double_break

/оффтоп = > модель хлорофилла 3D напомнила мне модель космического корабля…/

Эти опыты не снимали главного вопроса: откуда растения берут углерод, если в воде, как показал Лавуазье, его нет, в почве его содержание ничтожно, и притом, что самое главное, растения способны развиваться в почве, вовсе лишенной углеродных соединений?

В самом деле: если не в почве, если не в воде, то остаётся один только воздух. Но если из воздуха, то значит, только посредством листьев. Так замкнулась цепь. Всей логикой развития науки, логикой научных открытий, в истинность которых все свято верили, исследования ученых-физиологов объективно и жестко детерминированно были направлены только в одном единственном направлении — в направлении развития противоестественной теории воздушного питания растений путём ассимиляции листьями углекислоты воздуха и синтезирования её в сложные органические соединения.

В развитии этих взглядов серьёзным побудительным мотивом послужили опыты и наблюдения, проведённые рядом ученых. В 1771 г. английский химик Дж. Пристли обнаружил, что зелёные растения способны якобы «исправлять» испорченный животными воздух и делать его вновь пригодным для дыхания. Примечательным здесь было то обстоятельство, что многократные попытки учёного получить аналогичные результаты в опытах на крупных, активно растущих растениях окончились неудачей:
во всех таких опытах растения, подобно животным «портили» воздух.

Причины неудовлетворительных результатов опытов Пристли и недостаточной убедительности его выводов были выявлены голландским естествоиспытателем Ингенгаузом. Тот обнаружил (1779), что способность растений «исправлять» воздух непосредственно связана с воздействием солнечного света. Этой способностью обладают зелёные растения, которые реализуют её лишь на солнечном свету, в темноте же они ведут себя точно так же как остальные части растений, то есть загрязняют воздух своим дыханием.

Позже Сенебье (1782) и Соссюр (1767-1845), показали, что растение на свету усваивает углерод из углекислоты воздуха с выделением в равном объёме кислорода. Трудами этих ученых теория фотосинтеза обрела свой общий и в принципе завершённый вид. В своих основных чертах она сохраняется и поныне. Черты эти сводятся к следующему:

а) растения поглощают углекислоту и выделяют кислород в равном объёме;

б) этот процесс происходит только на солнечном свету;

в) он характерен лишь для зелёных частей растения, то есть частей, содержащих хлорофилл;

г) процесс выделения кислорода происходит только при наличии в воздухе углекислоты: чем её больше, тем больше выделяется кислорода.

Можно всё сказать про теорию фотосинтеза, кроме одного, а именно, что она разумна. Не случайны поэтому были ожесточенные нападки на неё как стороны теоретиков, так и практиков. С точки зрения простого здравого смысла и повседневного опыта, теория воздушного углеродного питания растений казалась не только несостоятельной, но и попросту абсурдной.

Практики из многовекового опыта прекрасно знали: чтобы собрать хороший урожай, растению нужны — тепло, влага и удобрение.

Правильное сочетание и чередование этих трех элементов неизменно давало устойчивые и обильные урожаи. И опыт никогда не подводил практиков. Что же касается содержания углекислоты в воздухе, то об этом просто никто и никогда не думал, пока учёные не обнаружили странный факт, что растения не только способны поглощать при некоторых условиях углекислоту, но и создают именно из неё всю свою растительную массу.

Из практики хорошо известно, что при соблюдении агрохимических правил повышение продуктивности возделываемых культур имеет самые широкие пределы, хотя при этом содержание углекислоты в воздухе не увеличивается совершенно. Если критерием справедливости всякой теории является в конечном счете практика, то у теории фотосинтеза за всё время её существования отношения с этим критерием оставляли желать много лучшего.

Если строго следовать теории, нужно были бы ставить урожайность всех культур в прямую зависимость от содержания углекислоты в атмосфере согласно правилу: чем её больше, тем, стало быть, урожайность должна быть выше.

И наоборот, чтобы повысить урожайность, нужна большая насыщенность атмосферы углекислотой. Но, увы, нигде, никогда и никем эта зависимость не была подтверждена. Наоборот, всегда и везде подтверждался факт вредного влияния повышенного содержания углекислоты в атмосфере на все живые существа, не исключая и растения.

Действительно, если растение и в самом деле создавало бы всю свою растительную массу и питательные вещества исключительно за счет ассимилируемой им углекислоты воздуха, то совершенно непонятно, почему оно плохо переносит даже небольшое повышение её концентрации, почему оно может расти в атмосфере, вообще лишенной углекислоты и почему, наконец, растения бурно увеличивают свою растительную массу от внесения в почву даже небольшого количества азотных удобрений при сохраняющемся неизменным содержании углекислоты в атмосфере?

Теория фотосинтеза, таким образом, за все своё более чем стопятидесятилетнее существование не продвинула агрохимию ни на один шаг вперед, и все успехи сельского хозяйства в выращивании богатых урожаев были достигнуты помимо неё.

Другим серьёзным аргументом против теории служил и такой факт, как весьма низкое содержание углекислоты в воздухе. По крайней мере, по мнению многих ученых, оно совершенно неспособно было бы обеспечить жизнедеятельность растений, если исходить из теории фотосинтеза. Другим доводом против служил факт постоянства содержания кислорода в атмосфере и несоответствие объемного содержания последнего содержанию углекислоты, хотя, как утверждает теория, при фотосинтезе образуется количество кислорода, равное в объёмном отношении количеству поглощенного растениями из воздуха углекислого газа. Иными словами, сколько растениями поглощается углекислоты, ровно столько же выделяется кислорода. Поскольку в воздухе содержится примерно 0,03% углекислого газа, то при газообмене в процессе фотосинтеза должно высвободиться такое же количество кислорода, да и то лишь в том случае, если растения поглотят весь атмосферный углекислый газ. Но воздух ведь содержит 21% кислорода, т.е. его объём в 700 раз превышает объём содержащейся в нём углекислоты.

Откуда же берется такой избыток кислорода?

Ведь кислород расходуется постоянно и в больших количествах. Он — главный агент бесчисленного числа окислительных процессов, происходящих на земле. Известны тысячи реакций, протекающих при его участии в живой и неживой природе.
Процессы дыхания животных и растений, процессы горения и разложения, которые происходят на земле непрерывно в течение многих миллионов лет, — всё это требует огромного количества кислорода. Без кислорода нет жизни. Однако, несмотря на большое число процессов, при которых происходит связывание кислорода, его количество в атмосфере остаётся поразительно постоянным. Более того, если (процентное содержание углекислоты ещё как-то варьируется в зависимости от различных обстоятельств (больше её в промышленных районах, городах, меньше в сельских районах, вдали от заводов и фабрик, совсем мало её в горных районах), то содержание кислорода практически постоянно и не зависит ни от каких условий, будь это в районах с богатой растительностью, в пустынях, над просторами океанов. Даже на высотах до 70-80 км не обнаружено нарушения процентного содержания кислорода и соотношения между содержанием последнего и азота — 21% и 79% соответственно.

Такое постоянство состава воздуха и содержащихся в нём азота и кислорода не может не вести к вполне естественному предположению о существования на земле столь же постоянного источника их пополнения, притом в неизменном соотношении. Но можно ли рассматривать в качестве такого постоянного и неизменного источника процесс фотосинтеза?

Сюда же отнесём и значительные сезонные колебания в фотосинтезе, которые должны были бы заметно воздействовать на содержание кислорода и углекислоты в атмосфере. В течение полугода почти вся растительность северного полушария практически выключалась бы из процесса фотосинтеза. С наступлением осени и зимы и вплоть до мая месяца исчезает зелёный покров Земли, деревья сбрасывают листья — этот орган фотосинтеза, и природа замирает.

К этому нельзя не прибавить и те причины, которые упоминались в связи с процессом фотосинтеза — неравномерное распределение растительности по земному шару, сезонные перерывы в ее жизнедеятельности, колебания в содержании углекислоты в атмосфере и т.д. Но все перечисленные факторы как раз говорят об отсутствии на земле такого идеального механизма смешения газов атмосферы. Если бы атмосфера действительно состояла из смеси газов, то их распределение по земному шару носило бы совершенно случайный, переменчивый характер, и это непременно было бы зарегистрировано различными приборами, да и самими животными, для которых не могли бы пройти незамеченными серьёзные перепады в содержании кислорода и углекислоты.

Круг сомнений, однако, далеко не ограничивается вышеизложенным: в него включается, помимо кислорода, и другой главный составной элемент атмосферы — азот. В отношении него мы вправе задать тот же вопрос: каков источник его постоянного содержания в атмосфере (79%) и его пополнения? Может быть, в данном случае, в отличие от кислорода, нам удастся найти большее соответствие? Увы, его, к сожалению, нет применительно и к азоту.

Трудно, если вообще возможно, оставаясь на почве разума и действительности, согласиться с существующим представлением, что 4\5 объема атмосферы обязано своим существованием деятельности некоторых видов микроорганизмов типа гнилостных бактерий. А ведь именно так объясняет наука источник пополнения атмосферы азотом.

Во-первых, сам этот источник крайне непостоянен в своем функционировании, и он не в состоянии обеспечить такую точность в обеспечении атмосферы одной из её составных частей, как бы нас ни уверяли в обратном.

Во-вторых, нелепость этого утверждения видна из того, что в то время как вся мощная растительность земного шара, как наземная, так и подводная, даёт, согласно теории фотосинтеза, 21% кислорода, тогда как некоторые виды микроорганизмов обеспечивают её 79% азота. Далее, если взять те же процессы гниения и разложения, то их основными продуктами являются опять-таки углекислота и аммиак, а не азот. Но если углекислого газа содержится в атмосфере всего лишь 0,03%, то содержание в ней аммиака настолько ничтожно, что нет даже смысла приводить эти данные. Количественные сопоставления не дают, таким образом, никаких оснований считать обоснованным существующий взгляд на источник основных частей атмосферы, а именно: кислорода и азота.

Итак, отмечу, что фотосинтез по своей сути не только противоположен процессу дыхания, но и противоречит ряду фундаментальных положений физики.

Не может не возникнуть тут правомерный вопрос: на каких законах физики основан в этом случае весь процесс фотосинтеза? Для его выяснения обратимся непосредственно к разъяснениям, которые даёт в этой связи сама теория.

