Биогеохимический цикл углерода, схема круговорота газа в природе

Круговорот углерода

Значение углерода в жизнедеятельности живой природы

Особое значение углерод в природе имеет не просто так: уникальные свойства серьезно выделяют его на фоне других химических элементов системы. Углерод образует прочные химические связи как внутри себя (между собственными атомами), так и с другими элементами. Но несмотря на свою прочность, эти связи могут быть достаточно просто разорваны во вполне мягких условиях.

В природе существует конкретная экономичность благодаря углероду: с помощью углерода и некоторого количества типов его связей производится сокращение ферментов, участвующих в расщеплении и синтезе органики. Важным также является то, что углерод – один из трех элементов (вместе с кислородом и водородом), которые составляют не больше, не меньше, чем 98 % всей массы живого на Земле.

В рамках гипотезы А.И. Опарина, принятой научным сообществом, предполагается, что самые первые органические соединения на нашей планете произошли абиогенным образом. Первичными источниками углерода были такие соединения, как HCN (цианистый водород) и CH4 (метан).

Именно эти вещества в основном содержались в атмосфере Земли начала времен. На данный момент углерод (в соединении СО2) отлично ассимилируется посредством фотосинтеза – сложного процесса, происходящего в клетках зеленых растений. Животные же в большинстве потребляют углерод в форме уже готовых органических соединений.

Самое распространенное соединение углерода – его двуокись (СО2). Будучи растворенной практически во всех жидкостях (в частности – и в воде) на Земле, двуокись углерода выполняет важную функцию поддержания кислотной среды. А такое соединение как, например, CaCO3 является основным в составе раковин и внешних покрытий беспозвоночных или в скорлупе яиц.

Геохимический цикл углерода

Геохимический цикл углерода по своей сути – это схема, отражающее то количество углерода, который циркулирует между слоями: атмосферой, геосферой и гидросферой. Замеры производятся в течение года и составляют миллиарды тонн. При это данный показатель еще включает и те 5,5 гигатонн, которые попадают в атмосферу при сжигании человеком ископаемого топлива.

По факту – геохимический цикл углерода представляет собой совокупность процессов по переносу углевода из одного так называемого геохимического резервуара в другой. Стоит отметить, что главную роль в этом процессе играют живые организмы.

Важно знать, что геохимический цикл углерода обладает рядом особенностей:

  • Он всегда происходит сквозь гидросферу и атмосферу и поэтому серьезно влияет на все процессы в окружающей среде, и в первую очередь, на представителей биосферы;
  • На протяжении становления и развития планеты происходящие катастрофические изменения значительно влияли на эволюцию цикла.

На данный момент самым изученным является четвертичный период геохимического цикла. В нем происходили те изменения, которые напрямую связаны с климатическими. Именно поэтому ученым намного проще отследить этот период, так как он четко зафиксирован вечной мерзлотой Арктики и Антарктиды .

Схема круговорота углерода в природе

Круговорот углерода в природе – это обязательный комплекс из различного рода физических и химических процессов и реакций. Известно, что данный элемент входит в состав всех живых организмов на планете Земля и прямо связан с процессами их жизнедеятельности. Атомы углерода в том или ином виде соединений непрерывно циркулируют во всех сферах планеты, отражая, по сути, общую динамику живых процессов.

Читайте также:
Оплодотворение матки: подготовка к зачатию ребенка, признаки и симптомы беременности

Основная часть углерода представлена в атмосфере – и это углекислый газ СО2. В воде также присутствует углерод в форме также диоксида. При переходе жидкостей и газов в агрегатные состояния друг друга, круговорот и осуществляется – углерод свободно «гуляет» в окружающей среде. В чистом виде соединение СО2 потребляется растениями, преобразовывая его в процессе фотосинтеза в различные соединения и отдельные элементы, которые отправляются дальше по кругу. Таким образом, весь попавший в растение углерод разделяется на следующие части:

  • в составе растения. Определенное количество углерода остается в клетках и задерживается в них до самого окончания жизненного цикла растения;
  • переходит к травоядным. Потребляя в пищу растения, животные получают из них какую-то часть углерода, отдавая (буквально – выдыхая) его в атмосферу в виде СО2;
  • от травоядных – к хищникам. По аналогичному принципу (через потребление пищи) плотоядные животные потребляют углерод и выделяют его диоксид посредством дыхательных процессов;
  • попадает в грунт. Когда растение умирает, часть оставшегося в нем углерода переходит в почву. Так начинается процесс образования ряда топливных полезных ископаемых. Классическим примером может стать уголь.

Аналогичные процессы происходят в гидросфере. Содержащийся в воде углерод потребляется морскими обитателями растительного и животного мира.

