biologia Majoreille II

hiili on toiseksi runsain alkuaine eliöissä. Hiiltä on kaikissa orgaanisissa molekyyleissä, ja sen rooli makromolekyylien rakenteessa on eläville eliöille ensiarvoisen tärkeä. Hiiliyhdisteet sisältävät erityisen paljon energiaa, erityisesti fossiilisista eliöistä, lähinnä kasveista, peräisin olevia yhdisteitä, joita ihmiset käyttävät polttoaineena. 1800-luvulta lähtien massiivisia määriä fossiilisia polttoaineita käyttävien maiden määrä on kasvanut. Teollisen vallankumouksen alusta lähtien maapallon niukkojen fossiilisten polttoaineiden maailmanlaajuinen kysyntä on kasvanut, ja siksi hiilidioksidin määrä ilmakehässämme on lisääntynyt. Hiilidioksidin lisääntyminen on yhdistetty ilmastonmuutokseen ja muihin maapallon ekosysteemien häiriöihin, ja se on maailmanlaajuisesti merkittävä ympäristöongelma. ”Hiilijalanjälki” perustuu siis siihen, kuinka paljon hiilidioksidia tuotetaan ja kuinka paljon fossiilisia polttoaineita maat kuluttavat.

hiilen kiertoa on helpointa tutkia kahtena toisiinsa liittyvänä osasyklinä: toinen käsittelee nopeaa hiilen vaihtoa elävien eliöiden kesken ja toinen käsittelee hiilen pitkäaikaista kiertymistä geologisten prosessien kautta. Koko hiilen kierto on esitetty kuvassa 1.

kuva 1. Ilmakehässä on hiilidioksidikaasua, joka liukenee veteen. Fotosynteesi muuttaa hiilidioksidikaasun orgaaniseksi hiileksi ja hengitys kierrättää orgaanisen hiilen takaisin hiilidioksidikaasuksi. Orgaanisen hiilen pitkäaikainen varastointi tapahtuu, kun elävistä organismeista peräisin oleva aine hautautuu syvälle maan alle ja fossiloituu. Vulkaaninen toiminta ja viime aikoina ihmisten päästöt tuovat tämän varastoituneen hiilen takaisin hiilikiertoon. (credit: modification of work by John M. Evans and Howard Perlman, USGS)

biologinen Hiilikierto

elävät organismit ovat monin tavoin yhteydessä toisiinsa, jopa ekosysteemien välillä. Hyvä esimerkki tästä yhteydestä on hiilen vaihto autotrofien ja heterotrofien välillä ekosysteemien sisällä ja välillä ilmakehän hiilidioksidin välityksellä. Hiilidioksidi on perusrakenneosa, jota useimmat autotrofit käyttävät monihiilisten, korkeaenergisten yhdisteiden, kuten glukoosin, rakentamiseen. Nämä eliöt käyttävät auringosta valjastettua energiaa hiiliatomien toisiinsa yhdistävien kovalenttisten sidosten muodostamiseen. Nämä kemialliset sidokset varastoivat siten tämän energian myöhempää käyttöä varten hengityksessä. Useimmat maa-autotrofit saavat hiilidioksidinsa suoraan ilmakehästä, kun taas meri-autotrofit saavat sen liuenneessa muodossa (hiilihappo, H2CO3 -). Kuitenkin hiilidioksidia saadaan, sivutuotteena prosessi on happi. Fotosynteettiset organismit ovat vastuussa noin 21 prosentin happipitoisuudesta ilmakehässä, jonka me nykyään havaitsemme.

heterotrofit ja autotrofit ovat kumppaneita biologisessa hiilenvaihdossa (erityisesti primaariset kuluttajat, pitkälti kasvinsyöjät). Heterotrofit hankkivat autotrofeilta suurienergiaisia hiiliyhdisteitä kuluttamalla niitä ja hajottamalla niitä hengittämällä saadakseen soluenergiaa, kuten ATP: tä. Tehokkain hengityslaji, aerobinen hengitys, vaatii ilmakehästä saatua tai veteen liuennutta happea. Näin ollen autotrofien (jotka tarvitsevat hiiltä) ja heterotrofien (jotka tarvitsevat happea) välillä on jatkuva hapen ja hiilidioksidin vaihto. Kaasunvaihto ilmakehän ja veden kautta on yksi tapa, jolla hiilikierto yhdistää kaikki maapallon elävät organismit.

