Biologie pro Obory II

Uhlík je druhý nejhojnější prvek v živých organismech. Uhlík je přítomen ve všech organických molekulách a jeho role ve struktuře makromolekul má pro živé organismy primární význam. Sloučeniny uhlíku obsahují zvláště vysokou energii, zejména ty, které pocházejí ze zkamenělých organismů, zejména rostlin, které lidé používají jako palivo. Od roku 1800 se zvýšil počet zemí využívajících obrovské množství fosilních paliv. Od počátku průmyslové revoluce vzrostla celosvětová poptávka po omezených dodávkách fosilních paliv na Zemi; proto se zvýšilo množství oxidu uhličitého v naší atmosféře. Toto zvýšení oxidu uhličitého bylo spojeno se změnou klimatu a dalšími poruchami ekosystémů Země a je celosvětově hlavním environmentálním problémem. „Uhlíková stopa“ je tedy založena na tom, kolik oxidu uhličitého se produkuje a kolik zemí fosilních paliv spotřebuje.

uhlíkový cyklus je nejsnadněji studován jako dva vzájemně propojené dílčí cykly: jeden se zabývá rychlou výměnou uhlíku mezi živými organismy a druhý se zabývá dlouhodobým cyklováním uhlíku geologickými procesy. Celý uhlíkový cyklus je znázorněn na obrázku 1.

Obrázek 1. Plynný oxid uhličitý existuje v atmosféře a je rozpuštěn ve vodě. Fotosyntéza přeměňuje plynný oxid uhličitý na organický uhlík a dýchání cykluje organický uhlík zpět na plynný oxid uhličitý. K dlouhodobému skladování organického uhlíku dochází, když je hmota ze živých organismů pohřbena hluboko pod zemí a zkamenělá. Sopečná činnost a, více nedávno, lidské emise, přivést tento uložený uhlík zpět do uhlíkového cyklu. (kredit: modifikace práce Johna M. Evanse a Howarda Perlmana, USGS)

biologický uhlíkový cyklus

živé organismy jsou spojeny mnoha způsoby, dokonce i mezi ekosystémy. Dobrým příkladem tohoto spojení je výměna uhlíku mezi autotrofní a heterotrofní uvnitř a mezi ekosystémy prostřednictvím atmosférického oxidu uhličitého. Oxid uhličitý je základním stavebním kamenem, který většina autotrofů používá k vytváření sloučenin s více uhlíky, vysokoenergetickými sloučeninami, jako je glukóza. Energie využívaná ze Slunce je těmito organismy používána k vytvoření kovalentních vazeb, které spojují atomy uhlíku dohromady. Tyto chemické vazby tak ukládají tuto energii pro pozdější použití v procesu dýchání. Většina suchozemských autotrofů získává oxid uhličitý přímo z atmosféry, zatímco mořské autotrofy jej získávají v rozpuštěné formě(kyselina uhličitá, H2CO3−). Nicméně oxid uhličitý je získán, vedlejším produktem procesu je kyslík. Fotosyntetické organismy jsou zodpovědné za ukládání přibližně 21 procent obsahu kyslíku v atmosféře, kterou dnes pozorujeme.

heterotrofy a autotrofy jsou partnery v biologické výměně uhlíku (zejména primární spotřebitelé, převážně býložravci). Heterotrofy získávají vysokoenergetické uhlíkové sloučeniny z autotrofů tím, že je spotřebovávají a rozkládají je dýcháním, aby získaly buněčnou energii, jako je ATP. Nejúčinnější typ dýchání, aerobní dýchání, vyžaduje kyslík získaný z atmosféry nebo rozpuštěný ve vodě. Existuje tedy konstantní výměna kyslíku a oxidu uhličitého mezi autotrofy (které potřebují uhlík) a heterotrofy (které potřebují kyslík). Výměna plynu atmosférou a vodou je jedním ze způsobů, jak uhlíkový cyklus spojuje všechny živé organismy na Zemi.

Biogeochemické Koloběhu Uhlíku

pohyb uhlíku přes půdy, vody a vzduchu je složité a v mnoha případech, k ní dojde mnohem pomaleji geologicky, než jak je vidět mezi živými organismy. Uhlík je uložen po dlouhou dobu v takzvaných uhlíkových nádržích, které zahrnují atmosféru, těla kapalné vody (většinou oceány), oceánský sediment, půdu, sedimenty půdy (včetně fosilních paliv) a vnitřek země.

Jak bylo řečeno, atmosféra je velký rezervoár uhlíku ve formě oxidu uhličitého a je zásadní pro proces fotosyntézy. Úroveň oxidu uhličitého v atmosféře je značně ovlivněna rezervoárem uhlíku v oceánech. Výměna uhlíku mezi atmosférou a vodními nádržemi ovlivňuje, kolik uhlíku se nachází v každém místě, a každý z nich ovlivňuje druhý recipročně. Oxid uhličitý (CO2) z atmosféry ve vodě se rozpouští a mísí s molekulami vody a vytváří kyselinu uhličitou, a pak to ionizuje na uhličitan a hydrogenuhličitan ionty:

\begin{array}{rrcl}\text{Krok 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{(uhličitan ion)}\end{array}

rovnovážné koeficienty jsou takové, že více než 90 procent uhlíku v oceánu je nalezena jako bikarbonátové ionty. Některé z těchto iontů se kombinují s vápníkem mořské vody za vzniku uhličitanu vápenatého (CaCO3), hlavní složky skořápek mořských organismů. Tyto organismy nakonec tvoří sedimenty na dně oceánu. Přes geologický čas, uhličitan vápenatý tvoří vápenec, který zahrnuje největší zásobník uhlíku na Zemi.

na Zemi je uhlík uložen v půdě v důsledku rozkladu živých organismů (rozkladači) nebo zvětráváním suchozemských hornin a minerálů. Tento uhlík může být vyplaven do vodních nádrží povrchovým odtokem. Hlouběji pod zemí, na souši i na moři, jsou fosilní paliva: anaerobně rozložené zbytky rostlin, které se tvoří miliony let. Fosilní paliva jsou považována za neobnovitelný zdroj, protože jejich využití daleko převyšuje jejich rychlost tvorby. Neobnovitelný zdroj, jako je fosilní palivo, se regeneruje buď velmi pomalu, nebo vůbec. Dalším způsobem, jak uhlík vstoupit do atmosféry, je ze země (včetně země pod hladinou oceánu) erupcí sopek a dalších geotermálních systémů. Uhlíkové sedimenty z oceánského dna jsou odebírány hluboko do země procesem subdukce: pohyb jedné tektonické desky pod druhou. Uhlík se uvolňuje jako oxid uhličitý, když sopka vybuchne nebo ze sopečných hydrotermálních průduchů.

lidé přispívají k atmosférickému uhlíku spalováním fosilních paliv a dalších materiálů. Od průmyslové revoluce lidé výrazně zvýšili uvolňování uhlíku a sloučenin uhlíku, což zase ovlivnilo klima a celkové životní prostředí.

chov zvířat lidmi také zvyšuje atmosférický uhlík. Velké množství půdy, zvířat chovaných krmit Zemi je rostoucí populace následek zvýšené hladiny oxidu uhličitého v atmosféře v důsledku zemědělské praxe a dýchání a produkce metanu. Toto je další příklad toho, jak lidská činnost nepřímo ovlivňuje biogeochemické cykly významným způsobem. I když velká část debaty o budoucnosti účinky zvýšení atmosférického uhlíku na změnu klimatu se zaměřuje na fosilní paliva, vědci se přírodní procesy, jako jsou sopky a dýchání, v úvahu, jak se model a předvídat budoucí dopad tohoto zvýšení.

Přispějte!

Vylepšete tuto stránkuučit se více