Так, например, известный физиолог проф. Рубин пишет в своей книге (просим читателя внимательно отнестись к нижеследующему свидетельству): «Углекислый газ является важнейшим материальным субстратом фотосинтеза. Обычное содержание СО2 в воздухе колеблется от 0,02% до 0,03%. При нормальном давлении и нуле градусов это составляет 0,589 мг. CO2 в 1 л. воздуха. Поскольку из 1 л. ассимилированной CO2 образуется 0,682 г. глюкозы, то для образования 1 г. глюкозы нужно затратить количество CO2, содержащееся в 2500 л. воздуха. Для образования же килограмма сахара растению необходимо «переработать» около 2,5 млн.л. (500 кубометров), полностью освободив последний от содержащего в нём углекислого газа. При крайне низком содержании углекислоты в воздухе, растениям, можно сказать, приходится в буквальном смысле «вылавливать» её посредством имеющихся у них различных приспособлений. К их числу относятся прежде всего устьица, являющиеся основным путем проникновения CO2 внутрь листа»1.

1 Рубин ЕЛ. Физиология растений. Ч. 1., М, 1954, с.236.

Нарисованная картина просто поразительна! Не растения, а форменные насосы. С какой же интенсивностью должно работать растение в качестве такого насоса, чтобы пропустить через устьица листьев 2500 л воздуха и в итоге получить всего лишь 1 грамм сахара? Удивительно здесь то, что эта малоправдоподобная и не соответствующая даже простым наблюдениям за миром растений картина выдается в качестве истинной, и что в нее верят десятки, а то и сотни умных учёных мужей.
Приводимые цифры красноречивее всех иных доводов говорят против теории фотосинтеза. Здесь мы лишний раз видим, что, за какую сторону теории фотосинтеза ни возьмись, везде сплошные натяжки, забвение основных физических законов, будто они её не касаются вовсе, подтасовки и всё прочее в том же духе. И всё это благодаря одной единственной причине, а именно так называемому открытию Лавуазье, согласно которому вода состоит из водорода и кислорода и которому все легко поверили, и свято верят до сих пор.
Я уже отмечал, что растения дышат так же, как и все животные. Дыхание осуществляется благодаря, прежде всего, теплообмену и газообмену живого организма с окружающей его средой, которые проходят самопроизвольно. Самопроизвольные процессы не могут происходить одновременно в двух направлениях: от большего к меньшему и от меньшего к большему — такое противоречит общепризнанным законам физики. Признание же теорией фотосинтеза одновременного существования двух противоположных и противоречащих один другому процессов газообмена при дыхании и при фотосинтезе представляет именно такое противоестественное явление.

Известный французский физиолог Ж. Буссенго, хотя и внёс свой вклад в разработку теории фотосинтеза, любил, между прочим, повторять, что во всех проводимых опытах над растениями необходимо спрашивать мнение самих растений.

Однако опыты по фотосинтезу напоминают скорее не мирную дружескую беседу с ними, а форменный допрос под пыткой, вследствие которого растения вынуждены «признаваться» в деяниях, никакого отношения к ним не имеющих. В самом деле, главной особенностью всех этих опытов было то, что они делались в условиях искусственных, весьма сильно отличающихся от тех, в которых растение находится обычно.

Поэтому оно и не могло давать «правдивых показаний», а давало те, которые выбивались из него принудительно. Прежде всего, это относится к повышенному содержанию углекислоты в среде, в которой обычно проводились опыты, и, наоборот, к пониженному содержанию в ней кислорода. В таких ненормальных условиях «нормальным» оказывалось то, что растение вынуждено было поглощать ненужную ему углекислоту и выделять при этом замещаемый ею кислород.

***

Помимо сказанного остаётся ещё один важный вопрос, требующий ответа: почему растения в условиях повышенной концентрации углекислоты во время опытов над ними выделяют всё-таки кислород. Ведь именно на этом факте строится главный вывод теории фотосинтеза, что зелёные растения являются якобы единственным источником всего кислорода атмосферы. Здесь необходимо отметить тот факт, что во время опытов над растениями такое выделение кислорода начинается исключительно на солнечном свету и моментально прекращается при переносе растения в слабо освещенное место. Этот момент очень важен. Почему так происходит? На этот вопрос мы не сможем ответить, исходя лишь из законов диффузии. Ответ нужно искать уже в области физиологии. С этой целью обратимся к одному весьма важному обстоятельству.

Итак, теория говорит нам, что процесс фотосинтеза происходит только при солнечном освещении и только в зелёных частях растений, то есть в листьях, и что он связан непосредственно с красящим пигментом растений — хлорофиллом. Какова же во всём этом роль хлорофилла?

По теории, именно хлорофилл связывает всю всасываемую растением углекислоту, именно в нём происходит процесс синтеза углекислоты и воды в сложные органические соединения, и происходит выделение кислорода. Но это по теории. Поскольку, как мы уже могли убедиться, эта теория, мягко говоря, не совсем адекватна, то возникает необходимость дать более точное объяснение роли хлорофилла в жизни растений. С этой целью обратимся непосредственно к хлорофиллу и посмотрим, что он из себя представляет.

Не стану рассматривать тут все его замечательные химические и физические свойства. Для нас важны некоторые его особенности и свойства, роднящие его с другими подобными же веществами в живом мире, что позволяет прибегнуть к аргументированной аналогии.

Обратимся, прежде всего, к тому важному обстоятельству, что по своей химической природе хлорофилл очень близок к пигменту крови гемоглобину, выполняющему дыхательную функцию как переносчик кислорода и частично углекислоты. Данный момент хотелось бы подчеркнуть особо.

В этой связи беру на себя смелость утверждать, что хлорофилл выполняет не приписываемую ему функцию фотосинтеза, а дыхательную функцию растений плюс функцию теплообмена, то есть прямо противоположную той, которую ему отводит теория фотосинтеза. Но есть ли этому иные подтверждения, помимо химического родства гемоглобина и хлорофилла? Для ответа на этот вопрос еще раз обратимся к отношению между хлорофиллом, кислородом и углекислотой.

Примечательным обстоятельством тут является то, что такое же отношение можно видеть и в случае гемоглобина крови. В процессе дыхания гемоглобин (НЬ), присоединяя к себе кислород, превращается в так называемый оксигемоглобин — нестойкое соединение с кислородом:

НЬ + О2 = НЬО2.

В 1892 г. ученик Сеченова Б.Ф. Вериго впервые пришел к выводу, что углекислота способствует вытеснению кислорода из оксигемоглобина.

Позже Бор (1904) окончательно подтвердил этот вывод, получивший название «эффекта Бора-Вериго». Проф. Рубинштейн отмечает в этой связи, что при избытке углекислоты оксигемоглобин легче отдаёт связанный им кислород даже при одном и том же парциальном давлении последнего в окружающей среде1. Было также показано — и этот факт весьма важен для наших рассуждений, — что кислород, химически связанный с кровью, освобождается гораздо легче при повышении температуры.

Если теперь обратиться к опытам по так называемому фотосинтезу и вспомнить, при каких условиях происходит взаимодействие между хлорофиллом, кислородом и углекислым газом, то нетрудно убедиться в том, что при этом имели место процессы, полностью покрываемые «эффектом Бора-Вериго».

Исходя из факта близкого родства хлорофилла и гемоглобина, можно с достаточным основанием утверждать, что во всех опытах по фотосинтезу повышенная концентрация углекислоты, как и в случаях с гемоглобином, так сказать, провоцировала вытеснение кислорода из оксихлорофилла, то есть хлорофилла, насыщенного кислородом. Поскольку этот процесс особенно усиленно проходит на солнечном свету, то и здесь мы видим аналогию с гемоглобином крови, из которого кислород освобождается гораздо легче при повышении температуры.

источник Э.А. Поздняков «Извечные загадки науки» http://predmet.ru/zagadki-nauki.pdf

Tags: Поздняков Э.А., формула, фотосинтез, человек

Ассимиляция углерода зелеными растениями

§ 20. Ассимиляция углерода зелеными растениями

Химический состав разных растений неодинаков, но в сред­нем можно принять, что на долю углерода в нем приходится около 45, кислорода — 42, водорода — 6,5, азота — 1,5% и золы около 5 %. Таким образом, если не считать золы, тело ра­стения, в том числе и дерева, состоит в основном из четырех хи­мических элементов: углерода, кислорода, водорода и азота. Откуда же берутся эти элементы? Кислород и водород расте­ние получает из воды. Об источнике азота будет сказано не­сколько позже. Откуда же берет дерево углерод, составляющий почти половину его сухого веса?

В 1771 г. английский ученый Д. Пристлей проделал свой знаменитый опыт с мышью и веткой зеленого растения. Мышь погибала под стеклянным колпаком. Если, же вместе с нею под колпак помещали ветку зеленого растения (мяты), она остава­лась живой. Д. Пристлей сделал вывод, что зеленые растения «исправляют» воздух, испорченный дыханием животных. Од­нако скоро появились опровержения этого открытия, так как у других ученых получалось, что зеленые растения, как и жи­вотные, не исправляют воздух, а делают его негодным для ды­хания и горения. Возникшее противоречие разрешил в 1779 г. Ян Ингенгуз, установивший, что зеленые растения действи­тельно очищают воздух, но только на свету, где зеленые растения, очищая воздух, поглощают углекислый газ (в этом состоит их воздушное питание) и выделяют кислород. Объемы поглощаемого СО2 и выделяемого О2 равны. Одновременно с уг­лекислым газом растение использует еще и воду. Этот процесс был назван фотосинтезом (от греческих слов фотос — свет и синтезис — образование сложных химических соединений из простых), или ассимиляцией углекислоты. Суммарная реакция фотосинтеза такова:

6CO2 + 6Н2 О → свет С6Н1206 + 602

Как видим, из 6 молекул углекислого газа и 6 молекул воды с поглощением солнечной энергии получается 1 молекула угле­вода и выделяются в атмосферу 6 молекул свободного кисло­рода. Однако в приведенной реакции даны лишь начало и ко­нец процесса. На самом же деле он проходит значительно слож­нее, имеет множество промежуточных этапов, изучение которых продолжается и сейчас. Эта реакция имеет неоценимое значе­ние, так как Жизнь на Земле возможна лишь благодаря фото­синтезу.

При создании каждой молекулы сахара в ней оказывается, законсервированной солнечная энергия, перехваченная зеленым листом. В целом, по подсчетам X. Райнботе , ежегодно ра­стения запасают в процессе фотосинтеза в виде углеводов столько энергии, сколько расходуют ее 100 тыс. больших горо­дов в течение 100 лет.

Рис. 53. Определение фотосин­теза при помощи стеклянной колбы — : 1 — колба; 2 — термометр; 3 — пробка

Все запасы на Земле каменного угля, торфа, нефти, горючих сланцев представляют собой законсервированную солнечную энергию, полученную в процессе фотосинтеза растений, живших на Земле очень давно. Великий русский ученый ­зев отметил, что зеленое растение — промежуточное звено между животным (в том числе и человеком) и Солнцем, и его роль действительно является космической. Он писал, что пища служит источником силы в нашем организме потому только, что она не что иное, как консервы солнечных лучей.

