Сторінка
3

Природні системи абіотичного середовища біосфери

Закінчився найдавніший етап геологічної історії Землі, коли існували тільки дрібні одноклітинні (протокаріотичні) організми. На початку кембрійського періоду (близько 500 млн років тому) швидко почали виникати нові види організмів: морські молюски, водорості, губки, корали і пращури хребетних. Протягом наступних періодів палеозойської ери живі організми з’явились і на суходолі.

Саме завдяки бурхливому розмноженню зеленої рослинності утворився надлишок кисню в атмосфері, що сприяло появі таких велетенських тварин, як динозаври. У цей же період в океані з’являються організми з вапняковими (СаСО3) оболонками.

Близько 400 млн років тому, в середині палеозою, утворився стан динамічної рівноваги між споживанням кисню і його генерацією рослинним світом в межах 20% (об’ємних).

Пізніше вміст кисню в атмосфері дещо знизився, а СО2 підвищився, що знов спонукало більш інтенсивне розмноження рослин.

Загальновизнаною є думка, що саме в цей період відбулося накопичення і метаморфоза рослинної біомаси у викопне паливо, яким сьогодні користується наша індустріальна економіка.

Згодом відношення кисню і діоксиду вуглецю встановилося на попередньому рівні. Це, можливо, сталося внаслідок посилених вивержень вулканів чи інших природних катаклізмів, що супроводжувалось значними змінами клімату. Еволюцію біосфери і складу її атмосфери зображено на рис. 19.

Слід зазначити, що відповіді вчених на питання щодо походження життя і еволюції планети на різних етапах розвитку науки були різними. І хоча нині матеріалістичне наукове обгрунтування еволюційної теорії опрацьовано достатньо фундаментально, усе ж і в ньому є чимало «білих плям» і таємниць. На багато з них звернула увагу відносно нова течія пізнання природи — креаціонізм, яка базується на визнанні вищого Розуму, предковічного Слова, на поєднанні біблійних постулатів і сучасних наукових даних про нашу

Планету. Сучасний креаціонізм починає з повторення біблійної схеми: спочатку Бог створив рослинність, а потім вищі організми. Засадним питанням є фотосинтез — перетворення неживих речовин СО2 і Н2О в живу — рослинну і наступної біогенної міграції атомів і енер­гії у біосфері, тобто унікальної здатності життя до самовідтворення. Нагадаємо суттєві принципи фотосинтезу.

Процес живлення рослини — фотосинтез глюкози з діоксиду вуглецю і води — відбувається в її зеленій масі за рахунок поглинання сонячної енергії видимих променів (l = 0,3…24 mkm) переважно синьої і червоної частин спектра (0,4…0,7 mkm) і каталітичної дії зеленого пігмен­ту — хлорофілу. Вода в цьому процесі розщеплюється на кисень і водень, останній відновлює вуглець з СО2, утворюючи з ним вуглевод—глюкозу.

Сумарне стехіометричне рівняння процесу фотосинтезу матиме вигляд:

ΔН0 = + 2822 kJ.

Як бачимо, ентальпія реакції (ΔН0) є додатною. Отже, на кожний kmol (12 kg) засвоєного вуглецю рослина накопичує у вигляді хімічної енергії міжатомного зв’язку в глюкозі (яка далі утворює клітковину) близько 470 MJ. Водночас атмосфера збагачується киснем, підтримуючи баланс його витрат за різноманітних окиснювальних природних і технологічних процесів на нашій планеті. На рис. 20 показаний енергетичний і матеріальний баланс процесу фотосинтезу, що його встановлено вимірюванням енергії сонячних променів, які падають на поверхню листків, і енергії, яка виділяється за спалювання біомаси рослин.

Рис. 20. Матеріальний і енергетичний баланс фотосинтезу

Часто можна почути запитання: «Чому такий низький процент засвоєння енергії Сонця «машиною» фотосинтезу?» У розділі 1.3.3, розглядаючи ідеальну теплову машину Карно, ми вже з’ясовували, що саме зумовлює ефективність конверсії одного виду енергії в іншу.

Спробуємо застосувати знання другого закону термодинаміки для відповіді на поставлене запитання. Тут ми маємо нагоду оригінальним способом підійти до визначення енергетичної ефективності процесу фотосинтезу і, порівнявши результати розрахунку з наведеними на рис. 16, переконатися в грунтовності наших знань. Другий закон термодинаміки стверджує, що більша різниця в якості (концентрованості) енергії між тією, яка надходить на конверсію, і втраченою енергією, то вищим є коефіцієнт конверсії (η). У нашому випадку характеристикою енергій може бути їхня температура на вході до «машини фотосинтезу» і на виході. Температура повітря, отже і поверхні листка рослини з боку Сонця літнього дня, може становити 20 … 30 °С. З протилежного боку листка, у затінку, вона буде на 5 …10 °С нижче. Цього досить, щоб розрахувати ефективність конверсії за вже відомою (1.3.3) формулою, узявши різницю температур у 10…15 °С.

;

.

Середнє значення , що практично збігається з даними рис. 20.

Цей приклад свідчить про високу ефективність термодинаміки в процесі вивчення явищ природи і про цілковиту правомірністть аналогії: «машина Карно» — «машина фотосинтезу».

Ми ще не один раз повертатимемося до такого самого методу визначення ефективності конверсії енергії як в природних, так і в технологічних процесах.

Знаючи коефіцієнт конверсії сонячної енергії і наведені вище дані ентальпії реакції утворення біомаси (глюкози) рослини, нескладно визначити ще одну важливу для розуміння природних процесів у біосфері характеристику — витрати сонячної енергії на 1 кг біомаси (за η = 0,02).

, що еквівалентно енергії, яка виділяється під час згоряння 666 kg вугілля (q = 30 MJ · kg–1).

Кожний квадратний метр площі травостою чи посіву зернових у пору активної вегетації має загальну поверхню зеленого листя близько 4 m2 і синтезує понад 4 kg сухої рослинної маси за сезон. Цей процес щорічного відновлення флори забезпечує життя різноманітної фауни й людства планети.

Щороку в процесі фотосинтезу на суходолі і в океанах Землі зеленими рослинами і бактеріями засвоюється з атмосфери близько 200 млрд тонн СО2, розпадається і вивільнюється в атмосферу 130 млрд тонн кисню. При цьому в рослинах накопичується понад 1 · 1015 MJ сонячної енергії, що на порядок більше, ніж її витрачає вся світова економіка.

Фотосинтез зумовлює утворення гумусу на поверхні Землі і формування горючих копалин — вугілля, нафти, газу, торфу і сланців.