Biology for Majors II

Il carbonio è il secondo elemento più abbondante negli organismi viventi. Il carbonio è presente in tutte le molecole organiche e il suo ruolo nella struttura delle macromolecole è di primaria importanza per gli organismi viventi. I composti del carbonio contengono energia particolarmente elevata, in particolare quelli derivati da organismi fossili, principalmente piante, che gli esseri umani usano come combustibile. Dal 1800, il numero di paesi che utilizzano enormi quantità di combustibili fossili è aumentato. Dall’inizio della rivoluzione industriale, la domanda globale per le limitate forniture di combustibili fossili della Terra è aumentata; pertanto, la quantità di anidride carbonica nella nostra atmosfera è aumentata. Questo aumento dell’anidride carbonica è stato associato ai cambiamenti climatici e ad altri disturbi degli ecosistemi della Terra ed è una delle principali preoccupazioni ambientali in tutto il mondo. Pertanto, l ‘” impronta di carbonio ” si basa sulla quantità di anidride carbonica prodotta e sulla quantità di combustibili fossili che i paesi consumano.

Il ciclo del carbonio è più facilmente studiato come due sottocicli interconnessi: uno che si occupa del rapido scambio di carbonio tra organismi viventi e l’altro che si occupa del ciclo a lungo termine del carbonio attraverso processi geologici. L’intero ciclo del carbonio è mostrato in Figura 1.

Figura 1. Il gas di anidride carbonica esiste nell’atmosfera e si scioglie in acqua. La fotosintesi converte il gas di anidride carbonica in carbonio organico e la respirazione ricicla il carbonio organico in gas di anidride carbonica. Lo stoccaggio a lungo termine del carbonio organico si verifica quando la materia proveniente dagli organismi viventi viene sepolta in profondità nel sottosuolo e si fossilizza. L’attività vulcanica e, più recentemente, le emissioni umane, riportano questo carbonio immagazzinato nel ciclo del carbonio. (credito: modifica del lavoro di John M. Evans e Howard Perlman, USGS)

Il ciclo biologico del carbonio

Gli organismi viventi sono collegati in molti modi, anche tra ecosistemi. Un buon esempio di questa connessione è lo scambio di carbonio tra autotrofi ed eterotrofi all’interno e tra gli ecosistemi attraverso l’anidride carbonica atmosferica. L’anidride carbonica è il blocco di base che la maggior parte degli autotrofi utilizza per costruire composti multi-carbonio ad alta energia, come il glucosio. L’energia sfruttata dal sole viene utilizzata da questi organismi per formare i legami covalenti che collegano gli atomi di carbonio insieme. Questi legami chimici immagazzinano quindi questa energia per un uso successivo nel processo di respirazione. La maggior parte degli autotrofi terrestri ottiene il loro anidride carbonica direttamente dall’atmosfera, mentre gli autotrofi marini lo acquisiscono nella forma disciolta (acido carbonico, H2CO3−). Tuttavia l’anidride carbonica viene acquisita, un sottoprodotto del processo è l’ossigeno. Gli organismi fotosintetici sono responsabili del deposito di circa il 21% del contenuto di ossigeno nell’atmosfera che osserviamo oggi.

Eterotrofi e autotrofi sono partner nello scambio biologico di carbonio (in particolare i consumatori primari, in gran parte erbivori). Gli eterotrofi acquisiscono i composti di carbonio ad alta energia dagli autotrofi consumandoli e scomponendoli mediante la respirazione per ottenere energia cellulare, come l’ATP. Il tipo più efficiente di respirazione, la respirazione aerobica, richiede ossigeno ottenuto dall’atmosfera o disciolto in acqua. Quindi, c’è uno scambio costante di ossigeno e anidride carbonica tra gli autotrofi (che hanno bisogno del carbonio) e gli eterotrofi (che hanno bisogno dell’ossigeno). Lo scambio di gas attraverso l’atmosfera e l’acqua è un modo in cui il ciclo del carbonio collega tutti gli organismi viventi sulla Terra.

Il ciclo biogeochimico del carbonio

Il movimento del carbonio attraverso la terra, l’acqua e l’aria è complesso e, in molti casi, si verifica molto più lentamente geologicamente rispetto a quanto visto tra gli organismi viventi. Il carbonio viene immagazzinato per lunghi periodi in quelli che sono noti come serbatoi di carbonio, che includono l’atmosfera, i corpi di acqua liquida (principalmente oceani), i sedimenti oceanici, il suolo, i sedimenti terrestri (compresi i combustibili fossili) e l’interno della Terra.

Come detto, l’atmosfera è un importante serbatoio di carbonio sotto forma di anidride carbonica ed è essenziale per il processo di fotosintesi. Il livello di anidride carbonica nell’atmosfera è fortemente influenzato dal serbatoio di carbonio negli oceani. Lo scambio di carbonio tra l’atmosfera e serbatoi d’acqua influenza la quantità di carbonio si trova in ogni posizione, e ognuno influenza l’altro reciprocamente. L’anidride carbonica (CO2) dall’atmosfera si dissolve in acqua e si combina con le molecole d’acqua per formare acido carbonico, quindi si ionizza in ioni carbonato e bicarbonato:

\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:in questo modo, il sistema di gestione dei dati è in grado di garantire la sicurezza di tutti gli utenti.}^{2-}_{3}\ text {(carbonate ion)}\end{array}

I coefficienti di equilibrio sono tali che oltre il 90% del carbonio nell’oceano si trova come ioni bicarbonato. Alcuni di questi ioni si combinano con il calcio dell’acqua di mare per formare carbonato di calcio (CaCO3), un componente importante dei gusci degli organismi marini. Questi organismi alla fine formano sedimenti sul fondo dell’oceano. Nel corso del tempo geologico, il carbonato di calcio forma calcare, che comprende il più grande serbatoio di carbonio sulla Terra.

Sulla terra, il carbonio viene immagazzinato nel suolo a causa della decomposizione di organismi viventi (da parte di decompositori) o dagli agenti atmosferici di rocce e minerali terrestri. Questo carbonio può essere lisciviato nei serbatoi d’acqua per deflusso superficiale. Più in profondità nel sottosuolo, sulla terra e in mare, ci sono i combustibili fossili: i resti decomposti anaerobicamente di piante che impiegano milioni di anni per formarsi. I combustibili fossili sono considerati una risorsa non rinnovabile perché il loro uso supera di gran lunga il loro tasso di formazione. Una risorsa non rinnovabile, come il combustibile fossile, viene rigenerata molto lentamente o per niente. Un altro modo per il carbonio di entrare nell’atmosfera è dalla terra (compresa la terra sotto la superficie dell’oceano) dall’eruzione di vulcani e altri sistemi geotermici. I sedimenti di carbonio dal fondo dell’oceano sono presi in profondità all’interno della Terra dal processo di subduzione: il movimento di una placca tettonica sotto un’altra. Il carbonio viene rilasciato come anidride carbonica quando un vulcano erutta o dalle prese d’aria idrotermali vulcaniche.

Gli esseri umani contribuiscono al carbonio atmosferico bruciando combustibili fossili e altri materiali. Dalla rivoluzione industriale, gli esseri umani hanno aumentato significativamente il rilascio di carbonio e composti del carbonio, che a sua volta ha influenzato il clima e l’ambiente generale.

La zootecnia da parte dell’uomo aumenta anche il carbonio atmosferico. Il gran numero di animali terrestri allevati per nutrire la crescente popolazione della Terra provoca un aumento dei livelli di anidride carbonica nell’atmosfera a causa delle pratiche agricole e della respirazione e della produzione di metano. Questo è un altro esempio di come l’attività umana influenzi indirettamente i cicli biogeochimici in modo significativo. Sebbene gran parte del dibattito sugli effetti futuri dell’aumento del carbonio atmosferico sui cambiamenti climatici si concentri sui combustibili fossili, gli scienziati prendono in considerazione i processi naturali, come i vulcani e la respirazione, mentre modellano e predicono l’impatto futuro di questo aumento.

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