Как же можно обнаружить, а еще лучше измерить фотосин­тез дерева или хотя бы его части — отдельной ветки, листа? Очень часто учитывают количество СО2, поглощенное расте­нием из воздуха, где содержание углекислого газа составляет всего лишь 0,03 % по объему, или 3 части на 10 тыс. частей воздуха.

Стеклянную колбу (способ предложен и ; емкостью около 3 л надевают на ветку дерева при помощи разрезной пробки, герметически закрывающей входное отверстие (рис. 53). Колбу оставляют на 20 мин, не более, иначе в ней будет поглощена веткой вся углекислота и фо­тосинтез остановится. После этого колбу быстро снимают с ветки и тут же в нее наливают определенное количество едкой щелочи, обычно так называе­мой баритовой воды — Ba(OH)2. Щелочь жадно поглощает всю оставшуюся в колбе CO2, которую не успело усвоить растение. Для определения этой вели­чины щелочь из колбы титруют, т. е. приливают к ней по каплям щавелевую кислоту до наступления между кислотой и щелочью химического равновесия. Если пустую колбу выдержать несколько минут на воздухе рядом с опытной веткой, а затем проделать с ней то же, что и с первой колбой, то это покажет общее количество СО2 в колбе в начале опыта. Отняв от этой величины пер­вую, получают количество СО2, поглощенное веткой дерева. Далее определяют площадь листьев опытной ветки. Интенсивность фотосинтеаа выражают в мг СО2, усвоенных 1 дм2 поверхности листьев в течение 1 ч (мг./дм2 • ч).

У хвойных, особенно, например, у ели, площадь хвоинок определил трудно, тогда берут вес хвои (сухой или сырой) и выражают фотосинтез в мг С02 на 1 г хвои в 1 ч.

Основные органы фотосинтеза — листья (хвоя). Фотосинтез идет и в молодых, еще зеленых побегах, содержащих хлоропласты, но слабее, чем в листьях. Как уже отмечалось, фото­синтез происходит в зеленых пластидах — хлоропластах, имею­щих очень сложное строение. В хлоропластах содержится зе­леный пигмент хлорофилл, заключенный в особые частицы — граны, погруженные в бесцветную основу хлоропласта — строму, состоящую из белков. При погружении зеленых листьев в спирт, бензин или эфир хлорофилл легко переходит в раствор, кото­рый при этом зеленеет, а листья обесцвечиваются. Перейдя из листа в спирт, хлорофилл теряет способность к фотосинтезу, ко­торый происходит лишь при тесном взаимодействии хлорофилла с белковыми веществами стромы хлоропласта. Кроме того, даже при малейшем нарушении структуры хлоропласта (например, если слегка прокатить по зеленому листу растения стеклянной палочкой) фотосинтез также прекращается. Все это показы­вает, насколько сложно устроен хлоропласт.

Хлорофилл состоит из сложного эфира дикарбоновой кис­лоты и 2 спиртов — метилового и высокомолекулярного непре­дельного спирта фитола. Этот зеленый — пигмент представлен в листе двумя разновидностями: хлорофиллом «a» (C55Н72O5N4Mg) и хлорофиллом «б» (C55Н70O6N4Mg). Кроме того, в листьях растений имеется еще оранжевый пигмент каротин (С40Н56), содержащийся также в изобилии в оранжево-красных корнеплодах моркови (латинское название которой даукус карота и дало название пигменту), и желтый пигмент ксантофилл (С40Н56O2).

Главную роль в процессе фотосинтеза играет хлорофилл. Он поглощает солнечные лучи и направляет их энергию на вос­становление СО2 до углеводов, причем различные лучи сол­нечного света поглощаются хлорофиллом неодинаково. Это хорошо видно, если пропустить луч света через раствор хлоро­филла в спирте, а затем через стеклянную призму спектро­скопа. Солнечный свет состоит из семи лучей, видимых нашим глазом (красных, оранжевых, желтых, зеленых, голубых, си­них и фиолетовых). Общая картина поглощения различных лучей хлорофиллом называется его спектром. Наиболее ин­тенсивно хлорофилл поглощает часть красных лучей с длиной волны 650—680 нанометров (нанометр — одна миллиардная доля метра) и сине-фиолетовые с длиной волны около 470 нано­метров. Зеленые лучи почти полностью отражаются хлорофил­лом, что и придает ему изумрудно-зеленую окраску.

Для образования хлорофилла нужны определенные условия. Одно из них — свет. Клубни картофеля, хранящегося в темном подвале, образуют слабые, бледные, сильно вытянутые побеги. Такие растения называют этиолированными. При выставлении на свет они быстро зеленеют. Следующим необходимым усло­вием для образования хлорофилла является наличие в почве со­лей железа. На щелочных почвах эти соли переходят в нераство­римую форму и становятся недоступными для корней растения. Хотя они при этом и не вытягиваются, но выглядят такими же бледными, как и при этиоляции. Такое явление получило назва­ние хлороза. На основании этого долгое время считали, что железо входит в состав хлорофилла. Как мы теперь знаем, это не так, но железо принимает активное участие в синтезе хлоро­филла как катализатор, хотя количество его ничтожно. Так, если на бледном листе хлоротического растения нанести цара­пину гвоздем, то она сразу же позеленеет, остальные же участки листа останутся такими же бледными, как и были. Поздней холодной весной можно наблюдать желтую, долго не зе­ленеющую молодую траву. Образование хлорофилла в ней задерживается низкой температурой.

Солнечный свет, попадая на молекулу хлорофилла, приво­дит ее в возбужденное состояние, в результате чего образуется аденозитрифосфорная кислота (АТФ)—универсальный источ­ник энергии в клетке. впервые доказал, что фотосинтез наиболее интенсивно идет в лучах, наиболее ак­тивно поглощаемых хлорофиллом, т. е. в красных и сине-фио­летовых.

Лист растения по внешнему строению и внутренней струк­туре является органом, специально приспособленным для фотосинтеза. Он имеет вид тонкой пластинки, хорошо улавли­вающей свет, состоит из мякоти, пронизанной густой сетью жи­лок. С поверхности листа легко сдирается кожица, покрываю­щая, как отмечалось, лист одним слоем клеток и несущая на себе жировую пленку — кутикулу. Густо разветвленная сеть жилок хорошо снабжает каждый участок листа водой, посту­пающей сюда из почвы по черешку, стволу и корням. По жил­кам же оттекают в ствол образующиеся в листе сахара. Эти два встречных потока передвигаются по разным частям жилки (ксилеме и флоэме), не мешая друг другу. Кожица листа со­вершенно прозрачна и через нее в лист легко проходит свет.

Как уже отмечалось, одним из конечных продуктов фото­синтеза является сахар — глюкоза, другим — кислород. Сахар, накопившийся в течение дня, ночью оттекает из листа. Днем тоже происходит отток, но более слабый, и обычно часть обра­зовавшегося сахара, чтобы не мешать дальнейшему процессу фотосинтеза, здесь же, в листе, выводится из реакции, превра­щаясь в крахмал. Это первый видимый продукт фотосинтеза, который легко обнаружить в листе действием йода, от которого крахмал синеет.

Взрослое дерево в почве ветвится многочисленными корнями, следуя за влагой и растворенными в ней питательными минеральными солями. Верхняя часть дерева — крона, несущая листья или хвою, устремляется навстречу солнечному свету. Листья на дереве располагаются в виде так называемой листовой мозаики. Это значит, что каждый лист не затеняет соседние или находящиеся непосредственно под ним.

Казалось бы, раз растения так стремятся за светом, то наилучшего своего развития они должны достичь при максимальном освещении. На самом деле это не так, все обстоит гораздо сложнее. Для фотосинтеза и общего развития разным растениям требуется различное количество солнечного света. Особенно велико это различие у травянистых растений. Например, известный степной сорняк подсвекольник, или щирица, может расти только на совершенно откры­тых местах и даже малейшее затенение заметно подавляет его развитие. Такие растения называются светолюбивыми. В то же время часто встречаю­щийся в лиственных лесах дубровник не переносит открытых мест и наилуч­шего своего развития достигает при значительном затенении, когда щирица уже почти отмирает от недостатка света. Такие виды, как дубровник, назы­вают тенелюбивыми. Конечно, эти два растения представляют собой две противоположности по отношению к свету. Между ними находятся виды, занимающие промежуточное положение, способные переносить большую или меньшую степень затенения. Такие растения называются теневыносли­выми.

Если говорить только о древесных растениях, то среди них нет крайних тенелюбов, вроде дубровника, и их можно разбить на две категории: свето­любивые и теневыносливые. Однако есть очень светолюбивые деревья и крайне теневыносливые, а между ними — промежуточные виды. Все они отличаются друг от друга мерой (степенью) свотолюбия или теневыносливости. Для опре­деления степени светолюбия немецкий ученый И. Визнер поступал следующим образом. Он находил наиболее затененный участок, где еще встречался дан­ный вид растения, измерял освещенность в полдень и сравнивал ее с осве­щенностью на совершенно открытом месте, принятой за единицу. Получалась дробь, показывающая, какой частью полного солнечного освещения может довольствоваться данный вид: чем меньше дробь, тем более теневыносливым является растение, и наоборот. По И. Визнеру, наши наиболее распростра­ненные древесные породы могут существовать при следующих степенях ос­вещенности (в долях от полного солнечного света):

Лиственница..1/5

Берёза……….1/7

Сосна…………1/9

Дуб…………..1/25

Ель……………1/28

Клен………….1/55

Бук……………1/60

Самшит………..1/100

Лиственница..1/5

Берёза……….1/7

Сосна…………1/9

Дуб…1/25

ель….1/28 клен…1/55 бук….1/60

самшит1/100

Полученный ряд представляет собой шкалу светолюбия группы древесных пород, в начале которой стоят самые светолюбивые, в конце — наиболее теневыносливые. Эта шкала может быть и более полной, включающей большее число видов, но принцип построения ее остается тем же. В приведенной шкале самшит оказался в 20 раз теневыносливее лиственницы, а лиственница со­ответственно в 20 раз светолюбивее самшита. Но это еще не предел тене­выносливости зеленых растений. Так, водоросли, живущие в почве на глубине до 10 см, могут довольствоваться 1/2500 частью света.

Для измерения интенсивности света И. Визнер пользовался фотографической бумагой, которую выставлял на свет и по скорости ее потемнения (замеченной по секундомеру) судил об относительной освещенности данного места. Если, к примеру, на открытой поляне бумага темнела в течение 1 мин, а под пологом соседнего леса для этого требовалось 2 мин, то можно было принять освещенность под пологом равной половине освещенности на откры­том месте. Сейчас освещенность измеряется более точно специальными прибо­рами (люксметрами и др.).

