big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Фотосинтез и обезвоживание Земли

Рассмотрим, в какой мере фотосинтез за период существования растений мог привести к обезвоживанию Земли, к безвозвратным потерям воды. При этом будем помнить, что вода, а не углекислый газ, является единственным источником кислорода, возникающего в результате фотосинтеза.

По Ничипоровичу (1955), растения в современный период могут использовать и разлагать в процессе фотосинтеза 2,25 • 1017 г воды ежегодно, если считать, что за год они усваивают 1,7-1017 г углерода и выделяют в атмосферу 4,6∙1017 г кислорода. Время существования фотосинтезирующих растений на Земле примем равным 600 млн. лет, имея в виду недавние исследования Беркнера и Маршалла (Berkner and Marshall, 1964) по истории наращивания кислорода в атмосфере Земли. По их расчетам, заметное увеличение кислорода в атмосфере началось около 600 млн. лет тому назад в кембрие, после того как масса атмосферы достигла 0,01 современного уровня, а выход первых растений на сушу начался около 420 млн. лет тому назад, в позднем силуре, при 0,1 современной массы атмосферы.

В самом начале появления растений на Земле масса их была незначительной. Предполагая равномерным темп нарастания органической массы для периода 600 млн. лет, можно принять в расчет только 1/2 современной ежегодно продуцируемой органической массы растений и соответственно — 1/2 ежегодно разлагаемой фотосинтезом воды, т. е.

За период 600 млн. лет общая масса воды, разложенной в процессе фотосинтеза, составит в этом случае 67,8∙1024 г, что примерно в 46 раз больше массы воды в океанах и в 27 раз больше массы воды всей современной гидросферы.

Если бы освобождающийся водород, как наиболее легкий элемент, весь ускользал в межпланетное пространство, Земля уже давно должна была бы утерять всю воду. Но он в процессе фотосинтеза идет на образование органического вещества. При этом роль первичного акцептора и передатчика энергии и водорода играет хлорофилл. Процесс фотосинтеза можно схематизировать в следующем виде (Ничипорович, 1955):

По этой схеме водород в свободном виде не выделяется, но вода частично разлагается. Возможны и другие схемы, характеризующие процесс фотосинтеза. Обратим внимание, что из четырех молекул воды только одна разлагается безвозвратно, а остальные три рекомбинируют, т. е. снова образуют молекулы воды.

С этой поправкой безвозвратный расход воды на фотосинтез за 600 млн. лет составит не 67,8∙1024 г, а только четвертую часть, т. е. 16,95•1024 г, остальная масса воды регенерирует, составляя возвратную воду. Однако и эта масса во много раз превышает массу свободной воды гидросферы (океаны, моря, реки и озера, ледники, атмосфера).

Если принять общую массу свободной воды гидросферы равной 1,46 • 1024 г, то оборот ее (количество циклов за 600 млн. лет) дает величину, равную (16,95∙1024 г) : (1,46 Х 1024 г) =11,6, т. е. за указанное время осуществилось около 12 полных циклов разложения всей свободной воды гидросферы Земли с учетом постоянного возврата ее по указанной выше реакции в размере 75% массы воды, используемой и разлагаемой в процессе фотосинтеза.

По данным Е. И. Рабинович (Rabinowitch, 1951), вся вода океанов разлагается в процессе фотосинтеза в течение каждых 2 млн. лет.

А. А. Ничипорович (1955), произведя подсчет круговорота кислорода, пришел к выводу, что «растения в процессе фотосинтеза могут использовать и разложить всю воду океанов в течение примерно 6 млн. лет» (стр. 34). В его расчетах время существования растений на Земле принято равным 550 млн. лет, тогда количество циклов получается равным 550:6=91. Ничипорович не учитывал возврат воды в процессе фотосинтеза, а также не принимал во внимание то важное обстоятельство, что органическая масса за время существования растений на Земле возросла от палеозоя до наших дней во много раз. Очевидно, при определении массы воды, разлагаемой в процессе фотосинтеза, нельзя принимать в расчет современную ежегодно продуцируемую массу живого вещества, так как она характеризует не средний за геологическое время, а современный уровень фотосинтеза.

