Есть на Земле несколько химических элементов, без которых жизнь была бы невозможна. Один из них - это углерод. Он содержится в каждой органической молекуле и выступает в качестве ее строительной основы. Схема круговорота углерода в природе - постоянный процесс взаимного перехода из органического состояния в неорганическое, который обеспечивает жизнедеятельность всех организмов.

Основной принцип естественного круговорота

Все соединения на земле делятся на два класса: органические и неорганические. Первые - это следствие жизнедеятельности живых организмов. Вторые могут возникать и без живых форм вследствие химических реакций.

Переход из одного состояния в другое получил название «круговорот веществ». Углерод в данной системе занимает лидирующее место.

В атмосфере, воде и почве есть неорганические соединения, которые поглощаются живыми организмами. Чаще всего это растения, простейшие животные и грибы. Они образуют новые органические соединения, которые поглощаются высшими животными. После их смерти микроорганизмы снова перерабатывают соединения с углеродом в неорганические. Так в общих чертах можно описать круговорот углерода в биосфере. Но есть здесь немало частных нюансов.

Фотосинтез и дыхание

Чаще всего углерод в природе встречается в форме углекислого газа. Он образуется вследствие процессов дыхания и горения. Именно в форме газов растениям проще всего его усваивать. За тысячелетия существования флора научилась перерабатывать углекислоту в органические соединения. С помощью хлорофилла в листьях при наличии солнечного света происходит сложная химическая реакция. В ее результате получаются кислород, моно- и полиуглеводы. Уже само название говорит о том, что в состав указанных веществ входит углевод.

Те же растения могут дышать, когда солнечного света недостаточно. В процессе этого явления расходуется кислород и образуется углекислый газ. Вот так происходит простейший круговорот углерода в природе. Но это только на примере растений. А есть еще и микроорганизмы, грибы и животные, которые также включаются в движение рассматриваемого элемента в биосфере.

Микроорганизмы и круговорот углерода в экосистеме

Самые маленькие организмы на Земле могут смело называться началом и концом пищевой цепи. Именно благодаря им многие органические соединения попадают к высшим растениям и животным.

Отмирая и переставая функционировать, живые организмы попадают в почву или на дно Мирового океана. Они бы так и остались там лежать, если бы не бактерии и простейшие, начинающие перерабатывать органические соединения, выделяя углекислый газ или делая сложные углеводы более простыми. Новые соединения используются для питания живыми организмами, соответственно, углерод начинает новый круг движения в природе.

Не всем бактериям нужен кислород для того, чтобы расщеплять органические молекулы. Некоторые из них отлично справляются с заданием и без него.

Благодаря микроорганизмам круговорот углерода в природе происходит и в форме симбиоза. К примеру, клетчатка - это сложный углевод, который содержится во всех растениях. Желудок животного не может ее расщепить и усвоить. Но парнокопытные научились существовать в симбиозе с некоторыми бактериями. Последние находятся в желудке животного и расщепляют целлюлозу до более простых углеводов, которые далее легко усваиваются организмом парнокопытного.

Движение углерода на суше

В атмосфере находится около 0,33% углекислого газа. Этого более чем достаточно для того, чтобы его усвоили зеленые растения. На суше именно с них и начинается схема круговорота углерода в природе.

Растения выступают начальной ступенькой пищевой цепи. Их поедают травоядные животные, которые, как правило, становятся жертвами хищников. После смерти последних органические вещества попадают в почву, где перерабатываются насекомыми и микроорганизмами. Процессы их жизнедеятельности чаще всего выделяют неорганические соединения. Органика, которая усваивается, также может стать пищей для животных, стоящих выше в пищевой цепи.

Очень редко органические вещества надолго консервируются в таком виде. Нам они известны как полезные ископаемые: торф, уголь, нефть, метан. Углекислый газ из этих соединений освобождается в процессе горения, чем и обеспечивается круговорот углерода в природе.