В целом, попадание углерода в атмосферу связано напрямую с процессами жизнедеятельности живых организмов на планете. Отдельным естественным процессом выброса углекислого газа в атмосферу является извержение вулкана. Искусственным же считается сжигание топлива человеком. К сожалению, в совокупности это дает переизбыток углерода в атмосфере, чем создается парниковый эффект, пагубно влияющий на состояние окружающей среды и экологии. Эта проблема сейчас – одна из самых обсуждаемых в мире.

Этапы круговорота углерода

Наибольшее количество углерода на планете представлено в форме соединения диоксида углерода или углекислого газа CO2. Он содержится в атмосфере, растворен в водах Мирового океана. Для процессов, происходящих в атмосферных слоях, круговорот углерода происходит следующим образом:

  • оставшийся в растениях после поглощения из воздуха углерод задерживается некоторой частью в них самих и уходит в почву после отмирания. Далее углерод становится материалом для «работы» редуцентов – грибов и термитов – которые, питаясь органическими веществами, разлагают их до более простой неорганики. Впоследствии вновь соединившийся с кислородом углерод в форме CO2 вернется в атмосферу;
  • дополнительный способ – если растение попадает под грунт. Там, разлагаясь, оно может превратиться в ископаемое топливо, в основе которого лежит углерод. Так появляется уголь.
  • вторым вариантом развития событий может стать употребление растений в пищу травоядными. Углерод попадая в организм животного, затем выходит с дыханием обратно в воздух или и в почву в процессе разложения после смерти. Также травоядное животное может стать пищей для хищников, тем самым передав ему углерод, который вернется в воздух и почву тем же образом.

В воде круговорот имеет меньше вариаций, но также возможны несколько способов:

  • растворенный в воде углекислый газ в процессе газообмена регулярно циркулирует между Мировым океаном и атмосферой;
  • углерод находится в составе тканей растений и животных, которые после отмирания превращаются в известняк, оседая на дне и отдавая углерод в воду.
Читайте также:
Животные Урала, птицы и растения, Красная книга, разнообразие природы

Последовательность круговорота углерода

Последовательность биогенного круговорота углерода в природе всегда начинается с его потребления растениями из атмосферы и/ или воды. Далее посредством фотосинтеза углерод в растениях «разделяется» на нужные части: некоторое количество остается в растении, часть уходит в атмосферу и почву (в случае естественной гибели растения). Поглощая растения как пищу, животные продолжают распространение углерода: выдыхая его в виде углекислого газа или отдавая в почву после смерти.

Все процессы круговорота углерода неотделимы друг от друга и всегда протекают параллельно. В природе нет сеткой последовательности действий перемещения углерода, каждый из этапов протекает параллельно другому.

Результаты круговорота углерода

Элемент углерода в простейшем виде постоянно осуществляет циркуляцию между сферами планеты и живыми организмами на ней. Будучи поглощенным растениями в форме CO2, в процессе фотосинтеза он превращается в простые сахара, которые затем становятся жизненно важными элементами в цепочке питания животных. Они же, в свою очередь, преобразуя за счет метаболизма полученные вещества, отдают углерод в атмосферу в виде соединения CO2.

Также на состояние и количество углерода влияют геологические процессы. Попавший в почву углерод, превратившийся в горючее ископаемое (уголь, нефть, газ) на какое-то время исключается из дальнейшего круговорота углерода. Но как только человек производит их добычу и пускает дальше в потребление, при сжигании топливных веществ, углекислый газ возвращается в атмосферу в обильном количестве.

Роль живых организмов в круговороте углерода

Живые организмы – важна и неотъемлемая составляющая круговорота углерода. Их участие в этапах перемещения углерода и организации его естественных соединений в ходе химических реакций и физических процессов играет важную роль для его распространения и усвоения.

Поглощая углерод, входящий в состав воздуха в виде СО2, растения синтезируют его в те вещества и соединения, которые в дальнейшем обеспечивают жизнь травоядным животным и хищникам. Процесс круговорота питания напрямую связан с круговоротом углерода, который является важным химическим элементом, уровень которого должен быть поддержан на всех этапах потребления пищи животными.

Те растения, которые не идут в пищу животным, после отмирания попадают в почву. Выделяемый из них углерод становится основой для образования ископаемых, используемых человеком для организации жизнедеятельности. Появление добываемых ресурсов невозможно без микроорганизмов, которые имеют возможность разлагать сложные органические соединения до неорганических. Именно благодаря эти редуцентам (грибам и прочим простейшим организмам) происходит длительный процесс появления в почве угля, нефти и природного газа. При этом человек, как и любой другой живой организм, потребляет необходимое количество углерода не только техногенно, но и в естественных процессах работы его организма, и отдает углекислый газ в атмосферу.

