7.1: Цикл вуглецю

Вуглець, як і всі інші елементи, циклічно проходить через навколишнє середовище і постійно знаходиться в процесі зміни форм і локацій. У цьому розділі, як і в багатьох інших науковій літературі, ми будемо періодично посилатися на вуглець за його хімічним символом, С. У світі немає нового вуглецю, скоріше, весь вуглець безперервно переробляється з однієї форми в іншу. Всі рослини, тварини (включаючи людей!) , гриби, бактерії та архей складаються переважно з молекул на основі вуглецю, таких як ліпіди, вуглеводи, білки та нуклеїнові кислоти. Вуглець також переважає в грунтах, гірських породах і відкладеннях, водоймах (розчинених) та атмосфері. Ці місця, де знаходиться вуглець, відомі як басейни або резервуари, а процеси, які переміщують вуглець з одного місця в інше, називаються потоками. На малюнку 7.1.1 показаний спрощений варіант глобального вуглецевого циклу.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Спрощений вуглецевий цикл. Діаграма адаптована з DOE США, біологічних та екологічних досліджень інформаційної системи.

Деякі резервуари тримаються на вуглеці лише короткий час. Аеробні (використовують кисень) організми майже миттєво перетворюють вуглеводи, створені іншими організмами, в вуглекислий газ (СО ₂), який вони видихають в атмосферу. При розгляді потоку дихання живі організми є джерелом вуглецю, а атмосфера - раковиною. Вуглець залишається в резервуарі живих організмів відносно короткий час, залежно від тривалості їх життя, від годин і днів до років і десятиліть. Навпаки, час перебування вуглецю в викопному басейні різко відрізняється. Викопне паливо утворюється протягом 300-400 мільйонів років, утворюючись з давніх рослин і тварин, які повільно розкладаються в дуже специфічних, анаеробних (без кисню) умовах у водно-болотних середовищах. Їх тіла поступово трансформувалися теплом і тиском земної кори в викопне паливо, яке ми видобуваємо сьогодні для забезпечення нафтової нафти, природного газу та вугілля (докладніше про це див. Розділ 4).

Резервуари і потоки важливого значення

Двома найбільшими резервуарами вуглецю на Землі є океани, які охоплюють більшу частину земної поверхні, і літосфера (мінеральна фракція Землі: ґрунти, гірські породи та відкладення). Кожен з цих резервуарів містить більше вуглецю, ніж всі інші резервуари разом узяті. Значна частина вуглецю, що зберігається в цих водоймах, особливо глибоко в літосфері або в глибоководних океанських середовищах, має надзвичайно тривалий час перебування і не бере активної участі в швидких потоках. Помітними винятками тут, звичайно, є викопне паливо, яке видобувається людиною і перетворюється в газоподібні форми вуглецю шляхом згоряння.

Біомаса, яка є біологічним матеріалом, отриманим з живих, або недавно живих організмів, є набагато меншим резервуаром вуглецю. Кількість вуглецю, що зберігається у всій земній рослинності (550 Gt C) (Gt = гігатонна = 10 ⁹ метричних тонн = 10 ¹⁵ г) - це лише частка того, що зберігається в океанах (38 000 Gt C) та літосфері (18 000 Gt C). Весь вуглець, який зараз зберігається у всій рослинності на Землі, потрапив туди в процесі фотосинтезу. Рослини та інші фотосинтезуючі організми називаються первинними виробниками, оскільки вони «фіксують» атмосферний CO ₂ в органічний вуглець, такий як цукор, форму, яку використовують тварини та інші організми, яким потрібно споживати свої молекули вуглецю.

Фотосинтетичні організми, такі як рослини, водорості та ціанобактерії, приносять СО ₂ з атмосфери і, використовуючи енергію сонця, перетворюють CO ₂ та воду в молекули глюкози (органічний вуглець). Продукти фотосинтезу - кисень і глюкоза (Рівняння\(\PageIndex{1}\)). Ці молекули глюкози - це прості цукри, які автотрофи («саможивильники») можуть «спалювати» для отримання енергії або перетворюватися в інші корисні молекули вуглецю через процес клітинного дихання (описаний у наступному пункті), або побудувати рослинну біомасу. Фотосинтез відбувається в органелах, званих хлоропластами, показаними на малюнку\(\PageIndex{2}\). На фотосинтез припадає 123 Гт С на рік, який видаляється з атмосфери і зберігається в рослинній біомасі. Така величезна кількість фотосинтезу відбувається на Землі, що жоден інший єдиний потік не рухає стільки вуглецю за ті ж часові рамки.

\[ 6 CO_{2} + 6H_{2}O + \text {solar energy} \rightarrow C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2}\]

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Хлоропласти видно в прісноводних водоростях. Хлоропласти мають зелений колір завдяки хлорофілу, який вони містять, і є місцем фотосинтезу. Хлорофіл а - це зелений пігмент, який дозволяє рослинам, водоростям та ціанобактеріям поглинати енергію, необхідну для фотосинтезу від сонячного світла. а) Closterium moniliferum Ralfs, (Хлорофіта) зелені коккоїдні водорості; б) Botryococcus braunii Kützing, (Chlorophyta) зелені коккоїдні водорості з дискоїдними хлоропластами. Зображення кредиту: К.Манойлов, озеро Сінклер, Джорджія

Біомаса в вуглецевому циклі, включаючи рослини і тварини, є резервуаром вуглецю, з яким ми, швидше за все, найбільш знайомі, а також резервуар, який нам найбільш легко доступний. Всі ми беремо участь в потоці споживання вуглецю, коли їмо їжу. Вся наша їжа - це просто рослинна та/або тваринна біомаса. Наше тіло приймає молекули вуглецю, що містяться в цій біомасі, і використовує їх разом з киснем, який ми вдихаємо, для клітинного дихання, щоб створити аденозинтрифосфат (АТФ), який нам потрібен для енергії. Продукти клітинного дихання включають CO ₂, який ми видихаємо, воду та енергію, яка зберігається в АТФ (рівняння\(\PageIndex{2}\)). Наші тіла також будують додаткову біомасу з молекул вуглецю в цій їжі, що дозволяє нам створювати нові клітини для росту або поповнення. Це єдиний спосіб, яким ми, і всі інші гетеротрофи («інші їдці»), можемо принести вуглець, який нам потрібен для побудови та підтримки нашого тіла. Пам'ятайте, ви те, що їсте!

\[ C_{6}H_{12}O_{6} + CO_{2} \rightarrow 6CO_{2} + 6H_{2}O + \text {energy} \]

Клітинне дихання є важливим потоком у вуглецевому циклі, і той, який вносить вуглець в атмосферу. Пам'ятайте, що тварини та інші гетеротрофи завершують клітинне дихання, використовуючи молекули вуглецю, які вони приносять через свою їжу. Рослини та інші фотосинтезуючі автотрофи завершують клітинне дихання, використовуючи молекули вуглецю, які вони утворили з СО ₂ шляхом фотосинтезу. Будь-які молекули вуглецю, які залишаються після того, як організм придбав достатню кількість енергії через клітинне дихання, складають біомасу рослини. Оскільки рослини та тварини гинуть і розкладаються, їх тіла споживаються розкладаються організмами, такими як гриби та бактерії. Через потік розкладання деяка гниюча біомаса перетворюється на атмосферний вуглець розкладачами, тоді як більша частина біомаси заглиблюється в ґрунт, сприяючи вуглецю ґрунту. У багатих киснем середовищах розкладачі швидко споживають мертву і гниючу біомасу, використовуючи той самий процес аеробного клітинного дихання, описаний вище. У середовищах з дефіцитом кисню розкладачі завершують інші метаболічні шляхи і дуже повільно споживають органічну речовину. Деякі з газів, що утворюються в результаті анаеробного розкладання, включають метан (CH ₄), закис азоту (N ₂ O) та погано пахне сірководень (H ₂ S).

Резервуар біомаси вуглецевого циклу також важливий для нас як джерело енергії. Через потік згоряння ми перетворюємо потенційну енергію, що утримується в біомасі, в теплову енергію, яку ми можемо використовувати, і виділяємо вуглекислий газ у процесі. Якщо ви коли-небудь спалювали поліна на багатті, або навіть спалювали їжу на плиті, ви завершили цей потік спалювання біомаси. Звичайно, це відбувається і природно, найкращим прикладом є природні лісові пожежі, спричинені ударами блискавки. Хімічна реакція на горіння ідентична хімічній реакції на клітинне дихання. Різниця полягає в тому, що при клітинному диханні енергія виділяється контрольованим способом, і захоплюється в молекулах АТФ. При згорянні вся ця енергія швидко виділяється у вигляді світла і тепла.

Оскільки всі потоки, про які ми обговорювали досі, стосуються атмосфери, ми ще не обговорювали потік, який з'єднує атмосферу з океанами. Вуглець може потрапляти в океани через два первинних потоки: перший через фотосинтез водоростями або ціанобактеріями (також званий фітопланктоном на малюнку\(\PageIndex{1}\)), а другий через хімічну реакцію обміну океану та атмосфери. Океан, як і всі поверхневі водойми, завжди містить деяку кількість розчинених CO ₂. Цей СО ₂ знаходиться в рівновазі з СО ₂ в повітрі. Деякі атмосферні СО ₂ постійно розчиняються в океані, в той час як деякі розчинені СО ₂ постійно дифундують в атмосферу. У нормальних умовах ці два потоки будуть відбуватися з однаковою швидкістю. Як ви можете бачити на малюнку\(\PageIndex{1}\), однак, це вже не так. У розділі Вплив людини на вуглецевий цикл ми обговоримо, чому це так.

Діяльність: Краще розуміння вуглецевого циклу

Щоб додатково переглянути вуглецевий цикл та краще зрозуміти вплив людини на нього, використовуйте цю інтерактивну графіку лабораторій Woods Hole: http://www.whoi.edu/feature/carboncycle/. Як ви побачите, інформація, описана в цьому тексті, становить лише невелику частину загального вуглецевого циклу на Землі. Нарешті, заповніть Таблицю\(\PageIndex{1}\) як спосіб переглянути співвідношення раковини та джерела в цьому циклі. Подивіться, чи зможете ви правильно визначити джерело та занурення вуглецю для кожного з цих важливих потоків у вуглецевому циклі.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Практика розуміння взаємозв'язку раковина/джерело з циклами

Вуглецевий потік	Джерело вуглецю	Вуглецева раковина
Клітинне дихання	Вуглеводи в живих організмах	СО 2 в атмосфері
Фотосинтез
Споживання
горіння
розкладання
Обмін океаном/атмосферою
Формування викопного палива