливается в осадках, карбонатных породах и ископаемом топливе.
• Сжигание ископаемого топлива ускоряет поступление углерода в атмосферу.