Для живых организмов Андре Львовым (A. Lwoff) была разработана номенклатура типов питания, в полном объеме имеющая значение только для бактерий и поэтому употребляемая почти исключительно микробиологами. Львов построил комбинаторную матрицу для типов анаболизма и катаболизма — трофии. По анаболизму организмы разделяются на строящих вещества своего тела из углекислоты автотрофов и использующих готовые органические вещества гетеротрофов. По катаболизму различаются фототрофы (источник энергии — солнечный свет) и хемотрофы (энергетический источник — неорганические и органические соединения).
Для химических энергетических реакций различают неорганические вещества у литотрофов (хемосинтетиков) и органические вещества у органотрофов.
- Фотолитоавтотрофы – организмы, у которых источник энергии – свет, источник углерода – неорганика (СО2), источник электронов и водорода – неорганика (Н2О, Н2, Н2S и др.). Растения, лишайники, цианобактерии, зелёные и пурпурные серные бактерии.
- Фотолитогетеротрофы – организмы, у которых источник энергии – свет, источник углерода – органика, источник электронов и водорода – неорганика. Некоторые цианобактерии, многие пурпурные и зелёные серобактерии.
- Фотоорганогетеротрофы – организмы, у которых источник энергии – свет, источник углерода – органика, источник электронов и водорода – органика. Галобактерии (семейство архей), пурпурные несерные бактерии.
- Фотоорганоавтотрофы – организмы, у которых источник энергии – свет, источник углерода – неорганика (СО2), источник электронов и водорода – органика (напр. муравьиная кислота). Некоторые пурпурные бактерии, эвгленовые.
- Хемолитоавтотрофы – организмы, у которых источник энергии – ОВР, источник углерода – неорганика (СО2), источник электронов и водорода – неорганика (Н2О, Н2, Н2S и др.). Бактерии: большинство хемосинтезирующих бактерий
- Хемолитогетеротрофы – организмы, у которых источник энергии – ОВР, источник углерода – органика, источник электронов и водорода (окисляемый субстрат) – неорганика. Некоторые тионовые (сульфатвосст-е) бактерии (Thiobacillus permetabolis).
- Хемоорганоавтотрофы – организмы, у которых источник энергии – ОВР, источник углерода – неорганика (СО2), источник электронов и водорода – органика (метанол, муравьиная к-та). Paracoccus denitrificans, Listeria monocytogenes, некоторые метаногены.
- Хемоорганогетеротрофы организмы, у которых источник энергии – ОВР, источник углерода, электронов и водорода (окисляемый субстрат) – органика. Животные, грибы, растения-паразиты, бактерии-паразиты (Salmonella), симбион-ты (Rizobium), сапрофиты (Azotobacter).
Жизненно важные химические элементы (CHNOPS)
Из более чем 100 химических элементов земной коры в составе вещества организмов – около 20. Из них присутствуют всегда: водород (H), углерод (C), азот (N), кислород (O), фосфор (P), сера (S). CHNOPS – так иногда по первым буквам из таблицы Менделеева называют группу биогенных макроэлементов. Эти шесть элементов необходимы всем живым существам в больших количествах. Из этих элементов состоят белки, жиры и углеводы. Более 99% вещества организмов приходится только на четыре элемента: водород, углерод, азот и кислород.
Все элементы этой группы совершают в биосфере круговороты, переходя от одних организмов к другим. Биосферный круговорот всех, кроме фосфора, может осуществляться за счет жизнедеятельности организмов. Все они, кроме фосфора, могут образовывать летучие соединения и на определённой стадии находятся в атмосфере. Круговорот фосфора включает в себя перенос с материков в океан реками, а возвращение происходит только в результате геологических процессов подъёма дна или опускания суши.