Светолюбивые и теневыносливые деревья отличаются внешне. Светолю­бивые виды имеют резкую крону, стволы их быстро очищаются от нижних сучьев, которые отмирают вследствие светового голодания. Такова листвен­ница, крона которой со всех сторон так пронизана светом, что он достигает каждой отдельной хвоинки. Белоствольная береза, кажется, сама излучает свет, отражая его стволом и ветвями. Крона ее также редкая, и свет прони­кает ко всем листьям. Под пологом лиственничного и березового леса остается еще достаточно света для образования густого травянистого напочвенного покрова.

Теневыносливые породы имеют густые пирамидальные кроны с нижними ветвями, спускающимися почти до поверхности почвы. Часто в таких насаж­дениях почти нет травяного напочвенного покрова. Под пологом леса из таких пород царит полумрак. Таковы еловые, пихтовые и буковые леса.

Интенсивность света неодинакова даже в различных частях одного и того же дерева. С наружной стороны кроны света больше, чем с внутренней. По­этому и листья снаружи и внутри кроны существенно отличаются по анатоми­ческому строению. В первом случае развивается так называемый световой тип листа, во втором — теневой. Главное отличие этих листьев состоит в том что в световом листе сильнее развита столбчатая ткань, лучше приспособлен­ная для использования прямых солнечных лучей. Она располагается в 2, иногда даже и в 3 слоя. В теневом листе столбчатой ткани всего 1 ряд (не­редко она отсутствует), зато гораздо мощнее губчатая ткань (см. рис. 47), полнее улавливающая рассеянный свет, господствующий внутри кроны. Этому же способствуют большое количество хлорофилла и более крупные хлоропласты в листьях теневыносливых пород (бук, тис), по сравнению со свето­любивыми (лиственница, акация белая).

Как же идет фотосинтез у светолюбивых и теневыносливых пород при различной степени освещенности? Это очень. наглядно показал (см. табл.). Из данных таблицы видно, что у лиственных пород фотосинтез идет интенсивнее, чем у хвойных, при всех степенях освещения, хотя из хвой­ных лиственница ассимилирует почти так же, как лиственные, а из листвен­ных дуб так же слабо, как и хвойные. Более высокий фотосинтез у лиственных связан со структурой плоского листа, лучше приспособленного к ассимиляций (плоская пластинка, лучше улавливающая свет, хорошо развитая столбчатая ткань и др.). Среди хвойных наиболее интенсивно ассимилирует пихта, ель отличается слабым фотосинтезом при любой интенсивности света. Из листвен­ных наибольший фотосинтез у липы и наименьший у дуба. Таблица показы­вает также, что теневыносливые породы наиболее заметно отличаются от све­толюбивых при слабом освещении, когда первые ассимилируют энергичнее. При дальнейшем увеличении света (до 30 %) .различия в фотосинтезе у свето­любивых и теневыносливых пород уменьшаются. Наконец, при приближении к полному солнечному освещению фотосинтез у светолюбивых пород (осо­бенно хвойных) становится выше, чем у теневыносливых.

Влияние степени освещенности на интенсивность фотосинтеза (мгС09 на 1 г сырого веса листа или хвои за 1 ч)

Породы

Освещенность, % от полного солнечного

Хвойные светолюбивые:

сосна

—0,08

2,4

3,3-

лиственница

—0,06

3,1

4,4

Хвойные теневыносливые:

ель

0,06

1,6

1,7

пихта

0,13

3,4

2,6

Лиственные светолюбивые:

дуб

—0,12

2,5

4,1

ива

0,03

4,2

8,0

береза

0,18

6,0

9,4

Лиственные теневыносливые:

клен

0,54

4,9

5,0

липа

0,69

6,3

8,3

Примечание: Знак минус перед цифрой означает, что при этом на­блюдалось не поглощение, а выделение СО2 за счет дыхания.

Более слабый фотосинтез у хвойных компенсируется более длительным периодом их ассимиляционной деятельности (неопадающая хвоя) приблизи­тельно на 3 мес., и поэтому общая продуктивность у хвойных и лиственных оказывается примерно равной.

Познакомившись коротко с влиянием света на фотосинтез, посмотрим теперь, как связан этот процесс с содержанием в атмосфере углекислоты — основного «сырья» для построения тела дерева. Ивестно, что воздух содержит всего лишь 0,03 % углекислого газа, или 3 части на 10 тыс. частей воздуха. В процессе эволюции растения приспособились усваивать углекислый газ даже при таком его содержании в воздухе. Лист дерева является очень эффектив­ным органом и для поглощения углекислого газа. Углекислый газ поступает в лист через устьичные щели. Хотя площадь всех устьичных щелей состав­ляет всего лишь 1 % площади листа, углекислый газ устремляется в них с очень большой скоростью.

Несмотря на все это, увеличение содержания СО2 в воздухе в 10 раз (с 0,03 до 0,3 %) усиливает фотосинтез хвои сосны. Это свойство использу­ется при выращивании растений в оранжереях, теплицах, а также в открытом грунте. Углекислый газ можно подводить по трубам от близлежащих про­мышленных предприятий, выбрасывающих огромные количества его в воздух. При этом следует предварительно очистить промышленную углекислоту от содержащихся в ней вредных примесей (сернистого газа и др.). Успешный рост растений в парниках зависит не только от повышения температуры, но и от обильного питания углекислотой, выделяемой разлагающимся навозом. Следует помнить, что слишком высокая концентрация СО2 (1—2 % и выше) вредна не только для человека, но и для растений. Надо также иметь в виду, что максимального эффекта от подкормки углекислотой можно добиться лишь при достаточном освещении. Это особенно важно учитывать в теплицах и оранжереях, где нередко не хватает света.

В лесу почва постоянно выделяет СО2 в процессе разложения органиче­ских веществ различными микроорганизмами (дыхание почвы). Вследствие » этого в нижних слоях воздуха содержание СО2 может быть выше обычного (до 0,08 %). Это помогает выживать в таких условиях теневыносливым расте­ниям, компенсируя до некоторой степени острый недостаток света, который они испытывают. В более высоких слоях воздуха (в зоне крон деревьев) в летние дни наблюдается снижение СО2 (до 0,02 % и менее) вследствие интенсивного поглощения его в процессе фотосинтеза. Ночью эта убыль вновь пополняется, так как фотосинтез прекращается, а идет только дыхание почвы и деревьев, сопровождающееся выделением углекислого газа в воздух.

Суточный ход фотосинтеза можно выразить в виде кривой. Начинаясь с восходом солнца, фотосинтез обычно достигает максимума в утренние или околополуденные часы, в полдень он падает вследствие перегрева листа и переполнения его крахмалом. У молодых деревьев (в стадии жердняка) фото­синтез идет наиболее интенсивно. Этот период обычно совпадает и с наилуч­шим ростом дерева. У стареющего дерева фотосинтез, а вместе с ним и нара­стание органической массы (прирост) постепенно снижаются.

Как же связан фотосинтез с накоплением (приростом) орга­нического вещества, а значит, и с урожаем? Поскольку фотосин­тез — единственный процесс, создающий органическое веще­ство (более 90% сухого веса дерева), казалось бы, прирост и урожай должны находиться в прямой зависимости от фотосин­теза. На самом же деле все обстоит сложнее. Прежде всего, в дереве одновременно с фотосинтезом идет противоположный процесс — дыхание, заключающееся в расходе органического вещества. Поэтому в простейшем случае прирост и урожай представляют собою разницу между фотосинтезом и дыханием. Кроме того, сам прирост органического вещества в дереве де­лится на основной — прирост наиболее ценной части дерева, ствола, и прирост других частей (листьев, хвои, ветвей, почек, цветков, плодов и пр.), на создание которых тратится органиче­ское вещество, но они не входят в хозяйственно ценную часть лесного дерева,

Интенсивность фотосинтеза в природных условиях меняется мало. Наибольшей она бывает у растений в крайних условиях существования (в пустынях, горах и т. д.). Поэтому прирост и урожай дерева создаются не за счет интенсивности фотосинтеза, а за счет его рабочей площади. На первый взгляд за эту ве­личину надо принять поверхность всех листьев (или хвои) де­рева. На самом же деле многие листья (нижние, находящиеся в глубине кроны ближе к стволу) не только не дают прибыли, но часто сами являются потребителями органических веществ, так как их ассимиляция не покрывает даже расходов на соб­ственное дыхание. Вследствие этого рабочая поверхность фото­синтеза у дерева обычно бывает меньше листовой.

Действительное рабочее время фотосинтеза также оказывается меньше возможного, за которое иногда принимают весь световой день. В течение дня лист не всегда работает с накоп­лением органического вещества. В жаркие летние дни, осо­бенно в полдень, листья часто вместо поглощения начинают выделять углекислоту (так же, как это бывает при недостатке света). Дождливое время тоже следует вычесть из общего ра­бочего времени, сюда же надо отнести весь период с темпера­турой воздуха ниже —6°С.

Дыхание дерева слагается из средней интенсивности дыха­ния, массы дышащих частей и времени дыхания. Следует отме­тить, что масса дышащих частей и время дыхания во много раз превышают соответствующие величины для фотосинтеза. Ведь фотосинтез происходит только днем и только в листьях или хвое, да и то, как мы видели, не во всех. Дыхание же идет непрерывно во всех живых клетках каждой части дерева: листьях, хвое, ветвях, стволе и корнях.

Отсюда становится очевидным, что для накопления органи­ческого вещества в дереве фотосинтез должен в несколько раз превышать дыхание. Величина же затрат на дыхание значи­тельна и составляет. 20—30 и даже 50 % общего количества органических веществ, созданных за счет фотосинтеза.

На этом основании некоторые ученые считают, что прирост и урожай органического вещества в дереве легче увеличить мерами, ограничивающими дыхание, чем мерами, стимулирую­щими фотосинтез. К сожалению, пока нет мер, которые смогли бы ограничить дыхание, по крайней мере в лесу. В теплицах же и оранжереях при подкормке растений углекислотой не только увеличивается интенсивность фотосинтеза, но одновре­менно и снижается дыхание, так как углекислый газ, являясь продуктом дыхания, задерживает этот процесс.

