Фотосинтез и геохимическая роль размножения организмов Фотосинтез и геохимический баланс углерода

Фотосинтез – специфический процесс, характерный для жизнедеятельности растений. Он определяет высокое содержание кислорода как в атмосфере, так и в биосфере в целом.

С химической точки зрения фотосинтез – это окислительно-восстановительная реакция при участии хлорофилла зеленых растений и солнечных лучей. Схематически эту реакцию можно представить так:

В результате фотосинтеза могут образовываться не только углеводы, но и белки и липиды. Изучение изотопного состава кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза, показал, что он образуется из молекул воды, а не из углекислого газа, как считалось ранее.

Фотосинтез протекает на всей поверхности Земли и создает огромный геохимический эффект. Он оценивается как вся сумма углерода, ежегодно вовлекаемая в построение органического вещества биосферы. Обычно принимается, что на каждом гектаре суши ежегодно усваивается 1,2т углерода. Суммарно это дает ~2 млрд. т углерода. Если брать всю биосферу Земли, то оценки следующие – усвоение от 55 до 155 млрд. т ежегодно. А.П. Виноградов дает среднюю цифру – 70 млрд. т в год (продукция Мирового океана за счет фитопланктона). Если же учесть бактериопланктон и зоопланктон, то в сумме это даст ~89 млрд. т в год.

Как видим, подавляющая часть продукции углерода образуется в океане, и лишь незначительная часть на суше. Это значит, что Мировой океан является главным поставщиком кислорода на Земле.

Количественные характеристики фотосинтеза приведены в таблице

Продуктивность фотосинтеза (в млрд.т)

Часть поверхности Земли	Используется CO2	Поглощается H2O	Создается CH2*O	Выделяется O2
Суша	73	30	50	53
Море	293	120	200	213
Всего	366	150	250	266

Зная интенсивность процессов фотосинтеза и всю массу воды и углекислоты Земли, ученые подсчитали, что вся масса воды (равная гидросфере) перерабатывается за 9 млн. лет, вся углекислота Земли (атмосфера и гидросфера) поглощается за 400 лет и весь кислород Земли обновляется за 4500 лет (за счет фотосинтеза).

Если учесть, что Земля существовала 3,6млрд. лет, то при постоянстве интенсивности процессов фотосинтеза, вода Мирового океана прошла через процесс фотосинтеза ~ 400 раз, свободный О₂ атмосферы не менее 800000 раз, СО₂ – миллионы раз. Это говорит об огромной роли фотосинтеза в геохимической истории Земли.

В фотосинтетический процесс вовлекается также такие биофильные элементы, как N, P, S, и металлы - K, Si, Ca, Mg, Na. Расчеты показывают, что азот (ежегодно) участвует в фотосинтезе в количестве 1,2 млрд.т, Р – 2,6 млрд.т, S – 200млн т.

При гибели организмов происходит обратный процесс – разложение органического вещества путем его окисления. Поэтому реакцию фотосинтеза можно записать как обратимую:

На Земле сохраняется динамическое равновесие между образованием биомассы и ее разложением. Отсюда важный вывод – общая биомасса (живое вещество) на Земле – есть величина постоянная. Нарушение этого принципа может наблюдаться как локальное явление.

Геохимическая история углерода Земли является важной частью общей истории химических элементов. Первоначально углерод поступал при дегазации мантии (вулканические процессы), а также при метаморфизме известняков и доломитов. Затем он принимает участие в формировании атмосферы и гидросферы, взаимодействуя с Ca²⁺, образуются карбонаты. Часть СО₂ участвует в фотосинтезе, образуя органические вещества. Часть органического вещества может захоронятся, образуя торф, уголь, нефть, газ.

Определенная часть СО₂ используется микроорганизмами, которые не содержат хлорофилл. Эти организмы используют энергию химических реакций. Такие процессы называются хемосинтезом. Они были открыты С.Н. Виноградским в 1890г. Бактерии, участвующие в хемосинтезе: нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии и водородные бактерии.

Нитрифицирующие – окисляют аммиак до нитритов:

2NH₃+3O₂2HNO₂+2H₂O+578кДж

Затем нитриты могут окисляться до нитратов:

2HNO₂+O₂2HNO₃+180,86 кДж

Серобактерии окисляют H₂S до серы:

H₂S+0,5O₂S+H₂O+136 кДж

Другие серобактерии могут окислять серу до H₂SO₄:

S+1,5O₂+H₂OH₂SO₄+594 кДж

Железобактерии окисляют закисное железо в окисное:

4FeCO₃+O₂+6H₂O4Fe(OH)₃+4CO₂+335 кДж

Водородные бактерии окисляют водород до воды:

O₂+2H₂2H₂O+573 кДж

Хемосинтез в определенных частях биосферы играет важную геохимическую роль (почвы, морские воды – Черное море, поверхностных водах суши). Однако, в целом продукция хемосинтеза составляет ~1% от продукции фотосинтеза.