Углерод – геохимический цикл
Геохимический цикл углерода — это комплекс процессов переносящих углерод между различными геохимическими резервуарами. В истории Земли углеродный цикл менялся весьма значительно, эти изменения были как и медленные постепенные изменения, так и резкие катастрофические события. Важнейшую роль в круговороте углерода играли и играют живые организмы. В различных формах углерод присутствует во всех оболочках Земли.
Геохимический цикл углерода имеет несколько важных особенностей:
- Разные процессы контролировали углеродный цикл на разных промежутках времени
- Резкие, катастрофические изменения цикла углерода играли ключевую роль в эволюции углеродного цикла в истории Земли.
- Геохимический цикл углерода всегда происходит через атмосферу и гидросферу. Тем самым, даже самые глубинные процессы могут влиять на окружающую среду и биосферу.
Формы углерода
Углерод присутствует в природе в нескольких основных формах:
- восстановленная форма в виде метана и других углеводородов он содержится в мантии, коре, атмо- и гидросфере;
- в нейтральном состоянии в виде графита, алмаза и карбида в коре и мантии;
- в окисленной форме в виде углекислого газа, карбонатов и примеси в силикатах в мантии, коре и атмо- и гидросфере;
- в виде сложных биоорганических соединений углерод сосредоточен в биосфере, почве, и океане.
Углерод в атмосфере
В атмосфере углерод содержится в виде углекислого газа, угарного газа, метана и некоторых других углеводородов. Содержание СО2 сейчас составляет ~0.04 % (увеличилось на 31 %, по сравнению с доиндустриальной эпохой), метана ~1.7 ppm (увеличился на 149 %), на два порядка меньше, чем СО2; содержание СО ~0.1 ppm. Метан и углекислый газ обладают парниковым эффектом, угарный газ такого влияния не оказывает.
Для атмосферных газов применяется понятие время жизни газа в атмосфере, это время за которое в атмосферу поступает столько же газа, сколько его содержится в атмосфере. Время жизни метана оценивается в 10-14 лет, а время жизни углекислого газа оценивается в 3-5 лет. СО окисляется до СО2 за несколько месяцев.
Метан поступает в атмосферу в результате анаэробного разложения растительных остатков. Основными источниками поступления метана в современную атмосферу являются болота и тропические леса.
Современная атмосфера содержит большое количество кислорода, и метан в ней быстро окисляется. Таким образом, сейчас доминирующем циклом является кругооборот CO2, однако в ранней истории Земли ситуация была принципиально иной и метановый цикл доминировал, а углекислотный имел подчинённое значение. Углекислый газ атмосферы является источником углерода для других приповерхностных геосфер.
Углерод в океане
Океан является исключительно важным резервуаром углерода. Общее количество элемента в нем в 100 раз больше чем содержится в атмосфере. Океан через поверхность может обмениваться с углекислым газом с атмосферой, и посредством осаждения и растворения карбонатов с осадочным чехлом Земли. Растворенный в океане углерод существует в трех основных формах:
- неорганический углерод
- растворённый CO2
- HCO3-
- CO32-
органический углерод, сосредоточенный в океанических организмах
Гидросферу можно разделить на три геохимических резервуара: приповерхностный слой, глубокие воды и слой реактивных морских осадков, способных к обмену углекислотой с водой. Эти резервуары различаются по времени отклика на внешние изменения углеродного цикла.
Углерод в коре
Содержание углерода в земной коре составляет порядка 0.27 %. С началом индустриальной эпохи человечество стало извлекать углерод из этого резервуара и переводить его в атмосферу.
Резервуары углерода
Рассмотрение углеродного цикла имеет смысл начать с оценок количества углерода сосредоточенного в различных земных резервуарах. При этом мы будем рассматривать состояние системы на 1850 год, до начала индустриальной эры, когда начались массовые выбросы в атмосферу продуктов сжигания ископаемого топлива.
В атмосфере находится не много углерода по сравнению с океаном и земной корой, но углекислый газ атмосферы очень активен, он является строительным материалом для земной биосферы.