Круговорот углерода в воде

Мировой океан также является средой, в которой происходит круговорот углерода в биосфере. Но здесь этот процесс немного сложнее. Все дело в том, что в воде углекислый газ плохо растворяется, поэтому его ассимиляция немного затруднительна. В верхних слоях океана всегда есть планктон, который и перерабатывает углекислоту. Это начало пищевой цепочки в воде. Далее все идет так же, как и на суше. Высшие организмы поедают низших. В итоге они погибают, опускаются на дно, где их перерабатывают другие микроорганизмы.

В некоторых случаях круговорот углерода в природе может смешиваться на суше и в море. Но такие движения - не настолько частое явление, чтобы его рассматривать в отдельности. Просто есть некоторое количество животных, обитающих в обеих стихиях.

Жизнедеятельность человека

Выше мы рассмотрели классическое описание круговорота углерода в природе. Но в этот процесс включается человек, который уже давно вышел за пределы жизнедеятельности животного. Он начал перестраивать природу под собственные нужды, используя ее ресурсы.

Из-за человека ежегодно уменьшается количество зеленых насаждений, которые неорганический углекислый газ перерабатывают в органические углеводы. В то же время он сжигает полезные ископаемые, увеличивая концентрацию углекислоты в атмосфере. Это приводит к дисбалансу круговорота данного вещества. Продолжение устоявшейся стратегии деятельности может стать причиной настоящей экологической катастрофы.

Парниковый эффект

Углекислый газ в атмосфере обуславливает своеобразный парниковый эффект. Он удерживает тепловую энергию недалеко от поверхности планеты. Повышение средней температуры воздуха на полградуса-градус станет причиной таяния ледниковых шапок.

Вслед за этим увеличится площадь Мирового океана, погибнет значительное количество животных и растений. Постепенно концентрация углекислоты в атмосферном воздухе уменьшится, вода снова замерзнет на полюсах.

Таким образом, экосистема «перезагрузится», чтобы нормализировать оптимальный круговорот углерода.

Процентные соотношения

За миллиарды лет существования Земли на ней появлялись и исчезали многие виды живых организмов. Все они как-то влияли на круговорот углерода в природе. За эти годы в органических соединениях накопилось 6000000 млрд. тонн этого элемента. Сюда относятся как ныне живущие организмы, так и ископаемые углеродные вещества.

По оценкам ученых, это примерно 1/5 всего углерода на планете. Если бы не происходил его круговорот, то со временем жизнь на Земле стала бы не возможной.

Вследствие этого процесса живые организмы накапливают около 400 млрд. тонн углерода, который частично возвращается в неживую природу. Остаток же продолжает циркулировать внутри живого мира, поддерживая существование этих организмов.

Роль углеродных соединений в природе

Ученые уже давно оценили, насколько велико значение углерода в природе. Именно первые его соединения со временем дали начало жизни на планете. Сегодня он является главным строительным элементом всех живых молекул.

Первые в этом списке - углеводы. Они образуются вследствие процесса фотосинтеза. Они играют роль своеобразного строительного материала для растений и источника энергии для животных. Науке известен один нерастительный углевод - гликоген. Он образуется в печени млекопитающих и выступает в качестве запасного источника энергии.

В организме животных углеводы распадаются на воду и энергию, но могут быть основой для синтеза жиров. Это своеобразная животная батарейка, которая накапливается для возможности использования в будущем, когда почувствуется нехватка энергии. Также это теплоизоляция для животных, которые обитают в холодном климате.

Основой животной клетки является белок. Это самая большая молекула на Земле, которая состоит из цепочки аминокислот. Строительным материалом для последних также выступает углерод, поэтому очень сложно переоценить роль данного элемента для жизни на нашей планете.

Из всех биогеохимических циклов круговорот углекислого газа один из самых интенсивных. Основными хранилищами этого вещества являются:

гидросфера (1,3∙1014 т),

атмо-сфера (2,3∙1012 т)

биосфера (2,0∙1012т углерода) (в пересчёте на углерод).

Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры. Миграция СО2 в биосфере протекает двумя путями.

Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием глюкозы и других органических веществ, из которых построены все растительные ткани. Растения извлекают в процессе фотосинтеза из атмосферы и гидросферы около 150 млрд. т углерода в год в виде СО2 . Далее возможно несколько вариантов:

дыхание растений;

растения могут быть съедены травоядными животными. В этом случае углерод либо вернется в атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять же вернется в атмосферу теми же путями);

углерод может оставаться в растениях, пока растения не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищуредуцентам (организмам, которые питаются мертвым органическим веществом и при этом разрушают его до простых неорганических соединений), таким как грибы и термиты. В конце концов углерод вернется в атмосферу в качестве CO 2 ;

растения могут погибнуть и оказаться под землей. Тогда в конечном итоге они превратятся в ископаемое топливо - например, в уголь.

Второй путь - растворение в морской воде. Углекислый газ СО2 обладает свойствами летучести и легкой растворимости - 0,88 объёма в 1 объёме воды, особенно в морской воде. Из атмосферы СO2 (30%) адсорбируется гидросферой. Примерно 100 млрд т СО2 находится в непрерывном круговороте между атмосферой и океаном.

Диоксид углерода участвует в реакциях, протекающих в гидро-сфере:

СО2+Н2О  Н2СО3  Н+ + НСО3-

В случае же растворения исходной молекулы CO 2 в морской воде также возможно несколько вариантов:

углекислый газ может просто вернуться в атмосферу (этот вид взаимного газообмена между Мировым океаном и атмосферой происходит постоянно);

углерод может войти в ткани морских растений или животных. Тогда он будет постепенно накапливаться в виде отложений на дне Мирового океана и в конце концов превратится в известняк или из отложений вновь перейдет в морскую воду.

По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где СО2 переходит в Н2СО3, НСО13, СО23. С помощью растворенного в воде кальция (или магния) происходит осаждение карбонатов (СаСО3) биогенным и абиогенным путями. Образуются мощные толщи известняков. По А. Б. Ронову, отношение захороненного углерода в продуктах фотосинтеза к углероду в карбонатных породах составляет 1:4.

Существует наряду с большим круговоротом углерода и ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.

Содержание СО2, определяющего кислотность морской воды, остается постоянной благодаря карбонатно-бикарбонатному буферу. Этот буфер действует следующим образом: углекислый газ водорастворим, и в океанах его растворено около 140 трлн. т (против 2,6 трлн. т в атмосфере). При избытке СО2нерастворимый карбонат (СаСО3) переходит в растворимый бикарбонат Са (НСО3)2. При недостатке СО2 растворимый бикарбонат переходит в нерастворимый карбонат.

Общее количество СО2, связываемое ежегодно при выветривании горных пород, достигает 2 млрд. т углерода.. Диоксид углерода атмосферы расходуется также на процесс выветривания горных пород, превращая последние сначала в средние, а за-тем в гидрокарбонаты, которые вымываются водой и накапливаются в океане. Например, при выветривании полевых шпатов, в частности анортита, образуется гидрокарбонат кальция:

Са (Al2 Si2 O8) +CO2 = CaCO3+Al2 O3+2SiO2

СаСО3+СО2+Н2О = Са (НСО3)2

Таким образом, главную роль в круговороте углерода играет атмосферный и гидросферный фонды углекислого газа. Этот фонд пополняется при дыхании растений и животных, а также при разложении мертвой органики. Некоторая часть углерода ускользает из круговорота в захоронения. Если углерод вошел в состав осадочных отложений или ископаемого топлива, он изымается из атмосферы. На протяжении существования Земли изъятый таким образом углерод замещался углекислым газом, попадавшим в атмосферу при вулканических извержениях и других геотермальных процессах.

С наступлением научно-технического прогресса появился ещё один важный поток - обогащение атмосферы углекислым газом в результате сжигания ископаемого топлива.

В целом же без антропогенного вмешательства содержание углерода в биогеохимических резервуарах: биосфере (биомасса+почва и детрит), осадочных породах, атмосфере и гидросфере, - сохраняется с высокой степенью постоянства благодаря высоко сбалансированным потокам. По Т.А. Акимовой, В.В. Хаскину (1994), постоянный обмен углеродом, с одной стороны, между биосферой, а с другой - между атмосферой и гидросферой, обусловлен газовой функцией живого вещества - процессами фотосинтеза, дыхания и деструкции, и составляет около 60 млрд т/год. Общая масса углерода в ископаемом топливе (нефть, газ, уголь и др.) оценивается в 3,2 тлрд т, что соответствует средней скорости накопления 7 млн т/год. Это количество по сравнению с массой циркулирующего углерода незначительное и как бы выпадало из круговорота, терялось в нем. Отсюда степень разомкну-гости (несовершенства) круговорота составляет 10-4, или 0,01%, а соответственно степень замкнутости - 99,99% - потоки синтеза и распада органических веществ в биосфере с очень высокой точностью подогнаны друг к другу. Скоррелированность потоков синтеза и распада с указанной точностью доказывает наличие биологической регуляции окружающей среды, ибо случайная связь величин с такой точностью в течение миллионов лет невероятна».

