XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Введение

Актуальность. Мы привыкли думать, что иные формы жизни если где и существуют, то только на других планетах. И uипотеза о возможности существования такой жизни была выдвинута еще в 60-е годы прошлого века. В случае если коротко, то дело здесь в том что. Белковые цепи, составляющие основу вещества всех населяющих землю существ - от одноклеточных бактерий до человека, - построены на основе углерода. Но предполагается, что такие же цепи способен создавать и кремний. А значит, белки на его основе также могут в определенных условиях в процессе длительной эволюции привести к возникновению жизни.

Все живые организмы на Земле состоят в основном из органических соединений. А во все органические соединения(кроме парочки исключений) входит углерод. По числу атомов в живых клетках доля углерода около 25 %, по массовой доле — около 18 %. Таким образом, наша, Земная жизнь, построена на углеродной основе.

Углерод идеально подходит для этой роли, потому что:

Он способен формировать огромное число сложных, но стабильных молекул

Углерод самый распространенный из всех тяжелых химических элементов во Вселенной

Соединения углерода достаточно инертны, то есть не вступают в беспорядочные химические связи с кем попало

Так же для существования жизни необходима жидкая вода, являющаяся универсальным растворителем и естественной средой обитания живых клеток и организмов.

Противоречие состоит в том, что значение углерода для существования природы в целом и человека в ней достаточно хорошо обосновано, однако формы существования углерода в неживой природе различны, ученых и практиков до сих пор интересует углеродсодержащие ископаемые в большей части как топливо.

Проблема – как может измениться жизнь человечества при исчерпании гумуса в почвах?

Объект- Плодородие почвы

Предмет – роль гумуса как фактора жизнеобеспечения человечества

Цель –провести теоретическое обоснование гумуса как фактора жизнеобеспечения человечества

Гипотеза

- без углерода не было бы сложных органических молекул, лежащих в основе жизни

- углерод лежит в основе жизнеобеспечения человечества

- исчезновение гумуса может привести к катастрофическим результатам

Задачи:

Провести анализ роли углерода в живой природе, включая человечество

Провести теоретическое обоснование углерода в гумусе как фактора жизнеобеспечения человечества

Разработать модели сценариев исчезновения гумуса и его последствия

Роль углерода

Углерод — это, пожалуй, основной и самый удивительный химический элемент на Земле, ведь с его помощью формируется колоссальное количество разнообразных соединений, как неорганических, так и органических. Углерод является основой всех живых существ, можно сказать, что углерод, наравне с водой и кислородом, — основа жизни на нашей планете! Углерод имеет разнообразие форм, которые не похожи ни по своим физико-химическим свойствам, ни по внешнему виду. Но всё это углерод!

Углерод присутствует в природе в нескольких основных формах:

восстановленная форма в виде метана и других углеводородов содержится в мантии, коре, атмо- и гидросфере

в нейтральном состоянии в виде угля, 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 органических соединений углерод сосредоточен в биосфере, почве, и океане.

Перенос углерода между различными геохимическими резервуарами осуществляется через атмосферу и мировой океан. При этом углерод в атмосфере находится в виде углекислого газа и метана.

Углерод в атмосфере

В атмосфере углерод содержится в виде углекислого газа (СО₂), угарного газа (СО), метана (СH₄) и некоторых других углеводородов^[1]. 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 создают парниковый эффект, 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 — 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 доминирующим 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 нём в 100 раз больше чем содержится в атмосфере. Океан через поверхность может обмениваться углекислым газом с атмосферой 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 земной коре

Содержание углерода в земной коре составляет порядка 0,27 %. С началом индустриальной эпохи человечество стало использовать углерод из этого резервуара и переводить его в атмосферу. Ещё академик Вернадский сравнивал этот процесс с мощной геологической силой, подобной эрозии или вулканизму.

Как возник углерод

Возник из органического вещества – почти столетие эта гипотеза преобладала в геологической науке. Она утверждала, что только в осадочных породах можно найти углерод, в других его нет.

