Углерод….. 45
Кислород… 42
Водород…. 6,5
Азот………. 1,5
Остальные: сера, фосфор, калий, кальций, магний, железо, хлор, кремний, иод, бром, натрий
В то время как первые 4 элемента составляют 95 % общего веса сухого вещества растений, все остальные встречающиеся в их золе простые вещества дают в сумме всего 5 %. Тем не менее, без серы, фосфора, калия, кальция, магния и железа, как показывают точные опыты с культурами на минеральных растворах, растения существовать не могут.
Жизнь растений тесно связана с поглощением элементов, составляющих их тело. Обмен веществ — главная и наиболее важная для нас работа растений. Посмотрим, откуда они заимствуют эти элементы и куда отдают их по использовании. Надо иметь в виду, что растения не поглощают твердой пищи, не имеют пищеварительной полости, а питаются водными растворами необходимых для их дыхания и роста веществ, которые поглощают путем всасывания корнями и внутренними частями мякоти листьев. Для того, чтобы выяснить значение и перемещения каждого из существенных для жизни растений элементов, прибегнем к методу выяснения того круговорота веществ, который постоянно происходит на Земле, то переводя интересующий нас элемент в свободное состояние, то снова связывая его в составе сложных соединений, входящих в состав тела растений или участвующих в их обмене с внешней средой.
1. УГЛЕРОД
Согласно сводке В. И. Вернадского (Геохимия, 1927), среднее содержание углерода в земной коре соответствует 0,4–0,5 % от общего ее веса. В странах, богатых известняками (углекислый кальций), количество углерода выше и достигает 10–12 %. Но во всех подобных случаях значительная часть этого запаса углерода образовалась за счет остатков живых существ и, особенно, растений, погребенных под слоями наносов.
Первичными соединениями углерода, возникшими помимо участия организмов в его накоплении, как показывают химические исследования продуктов вулканизма, являются углекислота, окись углерода, углеводороды, наконец, некоторые производные муравьиной кислоты, которая может образовываться при высоких температурах путем восстановления углекислоты в присутствии воды.
Угольная кислота, как уже упоминалось, выделяется вулканами в огромных количествах и затем более или менее равномерно распределяется в атмосфере. Как известно, она составляет 0,03 % общего веса нижних слоев атмосферы. И хотя углерод составляет только 3/11 веса углекислоты, а остальные 8/11 приходятся на кислород, тем не менее общий запас углерода в атмосфере исчислен в 800 биллионов кг.
Углекислота [20]воздуха, как и все газы, способна диффундировать, т. е. равномерно распределяться во всем доступном ей пространстве. Сквозь невидимые глазу отверстия в кожице листьев, называемые устьицами, она проникает во внутренние полости листа, воздушные ходы, и здесь растворяется в жидкости, смачивающей оболочки живых клеток мякоти листа. Водный раствор углекислоты встречает внутри клеток зеленые хлорофильные зерна и при их содействии разлагается действием солнечных лучей, распадаясь на углерод и кислород. Кислород выделяется наружу, а углерод вступает в соединение с элементами воды, кислородом и водородом и образует тройные соединения, называемые углеводами, причем основным соединением этого рода приходится считать виноградный сахар, или иначе глюкозу. Далее идут крахмал, тростниковый сахар, клетчатка и многие другие менее распространенные тела той же химической группы углеводов.
В процессе дыхания растение, поглощая из воздуха свободный кислород, снова образует углекислоту за счет углеводов и отдает ее назад атмосфере. Процесс этот называется также диссимиляцией и сопровождается потерей в весе, тогда как усвоение углерода углекислоты — ассимиляция дает увеличение веса.
В тех случаях, когда кислорода недостаточно для полного окисления сахара на углекислоту и воду, возникают обычно процессы брожения, дающие при распаде сахара выход спирта и углекислоты. Значительная часть поглощенного растением углерода утилизируется им на постройку его тканей и отдается обратно только после его гибели, когда процессы гниения и брожения разложат и древесину и другие части растения с конечным образованием тюх же углекислоты и воды, метана и пр.