Углерод относится к химическим элементам, без деятельности которых невозможна жизнь на нашей планете. Он находится в каждом атоме биологической структуры и берёт на себя функцию строительного материала. Перманентный (постоянный) процесс перемещения углерода из органических структур в неживые тела называется круговоротом углекислого газа на планете. Такая деятельность позволяет поддерживать способность к существованию каждого атома биосферы.

Вконтакте

В окружающей среде имеются две разновидности соединений : органические (живые) и неорганические (мёртвые). К первым относят вещества биологического происхождения (углеводы, белки и липиды). В их структуре находится ряд важнейших макроэлементов. В неорганических соединениях, возникающих путём взаимодействия химических реакций, совсем отсутствует углерод. К ним относят металлы, газы, оксиды, соли и т. д. Биосфера, используя углерод в качестве основополагающего элемента, трансформирует одно состояние в другое. Наука называет этот процесс «круговоротом веществ»:

• Атмосфера, водная среда и земля наполнены неорганическими соединениями, попадающими в пищевой тракт простейших живых существ (грибы, растения).
• Последних поглощают высшие животные.
• Когда эти создания погибают, мельчайшие организмы начинают перерабатывать мёртвую плоть обратно в состояние металла или соли.

Таким представляется общий принцип круговорота углекислого газа в природе. Однако, если рассматривать вопрос глубже, возникают различные нюансы.

Дыхательный обмен

СО2 обнаруживается в воздухе и минеральных запасах земли. Он образуется вследствие процессов дыхания, горения и гниения . Флора легко усваивает углерод, трансформировавшийся в газ, а после перерабатывает его в органику. В структуре листьев растений происходит фотосинтез - процесс образования кислорода из хлорофилла и солнечного света. С помощью особых пигментов представители флоры вбирают и запасают энергию на биологических мембранах.

На заметку!

Качество и скорость поглощения зависит от категории самого растения. Животные обязаны своим существованием именно флоре, производящей в огромных количествах необходимый в дыхании кислород.

Деятельность мельчайших существ

На заметку!

Некоторые создания совсем не нуждаются в кислороде, чтобы расщепить мёртвую структуру. Анаэробные бактерии процветают в водной среде и способны образовывать чёрное сернистое железо, которое придаёт рекам или болотам характерный цвет.

Симбиоз - выгодное взаимодействие двух организмов - является частью круговорота углерода в биосфере. Некоторые животные неспособны расщепить клетчатку (целлюлозу), имеющую сложную структуру. Однако природа поместила в желудки парнокопытных полезные микроорганизмы. Последние легко справляются с расщеплением целлюлозы до простых элементов, получая при этом пищу. Желудок парнокопытных усваивает переработанную клетчатку.

Углерод на суше

В атмосфере находится треть этого элемента . Растениям, которые выступают главным звеном пищевой цепи, достаточно такого количества, чтобы получить необходимую энергию в процессе фотосинтеза. Травоядные животные приспособлены к употреблению листьев, кореньев и стеблей. Хищники созданы, чтобы поедать более слабых любителей флоры. Органические вещества, образовавшиеся после смерти плотоядного, проникают в глубокие слои грунта, где перерабатываются активными насекомыми, бактериями и вирусами.

Жизнедеятельность мельчайших организмов стимулирует образование солей и газов, которые внедряются в структуру растений. Макроэлементы могут надолго задержаться в глубоких слоях грунта, но чаще они высвобождаются в процессе горения торфа, метана и нефти. Круговорот веществ возобновляется.