Но постепенно накапливалось все больше фактов о том, что углерод есть и не в осадочных отложениях. Так, например, было замечено, что месторождения нефти и газа приурочены к разломам земной коры. Не поднялся ли по ним углерод из недр земли? Появилась новая точка зрения – о неорганическом происхождении углерода, а значит, нефти и природного газа. Кстати, этой гипотезы придерживался еще Менделеев. Ее сторонники считают, что углерод проник в верхнюю оболочку планеты из мантии.

И вот совсем недавно появилось новое свидетельство в пользу неорганического происхождения углерода. Еще в 20-ом столетии профессор В. Флоровская рассказывала о том, что "элемент жизни" встречен в минералах, рудах и породах, имеющих магматическое происхождение. Исследования проводились на Кольском полуострове, Урале, в Армении и Забайкалье.

Образцы пород, взятые из горных выработок, добытые из скважин, облучали ультрафиолетовыми лучами. Предварительно их смачивали в органических растворителях, например в хлороформе. Попав на кусочки горной породы, он растворяет углеродистые соединения, которые заполняли трещины и поры. Если образцы под действием ультрафиолетовых лучей начинали светиться – люминесцировать, то, значит, в них есть углерод. И такие образцы были найдены. Ученые также определили, какие углеродистые вещества есть в образце и сколько их.

Как же попал углерод в руды и горные породы, которые образовались из магмы?

В условиях магматического процесса, протекающего при температуре в тысячу градусов, могут возникать, жить и взаимодействовать только радикалы углерода – его простейшие соединения с водородом и кислородом. Графит и алмаз, возможно, являются продуктами полимеризации радикалов углерода.

Когда температура падает, ход событий становится, по-видимому, другим. При 600–400⁰ возникают сложные соединения углерода – например, красители, которые находятся в связанном состоянии с вмещающими их минералами. В их состав также входят сера, азот и кислород. В этом и состоит секрет окраски удивительного минерала гакманита – в шахте он окрашен в малиновый цвет, а на свету эта окраска теряется. И снова возникает под короткими ультрафиолетовыми лучами! Все дело в органическом красителе: он восстанавливается при поглощении лучистой энергии! В связи с этим В. Флоровская высказала предположение, что подобные красители могли осуществлять фотосинтез. На ранних этапах эволюции они усваивали и использовали лучистую энергию, могли быть первыми фотосинтезирующими соединениями.

. Следующий температурный интервал – 100⁰С – связан с возникновением наиболее разнообразных и сложных соединений углерода. Это последняя стадия эволюции магмы, когда возникают рудообразующие растворы, асфальты, порфирины, аминокислоты и другие сложные соединения углерода. Их химическому объединению способствуют находящиеся в горячем водном растворе хлор, йод, бром, бор, влияющие на ход реакций. Благоприятствует еще и то, что этот процесс проходит в горных породах, представляющих собой отличные катализаторы: в алюмосиликатах или карбонатах.

Особые условия для дальнейшего развития углеродистых соединений создаются при выходе горячих вод на поверхность земли. В них много углекислоты и минеральных веществ. Благодаря резкому понижению температуры и давления возникают условия, способствующие сближению молекул аминокислот и порфиринов. Аминокислоты, как мы знаем, составляют сущность всего живого, а порфирины – это вещества, способные к фотосинтезу. К ним относится, например, хлорофилл. Соединяясь друг с другом, они образуют эмбрино – так назвала В. Флоровская вещество, которое способно обеспечивать себя энергией из внешней среды. С его появлением, считает она, кончается геохимический цикл, начинается биохимическая эволюция.

Высокомолекулярные соединения и другие органические вещества, попадая по глубинным разломам в древние водоемы, могли образовать тот самый "первичный бульон", в котором возникли живые системы.