В самом растении углевод претерпевает весьма сложные превращения, входя в состав живого вещества, а также в образуемые растением запасы.
С превращениями углерода тесно связаны превращения солнечной энергии, поглощаемой зелеными растениями одновременно с углекислотой. При усвоении углерода и образования углеводов поглощается масса энергии и вся она переходит в потенциальную химическую энергию углеводов. Если вместо углеводов образуются жирные масла, или за счет углеводов и жирных масел путем присоединения к ним азотистых соединений образуются белки или протеины, то и в них вводится потенциальная химическая энергия, заимствованная от Солнца.
При дыхании, брожении, гниении потенциальная химическая энергия углеводов, жиров и белков, составляющих тело растения, освобождается, превращается в динамическую и так или иначе расходуется. Мы лучше всего это видим, когда сжигаем в наших печах дрова или уголь и пользуемся освобождающимся при этом теплом.
Сжигаемое ежегодно количество каменного угля, не считая других видов топлива, выбрасывает в атмосферу около 1400 000 млн. кг углекислоты, которая снова утилизируется растениями. Таким образом, общий круговорот углекислоты в природе таков:
1. Углерод углекислоты воздуха.
2. Углерод углеводов, жиров и белков в растениях.
3. Углерод тела животных, полученный ими вместе с растительной пищей.
4. Углекислота, полученная благодаря дыханию.
5. Остатки животных и растений, постепенно отдающие свой углерод углекислоте, благодаря процессам брожения, или обугливающиеся, или иным путем переходящие в запасы минерального топлива.
6. Углекислота, как продукт горения различных видов топлива.
Часть углекислоты выходит из круга при образовании известняков и других углекислых минералов или солей, но пополняется той углекислотой, которую выбрасывают вулканы.
Уже из этого краткого очерка можно видеть, что общий запас углекислоты в атмосфере мог в различные эпохи, пережитые нашей Землей, изменяться значительно, а вместе с этим изменились и прозрачность атмосферы, а также и условия дыхания живых существ.
2. КИСЛОРОД
Кислород — один из наиболее деятельных элементов земной поверхности и один из наиболее распространенных. Свободный кислород — одна из важнейших составных частей атмосферы. Много его растворено в воде, соленой и пресной, в снегах и льдах северных стран. Кроме того, мы имеем большой запас связанного кислорода в воде и в других окислах. Процессы окисления — одни из важнейших на земной поверхности.
Откуда взялся свободный кислород? Он существует только на поверхности Земли. Его нет ни в воде источников, берущих свое начало в глубоких слоях Земли, ни в выделениях вулканов. Газы, выделяемые вулканами, многократно уже подвергались анализу, особенно американцами на Сандвичевых островах, где для этого особенно удобные условия, благодаря постоянству действующих вулканов Мауна-Лоа и Мауна-Кеа. В Японии, в южной Европе, на Камчатке, всюду газы вулканов — это углекислота, хлористый водород, сернистый водород и другие, но никогда не кислород.
Рассматривая другие мыслимые источники выделения свободного кислорода на поверхности Земли, мы понемногу убеждаемся, что минеральный мир не дает нам ни одного процесса, связанного с выделением свободного кислорода. При высоких температурах первых периодов существования Земли он был
всецело захвачен окислительными реакциями и выделялся в атмосфере связанным, в виде углекислоты и воды, не считая менее распространенных окислов. Даже в воде глубоких источников, как это доказал уже в конце XVII в. Пирсон в Англии, его в растворе нет, тогда как поверхностные воды Земли обычно содержат в растворе свободный кислород, заимствуемый ими из атмосферы.
20
Безводная углекислота, или угольная кислота (вернее ангидрид угольной кислоты), содержит 72,71 % кислорода и 27,28 % углерода и представляет собою конечный окисел углерода; такого соединения углерода, которое содержало бы больше кислорода, чем его имеется в углекислоте, не существует.