Биогеохимический цикл углерода в океане

Процесс взаимодействия элементов в водной среде несколько сложнее, чем на земле. Углекислый газ долго растворяется в жидкости, и взаимодействие веществ замедлено. В гидросфере классифицируют три резервуара с этим элементом: поверхность, глубокие воды и область радиоактивных веществ. За переработку углекислоты отвечает планктон, находящийся в верхних слоях океана. Здесь начинается пищевая цепочка. Затем высшие организмы поглощают слабых, а погибая, опускаются на самое дно, где подвергаются тщательной переработке со стороны микроорганизмов.

Роль человека

«Царь природы» давно покинул рамки животной жизнедеятельности и старается подстроить под свои нужды окружающую биосферу, злоупотребляя использованием ресурсов:

Значение круговорота

За миллионы лет существования планеты в её структуре накопилось огромное число углекислоты. В истории известны различные вариации процесса обмена (медленные, постепенные и катастрофические). Жизнь не обладала бы потенциалом к развитию, если исключить перемещение углерода из одних соединений в другие. Этот элемент представляется главным компонентом при построении всякой биологической системы:

• Углеводы стимулируют рост растений и питают тела животных. Они распадаются в пищеварительном тракте.
• Гликоген, образующийся в печени, выступает как дополнительный ресурс энергии для высших организмов.
• Углерод - строительный материал белка, которой создаётся из аминокислот.

Значение элемента для поддержания жизненных процессов невозможно переоценить. Его циркуляция от органики к мёртвым объектам способствует расцвету новых структур и необходимому разрушению того, что устарело. На примере перемещения углерода легко проследить динамическую составляющую биологических процессов.

Углерод непрерывно циркулирует в биосфере Земли под влиянием химических и прочих процессов.

Углерод постоянно циркулирует в земной биосфере по замкнутым взаимосвязанным путям. В настоящее время к природным процессам добавляются последствия сжигания ископаемого топлива

Вся земная жизнь основана на углероде. Каждая молекула живого организма построена на основе углеродного скелета. Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы (узкой оболочки Земли, где существует жизнь) в другую. На примере круговорота углерода в природе можно проследить в динамике картину жизни на нашей планете.

Основные запасы углерода на Земле находятся в виде содержащегося в атмосфере и растворенного в Мировом океане диоксида углерода, то есть углекислого газа (CO2). Рассмотрим сначала молекулы углекислого газа, находящиеся в атмосфере. Растения поглощают эти молекулы, затем в процессе фотосинтеза атом углерода превращается в разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений.

углерод может оставаться в растениях, пока растения не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищу редуцентам (организмам, которые питаются мертвым органическим веществом и при этом разрушают его до простых неорганических соединений), таким как грибы и термиты. В конце концов углерод вернется в атмосферу в качестве CO2;

растения могут быть съедены травоядными животными. В этом случае углерод либо вернется в атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять же вернется в атмосферу теми же путями);

растения могут погибнуть и оказаться под землей. Тогда в конечном итоге они превратятся в ископаемое топливо - например, в уголь.

В случае же растворения исходной молекулы CO2 в морской воде также возможно несколько вариантов:

углекислый газ может просто вернуться в атмосферу (этот вид взаимного газообмена между Мировым океаном и атмосферой происходит постоянно);

углерод может войти в ткани морских растений или животных. Тогда он будет постепенно накапливаться в виде отложений на дне Мирового океана и в конце концов превратится в известняк (см. Цикл преобразования горной породы) или из отложений вновь перейдет в морскую воду.

Если углерод вошел в состав осадочных отложений или ископаемого топлива, он изымается из атмосферы. На протяжении существования Земли изъятый таким образом углерод замещался углекислым газом, попадавшим в атмосферу при вулканических извержениях и других геотермальных процессах. В современных условиях к этим природным факторам добавляются также выбросы при сжигании человеком ископаемого топлива. В связи с влиянием CO2 на парниковый эффект исследование круговорота углерода стало важной задачей для ученых, занимающихся изучением атмосферы.