Распространение углерода в Мировом океане происходит по иным принципам имеет свою специфику, но все живые организмы – обитатели морских глубин – принимают активное участие в круговом обмене углеродом как внутри своего ареала, так и по всей планете включительно.

Особенности круговорота углерода

Главной особенностью круговорота углерода является возможность консервации этого элемента. Большинство используемых сейчас ископаемых ресурсов, образовавшихся с помощью углерода миллионы лет назад, сжигаются и по факту являются завершающим этапом круговорота углерода и одновременно начинают новый, отдавая большое количество углекислого газа атмосфере.

Читайте также:
Где находятся Альпы: самый большой горный массив в странах Европы, высота вершин

Существует ряд статистик и оценок, по которым за год в процессе фотосинтеза появляется порядка 60 млрд тонн углерода, а разложение растений дает около 48 млрд тонн. При этом в почве оседает и начинает консервироваться не менее 10 млрд тонн. Стоит еще не упускать из внимания то, что в среднем в год сжигается порядка 4 млрд тонн топлива, а вместе с ним – 1 млрд углерода уходит в атмосферу.

Главные производители углерода на Земле – леса. При этом основными среди них являются тропические и бореальные леса. Именно они аккумулируют большую часть углерода на планете в своей биомассе и почве. В этом плане Россия – передовая в отношении лесозоны страна. Все российские леса – это 73 % бореальной лесной зоны всей планеты. А Сибирь – это 42 % из этих самых 73%.

Помимо атмосферы круговорот углерода происходит и в воде: там процесс носит более сложный характер. Связано это в первую очередь с тем, что проникновение углерода в воду значительно зависит от поступления кислорода в верхние слои океана. Общие показатели перемещаемого в Мировом океане углерода примерно вдвое меньше, чем на суше. Однако миграция углерода при этом регулярна, поэтому его уровень постоянно меняется и зависит от множества как естественных, так и антропогенных факторов.

Круговорот углерода и азота

Гост

ГОСТ

Круговорот углерода

Круговорот углерода является наиболее интенсивным из всех известных биогеохимических циклов, продолжительность которого составляет всего 300 лет. Его запасы на Земле представлены в виде углеродсодержащих горных пород, залегающих на дне океана и в земной коре, а также в виде ископаемых видов топлива.

Углерод является основой всех органических веществ, таких как белки, жиры, углеводы и других соединений, необходимых для жизнедеятельности живых организмов.

В состав органического вещества углерод включается в процессе фотосинтеза, который затем передаётся по трофическим цепям. Ежегодно таким образом растениями усваивается порядка 46 млрд. т данного вещества. Большинство наземных растений получает необходимый им углерод, поглощая через поры в своих листьях углекислый газ из атмосферы. Фитопланктон получает углерод из атмосферного углекислого газа, растворенного в воде.

Скорость циркуляции углерода между компонентами живой и неживой природы достаточно высока, при этом наибольшей подвижностью характеризуется углекислый газ, роль которого в круговороте углерода наиболее высока. Углекислый газ поступает в атмосферу вследствие дыхания живых организмов, сжигания топлива и разложения мёртвой органики. Велики объёмы поступления углерода в атмосферу и вследствие извержений вулканов. Важную роль в процессе выделения углекислого газа в атмосферу играют и вертикальные движения земной коры, которые способствуют поднятию блоков осадочных пород и образованию островов, на которых происходит их химическое разрушение с выделением $CO_2.$

В процессе круговорота часть углерода “теряется” и подвергается минерализации, а также участвует в образовании ископаемых видов топлива. Помимо этого значительная часть углерода в виде карбонатных соединений оседает на дне океана.

Читайте также:
Объект и субъект деятельности: определения понятий, разница между ними

Готовые работы на аналогичную тему

Стоит отметить, что деятельность человека в последние сто лет направлена на разработку углеродных “захоронений”, что в свою очередь способствует его повторному вовлечению в глобальный круговорот, приводя к существенному повышению концентрации углекислого газа в атмосфере. Чрезмерное накопление в атмосфере Земли данного соединения приводит к нарушению равновесных процессов в биосфере, главным из которых является образование парникового эффекта.

Круговорот азота

Не менее сложным, чем круговорот углерода является биогеохимический круговорот азота. Азот является важной структурной единицей аминокислот, выступающих строительным материалом для белков. Его основным источником является атмосфера, которая представлена им на 78%. Преобладающее количество живых организмов может использовать азот только в виде сложных соединений с другими элементами.