Глобальный круговорот углерода

Скотт Стеггенборг, Университет штата Канзас, США

Углерод — основной структурный элемент всего живого. Углерод присутствует в атмосфере, тканях растений и животных, неживом органическом веществе, ископаемом топливе, камнях, он растворен в водах океана. В росте растений, да и вообще в нашей жизни его присутствие занимает не последнее место. Все начинается с корня, а если он растет в почве с недостатком углерода, то ситуацию надо брать под особый контроль, иначе… На количество углерода в почве влияет все, даже обработка почвы.

Почвенный органический углерод

Переход молекул углерода из одной формы в другую известен как круговорот углерода (рис. 1). Растения получают из атмосферы углерод, который участвует в процессе фотосинтеза. Используя энергию солнца и углекислый газ (СО2) из атмосферы, растения преобразуют СО2 в органический углерод, что способствует росту стеблей, листьев и корней. Результатом жизненного цикла и гибели растений является накопление и разложение растительной ткани как на поверхности почвы, так и под ней (корни растений) и производство значительного количества почвенного органического углерода.

Почвы отличаются по количеству содержания в них почвенного органического углерода, спектр варьирования: от менее 1% в песчаных почвах до более 20% в заболоченных почвах. Естественный уровень содержания почвенного органического углерода в почвах Канзаса варьирует в пределах 1-4%. Сегодня в большинстве обрабатываемых земель Канзаса уровень содержания органического углерода составляет 0,5-2%.

Рис.1.Современный круговорот углерода. Все показатели выражены в гигатоннах и гигатоннах в год.

В Канзасе степные травы способствовали формированию толстого плодородного слоя почвы. Корни этих и других видов злаковых волокнистые. Они могут проникать на большую глубину, производя значительную часть своей биомассы под землей. Следовательно, высокий уровень органического углерода в почвах под естественными лугами встречается на глубине до нескольких сантиметров. Черный цвет, который ассоциируется с плодородием почвы — это показатель содержания органического углерода. По мере того как содержание органического углерода снижается, цвет почвы становится более светлым и отражает ее минеральный состав. Так, красный цвет почв на юго-востоке Канзаса и северо-востоке Оклахомы является индикатором более высокой концентрации железа и более низкого содержания почвенного углерода. В почвах, которые формируются под лесами, высокий уровень почвенного органического углерода, как правило, наблюдается в верхнем слое, в более глубоких слоях этот уровень ниже. Такое отличие обусловлено, прежде всего, накоплением опавших листьев, а также веток кустарников и деревьев на поверхности почвы.

Атмосферный углерод

Используя данные, полученные в результате исследования ледяного керна, а также данные, накопленные в ходе продолжительного отслеживания уровня содержания СО2 в атмосфере, ученые обнаружили существенные колебания уровня содержания его в атмосфере в течение 200 000 лет. В последние 1000 лет атмосферное содержание СО2 существенно возросло (рис. 2). В наши дни (2000 г.) уровень содержания СО2 составляет приблизительно 369 мг/л, и этот показатель выше, чем когда-либо в последнее тысячелетие. Что еще самое важное: такие беспрецедентные темпы роста настолько велики, что экосистема может оказаться неспособной адаптироваться к ним. Подобное повышение содержания СО2 объясняется расширением использования ископаемого топлива, расчисткой земель и изменениями в землепользовании, что наблюдается по всему миру. Наиболее существенный фактор, который обуславливает повышение содержания СО2 в атмосфере — это использование ископаемого топлива. При существующих темпах этого процесса, составляющих 1 трлн. кг, запасы ископаемого топлива будут исчерпаны в ближайшие 300-400 лет. По мере роста использования ископаемого топлива углерод, который был вне круговорота миллионы лет, поступает непосредственно в атмосферу. Со временем атмосферный углерод снова преобразуется в органический углерод или же попадет в океан — и будет достигнут новый баланс, но этот процесс может занять тысячи лет. В ближайшее время «новый» углерод будет оставаться в атмосфере в виде СО2. На основании современных атмосферных моделей можно сделать вывод, что полное использование запасов ископаемого топлива приведет к возрастанию концентрации атмосферного СО2 до пикового показателя, составляющего около 1 200 мг/л. Некоторые ученые считают, что эти концентрации будут еще выше. Такой рост уровня содержания СО2 заставил многих ученых предположить, что средние глобальные температуры начнут увеличиваться. В массовой прессе данный процесс называют глобальным потеплением. Так называемые парниковые газы — СО2, метан (СН4) и окись азота (N2O), которые содержаться в атмосфере, способствуют удержанию тепла, которое, как правило, отражается от поверхности земли. При более высокой концентрации этих газов тепло может не отдаваться, результатом чего является повышение глобальных температур. На настоящий момент изменения глобальных температур не существенны и не наблюдается никаких определенных тенденций к этому, но изменения уровня содержания СО2 полностью документально подтверждены и признаются большинством ученых.

Управление углеродом

Что можно сделать, чтобы замедлить процесс увеличения содержания СО2? Если мы задумаемся об источниках, из которых поступает СО2, и о том, куда он девается потом, наиболее очевидным решением будет сокращение его поступления путем снижения использования ископаемого топлива. Это уменьшит попадание СО2 в атмосферу. Со временем потребуются более эффективные и экологически чистые источники энергии, но текущие экономические аспекты использования ископаемого топлива ограничивают внедрение и развитие альтернативных источников. В будущем, когда мы разработаем технологии альтернативной энергии, массовое использование стоков углерода, возможно, поможет стабилизировать уровень содержания СО2 в атмосфере. Описание мировых резервов углерода (рис. 1) демонстрирует, что скопления углерода в глубинах океана — основной резерв, но его изменения могут занять миллионы лет. Помимо этого, наши возможности управлять этим резервом ограничены. Следующий по размерам резерв — почвенный органический углерод. Количество почвенного органического углерода в два раза превышает количество углерода, содержащегося в растительной биомассе (растения, деревья, сельскохозяйственные культуры, травы и т.д.). Одним из способов стабилизации атмосферного углерода могло бы быть внедрение по всему миру технологий, которые способствуют увеличению содержания почвенного углерода. Сколько углерода может удерживаться в почве Канзаса? Вопрос прост, но на него нет простого ответа. Потенциал накопления для этого вида почвы зависит от уровня содержания почвенного углерода на данный момент, концентрации СО2 в атмосфере и применяемых агротехнических приемов. Во многих почвах Канзаса результатом значительных потерь верхнего слоя, обусловленных эрозией и проведением многочисленных механических обработок, стало сокращение уровня содержания углерода более чем в два раза по сравнению с исходными показателями. При правильном управлении содержание органического углерода во многих почвах можно повысить. Потери почвенного углерода, которые произошли в первой половине ХХ столетия, были частично компенсированы во второй половине с усовершенствованием сберегающих технологий и интенсификацией систем земледелия (рис. 3). Правильное внесение удобрений и возделывание улучшенных гибридов и сортов также сыграли свою роль в накоплении почвенного органического углерода. Более высокая урожайность и интенсивность возделывания способствуют увеличению объема биомассы, которая проникает в почву, обеспечивая поступление большего объема материала, который может быть преобразован в почвенный углерод. На рис. 3 отображены прогнозы по уровням содержания почвенного углерода в зависимости от уровня использования технологии no-till на 1990 год. В почвах, которые обрабатываются по технологии no-till и на которых используются интенсифицированные системы возделывания, содержание почвенного углерода может увеличиваться на 1% в год. В настоящее время в штате Канзас с применением технологии no-till обрабатывается 10% сельскохозяйственных земель (общая площадь 8,2 млн. га), и на этих площадях дополнительно должно секвестрироваться 19 000 т углерода в год. При расширении использования технологии no-till и использования интенсифицированных систем возделывания углерод секвестрировался бы в больших объемах. В мире не существует потенциальной возможности использовать почву в качестве стока углерода, этот вариант остается кратковременным решением. Через какой-то период времени, возможно, через 30-50 лет, будет достигнут новый уровень баланса почвенного СО2, при котором будет сложно достигнуть дальнейшего накопления углерода. Более долгосрочным решением для стабилизации уровня атмосферного СО2 может стать снижение нашей зависимости от ископаемого топлива для получения энергии.

Секвестрация углерода: 9 наиболее задаваемых вопросов

1. Что подразумевается под секвестрацией углерода?

Секвестрация углерода — это, как правило, процесс трансформации углерода в воздухе (углекислый газ или ТО2) в почвенный углерод. Углекислый газ поглощается растениями в процессе фотосинтеза, а также впитывается живыми растениями. Когда растение отмирает, углерод, находившийся в листьях, стебле, а также корнях, попадает в почву и становится почвенным органическим веществом.

2. Как секвестрация углерода может помочь избавиться от проблемы глобального потепления?

Атмосферный углекислый газ и другие газы, вызывающие парниковый эффект, являются ловушкой для тепла, которое отходит от поверхности земли. Это накопление тепла может привести к глобальному потеплению. Посредством секвестрации углерода уровень атмосферного углекислого газа снижается, а уровень почвенных органических веществ повышается. Если почвенный органический углерод не трогать, он может оставаться в земле многие годы как стабильное органическое вещество. Этот углерод секвестрируется позже или перемещается в хранилища, чтобы стать доступным для рециркулирования в атмосферу. Данный процесс снижает уровень СО2, а также возможность глобального потепления.

3. Какое воздействие секвестрация углерода может оказывать на газы, вызывающие парниковый эффект?

Было установлено, что сократить выбросы СО2 на 20% и более можно путем сельскохозяйственной почвенной секвестрации углерода.

4. Что сельхозпроизводители могут предпринять, чтобы повысить уровень секвестрации углерода?

Существует несколько способов достичь этого:

— no-till или минимальная обработка почвы;

— интенсивное повышение севооборотов и исключение летнего пара;

— буферные зоны;

— мероприятия по охране природы, которые будут способствовать снижению эрозии;

— использование культур, дающих много остатков (кукуруза, сорго обыкновенное, а также пшеница);

— использование покровных культур;

— выбор таких видов и гибридов, которые сохраняют больше углерода.

5. Что могут сделать фермеры для повышения секвестрации углерода?

Фермеры могут повысить секвестрацию углерода посредством:

— улучшения качества фуража;

— сохранения достаточного количества пожнивных остатков;

— сокращения чрезмерного выпаса.

6. Получат ли сельскохозяйственные работники вознаграждение за секвестрацию углерода?

Возможно, будет налажена коммерческая система предоставления кредитов фермерам, повышающим секвестрацию углерода. Также возможно, что правительство будет применять некоторые меры поощрения для производителей, чтобы стимулировать секвестрацию углерода. Но даже если бы не было никаких выплат, сельхозпроизводители увидели бы положительный эффект от внедрения методов повышения почвенных органических веществ:

— улучшение структуры и качества почвы;

— повышение плодородности почвы путем увеличения органических веществ;

— сокращение эрозии вследствие улучшения структуры почвы;

— улучшение качества воды из-за снижения эрозии.

