Круговорот
углерода.
Из всех биогеохимических циклов круговорот углерода, без сомнения, самый
интенсивный. С высокой скоростью углерод циркулирует между различными
неорганическими средствами и через посредство пищевых сетей внутри сообществ
живых организмов (рис. 12.14).
Рис. 12.14. Круговорот углерода (по И. П. Герасимову, 1980)
В круговороте углерода определенную роль играют СО и
СО2. Часто в биосфере Земли углерод представлен наиболее подвижной
формой СО2. 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. В дальнейшем они
переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых существ
экосистемы. Следует заметить, что вероятность отдельно взятого углерода
«побывать» в течение одного цикла в составе многих организмов мала, потому что
при каждом переходе с одного трофического уровня на другой велика возможность,
что содержащая его органическая молекула будет расщеплена в процессе клеточного
дыхания для получения энергии. Атомы углерода при этом вновь поступают в
окружающую среду в составе углекислого газа, таким образом завершив один цикл и
приготовившись начать следующий. В пределах суши, где имеется растительность, углекислый
газ атмосферы в процессе фотосинтеза поглощается в дневное время. В ночное
время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и
животных на поверхности происходит окисление органических веществ с
образованием СО2.
Атомы углерода возвращаются в атмосферу и при
сжигании органического вещества. Важная и интересная особенность круговорота
углерода состоит в том, что в далекие геологические эпохи, сотни миллионов лет
назад, значительная часть органического вещества, созданного в процессах
фотосинтеза, не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась
в литосфере в виде ископаемого топлива;
нефти, угля, горючих сланцев, торфа и др. Это ископаемое топливо добывается в
огромных количествах для обеспечения энергетических потребностей нашего
индустриального общества. Сжигая его, мы в определенном смысле завершаем
круговорот углерода.
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.
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. 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 6×1010 т/год. Существует
поступление углерода в атмосферу и гидросферу и при вулканической деятельности
в среднем 4,5×106 т/год. Общая
масса углерода в ископаемом топливе (нефть, газ, уголь и др.) оценивается в 3,2×1015
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%. Это означает, с одной стороны, что
каждый атом углерода принимал участие в цикле десятки тысяч раз, прежде чем
выпал из круговорота, оказался в недрах. А с другой стороны — потоки синтеза и распада органических
веществ в биосфере с очень высокой точностью подогнаны друг к другу.
В. Г. Горшковым
(1988) на основе расчетов делается важное заключение: «Потоки синтеза и
разложение органических веществ совпадают с точностью 10"4 и скоррелированы с точностью 10-4. 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».
В постоянном круговороте находится 0,2% мобильного запаса углерода. Углерод
биомассы обновляется за 12, атмосферы — за восемь лет. Огромный контраст между
краткостью данных периодов, постоянством и возрастом биосферы подтверждает
высочайшую сбалансированность «мира углерода».