Составной частью этих поисков является установление количества CO2, находящегося в тканях растений (например, в только что посаженном лесу) - ученые называют это стоком углерода. Поскольку правительства разных стран пытаются достичь международного соглашения по ограничению выбросов CO2, вопрос сбалансированного соотношения стоков и выбросов углерода в отдельных государствах стал главным яблоком раздора для промышленных стран. Однако ученые сомневаются, что накопление углекислого газа в атмосфере можно остановить одними лесопосадками.

Круговорот углерода в природе

Углерод – важнейший элемент нашей планеты, хотя его на Земле в 49 раз меньше, чем кислорода, и в 26 раз меньше, чем кремния. В таблице распространенности элементов он занимает 15-е место
(в процентах от массы земной коры). Значение углерода в природе, однако, зависит не столько от количества его атомов, находящихся в различных геосферах, сколько от свойств самого атома элемента и его участия в геохимических реакциях.

На рисунке (см. с. 2) изображены главнейшие циклы превращения углерода в природе, происходящие в атмо-, био-, гидро- и литосфере. В рисунке находит отражение и факт активного вмешательства в этот процесс человека с его могучей техникой. Стрелками, направленными в разные стороны, условно указаны пути поступления углерода в атмосферу и обратные пути его поглощения из атмосферы. Рассмотрим эти пути.

Углерод – важнейшая составная часть живых организмов. С его превращением связан такой важный жизненный процесс, как ассимиляция – поглощение растением из атмосферы оксида углерода (СО 2) и последующее образование углеводов, белков и других органических веществ. Этот процесс осуществляется за счет энергии солнечных лучей (с помощью хлорофилла зеленых растений) и ведет к ее накоплению в растениях в виде энергии химических связей.

В настоящий период развития жизни на Земле зеленые растения связывают ежегодно громадное количество углерода – около 1,5 10 11 т. Некоторые ученые считают, что до появления растительной жизни на Земле в земной атмосфере было неизмеримо больше углекислого газа, чем теперь, а свободного кислорода даже не было, т.к. он весь уходил на окислительные процессы.

Процесс фотосинтеза – это практически единственный путь образования органических веществ на Земле. В результате этого процесса растения Земли из углекислого газа, воды, минерализованных соединений азота, серы и других элементов образуют огромные количества органических веществ – около 450 млрд т в год. Расчеты показывают, что на одного жителя Земли это составляет около 180 т в год.

Из сказанного нетрудно понять, что фотосинтез – это первоисточник пищевых продуктов для человека и животных. Поэтому возникает необходимость постоянной заботы о всемерном расширении площадей для наиболее ценных пищевых и кормовых растений и увеличения их урожайности. Наши ученые рассчитали, что за счет возможного расширения посевных площадей под культуры сельскохозяйственных растений и увеличения их урожайности продукты фотосинтеза (а значит, и пищевые ресурсы) могут быть увеличены примерно в 20–30 раз.

Растениями питаются животные, в результате чего углерод идет на построение тела животных. Окисляясь при дыхании животных и растений, углерод снова выделяется в атмосферу. Горение, тление животных и растительных остатков также ведет к возвращению углерода в виде СО 2 в атмосферу. К такому же результату приводят и процессы брожения.

Содержание углекислого газа в атмосфере относительно небольшое, всего 0,03% (по объему). Общее содержание его в атмосфере доходит до 6,4 10 11 т. Однако количество углекислого газа, поглощаемого растениями, в десятки раз превышает его количество в земной атмосфере. По
В.И.Вернадскому углерод, претерпевая различные превращения, много раз в течение одного года поглощается живым веществом и снова выделяется из него.

Но возврат углекислого газа в атмосферу является неполным. Значительная часть углерода, поглощенного живым веществом из атмосферы, не возвращается в нее или возвращается только через долгие геологические периоды, иногда через сотни миллионов лет. Главные пути потери углерода для данного цикла – это образование органических минералов и карбонатов щелочных и щелочноземельных металлов – Nа 2 СО 3 , K 2 СО 3 , СаСО 3 , МgСО 3 и др. Образовавшиеся продукты рассеиваются в земной коре, но иногда дают скопления углерода в виде каменных углей, горючих сланцев, нефти, ископаемых смол, известняков, доломитов, мергелей и других минералов и горных пород.

