Масштабы фотосинтетической деятельности в биосфере

Фотосинтез — единственный процесс на Зем­ле, идущий в грандиозных масштабах и связанный с превраще­нием энергии солнечного света в энергию химических свя­зей. Выделяют пять аспектов космической и планетарной роли расте­ний:

В процес­се фотосинтеза наземные растения образуют 100—172 млрд. т, а растения морей и океанов - 60 - 70 млрд. т биомассы в год (в пересчете на сухое вещество). Общая масса растений на Земле в настоящее время составляет 2402,7 млрд. т, причем 90 % этой сухой массы приходится на целлюлозу. На долю на­земных растений приходится 2402,5 млрд. т, а на растения гидросферы - всего 0,2 млрд. т (из-за недостатка света). Общая масса животных и микроорганизмов на Земле — 23 млрд. т, что составляет около 1 % от. растительной биомассы.

За время существования жизни на Земле органические ос­татки растений и животных накапливались и модифицирова­лись. На суше эти органические вещества представлены в виде подстилки, гумуса и торфа, из которых при определенных условиях в толще литосферы формировался уголь. В морях и океанах органические остатки (главным образом животного происхождения) оседали на дно и входили в состав осадоч­ных пород. При опускании в более глубокие области литосферы из этих остатков под действием микроорганизмов, повы­шенных температур и давления образовывались газ и нефть.) Масса органических веществ подстилки, торфа и гумуса оцени­вается в 194, 220 и 2500 млрд. т соответственно. Нефть и газ составляют 10000-12 000 млрд. т. Содержание органи­ческих веществ в осадочных породах достигает 20 000 000 млрд. т (по углероду).

Образование органических веществ гумуса, осадочных пород и горючих ископаемых выводило значи­тельные количества СО₂ из круговорота углерода. В атмосфере Земли СО₂ становилось все меньше и в настоящее время он составляет только 0,03% (по объему), или (в абсолютных значениях) 711 млрд. т в пересчете на углерод.

Накопление кислорода в атмосфере. Первоначально в атмосфере Земли О₂ присутствовал в следовых количествах. В настоящее время он составляет 21 % по объему воздуха. Появление и накопление О₂ в атмосфере связано с жизнедеятельностью зеленых растений. Ежегодно в ходе фо­тосинтеза кислород поступает в атмосферу в количестве 70—120 млрд. т.Особое значение в поддержании высокой концентрации О₂ в атмосфере имеют леса. Подсчитано, что 1 га леса весной и летом за час выделяет О₂ в количестве, достаточном для дыхания 200 человек.

 

Ежегодное поступление СО₂ в атмосферу в пересчете на углерод (в млрд. т) обусловлено: дыханием расте­ний – 10, дыханием и брожением микроорганизмов - 25, дыха­нием животных и человека – 1,6, производственной деятель­ностью людей — 5, геохимическими процессами — 0,05. При отсутствии этого поступления весь СО₂ атмосферы был бы свя­зан в ходе фотосинтеза за 6 — 7 лет. Мощным резервом диоксида углерода является Мировой океан, в водах которого растворено в 60 раз больше СО₂, чем находится в атмосфе­ре. Фотосинтез, с одной стороны, дыхание организмов и карбонатная система океана, с другой, поддерживают отно­сительно постоянный уровень СО₂ в атмосфере.

Тенденция к повышению содержания СО₂ в атмосфере из-за сжигания огромных количеств нефти, газа и из-за других причин, указанных выше, может способствовать увеличению средней температуры на поверхности Земли, что приведет к ускорению таяния ледников в горах и на полюсах и затоплению прибрежных зон. Возможно, однако, что повы­шение концентрации СО₂ будет способствовать усилению фотосинтеза растений, что устранит избыточное накопление диоксида углерода. Известно, что изменение концентрации СО₂ в биосфере выступает как элемент обратной связи.

 

В процессе фотосинтеза поглощается далеко не вся солнечная радиация. Большая ее часть отражается и рассеивается, а часть не подходит для фототрофов по длине волны. Но из-за деятельности человека, значительная часть и энергии, пригодной по физическим параметрам для фотосинтеза, становится недоступной природным экосистемам.