Основную роль в круговороте азота играют азотфиксирующие и денитрифицирующие бактерии, которые участвуют в процессе его перевода из неорганических соединений (оксиды азота, нитраты, нитриты, аммиак, соли аммония) в другие формы.

Из воздуха азот поглощается азотфиксирующими бактериями, которые переводят его в легко усваиваемые растениями формы. Поглощенные растениями соединения азота синтезируются в более сложные органические соединения, передача которых осуществляется по трофической цепи к консументам. Образующиеся в процессе жизнедеятельности продуцентов и консументов соединения азота со временем попадают в почву, где под действием аммонифицирующих бактерий они восстанавливаются до аммиака и солей аммония.

Преобразование ионов аммония в нитрат-ионы, потребляемые растениями происходит в почве под действием нитратных и нитритных бактерий. А в процессе денитрифицирующих бактерий растворимые соединения азота переходят в газообразные формы, пополняющие атмосферу азотом.

Стоит отметить, что определенная часть азота на долгое время выключается из круговорота, переходя в глубинные отложения в литосфере. Однако в результате вулканической и антропогенной деятельности эти потери азота полностью компенсируются.

Круговорот углерода в природе – особенности, описание и схема процесса

Углерод принадлежит к группе химических элементов, без которых жизнь на планете Земля просто невозможна. Он входит в состав каждого атома, составляющего биологическую структуру, и исполнят роль стройматериала. Постоянный (перманентный) процесс перемещения этого вещества из органических тел в неживые структуры называется круговоротом углерода в природе. Благодаря этому поддерживается способность к жизни всех атомов в биосфере.

  • Круговорот элемента в природе
  • Значение цикла

Углерод принадлежит к группе химических элементов

Круговорот элемента в природе

Все соединения в окружающей среде можно разделить на живые (органические) и мертвые (неорганические). К первой группе принадлежат вещества биологического происхождения, например, липиды, протеины. В состав их структуры входит ряд микроэлементов, имеющих важное значение для живого организма. Неорганические соединения образуются в результате химических реакций. К их числу принадлежат газы, соли, металлы и т.д.

Кратко схема круговорота углерода в природе можно описать следующим образом:

  1. Водная среда, атмосфера и суша заполнены неорганическими соединениями, которые попадают в пищеварительную систему простейших существ.
  2. Последние активно поглощаются высшими животными.
  3. После гибели простейших организмов их останки снова перерабатываются до состояния металлов и солей.

Это общее описание принципа оборота углекислого газа (СО2) в природе, приведенного на рисунке.

Круговорот углерода в природе

Однако при ближайшем рассмотрении процесса встречаются некоторые нюансы. Их необходимо изучить, чтобы написать доклад или реферат по теме.

Дыхательный обмен

Углекислый газ присутствует в воздухе, земле и воде

Углекислый газ присутствует в воздухе, земле и воде. Он образуется вследствие дыхания живых существ, горения, а также гниения. Растения обладают способностью усваивать углерод, входящий в состав СО2. После этого они перерабатывают его в органические соединения. Этот процесс называется фотосинтезом, а протекает он в листьях.

Для его активации необходим солнечный свет. Следует помнить, что скорость и качество поглощения углерода во многом зависит от категории представителей растительного мира планеты. Люди и животные могут выживать только благодаря флоре, занимающей центральное место в схеме круговорота кислорода.

Деятельность микроорганизмов

Простейшие организмы являются началом и концом любой пищевой цепи. Именно благодаря их работе растения и животные получают необходимую для жизни энергию. Погибшие представители флоры и фауны оказываются в структуре почвы и морского дна. После этого в работу включаются микроорганизмы, перерабатывающие их плоть в простые химические соединения. Этот процесс сопровождается выделением CO2.

Читайте также:
Куда впадает река Волга: где находится исток, в каком направлении течет, длина

Деятельность микроорганизмов

В результате образуются питательные ресурсы, необходимые для жизни растений и животных, а круговорот элементов начинается с самого начала. При этом некоторым простейшим для расщепления мертвой структуры не требуется кислород. Например, в воде обитают анаэробные бактерии. Они обладают способностью производить сернистое черное железо. Именно это вещество придает болотам и рекам характерный цвет.

Частью углеродного цикла является симбиоз, представляющий собой выгодное взаимодействие двух организмов. Не все животные способны расщеплять сложную растительную клетчатку. Однако в их желудках обитают бактерии, расщепляющие целлюлозу на простые элементы, которые легко усваиваются организмом парнокопытных. Можно привести много примеров такого сотрудничества.

Углерод в воде и на суше

Атмосфера содержит около 30 % всего углерода планеты. Этого количества элемента достаточно для растений, являющихся главным элементом пищевой цепи высших животных. Благодаря фотосинтезу флора получает требуемую для роста энергию из углерода. Травоядные животные употребляют растения, обеспечивая себя пищей. В свою очередь, хищные представители фауны поедают слабейших травоядных.