X. Д. Голланд (Holland, 1964) на основании расчетов возможного изменения парциального давления кислорода в атмосфере за геологическое время приходит к заключению, что около 300 млн. лет тому назад содержание кислорода в ней значительно повысилось. Однако переход от восстановительной атмосферы к кислородной, по его расчетам, начался раньше — когда Земля как планета, достигла возраста порядка 2 млрд. лет. Если принять, что кривая нарастания кислорода в атмосфере отражает темп нарастания разлагаемой в процессе

фотосинтеза воды, то из расчетов Голланда следует, что достаточно интенсивный фотосинтез должен был начаться не позднее 1 млрд. лет тому назад. В этом случае перерасчеты дают 23 цикла влагооборота свободной воды гидросферы вместо 12 циклов.

Более точные расчеты интенсивности влагооборота, обусловленного фотосинтезом растений, могут быть выполнены по мере уточнения начала фотосинтетической деятельности растений на Земле и изучения динамики и баланса продуцируемой органической массы за геологическое время.

В приведенных выше расчетах разложения воды в процессе фотосинтеза не было учтено влияние на количество циклов влагооборота противоположных процессов — дыхания, гниения и брожения, в результате которых образуется вода по уравнению

На это расходуется около 15% выделяемого растениями кислорода. Образование воды частично происходит также под влиянием индустриальной деятельности человеческого общества, например в процессе окисления NH3 до азота и воды или SO2 до серной кислоты. Однако масштабы этих процессов значительно меньше масштабов фотосинтеза, на что указывает малое содержание в атмосферном воздухе исходных веществ, подвергаемых окислению. Например, СН4 и Н2, при окислении которых образуется вода, содержится в атмосфере всего около 10-6—10-7% ее объема. Расчеты показывают, что за геологическое время при окислении Н2 до Н2О могло образоваться воды не более 0,7•1022 г, или слой около 14 м.

Другие результаты в расчетах массы воды, разложенной за время существования фотосинтеза на Земле, получаются, если исходить из суммарных запасов углерода, связанного в процессе фотосинтеза за геологическое время.

А. А, Ничипорович (1955) принимает эти запасы равными 6•1021 г, включая углерод в органических веществах живых организмов, в их мертвых остатках, в ископаемых остатках прежней фотосинтетической деятельности растений. А. Польдерварт (Polclervaart, 1957) суммарные запасы углерода оценивает величиной 1,15•1019 г. Он включает в них углерод живого вещества, неразложенное органическое вещество, уголь, нефть, битуминозные сланцы, асфальтовые пески, природные газы.

По В. И. Вернадскому (1954), масса углерода, захваченного в геологическое время живым веществом, едва ли может превышать величину порядка 1019—1021 г, что в общем близко к оценке Польдерварта. По Н. М. Страхову (1963), общее количество органического углерода в литосфере характеризуется величиной порядка 1•1022 г.

Примем для расчетов величину запасов углерода 6∙1021 г, или 6∙1015 т. При образовании 1 т углерода разлагается 1,32 т воды. Всего масса разлагаемой воды составляет 7,92•1015 т, или 7,92•1021 г, что соответствует слою воды около 16 м. Эта величина не отражает действительного расхода воды на фотосинтез, так как в этом варианте расчета принимается во внимание только конечный результат фотосинтеза за геологическое время без учета его многократной цикличности, требовавшей ежегодного разложения некоторой массы воды.

Возможен и другой вариант расчета, если допустить, что уже в каменноугольном периоде растения могли создавать путем фотосинтеза массу органического вещества, близкую к современной. Лесные ландшафты к этому времени достигли полного развития (Перельман, 1961). По абсолютной геохронологии это было около 250 млн. лет тому назад. Если ежегодно продуцируемую в процессе фотосинтеза массу углерода принять, как в предыдущих вариантах, равной 1,7∙1017 г органического вещества и считать, что только 1/4 массы воды разлагается в процессе фотосинтеза, то общий расход воды на фотосинтез синтез в этом случае будет

г,

а число циклов влагооборота составит 9,6.

В этом варианте расчета число циклов влагооборота оказалось близким к полученному в первом варианте (11,6).

Сравнение между собой различных вариантов расчета потерь воды в процессе фотосинтеза дает, как можно было убедиться, разные результаты, обусловленные неточными исходными данными. Кроме того, во всех вариантах расчета не принят во внимание значительный возврат воды в геосферы в результате разложения органического вещества под влиянием процессов брожения и гниения. Как известно, этот процесс является противоположным процессу фотосинтеза по своим конечным продуктам. Он приводит к образованию СО2 и Н2О, благодаря чему происходит пополнение убыли этих веществ, потребляемых в процессе фотосинтеза.