Как показало исследование Хельмута Хаберла (Helmut Haberl) с коллегами из австрийского Университета Клагенфурта, 23,8% мировой энергии фотосинтеза в настоящее время используется человеком. Из данного показателя более половины приходится на сельское хозяйство, 40% - другие формы землепользования, и 7% - пожары, возникающие по вине человека. В своих подсчетах ученые использовали модели глобального фотосинтеза и статистические данные Организации ООН по сельскому хозяйству и продовольствию.

Вмешательство человека в глобальный процесс фотосинтеза происходит неравномерно – например, в Южной Азии он лишает природные экосистемы 63% фотоэнергии, а в России и Центральной Азии – только 11%. Интенсивное сельское хозяйство, ведущееся с использованием техники и удобрений, снижает данный показатель, а примитивное землепользование – наоборот, увеличивает.

 

Пристли (Priestley) Джозеф (13.3.1733, Филдхед, близ Лидса, — 6.2.1804, Нортамберленд, Пенсильвания, США), английский философ-материалист, химик, общественный деятель. Родился в семье ткача. По окончании духовной академии стал священником. Отстаивал идеи веротерпимости, выступал против английского колониального господства в период Войны за независимость в Северной Америке 1775—83, приветствовал Великую французскую революцию. Вследствие преследований был вынужден эмигрировать в США (1794). Член Лондонского королевского общества (1767) и член Парижской АН (1772); в 1780 был избран почётным членом Петербургской АН.

В многолетней и страстной полемике со сторонниками различных идеалистических школ П. учил, что природа материальна и что дух (сознание) представляет свойство материи, движущейся по неотвратимым, изначально присущим ей законам («Исследования о материи и духе», 1777). Вместе с тем, придерживаясь деизма, П. полагал, что сами эти законы созданы божественным разумом. С принципом материальности мира П. соединял идею строжайшей причинной обусловленности (необходимости) всех явлений, отвергая утверждения теологов, будто при таком понимании человек как частица материи не несёт ответственности за свои поступки.

П. развивал и популяризировал учение Д. Гартли о том, что все психические процессы, включая абстрактное мышление и волю, совершаются по укоренённым в нервной системе законам ассоциации. Это учение способствовало широкому распространению материалистических воззрений на психическую жизнь как в Великобритании, так и в др. странах (см. Ассоцианизм). П. выступал с критикой философии шотландской школы.

В 1766 П. начал исследования, относящиеся к пневматической химии. Он показал, что воздух, испорченный горением или дыханием, становится пригодным для дыхания под действием зелёных частей растений (1771). Установил, что окись азота на воздухе переходит в двуокись (1772). П. впервые получил (1772—74) хлористый водород и аммиак, пользуясь для собирания газов ртутной ванной. Почти одновременно с К. Шееле открыл кислород (1774). П. получил в чистом виде фтористый кремний, сернистый газ (1775), окись углерода (1799). Обогатив химию многими новыми фактами, П. остался последователем ошибочной теории флогистона и не смог правильно объяснить их.

П. принадлежит также ряд ценных работ по истории науки (учения об электричестве и оптике) и по проблемам методологии научного исследования.

Лавуазье (Lavoisier) Антуан Лоран (26.8.1743, Париж, — 8.5.1794, там же), французский химик, член Парижской АН (1772; адъюнкт 1768). Окончил юридический факультет Парижского университета; одновременно изучал естественные науки, особенно физику и химию. В 1766 за изыскание наилучшего способа освещения улиц получил от Парижской АН золотую медаль. В 1768—1791, будучи членом «Компании откупов» (организации финансистов, бравшей на откуп государственные налоги), Л. приобрёл большое состояние, часть которого израсходовал на устройство лаборатории и на научные исследования. Во время Великой французской революции был сторонником конституционной монархии. В 1794 Л. с др. откупщиками был казнён по приговору революционного трибунала.

