Откуда растения берут углерод?

Данные о содержании органического вещества в почве (гумуса) являются одним из главных показателей плодородия. Поскольку анализ структуры и содержания той или иной составной органической части образца практически невозможен из-за сложности процедуры, то представление об органическом веществе могут составить данные о валовом содержании углерода и азота. По результатам определения углерода в почве можно вычислить содержание гумуса в почве: искомое весовое процентное содержание гумуса находится умножением весового процентного содержания углерода на коэффициент, который равен 1,7-2.

Самым несложным методом определения органического углерода является метод Тюрина, который состоит в разложении органического вещества бихроматом калия в кислой среде:

3C + 2K2Cr2O7 + 8H2SO4 = 3CO2 + 2Cr2(SO4)3 + 8H2O + 2K2SO4 .

Оставшийся после реакции хромат оттитровывается солью Мора:

K2Cr2O7 + 6FeSO4 + 7H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO4)3 + 7H2O + K2SO4.

Индикатором служит N-фенилантраниловая кислота. Определению мешают хлориды, которые надо учитывать или маскировать сульфатом серебра. На результаты анализа может, при определенных обстоятельствах, влиять наличие в пробах окиси марганца и солей двухзарядного железа.

Ход определения

Навеску высушенной почвы поместить в плоскодонную термостойкую колбу, прилить 10 мл 0,4н раствора бихромата калия в серной кислоте (1:1). Раствор нагреть до кипения и кипятить 5 минут. Затем колбу остудить, обмыть ее стенки 10-20 мл дистиллированной воды, добавить 5 капель индикатора (0,2%) и титровать солью Мора (0,2н) до точки эквивалентности.

Содержание углерода в пробе рассчитать по следующей формуле:

C% =(V1N1 — V2N2) *1200/ m,

где
V1, N1 — объем и нормальность соли Мора;
V2, N2 — объем и нормальность соли бихромата калия;
m — навеска почвы.

Не составляет секрета, что процедура анализа методом Тюрина идентична процедуре определения бихроматной окисляемости. В связи с этим детали процедуры анализа можно заимствовать!

О содержании гумуса в почве можно судить и по окраске анализируемого образца:

Цвет почвы
7 — 10 % черный
4 — 7 % темно-серый
2 — 4 % серый
1 — 2 % светло-серый
0,5 — 1 % почти белый

ОПРЕДЕНИЕ АЗОТА В ПОЧВАХ

Азот, находящийся в почвах, является одним из элементов питания растений. Большая часть азота входит в состав органических соединений гумуса. Помимо этого, небольшая часть азота находится в составе минеральных солей: нитраты, нитриты, соли аммония. Молярным соотношением азота и углерода принято характеризовать обеспечение азотом гумуса. Например, обычно высокое и среднее содержание азота характеризуется соотношением C/N = 8-10. Красноземы характеризуются отношением C/N = 18-20.

Азот в почвах принято определять методом Кьельдаля. Метод состоит в кипячении образца почвы в концентрированной серной кислоте. Результатом кипячения является разложение органического вещества почвы до солей аммония, углекислого газа и сернистого ангидрида. После разложения, кислота нейтрализуется избытком щелочи. Образующийся в результате NH4OH нагревается для отгонки NH3. Собранный аммиак анализируется либо кислотно-основным титрованием, либо фотометрически с реактивом Неслера. По полученным данным делаются выводы о содержании азота в анализируемом образце почвы.

Кипячение пробы с серной кислотой имеет свои специфические особенности.

  • Пропорция кислоты и образца почвы может быть следующей: 10 мл кислоты на 1г почвы.
  • Считается, что при температуре кипения чистой серной кислоты разложение происходит не полностью. Оптимальной температурой считается 365 0С. Для повышения температуры кипения в кислоту добавляется сульфат калия таки образом, чтобы концентрация соли была равна 1 мг/мл. Нагрев смеси выше 410 0С приводит к потери части азота.
  • Помимо сульфата калия в кислоту добавляют катализаторы разложения. Катализаторами служит либо Se, либо HgO, либо CuSO4.
  • Кипячение образца почвы продолжается до 5-6 часов в колбе с обратным холодильником.