7. Что такое почвенные органические вещества, откуда они берутся и куда уходят?

Почвенные органические вещества состоят из перегнивших растений и животных отходов. Они позволяют соединять почвенные минеральные частицы в комочки, которые называются почвенными агрегатами. Повышение уровней почвенных органических веществ ведет к установлению более стабильных почвенных агрегатов, более устойчивых к ветровой эрозии, лучшей инфильтрации и аэрации, снижению вероятности уплотнений, а также повышению плодородности. Органические вещества помогают содержать почвенные питательные вещества вместе, таким образом, они не вымываются и не выщелачиваются. Если их не трогать, почвенные органические вещества могут перерасти в гумус — очень стабильную форму органического вещества. Тем не менее, если почва обрабатывается, почвенные органические вещества будут окисляться, и углерод растворится в атмосфере как СО2. Если почва эродируется, почвенные органические вещества будут вымываться водой.

8. Что влияет на уровень почвенных органических веществ?

Природные уровни почвенных органических веществ для любого определенного места в большинстве случаев определяются географической широтой, а также ежегодным уровнем выпадения осадков. Природные уровни почвенных органических веществ будут повышаться при передвижении с севера на юг от экватора. На Великих Равнинах уровень органических веществ растет от запада к востоку с учетом количества выпавших осадков. Управление может изменить уровень почвенных органических веществ. В общем, с повышением интенсивности возделывания культур повышается уровень почвенных органических веществ. С увеличением частоты использования механической обработки почвы уровень почвенных органических веществ снижается. Для производителей из Канзаса использование технологии no-till и отказ от пара предоставили самый большой потенциал в достижении этой цели.

9. Что делает штат Канзас, чтобы увеличить секвестрацию углерода?

Ученые из штата Канзас работают над созданием лучших управленческих методов, которые будут способствовать повышению секвестрации углерода. Чтобы проверить результаты механической обработки почвы, различных севооборотов, методов сбережения почвы и методов управления почвенным углеродом, проводятся исследования.

Улавливание и хранение — Carbon capture and storage

Схема , показывающая как наземные , так и геологической секвестрации выбросов двуокиси углерода из биомассы или ископаемого топлива электростанции

Улавливания и хранения углерода ( CCS ) (или улавливания и связывания углерода или углерода контроль и секвестрации ) представляет собой процесс захвата отходов диоксида углерода (СО 2 ) из крупных точечных источников , таких как биомасса или ископаемого топлива электростанций , транспортировки его к хранению сайт и сдачи его там , где он не будет попадать в атмосферу, как правило , является подземной геологической формации . Цель состоит в том, чтобы предотвратить выделение больших количеств CO 2 в атмосферу (от использования ископаемого топлива в энергетике и других отраслях промышленности). Это является потенциальным средством смягчения вклада выбросов ископаемого топлива для глобального потепления и подкисления океана . Несмотря на то, СО 2 был введен в геологические формации в течение нескольких десятилетий для различных целей, в том числе повышения нефтеотдачи , длительный срок хранения СО 2 является относительно новой концепцией. Первый коммерческий образец был Двуокись углерода проекта Weyburn-Мидейл в 2000 Другим примером является SaskPower в Boundary Dam . «CCS» также может быть использован для описания вычищение СО 2 из окружающего воздуха в качестве климат — инженерной техники.

CCS применяется к современной обычной электростанции может уменьшить CO 2 выбросов в атмосферу примерно на 80-90% по сравнению с растением без CCS. МГЭИК считает , что экономический потенциал CCS может составлять от 10% до 55% от общих усилий по сокращению выбросов углерода до 2100 года.

Углекислый газ может быть захвачен из воздуха или ископаемого топлива электростанции дымовых газов с использованием адсорбции (или углерода промывки ), мембранного разделения газов, или адсорбционных технологий. Амины являются передовыми технологиями углерод скребущими. Однако захват и сжатие CO 2 и другие системные затраты оцениваются увеличить стоимость за ватт-час энергии , произведенной на 21-91% на ископаемом топливе электростанций; и применение технологии для существующих установок будет более дорогим, особенно если они находятся далеко от секвестра сайта. Суд над биоэнергией с захватом и хранением углерода (BECCS) при дровяном блоке в электростанции Drax в Великобритании начался в 2019 году: в случае успеха это может удалить небольшое количество CO 2 из атмосферы.

Хранение СО 2 предусматривается либо в глубоких геологических формациях, или в виде минеральных карбонатов . Глубокое хранение в океане в настоящее время не считается возможным за счет соответствующего эффекта подкисления океана . Геологические образования в настоящее время считаются наиболее перспективными участками секвестрации. Национальная лаборатория энергетических технологий (NETL) сообщила , что Северная Америка имеет достаточную емкость для хранения более 900 лет стоят углекислого газа при нынешних темпах добычи. Общая проблема заключается в том , что долгосрочные прогнозы о подводной лодке или подземной безопасности хранения очень сложные и неопределенные, и есть еще риск того, что CO 2 может произойти утечка в атмосферу.

CCS тесно связана с пирогенного улавливания и хранения углерода (PyCCS).

Зелёная лаборатория. Чем питаются растения?

Ива физика Ван-Гельмонта
В Америке растут обширные леса секвойи. Секвойя — великан растительного мира. Под ее кроной могла бы свободно разместиться любая из кремлевских башен. Рассказывают, будто из балок и досок, напиленных из одной особенно крупной секвойи, был некогда построен целый корабль. Так велико это дерево!
А семена у него совсем крохотные — со спичечную головку. Чтоб вырасти в гиганта, секвойя должна взять огромное количество материалов со стороны. Откуда же она их берет?
Дерево не может сорваться с места и отправиться искать для себя пищу. Оно берет только ту пищу, что находится поблизости, или ту, что сама набежит на него.
А в лесу в тесной близости друг к другу растут еще тысячи таких же гигантов. И лес стоит на одном месте сотни лет. Какая же уйма пищи с одного и того же пространства требуется, чтобы прокормиться целому лесу секвойи! Да притом в течение сотен лет! Очевидно, запасы этой пищи вокруг должны быть совершенно неистощимы.
Какая же это пища? И как добывает ее растение?
В старые времена ученые считали, что растения берут пищу только из земли, и притом в совершенно готовом виде.
Но уже триста лет назад это учение было опрокинуто голландским физиком Ван-Гельмонтом.
Ван-Гельмонт посадил в большой горшок побег ивы. Землю, перед тем как насыпать в горшок, он высушил в печке и отвесил для опыта ровно 200 фунтов (80 килограммов). Иву тоже взвесил — в ней было 5 фунтов.
Чтобы в землю случайно не попали посторонние примеси, горшок был прикрыт крышкой. Земля поливалась только дождевой или перегнанной водой.
Ива хорошо разрослась. Через пять лет Ван-Гельмонт вытащил ее из горшка и взвесил — она прибыла в весе на 164 фунта. Сколько же ива «съела» земли? Чтобы узнать это, очевидно, надо было снова высушить землю и проверить ее вес. Когда Ван-Гельмонт проделал это, он был поражен: земли в горшке по прежнему было 200 фунтов, нехватало лишь 2 унций (около 60 граммов).
Значит, растение питалось не землей. Тогда чем же? Так как в горшок не попадало извне ничего, кроме воды, то Ван-Г ельмонт сделал вывод: пища растений — это вода. Но так ли это?
В 1753 г. женевский садовод Бонне заметил одно странное явление. В банке с водой у него лежал срезанный зеленый лист. Бонне переставил банку на солнце и вдруг увидел, что лист стал быстро покрываться блестящими пузырьками. Бонне перенес банку в темноту — пузырьков не стало. А на солнце опять появлялись пузырьки.
«Наверное, это воздух, — решил Бонне. — Но откуда на листе воздух? Из самого листа или из воды? Как бы это проверить?»
Он переложил лист в прокипяченную воду (в ней, как известно, нет воздуха). Пузырьков не стало. Бонне взял трубочку и подышал через нее в воду, чтоб напустить туда воздуху. И тотчас на листе бисером стали оседать пузырьки. Значит, воздух осаждается на лист из воды, и происходит это только на солнечном, свету. Этот факт заинтересовал ученых, но никто не мог объяснить его. 
Прошло двадцать лет. Опытами над растениями занялся великий английский химик Пристли. Он в то время изучал газ, который пузырями всплывает в чанах во время брожения пива. Он установил, что это тот же газ, что выделяется при дыхании и горении, — углекислота.
Пристли решил испытать действие газа на животных.
Оказалось, что углекислый газ непригоден для жизни: животные в нем быстро задыхались и погибали. Пристли перенес опыты на растения и обнаружил совершенно поразительный факт: растения делали этот газ безвредным, они превращали «мертвый» газ в обыкновенный воздух, снова годный дли дыхания.
Пристли поставил такой опыт.
Под большой стеклянный колпак он посадил мышь. Через некоторое время мышь своим дыханием испортила воздух и задохнулась. Тогда осторожно, чтоб не пропустить наружный воздух, Пристли просунул под колпак зеленую ветку мяты. Через восемь-девять дней ветка так очистила воздух, что другая мышь смогла там дышать и жить.
И вот Пристли делает из этого небольшого опыта важные научные выводы: между животным и растительным миром на земле существует глубокая химическая связь. Люди и животные непрерывно отравляют воздух своим дыханием, а леса, поля, луга и сады очищают его и вновь делают пригодным для дыхания.
В дальнейшем Пристли установил, что «чистый воздух», выделяемый растениями, это особый газ — кислород.
Впоследствии, однако, Пристли постигла горькая неудача. Когда он через несколько лет повторил свои опыт, ветка закапризничала — не стала исправлять воздух. Вновь и вновь он повторял опыты. Иногда они удавались, иногда нет. «Видимо, мне неизвестна вся истина. — думал Пристли.— Я упускаю из виду какое-то важное условие».
Посмотреть опыты знаменитого химика приехал в Англию голландский ученый Ингенгуз. Он узнал о неудачах Пристли и, возвратившись домой, стал усердно продолжать его опыты. У него было одно преимущество: когда-то он бывал в Женеве и слыхал об опытах Бонне. Теперь это пригодилось ему. Скоро он выяснил, почему капризничала ветка у Пристли. Очень просто: ветке нужен свет; в темноте или на слабом свету она бессильна. А Пристли, не зная этого, ставил свои опыты то в ярко освещенной, то в полутемной комнате, и оттого они то удавались, то нет.
Ингенгуз установил еще и другой важный факт: исправлять воздух способны только зеленые части растений. Не кора, не сердцевина, не корни, не ветви, а только зеленые листья и побеги. Зеленый лист — вот что поддерживает дыхание всего населения земли.
Куда исчезает углерод
Итак, растения на свету выделяют кислород. Они исправляют воздух, и это полезно людям и животным. А какую пользу получают от этого сами растения? Не может быть, чтобы природа устроила так только в угоду животному миру; какая-то «выгода» должна быть в первую очередь для самих растений.
Чем питается растение? С давних времен ученые ставили различные опыты, чтобы найти ответ на этот вопрос
Этим вопросом в 1782 г. занялся женевский ученый Сенебье, который потратил на решение его целых семнадцать лет.
Сенебье первым делом решил выяснить, откуда растение берет кислород. Оказалось, из углекислоты.
Но в состав углекислоты, как тогда впервые было установлено химиками, входят два вещества — углерод и кислород. Кислород, выделяемый зелеными листьями из углекислоты, тотчас же уходит в атмосферу. А углерод? Что происходит с ним?
Сенебье необычайно взволновался, когда догадался, в чем дело. Да ведь углерод остается в листе! Лист съедает его.
Было отчего волноваться: весь вопрос о питании растений вдруг предстал в совершенно новом свете. Углерод — это сажа, уголь. Если сжигать дрова при слабом доступе воздуха, они превращаются в уголь. Растение почти наполовину состоит из углерода. Откуда же он попадает туда? Раньше думали, что углерод берется из почвы. Но попробуйте удобрить грядку сажей или толченым углем и посадите, скажем, репу. Посмотрите: возьмет ли ваша репа за все лето из земли хотя бы 1 грамм, сажи или угля? Нет, не возьмет. А между тем репа вырастет, значит откуда-то она все же наберет углерода. Откуда же?
Из углекислоты, разлагаемой зеленым листом. А так как углекислота — составная часть воздуха, то выходит, что растения питаются воздухом!
Такой необычайный вывод сделал Сенебье.
Какой шум поднялся среди ученых! Какие споры! Невозможно, говорило большинство, чтобы воздух был пищей.
Чтобы прекратить споры, ученик Сенебье Теодор Соссюр выступил в 1804 г. с очень наглядным опытом. Под большой стеклянный сосуд он поместил ветку барвинка и к воздуху в сосуде примешал строго определенное количество углекислоты. Сосуд выставил на свет. Через несколько дней углекислоты в сосуде убавилось, зато прибавилось углерода в ветке. Соссюр это точно установил с помощью весов.
Однако и после этого противники Сенебье не унялись. «В вашем сосуде, — говорили они Соссюру, — углекислоты было много, а в атмосфере ее очень мало: всего около 0,03%, то есть 1 литр на 3 тыс. литров воздуха. Растение не может расти за счет столь разреженной пищи».
Но и этот довод был разбит. В 1840 г. француз Буссенго блестящим и сложным опытом доказал, что весь углерод в растении накапливается исключительно из воздуха.
Атмосферная углекислота действительно очень разреженная пища. Но вот представьте себе большой дуб. Поверхность всех его листьев составляет 2500 кв. метров — четверть гектара. И всей этой огромной поверхностью дуб с утра до вечера беспрерывно поглощает свою невидимую пищу — углекислоту. Как бы мало ни было ее в атмосфере, дуб свое возьмет.
Зеленые листья — это огромный, широко раскрытый и жадный «рот» растения.
Великий круговорот
Поверхность земного шара покрыта бесчисленными растениями степей, лугов, болот, тундр, пашен, лесов, огородов, садов. В морях и океанах произрастают водоросли и планктон, микроскопические растительные организмы. Весь этот необъятный растительный мир съедает многие миллиарды кубометров углекислоты. И все же углекислоты в воздухе не убывает.
В природе непрерывно совершается великий круговорот углерода и кислорода. Везде, где дышат живые организмы, везде, где происходит гниение и горение, кислород соединяется с углеродом и образуется углекислота. Но, с другой стороны, при питании растений идет обратный процесс: углекислота разлагается на углерод и кислород. При этом кислород возвращается в атмосферу, а углерод входит составной частью в растения. От растений этот углерод попадает и в тело животных — в виде растительной пищи. А при дыхании, горении и гниении этот углерод снова вступает в соединение с кислородом и образует углекислоту, которая опять разлагается зелеными листьями растений. И так — без конца. 
Каждый из нас — участник этого великого круговорота. Ежедневно с пищей я принимаю углерод, заключенный в хлебе, овощах, мясе. Углерод в моем теле вступает в соединение с кислородом, который я вдыхаю, и это дает мне тепло и жизнь. А образовавшуюся углекислоту я выдыхаю, и она уходит в огород или в сад и питает там репу, капусту, картофель, яблоки.
Ежедневно я выдыхаю 300 литров углекислоты, в ней содержится 150 граммов углерода. За шестьдесят лет жизни это составит больше 3 тонн угля. За счет моего дыхания может вырасти двадцать-тридцать больших берез. А Магнитогорский завод-гигант один способен прокормить леса, поля, луга, сады и огороды целого района.
Кормилец всей земли
В живом организме черного угля или сажи не увидишь. Как ни терзай живое растение, как ни мни его, все равно не найдешь даже микроскопический крупинки угля — ни в корнях, ни в стволе, ни в листьях. Но мы ведь теперь точно знаем, что углерод там должен быть. Он взят растением из углекислоты. Почему же мы его там не находим? Потому что, едва попав в лист, углерод сразу же изменил свой вид. В первое же мгновение с ним начались замечательные превращения.
Зеленый лист — сложнейшая химическая лаборатория. Внутреннее устройство его необычайно тонко. Здесь вы видите поперечный разрез листа подсолнечника
Прежде всего углерод в листе вступает в соединение с водой. Из углерода и воды образуются разные виды сахара, а из сахара — крахмал. Сахар и крахмал — главное питание растений и в то же время главный строительный материал для ствола, корней, ветвей, листьев и плодов.
С водой из почвы поднимаются в лист растворенные соли азота, серы, фосфора, кальция, железа и многих других элементов. Углерод и с ними вступает в соединения, очень сложные и многообразные. Образуются белки, жиры и сотни других веществ. В листе безостановочно идет сложнейшая химическая работа. Одни вещества создаются, другие разрушаются, и из их остатков строятся новые вещества.

Так из мертвых веществ природы — газов, воды и солей — растение строит живой организм, который дышит, растет и размножается. И главный «заправила» во всем этом — углерод, добытый растением из углекислоты, которая мертвит все живое.
Наука теперь с точностью установила, чем питается растение. Прав Сенебье: основная пища растений — воздух. Но прав был и Ван-Гельмонт: растения питаются и водой. Но правы были и древние ученые: растениям нужна и земля, те минеральные соли, которые в ней есть. Правда, солей требуется горстка: ива Ван-Гельмонта за пять лет съела только 60 граммов солей, но без них она погибла бы.
И вот вспомним теперь об американских лесах секвойи. Они могут спокойно расти на том же месте еще сотни лет — пищи хватит. Воздуха вокруг сколько угодно, воду дают дожди, а солей потребляется так мало, что их запаса в земле хватит надолго. Кроме того, запас солей в земле все время восстанавливается за счет гниения и распада отживших деревьев, листьев, трав и погибших животных, в которых накопилось много солей (зола).
Растения кормят не только сами себя, но и все животное население земного шара. Ни человек, ни зверь, ни птица, ни рыба — никто не может самостоятельно создать крахмал или белок из мертвых веществ природы. Все животные кормятся пищей, которую создают зеленые листья растений. Даже хищники, питающиеся только мясом, и те, в конечном счете, зависят от растений, потому что их жертвы питаются растениями.
Зеленый лист — кормилец всей земли.
Лучи в плену
У всех веществ, которые производит растение, есть одно общее свойство — они горючи. Белки, жиры, крахмал, сахар могут гореть, они способны давать тепло и свет. Это свойство покажется странным, если вспомнить, чем питается растение. Растение строит себя из воды, воздуха и минеральных солей почвы. Эти тела не горючи. Сколько ни чиркай спичек, воздуха не зажжешь, земли тоже, а воду и подавно. Но стоит поднести спичку к соломе или к сухим дровам, как они запылают горячим, ярким пламенем. Выходит, что растение способно превращать негорючие вещества природы в горючие.
Еще Сенебье глубоко задумался над этим фактом. И он пришел к выводу: эта горючесть — от солнца. Листья поглощают свою невидимую пищу только днем, пока светит солнце, следовательно листья работают силой солнечного луча.
150 млн. километров несется солнечный луч в пространстве, прежде чем коснется земли, но, как только коснется ее, с ним начинается длинная цепь превращений.
Вот солнечный луч пал на камень. Его энергия превратится в тепло — камень нагреется. Но камень неспособен удержать тепло, оно постепенно рассеется в пространстве.
Но вот солнечный луч коснулся зеленого листа. Лист не рассеет драгоценную энергию солнца — он поглотит ее и сохранит.
С помощью солнечного луча лист разлагает углекислоту на углерод и кислород. Проделав эту работу, энергия луча не исчезает бесследно, она скрывается в углероде, из которого строится тело растения. До поры до времени углерод держит солнечный луч в плену. Но как только углерод начнет соединяться с кислородом — при горении, при дыхании, — солнечный луч вырвется из плена и начнет новую работу и новую цепь превращений.
Растения удерживают и накопляют на земле огромное количество солнечной энергии. Накопленной растениями энергией пользуются животные и человечество. Когда мы едим хлеб, то поглощаем и солнце. В нашем теле солнечный луч оживает: он согревает нас, движет нашими мускулами. Мы рубим в лесу дрова и везем их домой. Но мы везем не просто дрова — везем и спрятавшееся в них солнце. И когда затопим печь, солнце вырвется веселым огнем, осветит и согреет нашу комнату.
Неисчислимые запасы солнечной энергии хранятся в каменном угле, торфе, нефти. Эти запасы созданы еще миллионы лет назад первобытным растительным миром земли. Наши фабрики, электростанции, паровозы приводятся в действие лучами солнца, которые упали на землю еще в незапамятные времена.
Растения — это бесчисленные кладовые даровой энергии, притекающей от далекого небесного светила. Зеленый лист — это, по словам великого русского ученого Тимирязева, «посредник между небом и землей».
К. Кочетков
Знание сила 1940 № 5

Углерод. Откуда он берется?

Углерод. Куда он девается?

1. Солнечный свет позволяет растениям поглощать углекислый газ из атмосферы благодаря явлению фотосинтеза, выделяя в атмосферу кислород. Наиболее активными, эффективными и долговечными «хранителями» углерода являются деревья. В процессе развития и роста деревья очень быстро поглощают и накапливают углерод, а в зрелом возрасте способны хранить его сотни лет. Поэтому сохранение и умножение лесов – одна из важнейших задач сохранения и поддержания глобального углеродного баланса.