Работы Л. способствовали преобразованию химии в науку, основанную на точных измерениях; он систематически прилагал количественные методы, в особенности точное взвешивание, к исследованию химических превращений. Руководствуясь законом сохранения массы, опроверг ошибочную гипотезу флогистона, согласно которой считалось, что все горючие вещества, а также металлы, превращающиеся при обжигании в «извести», «земли» и «окалины», содержат начало горючести — флогистон, выделяющийся из них при горении или обжигании. В 1772—1777 рядом точных опытов показал сложность состава атмосферного воздуха и впервые правильно истолковал явления горения и обжигания как процессы соединения веществ с кислородом. Этого вывода не смогли сделать английский учёный Дж. Пристли и швед. химик К. Шееле, несмотря на то, что они открыли кислород раньше, чем Л. По словам Ф. Энгельса, «элемент, которому суждено было ниспровергнуть все флогистонные воззрения и революционизировать химию, пропадал в их руках совершенно бесплодно» (Маркс К. и Энгельс Ф., Соч., 2 изд., т. 24, с. 19). Л., руководствуясь фактом открытия кислорода, «...впервые поставил на ноги всю химию, которая в своей флогистонной форме стояла на голове» (там же, с. 20). Л. и французский военный инженер Ж. Мёнье показали, что вода — соединение водорода и кислорода (1783); они же синтезировали воду из кислорода и водорода (1785). Установление сложности состава воды нанесло гипотезе флогистона окончательный удар. Учение Л. поддержали французские математики П. Лаплас и Г. Монж, а также французские химики К. Бертолле, Л. Гитон де Морво и А. Фуркруа. В 1786—87 Л. и названные химики разработали проект рациональной химической номенклатуры, которая вскоре стала общепринятой. Её основные принципы сохранились до нашего времени. В 1789 Л. совместно с др. французскими учёными основал журнал «Анналы химии» («Annales de chimie») — одно из первых химических периодических изданий.

В 1789 опубликовал «Начальный учебник химии», где химия определялась как наука о составе веществ, об их анализе; вещества, которые в то время не могли быть разложены, Л. назвал простыми. В их число он включил все известные в конце 18 в. неметаллы, металлы, а также «земли» и радикалы. Л. отнёс к простым веществам и гипотетические «невесомые начала», или флюиды, — «свет» и «теплород».

Созданное Л. направление привело к открытию новых веществ и к экспериментальному обоснованию стехиометрических законов (см. Стехиометрия), что подготовило почву для окончательного введения в химию атомизма. К началу 19 в. воззрения Л. получили общее признание. В России их распространению активно способствовали академики Я. Д. Захаров, В. М. Севергин и В. В. Петров.

Л. — один из основателей термохимии. В 1783 Л. и Лаплас описали сконструированный ими ледяной калориметр и сделали первые определения теплот горения ряда веществ; они пришли к выводу, что теплота разложения соединения равна теплоте его образования. Л. показал (1777), что при дыхании поглощается кислород и образуется углекислый газ, т. е. процесс дыхания подобен горению; в 1783—84 Л. и Лаплас установили, что этот процесс для животных является главным источником теплоты. Л. был сторонником материалистических взглядов мыслителей эпохи Просвещения.

Шееле (Scheele) Карл Вильгельм (9.12.1742, Штральзунд, — 21.5.1786, Чёпинг), шведский химик, член Королевской шведской АН (1775). По образованию и профессии фармацевт. Работал в аптеках различных городов Швеции, где и проводил химические исследования (с 1757).

Ш. открыл многие неорганические и органические вещества. Показал, что пиролюзит (природная двуокись марганца), считавшийся разновидностью магнитного железняка, — соединение неизвестного металла (1774). Получил хлор (действием на пиролюзит соляной кислоты при нагревании, 1774); глицерин (действием свинцового глёта на растит. и животные жиры); из природных минералов молибденита и тунгстена (шеелита) — соответственно молибденовый (1778) и вольфрамовый (1781) ангидриды. Открыл тетрафторид кремния (1771), окись бария (1774), мышьяковистый водород (1775), ряд кислот: винную (1769), кремнефтористоводородную и фтористоводородную (1771), мышьяковую (1775), щавелевую (1776), молочную (1780), синильную (1782) и др. Обнаружил способность свежепрокалённого древесного угля поглощать газы (1777, одновременно с Ф. Фонтана).В труде «Химический трактат о воздухе и огне» Ш. описал получение и свойства «огненного воздуха» и указал, что атмосферный воздух состоит из двух «видов воздуха»: «огненного» — кислорода и «флогистированного» — азота. Однако приоритет открытия кислорода принадлежит Дж. Пристли (1774), т.к. труд Ш. был опубликован только в 1777.