Biology for Majors II

a szén a második leggyakoribb elem az élő szervezetekben. A szén minden szerves molekulában jelen van, szerepe a makromolekulák szerkezetében elsődleges fontosságú az élő szervezetek számára. A szénvegyületek különösen nagy energiát tartalmaznak, különösen azok, amelyek megkövesedett organizmusokból, főleg növényekből származnak, amelyeket az emberek üzemanyagként használnak. Az 1800-as évek óta nőtt a hatalmas mennyiségű fosszilis tüzelőanyagot használó országok száma. Az ipari forradalom kezdete óta nőtt a globális kereslet a Föld korlátozott fosszilis üzemanyag-ellátása iránt; ezért nőtt a légkörünkben lévő szén-dioxid mennyisége. Ez a szén-dioxid-növekedés összefüggésbe hozható az éghajlatváltozással és a Föld ökoszisztémáinak egyéb zavaraival, és világszerte komoly környezeti problémát jelent. Így a “szén-dioxid-lábnyom” azon alapul, hogy mennyi szén-dioxidot állítanak elő, és mennyi fosszilis tüzelőanyagot fogyasztanak az országok.

a szénciklust legkönnyebben két összekapcsolt alciklusként lehet tanulmányozni: az egyik az élő szervezetek közötti gyors széncserével, a másik pedig a szén hosszú távú körforgásával foglalkozik geológiai folyamatokon keresztül. A teljes szénciklus az 1. ábrán látható.

1. ábra. A légkörben szén-dioxid-gáz található, vízben oldódik. A fotoszintézis a szén-dioxid-gázt szerves szénné alakítja, a légzés pedig a szerves szenet szén-dioxid-gázzá alakítja. A szerves szén hosszú távú tárolása akkor következik be, amikor az élő szervezetekből származó anyagot mélyen a föld alá temetik, és megkövesednek. A vulkáni tevékenység és újabban az emberi kibocsátás visszahozza ezt a tárolt szenet a szénciklusba. (hitel: John M. Evans és Howard Perlman, USGS munkájának módosítása)

A biológiai szénciklus

az élő szervezetek sokféleképpen kapcsolódnak egymáshoz, még az ökoszisztémák között is. Jó példa erre az összefüggésre az autotrófok és heterotrófok közötti széncsere az ökoszisztémákon belül és azok között légköri szén-dioxid útján. A szén-dioxid az alapvető építőelem, amelyet a legtöbb autotróf használ több széntartalmú, nagy energiájú vegyületek, például glükóz előállításához. A napból felhasznált energiát ezek az organizmusok használják a kovalens kötések kialakítására, amelyek összekapcsolják a szénatomokat. Ezek a kémiai kötések ezáltal tárolják ezt az energiát későbbi felhasználásra a légzés folyamatában. A legtöbb földi autotróf szén−dioxidot közvetlenül a légkörből nyerik, míg a tengeri autotrófok oldott formában (szénsav, H2CO3 -). Azonban szén-dioxid keletkezik, a folyamat mellékterméke az oxigén. A fotoszintetikus organizmusok felelősek a légkör körülbelül 21% – os oxigéntartalmának lerakódásáért, amelyet ma megfigyelünk.

a heterotrófok és az autotrófok partnerek a biológiai széncserében (különösen az elsődleges fogyasztók, nagyrészt növényevők). A heterotrófok a nagy energiájú szénvegyületeket az autotrófokból úgy szerzik be, hogy elfogyasztják őket, és légzéssel lebontják őket, hogy sejtenergiát, például ATP-t kapjanak. A légzés leghatékonyabb típusa, az aerob légzés, a légkörből nyert vagy vízben oldott oxigént igényel. Így az oxigén és a szén-dioxid állandó cseréje van az autotrófok (amelyeknek szükségük van a szénre) és a heterotrófok (amelyeknek szükségük van az oxigénre) között. A légkörön és a vízen keresztüli gázcsere az egyik módja annak, hogy a szénciklus összekapcsolja a Föld összes élő organizmusát.

A biogeokémiai szénciklus

a szén mozgása a szárazföldön, a vízen és a levegőn keresztül összetett, és sok esetben geológiailag sokkal lassabban fordul elő, mint az élő szervezetek között. A szén hosszú ideig tárolódik az úgynevezett széntartályokban, amelyek magukban foglalják a légkört, a folyékony víztesteket (többnyire óceánokat), az óceáni üledéket, a talajt, a szárazföldi üledékeket (beleértve a fosszilis tüzelőanyagokat) és a Föld belsejét.

mint már említettük, a légkör szén-dioxid formájában jelentős széntartály, amely elengedhetetlen a fotoszintézis folyamatához. A szén-dioxid szintjét a légkörben nagymértékben befolyásolja az óceánok széntartálya. A légkör és a víztározók közötti széncsere befolyásolja, hogy mennyi szén található az egyes helyeken, és mindegyik kölcsönösen befolyásolja a másikat. A légkörből származó szén-dioxid (CO2) vízben oldódik, és vízmolekulákkal kombinálva szénsavat képez, majd karbonát-és bikarbonát-ionokká ionizálódik:

\ 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}\text {(karbonát ion)}\end{array}

az egyensúlyi együtthatók olyanok, hogy az óceánban lévő szén több mint 90% – a bikarbonát-ionként található meg. Ezen ionok egy része a tengervíz kalciumával kombinálva kalcium-karbonátot (CaCO3) képez, amely a tengeri organizmus héjának egyik fő alkotóeleme. Ezek az organizmusok végül üledékeket képeznek az óceán fenekén. Geológiai idő alatt, a kalcium-karbonát mészkőt képez,amely a Föld legnagyobb széntartály.

szárazföldön a szén a talajban az élő szervezetek bomlása (bomlók által) vagy a szárazföldi kőzet és ásványi anyagok időjárása következtében tárolódik. Ez a szén felszíni lefolyással kimosható a víztározókba. A mélyebb föld alatt, a szárazföldön és a tengeren fosszilis tüzelőanyagok vannak: a növények anaerob módon lebomló maradványai, amelyek kialakulása évmilliókat vesz igénybe. A fosszilis tüzelőanyagokat nem megújuló erőforrásnak tekintik, mivel felhasználásuk messze meghaladja képződési sebességüket. A nem megújuló erőforrások, például a fosszilis tüzelőanyagok vagy nagyon lassan regenerálódnak, vagy egyáltalán nem. A szén légkörbe jutásának másik módja a szárazföld (beleértve az óceán felszíne alatti földet is) vulkánok és más geotermikus rendszerek kitörése révén. Az óceán fenekéből származó szén-üledékeket a szubdukció folyamata mélyen a föld belsejébe veszi: az egyik tektonikus lemez mozgása a másik alatt. A szén szén-dioxidként szabadul fel, amikor egy vulkán kitör, vagy vulkáni hidrotermális szellőzőnyílásokból.

az emberek fosszilis tüzelőanyagok és más anyagok elégetésével járulnak hozzá a légköri szénhez. Az ipari forradalom óta az emberek jelentősen növelték a szén és a szénvegyületek kibocsátását, ami viszont befolyásolta az éghajlatot és az Általános környezetet.

az emberek állattenyésztése szintén növeli a légköri szenet. A Föld növekvő népességének táplálására nevelt szárazföldi állatok nagy száma megnövekedett szén-dioxid-szintet eredményez a légkörben a gazdálkodási gyakorlatok, a légzés és a metántermelés miatt. Ez egy másik példa arra, hogy az emberi tevékenység közvetetten jelentősen befolyásolja a biogeokémiai ciklusokat. Bár a növekvő légköri szén éghajlatváltozásra gyakorolt jövőbeli hatásairól szóló vita nagy része a fosszilis tüzelőanyagokra összpontosít, a tudósok figyelembe veszik a természetes folyamatokat, például a vulkánokat és a légzést, amikor modellezik és megjósolják a növekedés jövőbeli hatását.

járulj hozzá!

az oldal Javításatovábbi információk