Вмешательство человека частично возвращает в атмосферу этот «ископаемый углерод»: при сжигании угля, горючих сланцев, нефти и т. п. на фабриках, заводах, в паровых двигателях и двигателях внутреннего сгорания он снова возвращается в атмосферу, главным образом в виде СО 2 и реже в виде СО.

Большие скопления углерода, выходящего из жизненного цикла, образовались в прежние геологические эпохи и образуются в настоящее время при наличии соответствующих условий в водной среде. Здесь осаждаются продукты, из которых образуются угли, нефти, битумы, сапропелиты. К последним относятся породы, образовавшиеся из сапропеля – гнилостного ила из микроскопических растений, трупов и отходов водных животных (горючие сланцы, богхед и некоторые другие сорта угля). При жизнедеятельности простейших, кораллов, моллюсков и других животных очень много углерода связывается путем образования карбонатов. В течение геологического времени эти процессы привели к осаждению огромного количества карбонатов, содержащих углерод в несколько сот раз больше, чем все его количество в атмосфере, океане, живом веществе, каменном угле и нефти (в запасах, технически доступных человеку).

Вмешательство человека и здесь приводит к образованию свободного углекислого газа: из карбонатов при получении извести и производстве цементов, при технологических процессах, основанных на брожении, например при хлебопечении, виноделии, пивоварении и т.п.

Несомненно, что с развитием техники количество СО 2 , возвращаемого в атмосферу, прогрессивно увеличивается и принимает такие размеры, что их уже нельзя не учитывать при изучении геохимических процессов. По Кларку, еще с 1919 г., при сжигании только одного каменного угля человек возвращает в атмосферу свыше 1 млрд т СО 2 , что составляет уже около 0,05% всей массы этого газа в атмосфере (2200 млрд т). Таким образом, человек с его мощной современной техникой стал новым значительным геохимическим фактором.

Приводит ли эта деятельность человека к увеличению количества СО 2 в атмосфере, а вследствие этого и к изменению климата Земли в сторону его потепления? Вопрос этот еще не выяснен. Дело в том, что культурная деятельность человека ведет и к обратному процессу – увеличению площади, занятой под посевы культурных растений, что приводит к дополнительному поглощению углекислого газа из атмосферы. Академик В.И.Вернадский говорил, что, может быть, здесь «выдерживается среднее динамическое равновесие, столь характерное для явлений в биосфере».

В огромных количествах углерод содержится в газах (в виде СО 2 , СО и СН 4), выделяющихся из вулканов во время извержений. Вычислено, что только один действующий вулкан Котопахи в Эквадоре в течение года выделяет свыше 10 млн т СО 2 . В прежние геологические периоды, когда вулканическая деятельность была более активной, в атмосферу выделялось очень большое количество углекислого газа. Газы некоторых вулканов почти целиком (до 97%) состоят из СО 2 . Если в составе газов действующих вулканов находится оксид углерода(II) вместе с другими горючими газами (Н 2 , СН 4 , S 2 и др.), то при соединении с кислородом эти газы воспламеняются, и из кратера начинает выбрасываться настоящее пламя. При этой реакции воспламенения из оксида углерода(II) и кислорода образуется СО 2 . В большом количестве выделяется углекислый газ из земли в областях затухающей вулканической деятельности (углекислые источники, термы, земные трещины и т.п.).

Близ Неаполя в Италии среди местных жителей и путешественников пользуется известностью так называемая «Собачья пещера». Человек, попадающий в нее, чувствует себя нормально, а собака задыхается. В чем же здесь загадка? Оказывается, что в пещере из земли выделяется углекислый газ. При отсутствии вентиляции он, будучи тяжелее воздуха, скапливается слоем толщиной около полуметра у поверхности земли, достигая концентрации 14%. Такое насыщение воздуха углекислым газом смертельно для всех животных. Задохнулся бы в такой атмосфере и человек, если бы он вздумал отдохнуть, лежа на земле.

Таких мест на земле очень много. Наибольшей известностью пользуется глубокая темная долина, образовавшаяся из кратера потухшего вулкана, – «Долина смерти» на острове Ява, в которой даже такие крупные животные, как кабаны и тигры, погибают от удушья. «Пасть смерти» в Западной Америке – другой образчик такой ловушки.

В каменноугольных копях и нефтяных месторождениях углерод выделяется главным образом в виде метана СН 4 (рудничный газ), являясь иногда причиной ужасных катастроф. Много метана выделяется из болот (болотный газ), где он образуется при гниении растений. Если растормошить палкой тину на дне болота, метан будет выделяться в виде пузырей. При замерзании болот скопления метана иногда образуются подо льдом. Если пробить отверстие во льду над таким пузырем и поднести к нему спичку, газ будет гореть в виде факела. Такой «опыт» прекрасно описан в книге А.Н.Толстого «Детство Никиты».

«...Никита и Мишка Коряшонок пошли на деревню через сад и пруд короткой дорогой. На пруду, где ветром сдуло снег со льда, Мишка на минутку задержался, вынул перочинный ножик и коробку спичек, присел и, шмыгая носом, стал долбить синий лед в том месте, где в нем был внутри белый пузырь. Эта штука называлась “кошкой” – со дна пруда поднимались болотные газы и вмерзали в лед пузырями. Продолбив лед, Мишка зажег спичку и поднес к скважине – “кошка” вспыхнула, и надо льдом поднялся желтоватый бесшумный язык пламени.

– Смотри, никому про это не говори, – сказал Мишка, – мы на той неделе на нижний пруд пойдем “кошки” поджигать, я там одну знаю – огромаднейшая, целый день будет гореть».

Все описанные выше процессы должны были в конечном итоге привести к значительному накоплению в атмосфере углерода в виде углекислого газа (т.к. СО и СН 4 постепенно окисляются в СО 2). Но в природе есть мощный регулятор количества СО 2 в атмосфере – масса воды морей и океанов. Вода выделяет углекислый газ в воздух, когда упругость находящегося в воздухе углекислого газа уменьшается, и поглощает его обратно, если упругость паров увеличивается.

Такая закономерность имеет огромное значение в химии земной коры. Роль этого фактора станет еще более понятной, если принять во внимание, что общая площадь океанов, морей и пресноводных бассейнов почти в 10 раз превышает площадь, занятую растительностью суши.

Углекислый газ поступает в водоемы вместе с дождем или непосредственно растворяется в поверхностных водах. Воды океана всегда содержат растворимые бикарбонаты и газообразный углекислый газ. Стоит заметить, что морская вода является слабо щелочной – факт, имеющий огромное значение для жизни водных организмов.

В итоге можно отметить следующие пути поступления углерода в атмосферу: при вулканических выделениях; из углекислых источников; в виде природных газов в каменноугольных шахтах, нефтяных месторождениях и т.п.; из вод океанов, морей и пресноводных бассейнов; при дыхании животных и растений, при химических процессах, проходящих после их смерти; при процессах брожения; при горении, обжиге карбонатов.

Поглощение углерода из атмосферы происходит: при процессах ассимиляции и образовании соединений углерода, устойчивых в пределах тела организмов при их жизни; при процессах превращения продуктов жизнедеятельности животных в минералы, содержащие углерод; при поглощении углекислого газа водой океанов, морей, рек и т.п.

Перечисленным далеко не исчерпываются пути перемещения (миграции) углерода. Одним из источников углекислого газа в атмосфере является, например, космический углерод: при сгорании угольных метеоритов непрерывно увеличивается количество СО 2 в земной атмосфере. Углекислый газ может также синтезироваться в глубинных пространствах Земли (так называемый ювенильный СО 2). Если, например, поверхностные воды, содержащие кислоты, проникают до карбонатных пород, то в результате их взаимодействия будет выделяться углекислый газ. Термическое разложение карбонатов (известняков, мела, мрамора) в недрах Земли также ведет к образованию углекислого газа. Связывание углерода происходит при выветривании минералов, содержащих кремний и алюминий (силикатов и алюмосиликатов): при этом процессе углерод замещает в минералах кремний.

Все это приводит нас к выводу, что природу нужно рассматривать не как случайное скопление предметов и явлений, оторванных друг от друга, а как единое целое, где предметы и явления органически связаны друг с другом, зависят друг от друга и обусловливают друг друга.