После того, как процесс разложения закончен, проба разбавляется дистиллированной водой приблизительно в 50 раз. Затем в колбу с разбавленной пробой осторожно добавляется в избытке щелочь. Проба при этом не должна сильно разогреваться.

После операции нейтрализации все готово для отгонки аммиака. Отгонка проводится нагреванием пробы с применением водяного стеклянного холодильника. Аммиак собирается либо разбавленной серной, либо борной кислотами. В первом случае остаток серной кислоты титруется щелочью, а во втором — сильной кислотой.

Перевод атмосферного углерода в биомассу растений и долговременное его сохранение в резервуаре органического вещества почвы с минимальным риском немедленного возврата в атмосферу обозначается как «почвенная секвестрация углерода”. Предложен новый индекс, характеризующий емкость почвы секвестрировать углерод (SCSC), который рассчитывается как отношение стабильного в почве углерода (Сорг – Спм) к потенциально-минерализуемому (Спм) углероду. При оптимальных условиях температуры и влажности углеродсеквестрирующая емкость почв природных экосистем снижалась в следующей последовательности: чернозем выщелоченный > темно-каштановая > каштановая > серая лесная > дерново-подзолистая > тундровая. При учете средней температуры теплого периода года и его продолжительности углеродсеквестрирующая емкость почв изменялась: выщелоченный чернозем > темно-каштановая > каштановая ? тундровая > серая лесная > дерново-подзолистая. При влажности почвы ниже или выше оптимальной углеродсеквестрирующая емкость почв соответственно повышается или снижается в 1.2 раза. Изменение влажности почвенной среды оказывало более существенное влияние на минерализацию растительных остатков, чем почвенного органического вещества. Углеродсеквестрирующая емкость пахотных почв зонального ряда в 1.3-1.9 раз выше, чем почв естественных угодий. После двухлетнего применения минеральных или органических удобрений с внесением растительных остатков углеродсеквестрирующая емкость серой лесной почвы не изменилась. Показано, что при минеральной системе удобрения эмиссия СО2 несущественно превышала количество углерода, возвращенного в почву с растительными остатками, а при органической системе, благодаря ежегодному внесению навоза, создавался положительный баланс углерода. Длительное применение органических удобрений способствовало повышению содержания Сорг в выщелоченном черноземе и снижению его углеродсеквестрирующей емкости по сравнению с неудобренным контролем, тогда как в вариантах с органоминеральной системой удобрения происходило увеличение и Сорг и SCSC.

/оффтоп = > модель хлорофилла 3D напомнила мне модель космического корабля…/

Эти опыты не снимали главного вопроса: откуда растения берут углерод, если в воде, как показал Лавуазье, его нет, в почве его содержание ничтожно, и притом, что самое главное, растения способны развиваться в почве, вовсе лишенной углеродных соединений?

В самом деле: если не в почве, если не в воде, то остаётся один только воздух. Но если из воздуха, то значит, только посредством листьев. Так замкнулась цепь. Всей логикой развития науки, логикой научных открытий, в истинность которых все свято верили, исследования ученых-физиологов объективно и жестко детерминированно были направлены только в одном единственном направлении — в направлении развития противоестественной теории воздушного питания растений путём ассимиляции листьями углекислоты воздуха и синтезирования её в сложные органические соединения.

В развитии этих взглядов серьёзным побудительным мотивом послужили опыты и наблюдения, проведённые рядом ученых. В 1771 г. английский химик Дж. Пристли обнаружил, что зелёные растения способны якобы «исправлять» испорченный животными воздух и делать его вновь пригодным для дыхания. Примечательным здесь было то обстоятельство, что многократные попытки учёного получить аналогичные результаты в опытах на крупных, активно растущих растениях окончились неудачей:
во всех таких опытах растения, подобно животным «портили» воздух.

Причины неудовлетворительных результатов опытов Пристли и недостаточной убедительности его выводов были выявлены голландским естествоиспытателем Ингенгаузом. Тот обнаружил (1779), что способность растений «исправлять» воздух непосредственно связана с воздействием солнечного света. Этой способностью обладают зелёные растения, которые реализуют её лишь на солнечном свету, в темноте же они ведут себя точно так же как остальные части растений, то есть загрязняют воздух своим дыханием.