После смерти плотоядных все органические вещества оказываются в почве, где и перерабатываются микроорганизмами. Жизнедеятельность простейших организмов способствует образованию газов и солей, без которых растения не смогли бы существовать. В результате круговорот веществ замыкается.

Взаимодействие элементов в водной среде является более сложным процессом. Углекислый газ сначала должен раствориться в воде. Только после этого он может быть переработан планктоном. Эти микроорганизмы обитают в верхних слоях воды и находятся в начале пищевой цепи.

Роль людей

Человек уже давно стремится перестроить окружающую среду под свои нужды. К сожалению, это оказывает негативное влияние на природу. Злоупотребление ресурсами приводит к следующим отрицательным последствиям:

Фабрики и заводы сжигают ископаемые ресурсы

  • быстро уменьшается количество растений, в первую очередь деревьев, что приводит к увеличению содержания углекислого газа в атмосфере;
  • фабрики и заводы сжигают ископаемые ресурсы, вызывая тем самым дисбаланс химических элементов.

Активная деятельность человека привела к появлению глобального потепления. Из-за большого количества парниковых газов в атмосфере, процесс отдачи инфракрасного излучения планетой в космическое пространство замедлился. В результате наблюдается таяние льдов на полюсах, что привело к увеличению уровня Мирового океана и гибели некоторых представителей биосферы.

Читайте также:
Кто живет в пустыне: животный мир на песчаных территориях Африки и России, чем питаются

Значение цикла

За все время существования Земли в ее атмосфере накопилось большое количество углекислого газа. Если исключить оборот углерода в природе, жизнь утратит свой потенциал к развитию. Этот химический элемент можно смело назвать важнейшим в биологической системе планеты благодаря следующим свойствам:

  1. Углеводы необходимы для жизни всех представителей флоры и фауны.
  2. Углерод входит в состав гликогена, являющегося дополнительным источником энергии для высших организмов. Это вещество синтезируется клетками печени и мышц.
  3. Химический элемент является стройматериалом для протеинов, из которых состоят ткани тела человека и животных.

Значение круговорота углерода в природе сложно переоценить. Школьникам необходимо знать, как он происходит и для чего необходим. Только разобравшись в этом вопросе, они смогут подготовить сообщение на заданную тему.

Кто на самом деле крутит углеродное колесо

Новость

Автор
Редактор

Хорошо известно, что в природе всё взаимосвязано, и вещества, как и энергия, не исчезают бесследно, а лишь переходят из одной формы в другую. Возможно, не все помнят круговороты, или, как их по-научному называют, биогеохимические циклы, азота, углерода или серы — основных элементов, входящих в состав биоорганических веществ, — но вот круговорот воды в природе, уверен, воспроизведет каждый. Вода поступает в виде дождя в почву, по грунтовым водам попадает в океан, излишки влаги испаряются с поверхности океана, пар конденсируется в тучи и снова вода возвращается в виде дождя на землю. Вот так же можно проследить круговорот углерода — основы жизни на Земле. В 2015 году, похоже, пришло время переосмыслить круговорот углерода в океане, согласовав его с последними открытиями биологов.

Как вообще выглядит биогеохимический цикл углерода?

Мы все дышим и выводим из организма углекислый газ (СО2), то есть углерод. Многие думают, что кислород, который мы вдыхаем, превращается в СО2, но это не так, иначе это можно было бы назвать атомной реакцией. Углекислый газ берется из окисления глюкозы, но не кислородом. Кислород в этом процессе превращается в воду. Глюкоза тоже содержит углерод — целых шесть атомов; кроме того, это соединение органическое. В нашем организме последовательно проходят три процесса: гликолиз в цитоплазме (бескислородное окисление глюкозы), окисление продуктов гликолиза в цикле Кребса в митохондриях и окислительное фосфорилирование в электрон-транспортной цепи на внутренней мембране митохондрий [1]. В основном в результате последнего процесса образуется АТФ — энергетическая валюта клетки. Как ни странно, но именно в этом цель дыхания, по крайней мере, клеточного. Итак, первый этап круговорота углеродаокисление органических веществ до СО2 всеми живыми организмами.

