Круговорот веществ в биосфере

Малый цикл углерода

Малый биогеохимический круговорот углерода – динамическая геохимическая система превращения живого вещества, в которой происходит беспрерывный круговорот углерода при участии растений, животных и микроорганизмов. В круговороте участвуют почва (педосфера), растительность и атмосфера, которые объединены механизмом прямой и обратной связи (почва ↔ растительность ↔ атмосфера).

Главные компоненты, обеспечивающие малый биогеохимический круговорот углерода (как и ландшафтный круговорот): продуценты (все зеленые растения, производящие органическое вещество из неорганических составляющих), консументы (все группы животных, паразитарные формы грибов, растения-паразиты) и редуценты (в первую очередь бактерии и грибы, превращающие органические остатки в неорганические вещества). Малый биогеохимический круговорот углерода проявляется в относительно коротком цикле (часы – сотни лет) и связан со сложным взаимодействием химических, биохимических и биологических процессов, которые контролируются сложным комплексом природно-экологических (биотой, климатом и т.д.) и антропогенных факторов. Малый биогеохимический круговорот углерода развивается на фоне биосферного биогеохимического круговорота и в экосистемах (биогеоценозах) протекает совместно с ландшафтным круговоротом, хотя и в разных формах, и с разной интенсивностью. Малый и ландшафтный биогеохимические круговороты углерода являются наземными круговоротами, так как они охватывают экосистемы суши.

Фотосинтез — синтез органических веществ из углекислого газа и воды с обязательным использованием энергии света:

6СО₂ + 6Н₂О + Q_света → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Фотосинтез протекает в две фазы: световую, идущую только на свету, и темновую, которая идет как в темноте, так и на свету.

Световая фаза фотосинтеза осуществляется в хлоропластах, где на мембранах расположены молекулы хлорофилла.

Таким образом, в результате световой фазы фотосинтеза восстанавливается НАДФ⁺ и образуется НАДФ•Н, синтезируется АТФ из АДФ и фосфорной кислоты, выделяется молекулярный кислород. АТФ и НАДФ•H используются в реакциях темновой фазы фотосинтеза.

Темновая фаза.

Если световая фаза может протекать только при освещении растения, то реакции темновой фазы протекают независимо от света. Эти реакции осуществляются в строме хлоропластов, куда из тилакоидов поступают богатые энергией вещества; НАДФ • Н и АТФ. Источник углерода — СО2 — растение получает из воздуха через устьица. В реакциях темновой фазы СО2 восстанавливается до глюкозы, причем этот процесс протекает с затратами энергии, запасенной в молекулах АТФ и НАДФ - Н. Превращение углекислого газа в глюкозу в ходе темновой фазы фотосинтеза получило название цикла Кальвина, по имени его открывателя.

Продуктивность фотосинтеза весьма высока: за один час на 1 м2 площади листа синтезируется до 1 г сахаров; при этом часть энергии выделяется в виде тепла.

В результате фотосинтеза растения накапливают органические вещества и обеспечивают постоянство уровня СО2 и О2 в атмосфере. В верхних слоях воздушной оболочки (на высоте 15—20 км) Земли из кислорода образуется озон, имеющий химическую формулу 03. Озоновый слой защищает все живые организмы от опасных для жизни ультрафиолетовых лучей.

В процессе фотосинтеза одно, даже крупное растение производит совсем не так уж много углеводов. Однако если подсчитать, сколько энергии солнечного света улавливают и «запасают» все зеленые растения на Земле за год, то окажется, что для получения такого же количества энергии было бы необходимо 200 000 гидроэлектростанций. И составила бы эта энергия два квадрильона киловатт-часов.

Хемосинтез

Синтез органических соединений из углекислого газа и воды, осуществляемый не за счет энергии света, а за счет энергии окисления неорганических веществ, называется хемосинтезом. К хемосинтезирующим организмам относятся некоторые виды бактерий.

Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до азотистой, а затем до азотной кислоты (NH₃ → HNO₂ → HNO₃).