biologi for Majors II

kulstof er det næstmest forekommende element i levende organismer. Kulstof er til stede i alle organiske molekyler, og dets rolle i strukturen af makromolekyler er af primær betydning for levende organismer. Carbonforbindelser indeholder især høj energi, især dem, der stammer fra fossiliserede organismer, hovedsageligt planter, som mennesker bruger som brændstof. Siden 1800-tallet er antallet af lande, der bruger massive mængder fossile brændstoffer, steget. Siden begyndelsen af den industrielle Revolution er den globale efterspørgsel efter jordens begrænsede fossile brændstofforsyninger steget; derfor er mængden af kulsyre i vores atmosfære steget. Denne stigning i kulsyre har været forbundet med klimaændringer og andre forstyrrelser i jordens økosystemer og er et stort miljøproblem over hele verden. Således er” carbon footprint ” baseret på, hvor meget kulsyre der produceres, og hvor meget fossile brændselslande forbruger.

kulstofcyklussen studeres lettest som to sammenkoblede undercyklusser: den ene beskæftiger sig med hurtig kulstofudveksling mellem levende organismer og den anden beskæftiger sig med den langsigtede cykling af kulstof gennem geologiske processer. Hele kulstofkredsløbet er vist i Figur 1.

Figur 1. Der findes kulsyre i atmosfæren og opløses i vand. Fotosyntese omdanner kulsyre til organisk kulstof, og respiration Cykler det organiske kulstof tilbage til kulsyre. Langtidsopbevaring af organisk kulstof opstår, når Stof fra levende organismer begraves dybt under jorden og bliver fossiliseret. Vulkansk aktivitet og for nylig menneskelige emissioner bringer dette lagrede kulstof tilbage i kulstofcyklussen. (credit: ændring af arbejde af John M. Evans, USGS)

den biologiske Kulstofcyklus

levende organismer er forbundet på mange måder, selv mellem økosystemer. Et godt eksempel på denne forbindelse er udveksling af kulstof mellem autotrofer og heterotrofer inden for og mellem økosystemer ved hjælp af atmosfærisk kulilte. Kulsyre er den grundlæggende byggesten, som de fleste autotrofer bruger til at opbygge multi-carbon, høj energi forbindelser, såsom glucose. Den energi, der udnyttes fra solen, bruges af disse organismer til at danne de kovalente bindinger, der forbinder carbonatomer sammen. Disse kemiske bindinger lagrer derved denne energi til senere brug i respirationsprocessen. De fleste jordbaserede autotrofer får deres kulsyre direkte fra atmosfæren, mens marine autotrofer erhverver det i opløst form (kulsyre, H2CO3−). Et biprodukt af processen er ilt. De fotosyntetiske organismer er ansvarlige for at deponere cirka 21 procent iltindhold i atmosfæren, som vi observerer i dag.

heterotrofer og autotrofer er partnere i biologisk kulstofudveksling (især de primære forbrugere, stort set planteædere). Heterotrofer erhverver kulstofforbindelserne med høj energi fra autotroferne ved at forbruge dem og nedbryde dem ved respiration for at opnå cellulær energi, såsom ATP. Den mest effektive type respiration, aerob respiration, kræver ilt opnået fra atmosfæren eller opløst i vand. Der er således en konstant udveksling af ilt og kulsyre mellem autotroferne (som har brug for kulstof) og heterotroferne (som har brug for ilt). Gasudveksling gennem atmosfæren og vandet er en måde, hvorpå kulstofcyklussen forbinder alle levende organismer på jorden.

den biogeokemiske Kulstofcyklus

bevægelsen af kulstof gennem land, vand og luft er kompleks, og i mange tilfælde forekommer det meget langsommere geologisk end set mellem levende organismer. Kulstof opbevares i lange perioder i såkaldte kulstofreservoirer, som inkluderer atmosfæren, kroppe af flydende vand (for det meste oceaner), havsediment, jord, jordsedimenter (inklusive fossile brændstoffer) og Jordens indre.

som nævnt er atmosfæren et stort reservoir af kulstof i form af kulsyre og er afgørende for processen med fotosyntese. Niveauet af kulsyre i atmosfæren er stærkt påvirket af reservoiret af kulstof i oceanerne. Udvekslingen af kulstof mellem atmosfæren og vandreservoirer påvirker, hvor meget kulstof der findes på hvert sted, og hver enkelt påvirker den anden gensidigt. Kulsyre (CO2) fra atmosfæren opløses i vand og kombineres med vandmolekyler for at danne kulsyre, og derefter ioniseres det til carbonat-og bicarbonationer:

\ begin{array}{rrcl} \ tekst{Trin 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:}& \tekst{HCO}^-_3 & \ longleftrightar& \ tekst{H}^{ + }+ \ tekst{CO}^{2-}_{3}\tekst{(carbonation)}\end{array}

ligevægtskoefficienterne er sådan, at mere end 90 procent af kulstof i havet findes som bicarbonationer. Nogle af disse ioner kombineres med havvand calcium til dannelse af calciumcarbonat (CaCO3), en vigtig komponent i marine organismer skaller. Disse organismer danner til sidst sedimenter på havbunden. Over geologisk tid, calciumcarbonatet danner kalksten, som omfatter det største kulstofreservoir på jorden.

på land opbevares kulstof i jord som et resultat af nedbrydning af levende organismer (ved nedbrydere) eller fra forvitring af jordbaseret sten og mineraler. Dette kulstof kan udvaskes i vandreservoirerne ved overfladeafstrømning. Dybere under jorden, på land og til søs, er fossile brændstoffer: de anaerobt nedbrudte rester af planter, der tager millioner af år at danne. Fossile brændstoffer betragtes som en ikke-vedvarende ressource, fordi deres anvendelse langt overstiger deres dannelseshastighed. En ikke-vedvarende ressource, såsom fossilt brændstof, regenereres enten meget langsomt eller slet ikke. En anden måde for kulstof at komme ind i atmosfæren er fra land (inklusive jord under havets overflade) ved udbrud af vulkaner og andre geotermiske systemer. Kulstofsedimenter fra havbunden tages dybt inde i jorden ved subduktionsprocessen: bevægelsen af en tektonisk plade under en anden. Kulstof frigives som kulsyre, når en vulkan bryder ud eller fra vulkanske hydrotermiske ventilationskanaler.

mennesker bidrager til atmosfærisk kulstof ved afbrænding af fossile brændstoffer og andre materialer. Siden den industrielle Revolution har mennesker øget frigivelsen af kulstof og carbonforbindelser betydeligt, hvilket igen har påvirket klimaet og det samlede miljø.

dyrehold af mennesker øger også atmosfærisk kulstof. Det store antal landdyr, der opdrættes for at fodre Jordens voksende befolkning, resulterer i øgede kulstofniveauer i atmosfæren på grund af landbrugspraksis og respiration og metanproduktion. Dette er et andet eksempel på, hvordan menneskelig aktivitet indirekte påvirker biogeokemiske cyklusser på en betydelig måde. Selvom meget af debatten om de fremtidige virkninger af stigende atmosfærisk kulstof på klimaændringer fokuserer på fossile brændstoffer, tager forskere naturlige processer, såsom vulkaner og åndedræt, i betragtning, når de modellerer og forudsiger den fremtidige virkning af denne stigning.

bidrage!

forbedre denne sidelær mere