Читатель, наверное, уже догадался, что второй этап этого цикла должен из СО2 сделать органические вещества. Вот это под силу немногим живым существам. Некоторые бактерии, все водоросли и высшие растения (кроме паразитов) умеют это делать, а процесс называется фотосинтез [2]. Растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Даже здесь, вопреки бытующему мнению, кислород делается не из углекислого газа, а из воды в результате ее фотолиза — разложения под действием света. СО2 фиксируется в хлоропласте растения на рибулозо-1,5-бис-фосфате, который впоследствии вступает в цепь биохимических превращений, известную как цикл Кальвина. В результате получаются углеводы, в том числе и глюкоза. Итак, в растениях замыкается биогеохимический цикл углерода, из неорганической формы углерод переходит в органическую.

Читайте также:
Ноги пауков, разновидности конечностей, виды членистоногих в России, ядовитые особи

Всех, кто умеет производить органические вещества подобно растениям, называют автотрофами (то есть они могут сами себя прокормить: αυτος — сам, τροφη — пища)*. Остальные живые организмы — гетеротрофы — могут лишь использовать органику, произведенную автотрофами, поедая их. Таким образом, у нас есть производители — преимущественно растения — и потребители — все остальные. В круговороте огромную роль играют и бактерии, разлагающие останки живых организмов, возвращая их углерод в цикл. Потребляемые ими в пищу вещества часто крайне специфичны [3, 4].

* — Вообще, автотрофы бывают разные — не только фототрофы, как растения. Фиксировать CO2, но энергию получать не от света, а за счет окислительно-восстановительных реакций с использованием неорганических веществ, могут хемолитоавтотрофы. Их много среди бактерий и (особенно) архей. Построение собственного организма из неорганического материала — штука сложная и часто требующая нишевых ограничений, потому многие стремятся уворовать гены, обещающие сытую гетеротрофную жизнь. Возможно, именно так эволюционировали крупные группы архей: «Закинули археи эволюционный невод и вытянули. » [5]. А вот договориться о происходящем на самых ранних этапах биологической эволюции ученые не могут. Об источниках энергии и химических веществ для зарождения жизни вообще и о первичности в этом процессе метаболизма, а не репликаторов (всё — по гипотезе Майка Рассела), можно прочитать в статье «К вопросу о происхождении жизни» [6]. — Ред.

Почему интересен цикл углерода в океане?

Во-первых, в океане обитают крайне разнообразные организмы, большинство из которых одноклеточные. В процессе фотосинтеза они производят половину всех органических веществ на Земле [7]. Представляете, деревья и травы из миллионов клеток и незаметные невооруженным глазом микробы вносят равный вклад в цикл углерода?!

Во-вторых, в океане есть ограничения: для фотосинтеза нужен свет, а вода его поглощает. Только на глубине до 100–200 м возможен фотосинтез — вторая половинка нашего углеродного цикла, соединяющая неживое и живое.

В-третьих, морские экосистемы интересны разнообразными типами питания своих обитателей. Вот только рассматриваемые обитатели — одноклеточные. Представляете — быть разными, состоя всего из одной единственной клетки? Александра Ворден и ее коллеги в свежей статье в Science [7] сконцентрировали внимание на протистах, под которыми подразумевали одноклеточных эукариот.

1. Производители органики — автотрофные организмы. Это так называемый фитопланктон (от греч. φυτον — растение и πλανκτον — странствующий). Значительная его часть в океане — цианобактерии (сине-зеленки, как их жаргонно называют). Конечно же, бактерии к эукариотам, тем паче к растениям, не относятся, но их всё равно называют микрофитопланктоном. Правда, отношение к растениям цианобактерии имеют прямое: они их «породили». Причем фотосинтезирующие протисты возникали в эволюции не один раз, как ранее утверждала теория эндосимбиоза.

Сначала предприимчивый древний эукариот «приручил» цианобактерий и выпестовал из них пластиды — произошел первичный эндосимбиоз, в результате которого возникли зеленые и красные водоросли и вообще все растения. А потом родоначальники других эукариотических линий поглощали уже готовые водоросли (вторичный эндосимбиоз). Вот такая матрешка получилась (рис. 1). Проследить количество актов «приручения» можно по числу пластидных мембран. У протистов, возникших в результате вторичного эндосимбиоза, две стандартные пластидные мембраны покрыты дополнительными, а у некоторых между мембранами даже сохранились остатки цитоплазмы и рудиментарное ядро — нуклеоморф — от поглощенной водоросли.

Читайте также:
Река России Енисей, на которой стоит Красноярск: экологические проблемы самой полноводной реки

Эндосимбиоз в эволюции водорослей

Рисунок 1. Эндосимбиоз в эволюции водорослей. Описание в тексте. Можно представить, что когда-то эукариот пытался съесть цианобактерию, но передумал и решил ее «приручить». Правда ведь, зачем один раз есть бактерию, если можно заставить ее работать на себя и постепенно поглощать то, что она вырабатывает, то есть углеводы? Так и появились хлоропласты. Рисунок из [7].

Разнообразие типов питания морских протистов

Рисунок 2. Разнообразие типов питания морских протистов. Симбиоз, жизнь в фикосфере зажиточного соседа, миксотрофия, сапротрофия, паразитизм и хищничество сильно усложняют цикл углерода в океане. Рисунок из [7].

2. Хищники, активно охотящиеся на других одноклеточных меньшего размера, поглощающие их фагоцитозом и переваривающие внутри клетки — пример потребителей органики.

3. Осмотрофы и сапротрофы, предпочитающие переваривать почившие организмы за пределами своей клетки, транспортируют через свою мембрану уже измельченные органические вещества. Здесь пропадает зависимость размеров. Обычно кто-то больший кушает кого-то меньшего, а сапротрофы могут заточить любого.

4. Паразиты находят своего хозяина и потихоньку его кушают. На рисунке 2 показан цикл представителя динофлагеллят, зараженного родственником-паразитом Amoebophrya.

5. Симбионты находят своих друзей и помогают друг другу. Так, на шипах диатомовой водоросли живут бактерии, фиксирующие азот (рис. 2).

6. Миксотрофы — вообще необычные протисты: то автотрофы, то гетеротрофы. Они могут сами крутить собственный маленький цикл углерода: создавать органику, сжигать ее для получения АТФ до СО2 и использовать этот же СО2, чтобы снова создавать органику.

7. Также не стоит забывать о бактериях-«приживалках», которым много не надо. Они могут жить рядом с протистом в так называемой фикосфере (phycosphere), питаясь его выделениями.

Интерес и сложность представляет то, что многие из этих протистов не поддаются культивированию в лаборатории, то есть искусственно построить цикл углерода таким, какой он есть в океане (рис. 3), не получится.

Модель углеродного цикла

Рисунок 3. Модель углеродного цикла, предлагаемая А. Ворден и соавторами. Обратите внимание, как много стрелок, показывающих взаимодействие, как много нюансов. Рисунок из [7].

Тенденция современной науки — интеграция, переход к системной (а в этом случае — к экосистемной) биологии. С биогеохимическим циклом углерода связаны циклы азота и кремния. Кроме того, по циклу углерода можно понять, происходят ли изменения климата. Накопленные данные о разнообразии поведения протистов говорят об их чрезвычайной важности в круговороте углерода. Тем не менее данная статья лишь немного отодвигает ширму, за которой скрывается удивительный мир протистов.

Круговорот углерода в природе

Важную роль в жизнедеятельности живых организмов играет круговорот углерода в природе. Углерод входит в состав всех органических веществ и участвует в большинстве химических и физических процессов планеты.

Читайте также:
Море Лаптевых на карте: когда открыто, в честь кого названо, его исследование и значение

Общее описание

Углерод – шестой элемент периодической таблицы Менделеева с относительной атомной массой 12. Углерод находится в четвертой группе и проявляет постоянную валентность IV. Это активное вещество, вступающее в реакцию с металлами, неметаллами, оксидами, кислотами.

В природе встречается в виде твёрдых веществ в составе горных пород. Элемент имеет несколько аллотропных модификаций – графит, алмаз, сажа, уголь. Большая часть газообразного углерода находится в атмосфере. Соединяясь с кислородом, образует угарный и углекислый газы.

Аллотропные модификации углерода

Рис. 1. Аллотропные модификации углерода.

Угарный газ (СО) – ядовитое вещество без цвета, запаха, вкуса. Соединяясь с гемоглобином крови, нарушает клеточное дыхание, что приводит к удушению.

Значение углерода

Углерод входит в состав угольной кислоты (H2CO3), соды (Na2CO3), всех органических соединений. Это один из жизненно важных элементов. Углерод участвует в процессах дыхания, синтеза веществ, энергетического обмена.

В живых организмах элемент содержат:

  • ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота);
  • нуклеиновые кислоты;
  • аминокислоты;
  • АТФ (аденозинтрифосфат) – универсальный источник энергии;
  • липиды и жирные кислоты.

Благодаря четырём валентным электронам атом углерода способен образовывать четыре связи с атомами различных элементов. Именно этим объясняется распространённость элемента в природе в составе сложных веществ.

Круговорот

Краткая схема круговорота углерода в природе:

  • углекислый газ используется растениями для фотосинтеза;
  • продуктом фотосинтеза являются органические вещества, в частности углеводы;
  • углерод попадает в тело травоядных животных, затем – хищников;
  • обратно элемент возвращается в природу при дыхании животных и после их смерти в результате гниения (осуществляют бактерии, грибы).