Позже Сенебье (1782) и Соссюр (1767-1845), показали, что растение на свету усваивает углерод из углекислоты воздуха с выделением в равном объёме кислорода. Трудами этих ученых теория фотосинтеза обрела свой общий и в принципе завершённый вид. В своих основных чертах она сохраняется и поныне. Черты эти сводятся к следующему:

а) растения поглощают углекислоту и выделяют кислород в равном объёме;

б) этот процесс происходит только на солнечном свету;

в) он характерен лишь для зелёных частей растения, то есть частей, содержащих хлорофилл;

г) процесс выделения кислорода происходит только при наличии в воздухе углекислоты: чем её больше, тем больше выделяется кислорода.

Можно всё сказать про теорию фотосинтеза, кроме одного, а именно, что она разумна. Не случайны поэтому были ожесточенные нападки на неё как стороны теоретиков, так и практиков. С точки зрения простого здравого смысла и повседневного опыта, теория воздушного углеродного питания растений казалась не только несостоятельной, но и попросту абсурдной.

Практики из многовекового опыта прекрасно знали: чтобы собрать хороший урожай, растению нужны — тепло, влага и удобрение.

Правильное сочетание и чередование этих трех элементов неизменно давало устойчивые и обильные урожаи. И опыт никогда не подводил практиков. Что же касается содержания углекислоты в воздухе, то об этом просто никто и никогда не думал, пока учёные не обнаружили странный факт, что растения не только способны поглощать при некоторых условиях углекислоту, но и создают именно из неё всю свою растительную массу.

Из практики хорошо известно, что при соблюдении агрохимических правил повышение продуктивности возделываемых культур имеет самые широкие пределы, хотя при этом содержание углекислоты в воздухе не увеличивается совершенно. Если критерием справедливости всякой теории является в конечном счете практика, то у теории фотосинтеза за всё время её существования отношения с этим критерием оставляли желать много лучшего.

Если строго следовать теории, нужно были бы ставить урожайность всех культур в прямую зависимость от содержания углекислоты в атмосфере согласно правилу: чем её больше, тем, стало быть, урожайность должна быть выше.

И наоборот, чтобы повысить урожайность, нужна большая насыщенность атмосферы углекислотой. Но, увы, нигде, никогда и никем эта зависимость не была подтверждена. Наоборот, всегда и везде подтверждался факт вредного влияния повышенного содержания углекислоты в атмосфере на все живые существа, не исключая и растения.

Действительно, если растение и в самом деле создавало бы всю свою растительную массу и питательные вещества исключительно за счет ассимилируемой им углекислоты воздуха, то совершенно непонятно, почему оно плохо переносит даже небольшое повышение её концентрации, почему оно может расти в атмосфере, вообще лишенной углекислоты и почему, наконец, растения бурно увеличивают свою растительную массу от внесения в почву даже небольшого количества азотных удобрений при сохраняющемся неизменным содержании углекислоты в атмосфере?

Теория фотосинтеза, таким образом, за все своё более чем стопятидесятилетнее существование не продвинула агрохимию ни на один шаг вперед, и все успехи сельского хозяйства в выращивании богатых урожаев были достигнуты помимо неё.

Другим серьёзным аргументом против теории служил и такой факт, как весьма низкое содержание углекислоты в воздухе. По крайней мере, по мнению многих ученых, оно совершенно неспособно было бы обеспечить жизнедеятельность растений, если исходить из теории фотосинтеза. Другим доводом против служил факт постоянства содержания кислорода в атмосфере и несоответствие объемного содержания последнего содержанию углекислоты, хотя, как утверждает теория, при фотосинтезе образуется количество кислорода, равное в объёмном отношении количеству поглощенного растениями из воздуха углекислого газа. Иными словами, сколько растениями поглощается углекислоты, ровно столько же выделяется кислорода. Поскольку в воздухе содержится примерно 0,03% углекислого газа, то при газообмене в процессе фотосинтеза должно высвободиться такое же количество кислорода, да и то лишь в том случае, если растения поглотят весь атмосферный углекислый газ. Но воздух ведь содержит 21% кислорода, т.е. его объём в 700 раз превышает объём содержащейся в нём углекислоты.

Откуда же берется такой избыток кислорода?

Ведь кислород расходуется постоянно и в больших количествах. Он — главный агент бесчисленного числа окислительных процессов, происходящих на земле. Известны тысячи реакций, протекающих при его участии в живой и неживой природе.
Процессы дыхания животных и растений, процессы горения и разложения, которые происходят на земле непрерывно в течение многих миллионов лет, — всё это требует огромного количества кислорода. Без кислорода нет жизни. Однако, несмотря на большое число процессов, при которых происходит связывание кислорода, его количество в атмосфере остаётся поразительно постоянным. Более того, если (процентное содержание углекислоты ещё как-то варьируется в зависимости от различных обстоятельств (больше её в промышленных районах, городах, меньше в сельских районах, вдали от заводов и фабрик, совсем мало её в горных районах), то содержание кислорода практически постоянно и не зависит ни от каких условий, будь это в районах с богатой растительностью, в пустынях, над просторами океанов. Даже на высотах до 70-80 км не обнаружено нарушения процентного содержания кислорода и соотношения между содержанием последнего и азота — 21% и 79% соответственно.

Такое постоянство состава воздуха и содержащихся в нём азота и кислорода не может не вести к вполне естественному предположению о существования на земле столь же постоянного источника их пополнения, притом в неизменном соотношении. Но можно ли рассматривать в качестве такого постоянного и неизменного источника процесс фотосинтеза?

Сюда же отнесём и значительные сезонные колебания в фотосинтезе, которые должны были бы заметно воздействовать на содержание кислорода и углекислоты в атмосфере. В течение полугода почти вся растительность северного полушария практически выключалась бы из процесса фотосинтеза. С наступлением осени и зимы и вплоть до мая месяца исчезает зелёный покров Земли, деревья сбрасывают листья — этот орган фотосинтеза, и природа замирает.

К этому нельзя не прибавить и те причины, которые упоминались в связи с процессом фотосинтеза — неравномерное распределение растительности по земному шару, сезонные перерывы в ее жизнедеятельности, колебания в содержании углекислоты в атмосфере и т.д. Но все перечисленные факторы как раз говорят об отсутствии на земле такого идеального механизма смешения газов атмосферы. Если бы атмосфера действительно состояла из смеси газов, то их распределение по земному шару носило бы совершенно случайный, переменчивый характер, и это непременно было бы зарегистрировано различными приборами, да и самими животными, для которых не могли бы пройти незамеченными серьёзные перепады в содержании кислорода и углекислоты.

Круг сомнений, однако, далеко не ограничивается вышеизложенным: в него включается, помимо кислорода, и другой главный составной элемент атмосферы — азот. В отношении него мы вправе задать тот же вопрос: каков источник его постоянного содержания в атмосфере (79%) и его пополнения? Может быть, в данном случае, в отличие от кислорода, нам удастся найти большее соответствие? Увы, его, к сожалению, нет применительно и к азоту.

Трудно, если вообще возможно, оставаясь на почве разума и действительности, согласиться с существующим представлением, что 4\5 объема атмосферы обязано своим существованием деятельности некоторых видов микроорганизмов типа гнилостных бактерий. А ведь именно так объясняет наука источник пополнения атмосферы азотом.

Во-первых, сам этот источник крайне непостоянен в своем функционировании, и он не в состоянии обеспечить такую точность в обеспечении атмосферы одной из её составных частей, как бы нас ни уверяли в обратном.

Во-вторых, нелепость этого утверждения видна из того, что в то время как вся мощная растительность земного шара, как наземная, так и подводная, даёт, согласно теории фотосинтеза, 21% кислорода, тогда как некоторые виды микроорганизмов обеспечивают её 79% азота. Далее, если взять те же процессы гниения и разложения, то их основными продуктами являются опять-таки углекислота и аммиак, а не азот. Но если углекислого газа содержится в атмосфере всего лишь 0,03%, то содержание в ней аммиака настолько ничтожно, что нет даже смысла приводить эти данные. Количественные сопоставления не дают, таким образом, никаких оснований считать обоснованным существующий взгляд на источник основных частей атмосферы, а именно: кислорода и азота.