Круговорот углерода

Трансформация и использование СО₂ в природе

Биологический круговорот углерода является составной частью большого круговорота в связи с жизнедеятельностью организмов. Углекислота, или СО₂, находящаяся в атмосфере (23,5·10¹¹ т) или в растворенном состоянии в воде, служит сырьем для фотосинтеза растений и переработки углерода в органическое вещество живых существ, т.е. в процессе фотосинтеза превращается в сахара, затем преобразуется в протеины, липиды и т.д. Эти вещества служат углеводным питанием животным и наземным растениям, т.е. поступают в распоряжение консументов разных уровней, а далее - редуцентов.

При дыхании организмов СО₂ возвращается в атмосферу. Определенная часть углерода накапливается в виде мертвой органики и переходит в ископаемое состояние. Когда наступает смерть, то сапрофаги и биоредуценты двух типов разлагают и минерализуют трупы, образуя цепи питания, в конце которых углерод нередко поступает в круговорот в форме углекислоты («почвенное дыхание»).

Животные-сапрофаги и сапрофатические микроорганизмы, обитающие в почве, превращают накопившиеся в ней остатки в новое образование органической материи, более или менее мощный слой коричневой или черной массы - гумус.

Иногда из-за недостатка воздуха или высокой кислотности цепь бывает неполной или короткой, т.е. органические остатки накапливаются в виде торфа, образуя торфяные болота. В некоторых болотах слой торфа достигает мощности 20 м и более. Здесь и приостанавливается природный (биологический) круговорот. Залежи каменного угля или торфа - продукт процессов фотосинтеза растений прошлых геологических эпох.

Однако солнечную энергию, аккумулированную в ископаемом топливе, человек интенсивно высвобождает при сжигании топлива, при этом СО₂ поступает в атмосферу.

Основная масса углерода биосферы аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана (известняки и кораллы): 1,3·10¹⁶ т, кристаллических породах - 1,0·10¹⁶ т. В каменном угле и нефти - 3,4·10¹⁵ т. Именно этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживается количеством углерода, содержащегося в растительных (5·10¹¹ т) и животных (5·10⁹ т) тканях.

Однако в настоящее время человек интенсивно замыкает на себя круговорот веществ, в том числе и углерода.

Так, например, подсчитано, что суммарная биомасса всех домашних животных уже превышает биомассу всех диких наземных животных. Площади культурных растений приближаются к площади естественных биогеоценозов, и многие культурные растения экосистемы по своей продуктивности значительно превосходят природные.

Углеродсодержащие соединения в жизни человека

С углеродом человек познакомился очень давно, и вероятнее всего, в форме сажи и основного компонента древесного и каменного угля. Намного позже люди стали использовать такие аллотропные формы углерода, как графит и алмаз. Кстати, только в середине XVIII столетия благодаря французскому химику Лавуазье люди узнали, что алмаз - это углерод.

Благодаря наличию большого количества степеней окисления углерод образует очень большое количество аллотропных форм. Но в природе наиболее распространены только три - сажа, графит и алмаз. С помощью нанотехнологий в лабораторных условиях человек научился получать такие формы углерода, которые в природе сами по себе возникнуть не могут. Причем физические свойства таких форм еще только начали изучаться.

Углерод входит в состав всех соединений, участвующих в построении живых организмов и обеспечении их жизнедеятельности, - белков, жиров, углеводов, витаминов, нуклеиновых кислот, гормонов и т.д. На 21% тело человека состоит из углерода. Наши мышцы на 2/3 состоят из углерода, кости - на 1/3. В кровяном русле человека в форме различных соединений циркулирует около 150 г углерода, а во всех костях его содержится около 280 г.

Наземные растения почти наполовину состоят из углерода.

Углерод входит в состав углекислого газа, который усваивают растения и в результате фотосинтеза превращают сначала в глюкозу, а затем в другие органические вещества. Многие растения без света погибают именно потому, что не могут без него поглощать углекислоту, то есть обречены на углеродное голодание. Ну, а без растений не обходится животный мир, поскольку травоядные представители фауны живут преимущественно за счет органических веществ растений. И так далее по пищевой цепи, вплоть до человека.

Организм животных получает энергию за счет окислительного распада углеродсодержащих соединений и при этом выделяет в окружающую среду углекислый газ.

В организм человека углерод попадает с пищей (приблизительно 300 г в сутки) и с углекислым газом, содержащимся в воздухе (в среднем 3,7 г в сутки).

Углекислый газ (углекислота) - очень стойкое химическое соединение, поэтому реакции с его образованием практически необратимые. Данное свойство находит самое широкое применение. Например, все карбонаты при соединении с кислотами образуют углекислоту, которая при обычных условиях имеет газообразную форму. Поэтому питьевая сода (гидрокарбонат натрия) или мел (карбонат кальция) при внутреннем употреблении нейтрализуют содержащуюся в желудке соляную кислоту, тем самым избавляя человека от изжоги.

В чистом виде углерод совершенно безопасен для человека. Активированный уголь, то есть почти 100%-ный углерод, имеет широкое применение в технике, химии, медицине, поскольку обладает абсорбирующими свойствами.

Токсичными для человека являются некоторые соединения углерода (например, СО - угарный газ, CS_{2 -} сероуглерод, ССl₄ - четыреххлористый углерод, С₆Н₆ - бензол, CN- - цианиды и др.).

Модели сценариев исчезновения гумуса

Одним из важнейших вопросов современного земледелия является сохранение плодородия почв. Деградация почв ведет к постепенному снижению объемов образования продукции и катастрофическим изменениям в окружающей среде.

Содержание гумуса является основным показателем, характеризующим плодородие почв.

По мнению почвоведов, за последние 100 лет запасы органического вещества в черноземах нашей страны уменьшились в два раза

Минерализация гумуса

Роль минеральных удобрений в увеличении гумусированности почв до недавнего времени рассматривалась с положительной стороны. Однако в последние годы происходит переоценка их значения. Все чаще специалисты выражают сомнение по поводу возможности повышения содержания органического вещества за счет применения минеральных удобрений. Более того, они могут явиться причиной обеднения почв гумусом. Данные полученные на основе обобщения результатов более 400 длительных полевых опытов, свидетельствуют о том, что его содержание в дерново-подзолистых почвах при внесении полного минерального удобрения в первые 20-30 лет снижалось в среднем на 12-14%. Сделан вывод, что внесение только минеральных удобрений не компенсирует потерь почвенного органического вещества. К таким же выводам пришли и другие исследователи.

Также присутствует существенные отрицательные экологические последствия дегумификации почв. Гумусовые вещества на 52-62% состоят из углерода. При их минерализации происходит образование СО₂, который поступает в атмосферу и способствует формированию парникового эффекта. Считается, что 20% всего углекислого газа, накопившегося в атмосфере в результате антропогенной деятельности, образовалось вследствие разрушения почвенного органического вещества.

Последствия дегумификации почв

Негативные последствия минерализации гумуса под влиянием каких-либо агротехнических приемов, в том числе и внесения азотных удобрений, заключаются не только в сокращении прямых запасов питательных веществ в почве, ухудшении ее свойств, возникновении экологических проблем, но и в снижении потенциальной возможности небиологической фиксации азота. В настоящее время имеются свидетельства существования в почве механизмов химической природы, обеспечивающих фиксацию азота без участия живых организмов. По оценкам специалистов, потребность сельскохозяйственных культур в азоте в полевых условиях на 40-50% удовлетворяется за счет его фиксации природными гумусовыми веществами. Изменение качества гумуса, очевидно, может оказать существенное отрицательное влияние на активность абиотических систем фиксации азота в почве, так как их функционирование зависит от физико-химических свойств органического вещества.

Плодородие почвы и направленность различных химических и биологических превращений, происходящих в ней, во многом зависят от кислотности среды.

Ухудшение агрохимических показателей почвы отражается на эффективности применяемых удобрений и, как следствие, на продуктивности растений. Например, если в первый год внесения минеральных удобрений урожай картофеля и овса повышался, соответственно, со 118 до 251 ц/га и с 25 до 40,1 ц/га, то через 10 лет их регулярного использования они уже не повышали, а, наоборот, снижали урожайность полевых культур [22]. Аналогичные данные получены и в других опытах.

Негативное действие систематического применения удобрений на растения обусловлено как подкислением почвенного раствора, так и происходящим при этом увеличением подвижности соединений алюминия, марганца и железа, которые угнетают рост растений. При этом изменяется численность и видовой состав микроорганизмов. Среди них появляются фитопатогенные виды. Ухудшение отдельных показателей химической характеристики почвы снижает устойчивость растений к недостатку воды и, очевидно, другим факторам окружающей среды.

Последствия исчезновения гумуса и пути решения проблемы

В настоящее время у всех сложилось устойчивое мнение об уменьшении содержания гумуса в почвах. Действительно, потери гумуса из пахотных почв возможны в силу разных причин:

· Усиление минерализации органического вещества вследствие интенсивной механической обработки, известкования, преимущественного применения минеральных удобрений, расхода органического вещества на формирование урожая, что не позволяет компенсировать естественную убыль гумуса;

· Недостаточное поступление в почву органических остатков в силу низких урожаев и недостатка органических удобрений. В нормально сформированной системе земледелия более 50% элементов питания растений должны возвращаться в почву в составе органического вещества (опад, стерня, корневые остатки, органические удобрения и т.д.), в ВКЗП их доля не превышает 25%.

· Потери гумуса при эрозии и дефляции. Эти потери будут еще значимее из почв легкого гранулометрического состава. «…Мало того: и тот гумус, который попал в песчаную почву, имеет сравнительно немного шансов, чтобы сохранится там; во-первых, здесь гумусу не с чем соединиться, во-вторых, благодаря пористости песков он скорее сгорит на воздухе и даст конечные продукты гниения» - отмечал В.В. Докучаев.

Убыль гумуса может быть следствием эрозионного сноса гумусового слоя с припашкой лишенного гумуса подпахотного слоя.

По самым удручающими последствиями исчезновения гумуса в почве можно предположить следующее:

Первое и самое главное то что гумус это основное органическое вещество почвы, содержащее питательные вещества, необходимые высшим растениям. Из этого следует то что без гумус в почве невозможно и существование растений, ведь гумус является важным критерием при оценке её плодородности, а как мы знаем без плодородия способность почвы удовлетворять свои потребности в элементах питания, влаге и воздухе, а также обеспечении условий для их нормальной жизнедеятельности будет невозможным.

Второе это то что если растения не смогут получать питательные элементы для своей жизнедеятельности то их просто не станет, а ведь растения - это целое царство живых существ, неотъемлемая часть всей биосферы Земли. Если бы растения исчезли, то это бы привело к катастрофе: растения - практически единственные продуценты на планете, большинство пищевых цепей начинается с них - начали бы голодать консументы первого порядка (травоядные), что привело бы к их массовой гибели, следующими пострадали бы плотоядные (консументы второго и третьего порядка). Помимо всего прочего, растения в процессе фотосинтеза поглощали излишки углекислого газа и выделяли кислород. Без них этот процесс существенно сократится, что глобально изменит атмосферу Земли. Растения способны очищать воздух от вредных примесей, теперь и эта функция будет утрачена. Деревья удерживают воду в лесах, укрепляют почву, являются симбионтами со многими живыми организмами, они - место обитания для птиц и животных. Если растения исчезнут, то жизнь на Земле, вероятно, исчезнет.

Заключение

Органические соединения - это, собственно, соединения углерода (за исключением карбидов, карбонатов и еще некоторого количества соединений углерода, которые относятся к неорганическим веществам). Отсюда и термин "углеродные формы жизни".

Почему именно органические соединения? Жизнь в принципе можно представить как совокупность химических процессов и в этом смысле органические соединения стали основой жизни благодаря тому, что их химия достаточно сложна и разнообразна.

Проведя анализ роли углерода для человека можно сказать что углерод входит в состав всех соединений, участвующих в построении живых организмов и обеспечении их жизнедеятельности, - белков, жиров, углеводов, витаминов, нуклеиновых кислот, гормонов и т.д. На 21% тело человека состоит из углерода. Наши мышцы на 2/3 состоят из углерода, кости - на 1/3. В кровяном русле человека в форме различных соединений циркулирует около 150 г углерода, а во всех костях его содержится около 280 г. В организм человека углерод попадает с пищей (приблизительно 300 г в сутки) и с углекислым газом, содержащимся в воздухе (в среднем 3,7 г в сутки). В чистом виде углерод совершенно безопасен для человека. Активированный уголь, то есть почти 100%-ный углерод, имеет широкое применение в технике, химии, медицине, поскольку обладает абсорбирующими свойствами.

Токсичными для человека являются некоторые соединения углерода (например, СО - угарный газ, CS_{2 -} сероуглерод, ССl₄ - четыреххлористый углерод, С₆Н₆ - бензол, CN- - цианиды и др.).

Проведя теоретическое обоснование углерода в гумусе как фактора жизнеобеспечения человечества можно сделать вывод.

Чем интенсивнее протекают биологические процессы в почве, тем больше выделяется углекислоты. Особенно много CO₂ под лесом. Количество углекислоты в почвенном воздухе меняется на протяжении года, достигая максимума в теплое время года и минимум зимой. В результате постоянного газообмена между почвой и атмосферой устанавливается подвижное равновесие.

Содержание CO₂ в атмосфере составляет-0,03; а в почве от 0,1-20.

В почвенном воздухе по сравнению с атмосферным меньше кислорода и больше диоксида углерода CO_2. В ту или иную сторону может изменяться и содержание азота. Азот преобладает в почвенном воздухе. Его содержание обычно не намного отличается от атмосферного. Изменения в основном обусловлены связыванием азота.

Содержание N₂ в атмосфере составляет-79,1; а в почве от 68-73.

В ответ на рост содержания в воздухе СО₂ растения снижают интенсивность транспирации (испарения воды листьями), но связывают при этом больше СО₂. Уменьшение транспирации приводит к тому, что из почвы откачивается меньше воды. Соответственно, возрастает увлажненность почвы, ухудшается ее аэрация, возникают участки, где кислород практически отсутствует (состояние аноксии). В отсутствие кислорода в почве развиваются бактерии, которые при получении необходимой им энергии в качестве окислителя используют азот. Начинается процесс денитрификации, в ходе которого азот последовательно восстанавливается. На одном этапе этого процесса в воздух выделяется закись азота (N₂O). С другой стороны, в условиях обилия СО₂ растения растут быстрее, в частности увеличивают массу корней. При этом корнями в почву выделяется большое количество лабильного органического вещества, которое охотно используется бактериями. В местах, где нет кислорода, преимущество получают бактерии метаногены. Конечный продукт их метаболизма, выбрасываемый во внешнюю среду, — это метан. Закись азота и метан — газы, обладающие сильным парниковым эффектом.

Альтернативной заменой почве может выступить;

Гидропоника

Гидропо́ника — это способ выращивания растений на искусственных средах без почвы. Питание растения получают из питательного раствора, окружающего корни.

Преимущества гидропоники 

Регулировка подкормки растений (Первое и самое важное преимущество здесь в том, что питание растения находится под вашим полным контролем. В корневую зону попадают только те элементы, которые вы внесете в воду, к тому же в заданных вами пропорциях. )

Экономия воды (Для поддержания здорового роста растение должно транспирировать определенное количество воды. Быстрый пышный рост, имеющий место в гидропонике, подразумевает потребление большого количества воды. Однако растение транспирирует всю израсходованную воду. Ничто не исчезает в почве или при испарении. Экономия воды, по сравнению с растениями, растущими в почве, весьма внушительная. )

Экономия питательных веществ (Аналогичным образом растения целиком усваивают все израсходованные питательные вещества)

Благодаря улучшенному здоровью и ускоренному росту меньше потребность в пестицидах 

Гербициды не нужны (Это очевидно. В пластмассовых лотках или желобах сорнякам негде расти. Оба обстоятельства: и что в гербицидах нет нужды, и что вредителей можно уничтожать менее радикальными способами, – делают гидропонику весьма чистой технологией.)

Растение, изначально выращенное гидропонными методами, более жизнеспособно 

Доступ к корням (Очень полезно постоянно проверять состояние корней. В большинстве гидропонных систем такой доступ имеется, что позволяет решать возможные проблемы с патогенами; при вмешательстве на ранней стадии они легко излечиваются. )

Производство большого количества биомассы (Гидропоника на это способна. Высокое содержание нитрата (азота) в питательном растворе способствует взрывному вегетативному росту растения. Если вам нужно много зеленой массы, тогда это выгодно. )

Рациональнее используется пространство 

Не нужно перетаскивать землю 

Регулирование питания

Недостатки гидропоники

Не прощает ошибки (Первый, и самый главный, недостаток заключается в том, что растения не защищены от ваших ошибок! Почва обладает буферными свойствами. Это означает, что она способна поддерживать определенную стабильность вокруг корней. В здоровой почве все физические и биологические параметры находятся в равновесии. В гидропонике питательный раствор, конечно, обладает определенной буферностью, особенно в отношении рН. Но, с другой стороны, зашкаливший уровень рН может привести к уничтожению всего урожая в один день. В гидропонике все происходит быстро. Всё происходит так быстро, что буквально видишь, как растения тянутся вверх, но порой может хватить и часа, чтобы их погубить!)

Нельзя перегревать (Температура – тоже лимитирующий фактор. При температуре 18–22°C в пределах корневой зоны гидропонные растения растут лучше всего. Они выдержат и больше – до 26°C с ними ничего не случится, затем рост замедлится, и где-то при 35°C их корни, лишенные растворенного кислорода, начинают быстро отмирать, а с ними и растения. Существуют средства борьбы с избыточным теплом.Тем не менее, это серьезное ограничение, особенно в тропических странах и в помещении, где искусственное освещение выделяет много тепла. )

Высокая цена (В самом деле, гидропонные системы дорого обходятся, но, выращивая растения в помещении, вы быстро окупаете затраты. Причина проста: электричество стоит дорого. Когда выращивают растения под лампами, то стремятся собрать урожай как можно скорее, так как совокупный расход электроэнергии на освещение и климат-контроль весьма внушительный, даже в случае небольших оранжерей. )

Соответственно, из этого видно, какие требования могут быть к другим "базовым" элементам жизни. Строго говоря, тут многое зависит от внешних условий. В близких к земным условиях я лично не вижу возможности существования неуглеродной жизни, а если фантазировать произвольные условия, то многие р-элементы могли бы стать основой жизни. И кремний и фосфор, наверное, и бор и сера. В общем любой элемент, способный образовывать структурно-сложные соединения. Дальше можно фантазировать, что могло бы играть роль "кислорода", а что "водорода" для этого базового элемента и т.д.

Можно также сказать что основу всех биологических соединений составляют углеродные цепочки - стабильные и в то же время способные образовывать многочисленные связи (содержание углерода в организме человека равно примерно 21%).

Список литературы:

В.В. Добровольский «Основы биогеохимии» изд. г. Москва 2003

https://science.ru-land.com/ Наука для всех простыми словами

А.Ванетсев (Researcher, Institute of Physics, University of Tartu) науч. ст. Органических соединений

http://эволюция.Кремниевая жизнь

Цикл углерода ВГУ

Федоров В. М. «Биосфера – земледелие – человечество». М., Агропромиздат, 1990.

Гришина Л. А. Гумусообразование и гумусное состояние почв. — М., 1986

Код для цитирования: Скопировать