Фотосинтез и оценки баланса углерода в глобальном цикле углерода

Новая модель глобального цикла углерода, связывающая движение литосферных плит с процессами фотосинтеза в биосфере [1, 2], позволяет описать процессы накопления и преобразования ОВ в осадочных породах. Эти процессы рассматриваются как часть глобального цикла углерода, в котором фотосинтез играет ключевую роль. Это означает, что, являясь единственным источником прироста биомассы, фотосинтез обеспечивает накопление ОВ в земной коре и аккумуляцию кислорода в атмосфере. Чтобы показать эту связь и возможность ее исполь- зования для объяснения накопления осадочного ОВ и его влияния на генезис нефти, необходимо обосновать применимость уравнения фотосинтеза к описанию этого процесса в глобальном углеродном цикле.

Модель глобального углеродного цикла. Основные положения

Модель основывается на известной геологической концепции — концепции мобилизма [3, 4]. Постулируется, что литосферные плиты непрерывно двигаются благодаря конвективным потокам в магме, по поверхности которой они перемещаются. Дви-

Рис. 1. Схема глобального редокс-цикла биосферного углерода

Fig. 1. Scheme of global redox-cycle of biosphere carbon

жение плит напоминает эскалатор. В одном месте Земли магма прорывается на поверхность, застывает и толкает соседние плиты, вызывая движение. В другом месте плиты сталкиваются, одна из них уходит вниз и поглощается магмой. Движение неравномерное, состоящее из короткой быстрой фазы и длительной медленной. Короткая быстрая фаза, называемая «орогенным периодом», приходится на столкновения плит в зоне субдукции, где одна из плит поглощается магмой, другая поднимется вверх, приводя к горообразованию, сопровождаемому интенсивными вулканизмом и магматизмом.

При столкновении плит выделяется большое количество энергии. Если одна из плит является континентальной и несет на себе осадочный материал, то ОВ в нем окисляется за счет энергии столкновения плит и участия сульфатов, превращаясь в СО2. Такой процесс описывается термохимической сульфатредукцией. Источником сульфатов является гипс, образовавшийся из морской воды. Термохимическая сульфатредукция — процесс, при котором происходит сопряжение упоминавшихся геологических процессов с циклом биосферного углерода. С него начинается круговорот углерода, который рассматривается как окислительно-восстановительный процесс (рис. 1). Углерод из окисленного состояния, в котором он находится в природной углекислот-но-карбонатной системе, переходит в восстановленное состояние посредством фотосинтеза. Обратно в окисленное состояние углерод возвращается при процессах дыхания в биосфере, аэробных и анаэробных процессах окисления в земной коре. Завершается круговорот в упомянутой реакции термохимической сульфатредукции, происходящей в зоне субдукции.

Углекислый газ — продукт окисления органического углерода, образовавшийся в зоне субдукции — поднимается на поверхность, попадая в атмосферу и гидросферу. Солнечный свет, СО2 и вода при наличии фотосинтезирующего аппарата, созданного в процессе эволюции, обеспечивают фотосинтез на Земле. Развитие фотосинтеза привело к климатическим, атмосферным изменениям и биотическому круговороту. Изменения заключались в следующем. Высокие концентрации СО2, благодаря парниковым свойствам, обеспечивали на Земле высокую температуру. Один из продуктов сульфатредукции, серо- водород, и восстановленные изверженные породы, которые поднимались на поверхность Земли вместе с вулканическими газами и магмой, забирали из атмосферы почти весь кислород, делая ее анаэробной или низкокислородной.

За орогенным периодом следовал длительный тектонически спокойный геосинклинальный период. В это время на Земле ключевую роль играл фотосинтез, который сопровождался снижением концентрации СО2 и увеличением в атмосфере содержания кислорода. Этот тренд усиливался на протяжении всего геосинклинального периода, что приводило к постепенному похолоданию и появлению аэробных условий. К концу этого периода наступало оледенение и достигались самые высокие концентрации О2.

Описанные климатические изменения приводили к биотическому круговороту, который заключался в том, что в орогенный период были распространены термофильные и анаэробные организмы, а в геосинклинальный период они замещались холодостойкими и аэробными организмами. Следует подчеркнуть, что орогенный и геосинклинальный периоды вместе составляли орогенический цикл.

При смене циклов из-за резких климатических изменений происходило массовое вымирание живых организмов. Это сопровождалось поступлением огромного количества биогенного материала в осадок, что в конечном счете приводило к накоплению толщ, богатых ОВ (черные сланцы, бажениты, дома-никоиды) [5]. Последние становились источником для образования крупных УВ-скоплений.

Глобальный фотосинтез и его роль в крупных природных системах

Фотосинтез любого фотосинтезирующего организма обычно описывается выражением, которое формально изображает процесс в виде реакции

CO 2 + H 2 O h ^v >  (CH₂O) + O 2 , (1)

где субстраты СО2 и Н2О берутся из окружающей среды; (СН2О) формально обозначает продукт фотосинтеза, биомассу, образующуюся в эквимолярном соотношении с другим продуктом реакции — кислородом. Возникает вопрос, можно ли таким простым образом описать глобальный фотосинтез для таких крупных систем, как биосфера или глобальный цикл углерода.

Из определения фотосинтеза понятно, что левая часть уравнения (1) во всех случаях всегда одна и та же. Это СО2 и Н2О, которые берутся из окружающей среды, а из них с помощью солнечного света образуются продукты реакции. Остается понять, что в этом случае представляют продукты фотосинтеза в больших системах.

Уравнение глобального фотосинтеза в биосфере

В.И. Вернадский, рассматривая биосферу и ее взаимодействие с земной корой, ввел представление о «живом» веществе [6]. Под ним он понимал общую биомассу живых организмов на Земле. Но на Земле обитают как автотрофные, так и гетеротрофные организмы. Автотрофные организмы делятся на хемосинтезирующие и фотосинтезирующие. Автор статьи здесь и в дальнейшем биомассу нефотосинтезирующих организмов принимает ничтожной по сравнению с биомассой фотосинтезирующих, тогда без ее учета:

«живое» вещество = биомасса фотосинтезирующая + биомасса гетеротрофная. (2)

Покажем, что «живое» вещество в целом можно считать продуктом фотосинтеза, потому что гетеротрофную часть биомассы тоже можно относить к фотосинтетическим продуктам. Действительно, гетеротрофная биомасса образуется за счет фотосинтезирующей биомассы или за счет другой гетеротрофной биомассы, которая образовалась через потребление фотосинтезирующей, т. е. в конечном счете источником энергии и углерода при образовании любой гетеротрофной биомассы является фотосинтезирующая биомасса. При этом кислород, который всегда сопровождает образование биомассы при фотосинтезе, в том числе на стадии предшествующей гетеротрофной ассимиляции, никуда не исчезает, а сохраняется в атмосфере. Другими словами, гетеротрофную биомассу можно считать продуктом фотосинтеза, но в этом случае биомасса и образуемый параллельно ей кислород на догетеротрофной стадии оказываются разделенными процессами в пищевых цепочках. Поэтому фотосинтезирующую биомассу автор статьи назвал «продуктом фотосинтеза I рода», а гетеротрофную биомассу — «продуктом фотосинтеза II рода».

В этом случае уравнение глобального фотосинтеза для биосферы можно представить как

(CO₂ + H₂O)_m +гидр — h " >  «живое» вещество + O₂, (3) где в правой части уравнения в качестве аналога фотосинтезируемой биомассы выступает «живое» вещество, которое включает фотосинтезирующую и гетеротрофную биомассу, а эквивалентное количество кислорода поступает в атмосферу.

Уравнение глобального фотосинтеза в глобальном цикле углерода

Фотосинтез в углеродном цикле можно описать уравнением

• (CO 2 + H₂O)_ara +гидр —h—^ «живое» вещество + + С ОВ + O 2атм . (4)

Левая часть уравнения аналогична уравнению (3). В правой части два первых слагаемых являются аналогом биомассы. Второе слагаемое учитывает преобразованную биомассу организмов, обитавших в прошлом. Последний член соответствует кислороду атмосферы, накопленному как за счет организмов, существующих в данный момент, так и за счет орга- низмов, обитавших в прошлом от начала происхождения фотосинтеза до данного момента.

Если предположить, что масса «живого» вещества, существующего в данный момент, значительно меньше массы ОВ, накопленного в осадочных породах за все время геологической истории вплоть до данного момента, то выражение (4) можно упростить, представив его в виде [7]

№ + Н₂О)„ м + гидр h >  С ов + O2™. (5)

При анализе традиционного фотосинтеза (1), рассматривая его как химическую реакцию I порядка, динамику характеризовали два признака:

• - противофазное изменение концентрации субстрата СО₂ и ее продукта (О₂ или биомассы);

• – синфазное изменение концентраций обоих продуктов — О₂ и биомассы.

Противофазные вариации концентраций СО2 и О2 в атмосфере неопротерозоя и фанерозоя наблюдаются при изучении их изменений с помощью геологических моделей (рис. 2). Синфазные изменения были установлены для скорости накопления кислорода в атмосфере и скорости захоронения ОВ в осадке, также полученных с помощью геологических моделей (рис. 3). Упомянутые величины можно считать аналогами продуктов глобального фотосинтеза.

Следовательно, представленные корреляции можно рассматривать как аргумент в пользу применимости уравнения глобального фотосинтеза (5) к анализу глобального цикла углерода.

Глобальный фотосинтез и самопроизвольное стремление углеродного цикла к достижению стационарного состояния с ростом концентрации О2 в атмосфере. Экологическая точка компенсации

Можно сделать вывод, что глобальный фотосинтез, участвуя в углеродном цикле, отражает интегральный эффект всех живущих и живших фотосинтезирующих организмов на Земле. Из изложенного также следует, что в ходе эволюции глобальный фотосинтез развивался в режиме пульсаций, т. е. в каждом орогеническом цикле он вначале усиливался, а затем ослабевал. Поэтому, чтобы описать накопление ОВ в осадке с помощью уравнения фотосинтеза, необходимо рассмотреть как будут меняться его характеристики, усредненные по орогеническим циклам. Усредняя характеристики, мы получаем непрерывное увеличение концентрации кислорода во времени и можем проследить его влияние на фотосинтез, на эволюцию цикла и на то, как менялась сама атмосфера в ходе геологического времени.

Основываясь на аналогии свойств традиционного фотосинтеза индивидуального организма и глобального фотосинтеза, можно утверждать, что глобальный фотосинтез обладает двумя реципрокными

Рис. 2. Противофазные изменения усредненных по времени концентраций СО₂ и О₂ в системе атмосфера – гидросфера [8]

Fig. 2. Counter-phase variations of time-averaged СО₂ and О₂ concentrations in atmosphere – hydrosphere system [8]

процессами: ассимиляцией СО₂ и фотодыханием. Один приводит к росту биомассы, другой — к ее убыли. Глобальный фотосинтез обладает свойством менять соотношение вкладов процессов ассимиляции СО₂ и фотодыхания в синтез биомассы в зависимости от концентраций СО₂ и О₂ в среде, т. е. от отношения СО 2 /О 2 . Это свойство важно учитывать при рассмотрении эволюции фотосинтеза внутри орогениче-ских циклов, в которых отношение СО₂/О₂ падает от начала цикла к концу. Однако при изучении накопления ОВ в осадке не менее важно учитывать как будет меняться отношение концентраций СО₂/О₂ от цикла к циклу. Поскольку известно, что по мере эволюции фотосинтеза концентрация кислорода в атмосфере растет, это означает, что фотодыхание будет расти, в то время как как ассимиляция СО₂ будет постоянно падать, что обязательно вызовет постепенное снижение накопления ОВ в осадочных породах.

Чтобы посмотреть, к чему это в конце концов приведет, обратимся к фотосинтезу индивидуального организма. Каждый фотосинтезирующий организм типа С-3 (вначале все организмы были такого типа) обладает так называемой точкой компенсации. Она соответствует моменту, когда количество ассимилируемого углерода в ответ на изменение среды окажется равным количеству выдыхаемого СО2. Рост биомассы организма при этом прекращается, поэтому эта точка определяет пределы выживаемости организмов. В природе, в отличие от фотосинтезирующего организма, помимо дыхания, существует множество других окислительных процессов, в которых расходуется первоначально образованное при фотосинтезе ОВ (биомасса). Поэтому в глобальном цикле углерода существует так называемая точка экологической компенсации. Ее достижение означает, что глобальный цикл углерода перешел в стационарное состояние, т. е. сколько восстановленно-

Рис. 3. Синфазные изменения усредненной концентрации О₂ (A) и скорости накопления осадочного C_орг (B), рассчитанные по геологической модели Geocarb III [9]

Fig. 3. In-phase variations of averaged О₂ concentration (A) and rate of sedimentary C_org accumulation (B) calculated in Geocarb III

го углерода образовалось при фотосинтезе, столько и окислилось во всех вышеупомянутых процессах окисления в биосфере и земной коре.

Рассмотрим подробнее углеродный баланс в глобальном цикле. Для этого проследим, как расходуется восстановленный при фотосинтезе углерод. Сразу же после образования биомассы при фотосинтезе уже в живых организмах («живом» веществе) восстановленный углерод окисляется при дыхательных процессах. После отмирания и захоронения организмов восстановленный углерод расходуется в разнообразных процессах аэробного и анаэробного окисления вплоть до попадания в зону субдукции. В ней оставшийся восстановленный углерод полностью окисляется. В восстановленном виде углерод сохраняется только в породах, пока не достигнет зоны субдукции. Соответственно, в атмосфере остается эквивалентное восстановленному углероду количество кислорода. Следуя этой логике, очевидно, что накопление Сорг происходит только до достижения циклом точки экологической компенсации. По мере приближения к этой точке накопление уменьшается, пока не сойдет на нет.

Вероятная количественная оценка баланса углерода в глобальном цикле после достижения им стационарного состояния

Настоящая оценка характеристик баланса углерода в глобальном углеродном цикле не является строгой и количественной, поскольку для расчета используются приближенные выражения, а данные для расчета, хотя и взяты из общедоступных источников, например из Интернета, но их точность не приводится. Цель расчета — показать принципиальную возможность количественного подхода к рассмотрению баланса в глобальном цикле углерода на основе предложенной модели фотосинтеза и оценить разумность полученных таким способом значений.

Одно из приближений заключается в следующем. В природе осадочное ОВ представлено двумя формами: рассеянной и концентрированной. Источником первой является высшая наземная растительность, второй — планктон, другая водная и низшая наземная растительность.

Высшая наземная растительность появилась на Земле более чем на 2 млрд лет позднее возникновения фотосинтеза, а следовательно, и ее вклад в общую массу осадочного ОВ на Земле существенно меньше [10]. Поэтому без большой погрешности, которая могла бы исказить порядок конечного значения, концентрированной формой ОВ в осадках можно пренебречь.

Сделав эти необходимые замечания, перейдем к расчету, основываясь на полученном уравнении фотосинтеза (5).

С помощью данных [11] рассчитаем количество молей кислорода, накопившегося в атмосфере. Масса сухого атмосферного воздуха равна (5,1 - 5,3) ∙ 10¹⁸ кг. Массовый процент кислорода в воздухе составляет 23,1 %. Перемножив эти значения, получим, что масса кислорода в воздушном слое равна 1,2 ∙ 10¹⁸ кг. Разделив это значение на молярную массу кислорода М = 32, получаем количество молей n о , = 3,75 • • 10¹⁶. Благодаря стехиометрическому соотношению продуктов реакции фотосинтеза, равному 1 : 1, n о , = n ов = 3,75 • 10¹⁶ моль.

Под УВ далее понимаются любые жидкие продукты преобразования ОВ, которые эмигрируют из очагов генерации в главной зоне нефтеобразования.

Если обозначить долю, которую составляют эмигрирующие УВ от общей массы ОВ, генерирующего в главной зоне нефтеобразования, как к 1 , тогда произведение трех сомножителей в правой части выражения (6) будет выражать максимальное количество нефтяных эмигрирующих УВ:

R = n ОВ ∙ k 1 ∙ М нефти . (6)

Произведение первых двух сомножителей в выражении (6) соответствует количеству молей эмигрировавших жидких УВ. Умножение на Мнефти позволяет перевести количество молей нефти в массу. В качестве Мнефти автор статьи выбрал УВ С10Н22, аппроксимирующий нефть. Из балансовых расчетов известно [12], что доля эмигрирующих УВ от общей массы ОВ зависит от типа вещества (гумусового, сапропелевого или смешанных разностей) и от диапазона его преобразования, но обычно не превышает 10 %. Из опыта предыдущих балансовых расчетов [13] и учитывая невысокие требования к точности получаемого результата, автор статьи усреднил значение k1, приняв его равным 5 %, т. е. одинаковым для любого типа ОВ и для диапазона катагенеза, охватывающего всю главную зону нефтеобразования. С учетом сказанного, имеем R = 2,68 ∙ 1015 кг.

Значение R по смыслу должно быть близким к мировым начальным суммарным ресурсам нефти, которые включают в себя как перспективные и прогнозные ресурсы, так и разведанные запасы. Согласно общедоступным данным [14, 15], мировые разведанные запасы нефти составляют 2,34 ∙ 10¹⁴ кг. По сравнению со значением R , рассчитанным по модели, разведанные запасы оказались, как и следовало ожидать, на порядок меньше. Перспективные и прогнозные ресурсы по отдельным нефтеносным регионам в 2–3 раза превышают разведанные запасы. Если принять, что такое же соотношение характерно и для мира, то можно считать, что, с учетом точности проведенного расчета и приблизительности оценки перспективных и прогнозных ресурсов, расчет по предложенной модели, действительно, соответствует величине мировых начальных суммарных ресурсов.

Такое соответствие свидетельствует о разумности физической идеи, положенной в основу модели, в том числе идеи о том, что фотосинтез играет определяющую роль в накоплении осадочного ОВ в земной коре и кислорода в атмосфере. В этой связи заметим, что выводы, полученные в рамках модели автора статьи, находятся в полном противоречии с гипотезой о неорганическом происхождении нефти.

Выводы

• 1.    Модель глобального цикла углерода не только описывает сам процесс накопления ОВ в земной коре и кислорода в атмосфере, но и доказывает определяющую роль фотосинтеза в круговороте углерода.

• 2.    Доказана применимость традиционного уравнения фотосинтеза для описания этого процесса в крупных природных системах, таких как биосфера и глобальный цикл углерода.

• 3.    Показано, что накопление осадочного ОВ в земной коре и кислорода в атмосфере — два сопряженных процесса, которые продолжались до тех пор, пока цикл не достиг экологической точки компенсации и все процессы в нем не перешли в стационарное состояние, т. е. количество восстановленного углерода, образуемого при фотосинтезе, стало равно количеству восстановленного углерода, окисляемо-

• го в разнообразных процессах в биосфере и земной коре.

• 4.    Модель использована для оценки начальных суммарных ресурсов нефти. Полученные результаты близки к оценкам другими методами, основанными

на традиционных балансовых расчетах с помощью геологических моделей. Это подтверждает разумность заложенных в модель аппроксимаций и приближений и открывает новый подход к изучению механизма преобразования ОВ и нефти.