Итак, отмечу, что фотосинтез по своей сути не только противоположен процессу дыхания, но и противоречит ряду фундаментальных положений физики.

Не может не возникнуть тут правомерный вопрос: на каких законах физики основан в этом случае весь процесс фотосинтеза? Для его выяснения обратимся непосредственно к разъяснениям, которые даёт в этой связи сама теория.

Так, например, известный физиолог проф. Рубин пишет в своей книге (просим читателя внимательно отнестись к нижеследующему свидетельству): «Углекислый газ является важнейшим материальным субстратом фотосинтеза. Обычное содержание СО2 в воздухе колеблется от 0,02% до 0,03%. При нормальном давлении и нуле градусов это составляет 0,589 мг. CO2 в 1 л. воздуха. Поскольку из 1 л. ассимилированной CO2 образуется 0,682 г. глюкозы, то для образования 1 г. глюкозы нужно затратить количество CO2, содержащееся в 2500 л. воздуха. Для образования же килограмма сахара растению необходимо «переработать» около 2,5 млн.л. (2500 кубометров), полностью освободив последний от содержащего в нём углекислого газа. При крайне низком содержании углекислоты в воздухе, растениям, можно сказать, приходится в буквальном смысле «вылавливать» её посредством имеющихся у них различных приспособлений. К их числу относятся прежде всего устьица, являющиеся основным путем проникновения CO2 внутрь листа»1.

1 Рубин ЕЛ. Физиология растений. Ч. 1., М, 1954, с.236.

Нарисованная картина просто поразительна! Не растения, а форменные насосы. С какой же интенсивностью должно работать растение в качестве такого насоса, чтобы пропустить через устьица листьев 2500 л воздуха и в итоге получить всего лишь 1 грамм сахара? Удивительно здесь то, что эта малоправдоподобная и не соответствующая даже простым наблюдениям за миром растений картина выдается в качестве истинной, и что в нее верят десятки, а то и сотни умных учёных мужей.
Приводимые цифры красноречивее всех иных доводов говорят против теории фотосинтеза. Здесь мы лишний раз видим, что, за какую сторону теории фотосинтеза ни возьмись, везде сплошные натяжки, забвение основных физических законов, будто они её не касаются вовсе, подтасовки и всё прочее в том же духе. И всё это благодаря одной единственной причине, а именно так называемому открытию Лавуазье, согласно которому вода состоит из водорода и кислорода и которому все легко поверили, и свято верят до сих пор.
Я уже отмечал, что растения дышат так же, как и все животные. Дыхание осуществляется благодаря, прежде всего, теплообмену и газообмену живого организма с окружающей его средой, которые проходят самопроизвольно. Самопроизвольные процессы не могут происходить одновременно в двух направлениях: от большего к меньшему и от меньшего к большему — такое противоречит общепризнанным законам физики. Признание же теорией фотосинтеза одновременного существования двух противоположных и противоречащих один другому процессов газообмена при дыхании и при фотосинтезе представляет именно такое противоестественное явление.

Известный французский физиолог Ж. Буссенго, хотя и внёс свой вклад в разработку теории фотосинтеза, любил, между прочим, повторять, что во всех проводимых опытах над растениями необходимо спрашивать мнение самих растений.

Однако опыты по фотосинтезу напоминают скорее не мирную дружескую беседу с ними, а форменный допрос под пыткой, вследствие которого растения вынуждены «признаваться» в деяниях, никакого отношения к ним не имеющих. В самом деле, главной особенностью всех этих опытов было то, что они делались в условиях искусственных, весьма сильно отличающихся от тех, в которых растение находится обычно.

Поэтому оно и не могло давать «правдивых показаний», а давало те, которые выбивались из него принудительно. Прежде всего, это относится к повышенному содержанию углекислоты в среде, в которой обычно проводились опыты, и, наоборот, к пониженному содержанию в ней кислорода. В таких ненормальных условиях «нормальным» оказывалось то, что растение вынуждено было поглощать ненужную ему углекислоту и выделять при этом замещаемый ею кислород.

***

Помимо сказанного остаётся ещё один важный вопрос, требующий ответа: почему растения в условиях повышенной концентрации углекислоты во время опытов над ними выделяют всё-таки кислород. Ведь именно на этом факте строится главный вывод теории фотосинтеза, что зелёные растения являются якобы единственным источником всего кислорода атмосферы. Здесь необходимо отметить тот факт, что во время опытов над растениями такое выделение кислорода начинается исключительно на солнечном свету и моментально прекращается при переносе растения в слабо освещенное место. Этот момент очень важен. Почему так происходит? На этот вопрос мы не сможем ответить, исходя лишь из законов диффузии. Ответ нужно искать уже в области физиологии. С этой целью обратимся к одному весьма важному обстоятельству.

Итак, теория говорит нам, что процесс фотосинтеза происходит только при солнечном освещении и только в зелёных частях растений, то есть в листьях, и что он связан непосредственно с красящим пигментом растений — хлорофиллом. Какова же во всём этом роль хлорофилла?

По теории, именно хлорофилл связывает всю всасываемую растением углекислоту, именно в нём происходит процесс синтеза углекислоты и воды в сложные органические соединения, и происходит выделение кислорода. Но это по теории. Поскольку, как мы уже могли убедиться, эта теория, мягко говоря, не совсем адекватна, то возникает необходимость дать более точное объяснение роли хлорофилла в жизни растений. С этой целью обратимся непосредственно к хлорофиллу и посмотрим, что он из себя представляет.

Не стану рассматривать тут все его замечательные химические и физические свойства. Для нас важны некоторые его особенности и свойства, роднящие его с другими подобными же веществами в живом мире, что позволяет прибегнуть к аргументированной аналогии.

Обратимся, прежде всего, к тому важному обстоятельству, что по своей химической природе хлорофилл очень близок к пигменту крови гемоглобину, выполняющему дыхательную функцию как переносчик кислорода и частично углекислоты. Данный момент хотелось бы подчеркнуть особо.

В этой связи беру на себя смелость утверждать, что хлорофилл выполняет не приписываемую ему функцию фотосинтеза, а дыхательную функцию растений плюс функцию теплообмена, то есть прямо противоположную той, которую ему отводит теория фотосинтеза. Но есть ли этому иные подтверждения, помимо химического родства гемоглобина и хлорофилла? Для ответа на этот вопрос еще раз обратимся к отношению между хлорофиллом, кислородом и углекислотой.

Примечательным обстоятельством тут является то, что такое же отношение можно видеть и в случае гемоглобина крови. В процессе дыхания гемоглобин (НЬ), присоединяя к себе кислород, превращается в так называемый оксигемоглобин — нестойкое соединение с кислородом:

НЬ + О2 = НЬО2.

В 1892 г. ученик Сеченова Б.Ф. Вериго впервые пришел к выводу, что углекислота способствует вытеснению кислорода из оксигемоглобина.

Позже Бор (1904) окончательно подтвердил этот вывод, получивший название «эффекта Бора-Вериго». Проф. Рубинштейн отмечает в этой связи, что при избытке углекислоты оксигемоглобин легче отдаёт связанный им кислород даже при одном и том же парциальном давлении последнего в окружающей среде1. Было также показано — и этот факт весьма важен для наших рассуждений, — что кислород, химически связанный с кровью, освобождается гораздо легче при повышении температуры.

Если теперь обратиться к опытам по так называемому фотосинтезу и вспомнить, при каких условиях происходит взаимодействие между хлорофиллом, кислородом и углекислым газом, то нетрудно убедиться в том, что при этом имели место процессы, полностью покрываемые «эффектом Бора-Вериго».

Исходя из факта близкого родства хлорофилла и гемоглобина, можно с достаточным основанием утверждать, что во всех опытах по фотосинтезу повышенная концентрация углекислоты, как и в случаях с гемоглобином, так сказать, провоцировала вытеснение кислорода из оксихлорофилла, то есть хлорофилла, насыщенного кислородом. Поскольку этот процесс особенно усиленно проходит на солнечном свету, то и здесь мы видим аналогию с гемоглобином крови, из которого кислород освобождается гораздо легче при повышении температуры.

источник Э.А. Поздняков «Извечные загадки науки»

Tags: Поздняков Э.А., формула, фотосинтез, человек

Откуда растения берут углерод?

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *