Biologie für die Hauptfächer II

Kohlenstoff ist das zweithäufigste Element in lebenden Organismen. Kohlenstoff ist in allen organischen Molekülen vorhanden, und seine Rolle in der Struktur von Makromolekülen ist für lebende Organismen von primärer Bedeutung. Kohlenstoffverbindungen enthalten besonders hohe Energie, insbesondere solche, die aus versteinerten Organismen, hauptsächlich Pflanzen, stammen, die der Mensch als Brennstoff verwendet. Seit den 1800er Jahren hat die Zahl der Länder, die massive Mengen fossiler Brennstoffe verwenden, zugenommen. Seit Beginn der industriellen Revolution ist die weltweite Nachfrage nach den begrenzten fossilen Brennstoffen der Erde gestiegen; Daher hat die Menge an Kohlendioxid in unserer Atmosphäre zugenommen. Dieser Anstieg des Kohlendioxids wurde mit dem Klimawandel und anderen Störungen der Ökosysteme der Erde in Verbindung gebracht und ist weltweit ein großes Umweltproblem. Der „Carbon Footprint“ basiert also darauf, wie viel Kohlendioxid produziert wird und wie viel fossile Brennstoffe Länder verbrauchen.Der Kohlenstoffkreislauf lässt sich am einfachsten als zwei miteinander verbundene Teilzyklen untersuchen: einer, der sich mit dem schnellen Kohlenstoffaustausch zwischen lebenden Organismen befasst, und der andere, der sich mit dem langfristigen Kohlenstoffkreislauf durch geologische Prozesse befasst. Der gesamte Kohlenstoffkreislauf ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Kohlendioxidgas existiert in der Atmosphäre und ist in Wasser gelöst. Die Photosynthese wandelt Kohlendioxidgas in organischen Kohlenstoff um, und die Atmung wandelt den organischen Kohlenstoff wieder in Kohlendioxidgas um. Die Langzeitspeicherung von organischem Kohlenstoff erfolgt, wenn Materie lebender Organismen tief unter der Erde vergraben und versteinert wird. Vulkanische Aktivität und in jüngerer Zeit menschliche Emissionen bringen diesen gespeicherten Kohlenstoff zurück in den Kohlenstoffkreislauf. (credit: Modifikation der Arbeit von John M. Evans und Howard Perlman, USGS)

Der biologische Kohlenstoffkreislauf

Lebende Organismen sind in vielerlei Hinsicht miteinander verbunden, sogar zwischen Ökosystemen. Ein gutes Beispiel für diesen Zusammenhang ist der Austausch von Kohlenstoff zwischen Autotrophen und Heterotrophen innerhalb und zwischen Ökosystemen über atmosphärisches Kohlendioxid. Kohlendioxid ist der Grundbaustein, den die meisten Autotrophen verwenden, um hochenergetische Verbindungen mit mehreren Kohlenstoffatomen wie Glukose aufzubauen. Die von der Sonne nutzbare Energie wird von diesen Organismen verwendet, um die kovalenten Bindungen zu bilden, die Kohlenstoffatome miteinander verbinden. Diese chemischen Bindungen speichern diese Energie für die spätere Verwendung im Atmungsprozess. Die meisten terrestrischen Autotrophen beziehen ihr Kohlendioxid direkt aus der Atmosphäre, während marine Autotrophe es in gelöster Form (Kohlensäure, H2CO3−) aufnehmen. Kohlendioxid wird jedoch gewonnen, ein Nebenprodukt des Prozesses ist Sauerstoff. Die photosynthetischen Organismen sind verantwortlich für die Ablagerung von etwa 21 Prozent Sauerstoffgehalt der Atmosphäre, die wir heute beobachten.

Heterotrophe und Autotrophe sind Partner im biologischen Kohlenstoffaustausch (insbesondere die Hauptkonsumenten, hauptsächlich Pflanzenfresser). Heterotrophe erhalten die energiereichen Kohlenstoffverbindungen von den Autotrophen, indem sie sie verbrauchen und durch Atmung abbauen, um zelluläre Energie wie ATP zu erhalten. Die effizienteste Art der Atmung, die aerobe Atmung, erfordert Sauerstoff, der aus der Atmosphäre gewonnen oder in Wasser gelöst wird. Somit gibt es einen konstanten Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid zwischen den Autotrophen (die den Kohlenstoff benötigen) und den Heterotrophen (die den Sauerstoff benötigen). Der Gasaustausch durch die Atmosphäre und das Wasser ist eine Möglichkeit, wie der Kohlenstoffkreislauf alle lebenden Organismen auf der Erde verbindet.

Der biogeochemische Kohlenstoffkreislauf

Die Bewegung von Kohlenstoff durch Land, Wasser und Luft ist komplex und erfolgt in vielen Fällen geologisch viel langsamer als zwischen lebenden Organismen. Kohlenstoff wird für lange Zeiträume in sogenannten Kohlenstoffreservoirs gespeichert, zu denen die Atmosphäre, flüssige Gewässer (meist Ozeane), Ozeansedimente, Böden, Landsedimente (einschließlich fossiler Brennstoffe) und das Erdinnere gehören.

Wie bereits erwähnt, ist die Atmosphäre ein wichtiges Kohlenstoffreservoir in Form von Kohlendioxid und für den Prozess der Photosynthese unerlässlich. Der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre wird stark durch das Kohlenstoffreservoir in den Ozeanen beeinflusst. Der Austausch von Kohlenstoff zwischen der Atmosphäre und den Wasserreservoirs beeinflusst, wie viel Kohlenstoff an jedem Ort gefunden wird, und jeder beeinflusst den anderen wechselseitig. Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre löst sich in Wasser auf und verbindet sich mit Wassermolekülen zu Kohlensäure und ionisiert dann zu Carbonat- und Bicarbonationen:

\begin{array}{rrcl}\text{Schritt 1:}&\text{CO}_2\text{(atmospheric)}&\longleftrightarrow&\text{CO}_2\text{(dissolved)}\\\text{Step 2:}&\text{CO}_2\text{(dissolved)}+\text{H}_2\text{O}&\longleftrightarrow&\text{H}_2\text{CO}_3\text{(carbonic acid)}\\\text{Step 3:}&\text{H}_2\text{CO}_3&\longleftrightarrow&\text{H}^{+}+\text{HCO}^-_3\text{(bicarbonate ion)}\\\text{Step 4:}&\text{HCO}^-_3&\longleftrightarrow&\text{H}^{+}+\text{CO}^{2-}_{3}\ text{(carbonate ion)}\end{array}

Die Gleichgewichtskoeffizienten sind so, dass mehr als 90 Prozent des Kohlenstoffs im Ozean als Bicarbonat-Ionen gefunden werden. Einige dieser Ionen verbinden sich mit Meerwassercalcium zu Calciumcarbonat (CaCO3), einem Hauptbestandteil von Meeresorganismus-Schalen. Diese Organismen bilden schließlich Sedimente auf dem Meeresboden. Im Laufe der geologischen Zeit bildet das Calciumcarbonat Kalkstein, der das größte Kohlenstoffreservoir der Erde umfasst.

An Land wird Kohlenstoff durch Zersetzung lebender Organismen (durch Zersetzer) oder durch Verwitterung von terrestrischem Gestein und Mineralien im Boden gespeichert. Dieser Kohlenstoff kann durch Oberflächenabfluss in die Wasserreservoirs ausgelaugt werden. Tiefer unter der Erde, an Land und auf See, befinden sich fossile Brennstoffe: die anaerob zersetzten Überreste von Pflanzen, deren Bildung Millionen von Jahren in Anspruch nimmt. Fossile Brennstoffe gelten als nicht erneuerbare Ressource, da ihre Nutzung ihre Bildungsrate bei weitem übersteigt. Eine nicht erneuerbare Ressource wie fossile Brennstoffe wird entweder sehr langsam oder gar nicht regeneriert. Eine andere Möglichkeit für Kohlenstoff, in die Atmosphäre einzudringen, ist von Land (einschließlich Land unter der Oberfläche des Ozeans) durch den Ausbruch von Vulkanen und anderen geothermischen Systemen. Kohlenstoffsedimente vom Meeresboden werden durch den Prozess der Subduktion tief in die Erde aufgenommen: die Bewegung einer tektonischen Platte unter einer anderen. Kohlenstoff wird als Kohlendioxid freigesetzt, wenn ein Vulkan ausbricht oder aus vulkanischen hydrothermalen Quellen.Der Mensch trägt zum atmosphärischen Kohlenstoff bei, indem er fossile Brennstoffe und andere Materialien verbrennt. Seit der industriellen Revolution hat der Mensch die Freisetzung von Kohlenstoff und Kohlenstoffverbindungen deutlich erhöht, was wiederum das Klima und die Umwelt insgesamt beeinflusst hat.

Die Tierhaltung durch den Menschen erhöht auch den atmosphärischen Kohlenstoff. Die große Anzahl von Landtieren, die zur Ernährung der wachsenden Erdbevölkerung aufgezogen werden, führt aufgrund landwirtschaftlicher Praktiken, Atmung und Methanproduktion zu einem erhöhten Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre. Dies ist ein weiteres Beispiel dafür, wie menschliche Aktivität indirekt biogeochemische Kreisläufe in signifikanter Weise beeinflusst. Obwohl sich ein Großteil der Debatte über die zukünftigen Auswirkungen des Anstiegs des atmosphärischen Kohlenstoffs auf den Klimawandel auf fossile Brennstoffe konzentriert, berücksichtigen Wissenschaftler natürliche Prozesse wie Vulkane und Atmung, wenn sie die zukünftigen Auswirkungen dieses Anstiegs modellieren und vorhersagen.

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