Фізіологія рослин - Мусієнко М.М. 2001

Рослини і біосфера. Екологічні цикли речовини та потік енергії
Цикл вуглецю та кисню

Основний шлях кругообігу вуглецю — з оксиду вуглецю (СО₂) атмосфери в живу речовину і назад в оксид вуглецю (рис. 218). Швидкість кругообігу вуглецю в його біогеохімічному циклі є

Рис. 218. Цикл вуглецю

значною і наближається до руху енергії через екосистему. Це пояснюється тим, що майже на 50% органічна речовина складається з вуглецю. Відновлена форма вуглецю, у якій він поширений у всіх органічних сполуках, є основним носієм енергії у трофічних ланцюгах.

Концентрація вуглекислого газу і кисню в атмосферному повітрі збалансована і майже не змінюється, не дивлячись на їх постійне включення в процеси фотосинтезу та Дихання. Сумарна кількість вуглекислого газу в атмосфері планети скадає близько 2,3 × 10¹² т. Щорічно близько 10% вуглекислого газу атмосфери включається в фотосинтетичне засвоєння рослинами. Значну кількість вуглекислого газу містить жива речовина біосфери (близько 1,5 × 10¹² т). Без розкладу органічної речовини гетеротрофними організмами, без процесів постійного його поповнення, зокрема за рахунок дихання, його запаси були б вичерпані рослинами вже за 20 років.

Одночасно щорічна продукція кисню становить 10¹¹т. Кисню в газовій оболонці Землі 1 трильйон 200 млрд. т. Виділення кисню в процесі фотосинтезу, з одного боку, та його використання для Дихання та бродіння, з іншого (враховуючи абіогенне розщеплення Н₂О і СО₂ ультрафіолетовими променями), сформували впродовж майже 3 млрд. років рівновагу в атмосфері щодо співвідношення між вуглекислим газом та киснем, при якій приблизно 21% складає кисень і 0,03% — СО₂. Кисневий цикл (рис. 219) в природі найтісніше взаємоповязаний з вуглецевим. Сучасний пул кисню атмосфери та неорганічних окислених продуктів (оксиди заліза, сульфати тощо) в більшості своїй біогенного походження. Збагачення атмосфери на кисень дало змогу еволюційного розвитку оксидативного дихального метаболізму, як механізму контролю за окисленням відновлених в ході фотосинтезу сполук, що супроводжується вивільненням енергії. Озоновий шар, який захищає розвиток життя на Землі, також певним чином є продуктом фотосинтезу зелених рослин.

Фотосинтетичний процес щорічно використовує близько 2,3×10¹¹ т води. Якщо запаси води на планеті приблизно 1,5×10¹⁸ т, можна підрахувати, що за останні 400 млн. років, відтоді, як з’явились наземні рослини, весь водний запас був розкладений та регенерований близько 60 разів.

Щорічна глобальна фотосинтетична первинна продукція органічної речовини приблизно 2×10¹¹ т. Фіксований в біомасі вуглець в значних кількостях використовується тваринними організмами, які, в свою чергу, при диханні виділяють його у вигляді СО₂. Рештки відмерлих організмів розкладаються мікроорганізмами, внаслідок чого вуглець мертвої органічної речовини окислюється до СО₂ і знову попадає в атмосферу.

Рис. 219. Цикл кисню

Завдяки сучасним технологіям, викопний вуглець фотосинтезів минулих епох також повертається в атмосферу. Це складає приблизно сьому частину асимільованого рослинами СО₂. Підраховано, що зелені рослини щорічно використовують із атмосфери до 300 млрд. т СО₂ (100 млрд. т вуглецю), що співпадає із сумарним надходженням його в атмосферу з різних джерел — процесів дихання, викидів промислових підприємств, транспорту тощо. Світовий океан, із гігантськими запасами карбонатів, виконує буферну роль і є стабілізуючим фактором щодо зміни вмісту вуглекислого газу в атмосфері. Між сушею та Світовим океаном проходить постійна міграція вуглецю. Вуглекислий газ атмосфери і гідросфери обмінюється та оновлюється живими організмами за 395 років.