Наиболее достоверные данные о потерях воды можно получить, если иметь представление не об общей массе современной годовой продукции органического углерода, а о той ее части, которая поступает в осадок и захороняется в нем. В этом случае происходит долговременное изъятие из влагооборота некоторой части воды в форме отложения органического углерода в виде каменных и бурых углей, горючих сланцев и т. д.

По данным В. А. Успенского (1956), 99,2% ежегодно продуцируемого вещества вновь разрушается и лишь 0,8% его поступает в осадок и фоссилизируется в нем.

По его же выводам, различные природные образования дают разный процент фоссилизации органического вещества — от 0,06% в глубоководных областях океанов и 1,04% в их шельфах до 8,6% в болотах и 42,2% в озерах. В педосфере, где господствуют субаэральные условия, фоссилизация практически близка к нулю. В среднем размеры фоссилизации органического вещества в осадках можно принять около 1% от ежегодно продуцируемого.

Принимая и в этом варианте расчета за исходную величину половину массы ежегодно продуцируемого в современный период органического вещества

получаем ежегодную «потерю» воды на 1% захороняемого в осадках углерода около 0,0027 • 1017 г, а за 600 млн. лет — около 0,165 • 1024 г. От общей массы свободной воды гидросферы (1,46∙1024 г) эта потеря составляет около 11%, или слой воды 450 м в пересчете на поверхность океана; от общей массы всей воды гидросферы (2,53∙1024) — около 6,5%, или слой воды на всю поверхность Земли — 330 м.

Результаты расчетов «безвозвратных» потерь воды в процессе многократно повторяющихся на Земле циклов фотосинтеза и сравнение их с данными, полученными Калпом, показывают, что указанные им возможные потери воды в межпланетное пространство за геологическое время могли иметь место только в том случае, если условия диссипации газов из земной атмосферы в предыдущие геологические эпохи были значительно благоприятнее современных.

Термину «безвозвратные потери», как уже было сказано выше, мы придаем условное значение, имея в виду частичный возврат воды в геосферы в процессе хозяйственной деятельности человека при сжигании угля, нефти, сланцев, природных газов.

Однако это замечание не изменяет оценку общепланетарной значимости процесса фотосинтеза в развитии влагооборота свободной части гидросферы. Нельзя считать случайным наличие в современный геологический период во всех геосферах (гидросфера, литосфера, атмосфера и биосфера) огромных масс кислорода и очень малого количества водорода. При явной диспропорции между ними всякий раз встает вопрос, куда ускользал водород, отнимаемый от молекул воды в процессе многократного повторения фотосинтеза в течение 600 млн. лет. Какие процессы геологического масштаба могли связывать этот элемент в больших количествах?

Углерод живого вещества и углерод, запасенный в мертвых органических остатках, не мог, как было показано выше, связать много водорода. Часть его "поступает в атмосферу в свободном виде, или в виде NH3, CH4, H2S и т. д., что особенно характерно для процессов гниения и брожения в анаэробных условиях.

В высоких слоях атмосферы происходит ускользание водорода — непрерывная диссипация его в межпланетное пространство в масштабах, значительно превышающих упомянутые ранее (20—25 м). Существование этого процесса признают, по-видимому, все исследователи, изучающие проблемы развития атмосферы и гидросферы. На высотах около 1000 км и выше в атмосфере Земли преобладает атомарный водород (Курт, 1961).

Однако методы расчета интенсивности диссипации легких газов нельзя считать достаточно разработанными, так как они приводят к результатам, находящимся в противоречии с фактом незначительного распространения водорода на Земле.

Характеризуя влагооборот, нельзя не учитывать переменной интенсивности его в циклах разного возраста, обусловленной разными масштабами фотосинтеза. В условиях продуцирования малой растительной массы в начале появления фотосинтеза на Земле и большой массы в современный геологический период интенсивность влагооборота была меньше в первом случае и значительно больше во втором. Этот вопрос будет рассмотрен в одной из следующих глав. Здесь же уместно отметить, что интенсивность влагооборота, обусловленного фотосинтезом, зависит не только от уровня продуцируемой растительной массы на Земле, хотя это один из важнейших факторов, но также от изменения в геологическое время плотности и химического состава атмосферы, от степени общей обеспеченности влагой наземных растений, от тепловых условий.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.