2. Ближе к полюсам поверхность океанов становится прохладнее, а CO2 более растворимым. В холодных водах океана углекислый газ поглощается, а при повышении температуры воды у поверхности приводит к выделению излишков газа в атмосферу. Вот почему повышение средней глобальной температуры может ускорить процесс нарушения природного баланса углерода в атмосфере.

3. В верхних слоях океана находятся наиболее продуктивные живые организмы, чьи ткани, органы и раковины строятся на основе углерода, и тем самым абсорбируют атмосферный углерод, растворенный в верхних слоях воды. Наряду с лесами на суше, морские живые организмы — это важнейшие «утилизаторы» атмосферного углерода. Мировой океан содержит около 36000 гигатонн углерода. Потепление же морской воды препятствует привычному формированию живых организмов, тем самым снижая темпы поглощения углерода.

4. По мере того как морские обитатели погибают, твердые части их тел, такие как раковины, клешни и кости оседают на морское дно, формируя залежи осадочных пород – своего рода долгосрочный углеродный депозит.

Углерод. Откуда он берется?

Углерод возвращается в оборот несколькими различными способами:

1. Дыхание животных и растений.

2. Разложение животных и растений. Этим занимаются бактерии, превращая части мертвых организмов животных и растений в углекислый газ в присутствии кислорода или метан в противном случае.

3. Ну и кончено, сжигание ископаемого органического топлива: нефть, уголь, торф и природный газ. За эту часть выбросов несет ответственность человечество и наша с Вами цивилизация. И именно этой части экологи приписывают все возможные грехи. С доводами экологов трудно не согласится, особенно, учитывая масштабы этого действа. Добавьте к этому лесные пожары, причиной которых тоже зачастую становятся люди.

4. Производство цемента приводит к выбросу углерода в атмосферу при нагревании карбоната кальция (известняка, CaCO3).

5. Нагревание поверхности океанов приводит дополнительному выделению углекислого газа из морской воды.

6. Ну и конечно, вулканическая деятельность – неотъемлемая часть углеродного цикла. Вулканы выбрасывают пар, углекислый газ и диоксид серы.

№18. Круговорот кислорода в природе.

Кислород- наиболее активный газ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели. В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота. Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула О2. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во множество химических соединений минерального и органического миров. Свободный кислород современной земной атмосферы является побочным продуктом процесса фотосинтеза зеленых растений и его общее количество отражает баланс между продуцированием кислорода и процессами окисления и гниения различных веществ. В истории биосферы Земли наступило такое время, когда количество свободного кислорода достигло определенного уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода.

Кислород является наиболее распространенным элементом на Земле. В морской воде содержится 85,82% кислорода, в атмосферном воздухе 23,15% повесу или 20,93% по объему, а в земной коре 47,2% по весу. Такая концентрация кислорода в атмосфере поддерживается постоянной благодаря процессу фотосинтеза. В этом процессе зеленые растения под действием солнечного света превращают диоксид углерода и воду в углеводы и кислород. Главная масса кислорода находится в связанном состоянии; количество молекулярного кислорода в атмосфере оценивается в 1,5* 1015 m, что составляет всего лишь 0,01% от общего содержания кислорода в земной коре. В жизни природы кислород имеет исключительное значение. Кислород и его соединения незаменимы для поддержания жизни. Они играют важнейшую роль в процессах обмена веществ и дыхании. Кислород входит в состав белков, жиров, углеводов, из которых «построены» организмы; в человеческом организме, например, содержится около 65% кислорода. Большинство организмов получают энергию, необходимую для выполнения их жизненных функций, за счет окисления тех или иных веществ с помощью кислорода. Убыль кислорода в атмосфере в результате процессов дыхания, гниения и горения возмещается кислородом, выделяющимся при фотосинтезе. Вырубка лесов, эрозия почв, различные горные выработки на поверхности уменьшают общую массу фотосинтеза и снижают круговорот на значительных территориях. Наряду с этим, мощным источником кислорода является, по-видимому, фотохимическое разложение водяного пара в верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовых лучей солнца. Таким образом, в природе непрерывно совершается круговорот кислорода, поддерживающий постоянство состава атмосферного воздуха. Кроме описанного выше круговорота кислорода в несвязанном виде, этот элемент совершает еще и важнейший круговорот, входя в состав воды. Круговорот воды (H2O) заключается в испарении воды с поверхности суши и моря, переносе ее воздушными массами и ветрами, конденсации паров и последующее выпадение осадков в виде дождя, снега, града, тумана.

№19. Круговорот азота в природе.

Азот — одно из самых распространенных веществ в биосфере, узкой оболочке Земли, где поддерживается жизнь. Так, почти 80% воздуха, которым мы дышим, состоит из этого элемента. Основная часть атмосферного азота находится в свободной форме, при которой два атома азота соединены вместе, образуя молекулу азота — N2. Из-за того, что связи между двумя атомами очень прочные, живые организмы не способны напрямую использовать молекулярный азот — его сначала необходимо перевести в «связанное» состояние. В процессе связывания молекулы азота расщепляются, давая возможность отдельным атомам азота участвовать в химических реакциях с другими атомами, например с кислородом, и таким образом мешая им вновь объединиться в молекулу азота. Связь между атомами азота и другими атомами достаточно слабая, что позволяет живым организмам усваивать атомы азота. Поэтому связывание азота — чрезвычайно важная часть жизненных процессов на нашей планете.

Круговорот азота представляет собой ряд замкнутых взаимосвязанных путей, по которым азот циркулирует в земной биосфере. Рассмотрим сначала процесс разложения органических веществ в почве. Различные микроорганизмы извлекают азот из разлагающихся материалов и переводят его в молекулы, необходимые им для обмена веществ. При этом оставшийся азот высвобождается в виде аммиака (NH3) или ионов аммония (NH4+). Затем другие микроорганизмы связывают этот азот, переводя его обычно в форму нитратов (NO3–). Поступая в растения (и в конечном счете попадая в организмы живых существ), этот азот участвует в образовании биологических молекул. После гибели организма азот возвращается в почву, и цикл начинается снова. Во время этого цикла возможны как потери азота — когда он включается в состав отложений или высвобождается в процессе жизнедеятельности некоторых бактерий (так называемых денитрифицирующих бактерий), — так и компенсация этих потерь за счет извержения вулканов и других видов геологической активности.

Представьте себе, что биосфера состоит из двух сообщающихся резервуаров с азотом — огромного (в нем находится азот, содержащийся в атмосфере и океанах) и совсем маленького (в нем находится азот, содержащийся в живых существах). Между этими резервуарами есть узкий проход, в котором азот тем или иным способом связывается. В нормальных условиях азот из окружающей среды попадает через этот проход в биологические системы и возвращается в окружающую среду после гибели биологических систем.

Приведем несколько цифр. В атмосфере азота содержится примерно 4 квадрильона (4·1015) тонн, а в океанах — около 20 триллионов (20·1012) тонн. Незначительная часть этого количества — около 100 миллионов тонн — ежегодно связывается и включается в состав живых организмов. Из этих 100 миллионов тонн связанного азота только 4 миллиона тонн содержится в тканях растений и животных — все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и в конце концов возвращается в атмосферу.

Главный поставщик связанного азота в природе — бактерии: благодаря им связывается приблизительно от 90 до 140 миллионов тонн азота. Самые известные бактерии, связывающие азот, находятся в клубеньках бобовых растений. На их использовании основан традиционный метод повышения плодородия почвы: на поле сначала выращивают горох или другие бобовые культуры, потом их запахивают в землю, и накопленный в их клубеньках связанный азот переходит в почву. Затем поле засевают другими культурами, которые этот азот уже могут использовать для своего роста.

Некоторое количество азота переводится в связанное состояние во время грозы. Вы удивитесь, но вспышки молний происходят гораздо чаще, чем вы думаете, — порядка ста молний каждую секунду. Пока вы читали этот абзац, во всем мире сверкнуло примерно 500 молний. Электрический разряд нагревает атмосферу вокруг себя, азот соединяется с кислородом (происходит реакция горения) с образованием различных оксидов азота. И хотя это довольно зрелищная форма связывания, она охватывает только 10 миллионов тонн азота в год.

Таким образом, в результате естественных природных процессов связывается от 100 до 150 миллионов тонн азота год. В ходе человеческой деятельности тоже происходит связывание азота и перенос его в биосферу (например, все то же засевание полей бобовыми культурами приводит ежегодно к образованию 40 миллионов тонн связанного азота). Более того, при сгорании ископаемого топлива в электрогенераторах и в двигателях внутреннего сгорания происходит разогрев воздуха, как и в случае с разрядом молнии. Всякий раз, когда вы совершаете поездку на автомобиле, в биосферу поступает дополнительное количество связанного азота. Примерно 20 миллионов тонн азота в год связывается при сжигании природного топлива.

Но больше всего связанного азота человек производит в виде минеральных удобрений. Как это часто бывает с достижениями технического прогресса, технологией связывания азота в промышленных масштабах мы обязаны военным. В Германии перед Первой мировой войной был разработан способ получения аммиака (одна из форм связанного азота) для нужд военной промышленности. Недостаток азота часто сдерживает рост растений, и фермеры для повышения урожайности покупают искусственно связанный азот в виде минеральных удобрений. Сейчас для сельского хозяйства каждый год производится чуть больше 80 миллионов тонн связанного азота.

Суммировав весь вклад человека в круговорот азота, получаем цифру порядка 140 миллионов тонн в год. Примерно столько же азота связывается в природе естественным образом. Таким образом, за сравнительно короткий период времени человек стал оказывать существенное влияние на круговорот азота в природе. Каковы будут последствия? Каждая экосистема способна усвоить определенное количество азота, и в последствия этого в целом благоприятны — растения станут расти быстрее. Однако при насыщении экосистемы азот начнет вымываться в реки. Эвтрофикация озер — пожалуй, самая неприятная экологическая проблема, связанная с азотом. Азот удобряет озерные водоросли, и они разрастаются, вытесняя все другие формы жизни в этом озере, поскольку, когда водоросли погибают, на их разложение расходуется почти весь растворенный в воде кислород.

| следующая лекция ==>
Опис методики виконання лабораторної роботи, математична обробка отриманих даних |

Дата добавления: 2016-12-18; просмотров: 622 | Нарушение авторских прав

Рекомендуемый контект:

Похожая информация:

Поиск на сайте:

Откуда растения берут углерод

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *