§ 33. Круговорот углерода в природе

Определения и обозначения

Круговорот углерода — непрерывное перемещение углерода между живыми организмами и оболочками Земли. Он происходит, когда углерод переходит из воздуха или воды в организмы, а затем возвращается в окружающую среду. Это понятие помогает проследить, куда попадает углерод на каждом этапе, и понять, почему он не исчезает, а меняет форму и место нахождения.

Резервуар углерода — часть природы, в которой углерод накапливается на некоторое время. К таким резервуарам относятся атмосфера, гидросфера, живые организмы и литосфера. Одни запасы быстро обмениваются углеродом с окружающей средой, другие, например горные породы, сохраняют его очень долго. Понятие резервуара помогает сравнивать, где углерода много и как быстро он оттуда перемещается.

Углекислый газ, или CO₂, — газ, в составе которого есть углерод и кислород. Растения поглощают его при фотосинтезе и используют углерод для образования органических веществ. При дыхании и горении углерод органических веществ снова переходит в углекислый газ. Поэтому CO₂ связывает процессы поглощения и возвращения углерода.

Углерод входит и в состав неживой природы. В карбонатных породах, например известняке, он содержится в виде карбонатов, а в ископаемом топливе — в составе органических веществ, образовавшихся из древних остатков. Такие запасы могут сохраняться долго, поэтому их называют долгосрочными. Это объясняет, почему углерод из пород и топлива возвращается в быстрый круговорот не так же, как углерод при дыхании.

Как это устроено

Растения поглощают углекислый газ из воздуха, а водные растения — растворённый в воде CO₂. Энергия света позволяет им превращать углекислый газ и воду в органические вещества, например углеводы. Углерод из CO₂ становится частью этих веществ, из которых растение строит клетки. Поэтому именно фотосинтез переносит углерод из неживой среды в живую.

Когда травоядное животное ест растение, оно получает углерод, уже включённый в органические вещества. Хищник получает его, поедая травоядное, а другие организмы — питаясь остатками или друг другом. При этом часть веществ используется для построения тела, а часть — для получения энергии. Так углерод переходит по пищевой цепи, хотя сами организмы могут быть разными.

При дыхании организмы получают энергию, расщепляя органические вещества. В ходе этого процесса углерод из них соединяется с кислородом и образует CO₂, который попадает в воздух или воду. Поэтому дыхание растений, животных и микроорганизмов возвращает углерод из живых организмов в окружающую среду. Чем активнее дышат организмы, тем быстрее идёт этот обмен.

После гибели организмов их остатки разлагают микроорганизмы. Они используют органические вещества как источник энергии, и часть углерода выделяется в виде CO₂; в условиях недостатка кислорода могут образовываться и другие соединения углерода. Если разложение замедлено, часть остатков накапливается. Так углерод не весь сразу возвращается в атмосферу, а может надолго остаться в почве или осадках.

Накопленные органические остатки при длительном захоронении и изменении условий могут участвовать в образовании ископаемого топлива. Углерод также попадает в карбонатные породы: водные организмы строят раковины и скелеты из соединений углерода, а их остатки становятся частью осадков. Со временем осадки уплотняются и превращаются в породы. Эти процессы создают долгосрочные запасы, которые возвращаются в круговорот медленно.

При сжигании топлива углерод соединяется с кислородом и переходит в углекислый газ. Вулканы также выбрасывают в атмосферу углеродсодержащие газы из недр Земли. Одновременно океан поглощает CO₂ из воздуха или отдаёт его обратно: направление обмена зависит от условий. Поэтому атмосфера, океан, живые организмы и недра связаны обменом углерода, хотя скорость разных путей неодинакова.

Пути перемещения углерода в природе

Чтобы пользоваться таблицей, проследите строку слева направо: сначала определите процесс, затем источник и место, куда переходит углерод. Последний столбец показывает, какую часть общего круговорота выполняет этот процесс. Обратите внимание, что обмен с океаном может идти в обоих направлениях.

Разбор задач

1. Укажите, откуда растение получает углерод и в состав каких веществ он входит при фотосинтезе.

Нужно связать источник углерода с результатом фотосинтеза, а не искать его в почве. Углерод — химический элемент, поэтому он сохраняется при превращении исходных веществ в продукты. Рассуждаем от того, что поглощает растение, к тому, что оно образует.

1. Растение получает углерод из углекислого газа: наземное — из воздуха, водное — из растворённого в воде CO₂.
2. При фотосинтезе растение использует этот углерод для образования органических веществ, прежде всего углеводов.
3. Затем углерод из этих веществ может входить в состав других частей и веществ организма растения.

Ответ: растение получает углерод из углекислого газа воздуха или воды; при фотосинтезе он входит в состав органических веществ, в том числе углеводов.

2. Проследите путь атома углерода от углекислого газа в воздухе через растение и травоядное животное обратно в атмосферу.

Чтобы восстановить путь одного атома, перечислим места, в которых он оказывается, и процессы, переводящие его между ними. Необходимо учесть не только питание, но и возвращение углерода из организма. Рассмотрим вариант, в котором животное получает углерод, поедая растение, а затем выделяет его при дыхании.

1. Растение поглощает CO₂ из воздуха, и атом углерода включается в органическое вещество при фотосинтезе.
2. Травоядное животное поедает растение; углерод пищи попадает в организм животного.
3. При дыхании часть органического вещества расщепляется, и углерод этого вещества переходит в CO₂.
4. Углекислый газ выделяется в окружающую среду и возвращается в атмосферу.

Ответ: атмосферный CO₂ → органическое вещество растения → пища животного → CO₂ при дыхании → атмосфера. Атом не исчезает, а переходит из одного вещества и резервуара в другой.

3. Объясните, почему сжигание ископаемого топлива изменяет содержание углекислого газа в атмосфере и чем это отличается от естественного возвращения углерода при дыхании.

Для сравнения важно учесть не только образование CO₂, но и то, откуда берётся углерод и как быстро он возвращается. Дыхание участвует в естественном обмене между организмами и окружающей средой. Топливо же содержит углерод, который до сжигания долго хранился в недрах.

1. При горении углерод топлива соединяется с кислородом и переходит в CO₂, поступающий в атмосферу.
2. Ископаемое топливо образовалось из древнего органического вещества, поэтому его углерод был изъят из быстрого обмена и долго находился в долгосрочном запасе.
3. Сжигание быстро переносит этот запас в атмосферу, тогда как дыхание возвращает углерод, недавно полученный организмами из пищи.
4. Сопоставьте скорость высвобождения и происхождение углерода: это показывает, почему процессы не равнозначны для круговорота.

Ответ: горение добавляет в атмосферу углерод из долгосрочных запасов быстрее, чем он естественным образом возвращался бы в быстрый круговорот. Дыхание тоже образует CO₂, но возвращает углерод, уже недавно прошедший через живые организмы.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что растения берут углерод из почвы. Её допускают, потому что корни поглощают из почвы воду и минеральные вещества, но основной источник углерода для фотосинтеза — CO₂ воздуха или воды. Проверьте себя вопросом: какое вещество растение поглощает, чтобы получить углерод для органических веществ? Ответ — углекислый газ.

Ошибка: сводить круговорот только к поглощению CO₂ растениями. Так кажется, если помнить фотосинтез, но забыть, что организмы дышат, а остатки разлагаются. Чтобы проверить объяснение, проследите не только поступление углерода в растение, но и его возвращение в среду. Без дыхания и разложения описание кругооборота неполно.

Ошибка: говорить, что углерод исчезает при переходе между организмами или веществами. Это смешивает перемещение элемента с его уничтожением, которого при обычных природных превращениях не происходит. Проверьте себя, записав источник углерода и место, куда он перешёл. Например, при дыхании углерод органического вещества оказывается в CO₂.

Ошибка: считать, что топливо создаёт углерод при горении. Возникает она из-за того, что после горения появляется CO₂, которого раньше не было в таком виде. На самом деле углерод уже содержался в топливе и соединяется с кислородом воздуха. Проверка проста: проследите углерод от топлива к продукту реакции — он меняет форму, а не возникает из ничего.

Связь с другими темами

Чтобы понять круговорот, нужно знать состав CO₂ и уметь прослеживать превращения веществ: углерод переходит из углекислого газа в органические вещества и обратно. Тема связана с пищевыми цепями, потому что питание передаёт углерод от организмов к организмам. Знания о круговороте помогают обсуждать парниковый эффект и изменение климата: деятельность человека меняет скорость поступления CO₂ в атмосферу. Поэтому химические процессы здесь напрямую связаны с экологией.

Что запомнить

• Углерод непрерывно перемещается между живой природой, атмосферой, водоёмами и горными породами.
• При фотосинтезе растения поглощают углекислый газ и включают углерод в органические вещества.
• По пищевым цепям углерод переходит от одних организмов к другим.
• Дыхание и разложение органических остатков возвращают углерод в окружающую среду.
• Горение топлива переводит углерод в углекислый газ.
• Океан и горные породы служат крупными резервуарами углерода.
• Сжигание ископаемого топлива ускоряет поступление в атмосферу углерода из долгосрочных запасов.