Biogeokemiallinen Hiilikierto

hiilen liikkuminen maan, veden ja ilman läpi on monimutkaista, ja monissa tapauksissa se tapahtuu geologisesti paljon hitaammin kuin mitä nähdään elävien eliöiden välillä. Hiili varastoituu pitkiksi ajoiksi niin sanottuihin hiilivarastoihin, joita ovat ilmakehä, nestemäisen veden (enimmäkseen valtameret), Merisedimentti, Maaperä, maasedimentit (mukaan lukien fossiiliset polttoaineet) ja maan sisäosat.

kuten on todettu, ilmakehä on merkittävä hiilidioksidin muodossa oleva hiilivarasto ja se on välttämätön fotosynteesille. Ilmakehän hiilidioksidin määrään vaikuttaa suuresti valtamerien hiilivarasto. Hiilen vaihto ilmakehän ja vesivarastojen välillä vaikuttaa siihen, kuinka paljon hiiltä kussakin paikassa on, ja jokainen vaikuttaa toiseen vastavuoroisesti. Ilmakehästä peräisin oleva hiilidioksidi (CO2) liukenee veteen ja yhdistyy vesimolekyylien kanssa muodostaen hiilihappoa, minkä jälkeen se ionisoituu karbonaatti-ja bikarbonaatti-ioneiksi:

\begin{array}{rrcl}\text{Step 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}\{(karbonaatti-ioni)}\end{array}

tasapainokertoimet ovat sellaiset, että yli 90 prosenttia meren hiilestä esiintyy bikarbonaatti-ioneina. Osa näistä ioneista yhdistyy meriveden kalsiumin kanssa muodostaen kalsiumkarbonaattia (CaCO3), joka on tärkeä osa meren eliöiden kuoria. Nämä eliöt muodostavat lopulta merenpohjaan sedimenttejä. Geologisen ajan kuluessa kalsiumkarbonaatti muodostaa kalkkikiveä, johon kuuluu maapallon suurin hiilivarasto.

maalla hiili varastoituu maaperään joko elävien eliöiden hajotessa (hajottajien vaikutuksesta) tai maanpäällisten kiviainesten ja mineraalien rapautuessa. Tämä hiili voi huuhtoutua vesivarastoihin pintavalumavesien mukana. Syvemmällä maan alla, maalla ja merellä, on fossiilisia polttoaineita: kasvien anaerobisesti hajoavia jäännöksiä, joiden muodostuminen kestää miljoonia vuosia. Fossiilisia polttoaineita pidetään uusiutumattomana luonnonvarana, koska niiden käyttö ylittää huomattavasti niiden muodostumisnopeuden. Uusiutumaton luonnonvara, kuten fossiilinen polttoaine, uusiutuu joko hyvin hitaasti tai ei lainkaan. Toinen tapa, jolla hiiltä pääsee ilmakehään, on tulivuorten ja muiden geotermisten järjestelmien purkautuminen maalta (myös meren pinnan alta). Merenpohjan hiilisedimentit kulkeutuvat syvälle maan sisään subduktioprosessin kautta: mannerlaatan liikehdintä toisen mannerlaatan alla. Hiiltä vapautuu hiilidioksidina tulivuoren purkautuessa tai vulkaanisista hydrotermisistä tuuletusaukoista.

ihmiset osallistuvat ilmakehän hiileen polttamalla fossiilisia polttoaineita ja muita materiaaleja. Teollisen vallankumouksen jälkeen ihmiset ovat merkittävästi lisänneet hiilen ja hiiliyhdisteiden vapautumista, mikä on puolestaan vaikuttanut ilmastoon ja kokonaisympäristöön.

ihmisten harjoittama karjanhoito lisää myös ilmakehän hiiltä. Maan kasvavan väestön ravinnoksi kasvatettujen maaeläinten suuri määrä lisää hiilidioksidin määrää ilmakehässä maanviljelytapojen sekä hengitys-ja metaanituotannon vuoksi. Tämä on toinen esimerkki siitä, miten ihmisen toiminta vaikuttaa epäsuorasti biogeokemiallisiin sykleihin merkittävällä tavalla. Vaikka suuri osa ilmakehän hiilen lisääntymisen tulevista vaikutuksista ilmastonmuutokseen käytävästä keskustelusta keskittyy fossiilisiin polttoaineisiin, tutkijat ottavat huomioon luonnon prosessit, kuten tulivuoret ja hengityksen, mallintaessaan ja ennustaessaan tämän lisääntymisen tulevia vaikutuksia.

Osallistu!

paranna tätä sivunumeroa enemmän