Общее количество углерода в природе можно разделить на четыре части:

  • оставшийся в составе клеток растения;
  • находящийся в животных клетках;
  • высвободившийся в атмосферу при дыхании или сжигании топлива;
  • отложившийся в грунте, куда попадает в результате разложения.

Углекислый газ (СО2) является конечным продуктом метаболизма. Он образуется в процессе дыхания и полного распада углеводов, жиров, аминокислот. Из клетки с током крови углекислый газ попадает в лёгкие, а оттуда – в атмосферу при внешнем дыхании.

Углекислый газ – продукт не только жизнедеятельности живых организмов. Газ образуется при сжигании органического топлива – нефти, природного газа, древесины, угля. При попадании углекислого газа в атмосферу круговорот элемента начинается заново.

Углерод накапливается в земной коре или на дне океана в виде горных пород или донных отложений. Именно так образуются каменный уголь, нефть, графит, алмаз.

Что мы узнали?

Углерод – жизненно важный элемент, участвующий в круговороте веществ в природе. Углерод в составе углекислого газа поглощают растения в процессе фотосинтеза и преобразуют в органические вещества, которые служат пищей для травоядных животных. Используя других животных в качестве пищи, хищники получают углерод в составе органических веществ. Обратно в природу углерод попадает при дыхании (выделяется в виде углекислого газа) и при гниении органических тканей.

Круговорот азота в природе

Азот – один из жизненно важных элементов. Азот не фиксируется в организме в свободном виде. Поэтому в круговороте азота в природе помогают бактерии.

Общее описание

Азот – седьмой элемент периодической таблицы Менделеева. Проявляет две валентности – III и V. В природе это двухатомный газ (N2), плохо растворимый в воде. За счёт прочной тройной связи между атомами азот является малоактивным веществом, вступающим в реакции только при нагревании или под действием катализатора.

Строение молекулы азота

Рис. 1. Строение молекулы азота.

Элемент присутствует в почве, воде, живых организмах в составе сложных веществ. Свободный азот относительно стабилен в атмосфере, его содержание – 78 % от общего объёма газов. Азот может принимать жидкую и твёрдую формы.

Элемент входит в состав аминокислот и белков, нуклеиновых кислот. Без азота невозможно построение ДНК.

Круговорот

Схему круговорота азота в природе условно можно разделить на две части – грунтовую и атмосферную. Круговорот азота через почву осуществляется следующим образом:

  • в результате гниения органических веществ (растений, животных) азот превращается в аммиак (NH3);
  • под действием бактерий аммиак окисляется до азотной кислоты (HNO3);
  • азотная кислота вступает в реакцию с элементами почвы, образуя кислые соли (нитраты) – СаСО3, Ca(NO3)2;
  • нитраты поглощают растения.

В атмосферу азот также попадает в результате гниения или при горении органических веществ, например, дров или торфа. Под действием разрядов молнии азот соединяется с кислородом, образуя оксид азота (II) – NO, а затем оксид азота (IV) – NO2.

Оксиды реагируют с водой, образуя азотную кислоту. Она попадает в почву вместе с дождями, где образуются нитраты.

Кроме того, свободный азот способны усваивать азотфиксирующие бактерии и некоторые виды сине-зеленых водорослей. Азотфиксирующие бактерии (азотфиксаторы) находятся в симбиозе с растениями. Например, клубеньковые бактерии живут на корнях бобовых растений. Азотфиксаторы могут усваивать азот в присутствии или в отсутствии кислорода, т.е. могут являться аэробами или анаэробами. Они также синтезируют нитраты.

Азотфиксирующие бактерии на клубнях

Рис. 2. Азотфиксирующие бактерии на клубнях.

Растения могут усваивать азот только в составе солей азотной кислоты. Вместе с листьями азот попадает сначала в организм травоядных животных (консументов первого порядка), а затем – хищных животных (консументов второго порядка). Обратно азот возвращается при гниении и в составе мочевины (CH4N2O).

Схема круговорота азота в природе

Рис. 3. Схема круговорота азота в природе.

Часть нитратов окисляется специальными денитрифицирующими бактериями до свободного азота, который возвращается в атмосферу. Процесс восстановления свободного азота из сложных соединений называется денитрификацией.

Что мы узнали?

Рассмотрели описание круговорота азота в природе. Азот – важный элемент, необходимый живым организмам для постройки тканей и синтеза ДНК. Свободный азот плохо вступает в реакции за счёт прочных тройных связей. Поэтому в усвоении азота помогают бактерии, синтезируя аммиак, азотную кислоту, нитраты. В составе солей азот попадает в растения и далее по пищевой цепочке в организмы травоядных и хищных животных. Новый цикл начинается при отмирании и разложении живых организмов.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: