生物学専攻II

炭素は生 炭素はすべての有機分子に存在し、高分子の構造におけるその役割は、生物にとって最も重要である。 炭素化合物は、特に高いエネルギー、特に人間が燃料として使用する化石生物、主に植物に由来するものを含んでいます。 1800年代以降、大量の化石燃料を使用している国の数が増加しています。 産業革命が始まって以来、地球の限られた化石燃料供給に対する世界的な需要が上昇しているため、大気中の二酸化炭素の量が増加しています。 この二酸化炭素の増加は、気候変動や地球の生態系の他の擾乱に関連しており、世界的な主要な環境上の懸念事項です。 したがって、「カーボンフットプリント」は、どのくらいの二酸化炭素が生産され、どのくらいの化石燃料国が消費するかに基づいています。

炭素循環は、生物間の急速な炭素交換を扱うものと、地質学的プロセスを介して炭素の長期循環を扱うものの二つの相互接続されたサブサイクル 炭素循環全体を図1に示します。

図1. 二酸化炭素ガスは大気中に存在し、水に溶解する。 光合成は二酸化炭素ガスを有機炭素に変換し、呼吸は有機炭素を二酸化炭素ガスに戻す。 有機炭素の長期貯蔵は、生物からの物質が地下深くに埋もれて化石化するときに起こります。 火山活動と、最近では人間の排出量は、この貯蔵された炭素を炭素循環に戻します。 (credit:modification of work by John M.Evans and Howard Perlman,USGS)

生物学的炭素循環

生物は、生態系の間でさえ、多くの点でつながっています。 この接続の良い例は、大気中の二酸化炭素を介して生態系内および生態系間の独立栄養生物と従属栄養生物との間の炭素の交換である。 二酸化炭素は、ほとんどの独立栄養生物がグルコースなどの多炭素、高エネルギー化合物を構築するために使用する基本的な構成要素です。 太陽から利用されるエネルギーは、これらの生物によって炭素原子を一緒にリンクする共有結合を形成するために使用されます。 これらの化学結合は、それによって、呼吸の過程で後に使用するためにこのエネルギーを貯蔵する。 ほとんどの陸上独立栄養生物は大気から直接二酸化炭素を得ますが、海洋独立栄養生物はそれを溶解した形（炭酸、H2CO3-）で取得します。 しかし、二酸化炭素が獲得されると、プロセスの副産物は酸素である。 光合成生物は、私たちが今日観察している大気の約21パーセントの酸素含有量を堆積させる責任があります。従属栄養生物および独立栄養生物は、生物学的炭素交換（特に主要消費者、主に草食動物）のパートナーである。

従属栄養生物および独立栄養生物は、生物学的炭素交換（特に主要消費者、主に草食動物）のパートナーである。 従属栄養生物は、独立栄養生物から高エネルギー炭素化合物を消費し、ATPなどの細胞エネルギーを得るために呼吸によってそれらを分解することによ 最も効率的なタイプの呼吸、好気性呼吸は、大気から得られるか、または水に溶解した酸素を必要とする。 したがって、独立栄養生物（炭素を必要とする）と従属栄養生物（酸素を必要とする）との間に酸素と二酸化炭素の一定の交換が存在する。 大気と水を介したガス交換は、炭素循環が地球上のすべての生物を結ぶ一つの方法です。

生物地球化学的炭素循環

土地、水、空気を通る炭素の動きは複雑であり、多くの場合、生物間で見られるよりも地質学的にはるかに遅い。 炭素は、大気、液体の水（主に海洋）、海洋堆積物、土壌、土地の堆積物（化石燃料を含む）、および地球の内部を含む炭素貯留層として知られているものに長期間

述べたように、大気は二酸化炭素の形で炭素の主要な貯蔵所であり、光合成のプロセスに不可欠です。 大気中の二酸化炭素のレベルは、海洋の炭素貯留層の影響を大きく受けます。 大気と貯水池との間の炭素の交換は、それぞれの場所でどれくらいの炭素が見つかるかに影響を与え、それぞれが相互に影響を与えます。 大気中の二酸化炭素（CO2）は水に溶解し、水分子と結合して炭酸を形成し、炭酸塩および重炭酸塩イオンに電離する：

\begin{array}{rrcl}\text{ス:}&\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:テキスト{H}^{+}+\テキスト{CO}–_3&\longleftrightarrow&\テキスト{H}^{+}+\テキスト{CO}–_3&\longleftrightarrow&\テキスト{H}^{+}+\テキスト{CO}–_3&\テキスト{H}^{+}+\テキスト{CO}–_3}^{2-}_{3}\平衡係数は、海洋中の炭素の90％以上が重炭酸イオンとして見出されるようなものである。 これらのイオンのいくつかは海水カルシウムと結合して、海洋生物の殻の主要成分である炭酸カルシウム（Caco3）を形成する。 これらの生物は最終的に海底に堆積物を形成する。 地質学的時間の経過とともに、炭酸カルシウムは石灰岩を形成し、これは地球上で最大の炭素貯留層を構成する。

陸上では、生物の分解（分解者による）または陸上の岩石や鉱物の風化の結果として、炭素が土壌に貯蔵されます。 この炭素は、表面流出によって貯水池に浸出することができます。 地下深く、陸上および海上には化石燃料があります：嫌気的に分解された植物の残骸が形成されるまでに何百万年もかかります。 化石燃料は、その使用が形成速度をはるかに超えているため、再生不可能な資源と考えられています。 化石燃料のような再生不可能な資源は、非常にゆっくりと再生されるか、まったく再生されません。 炭素が大気に入るもう一つの方法は、火山や他の地熱システムの噴火による土地（海洋の表面の下の土地を含む）からのものです。 海底からの炭素堆積物は、沈み込みのプロセスによって地球の深部に取り込まれます：ある構造プレートが別のプレートの下に移動します。 炭素は、火山が噴火したとき、または火山熱水噴出孔から二酸化炭素として放出される。人間は化石燃料やその他の材料の燃焼によって大気中の炭素に貢献します。

人間は化石燃料や他の材料の燃焼によって大気中の炭素に貢献し 産業革命以来、人間は炭素と炭素化合物の放出を大幅に増加させ、それが気候と全体的な環境に影響を与えました。人間による畜産も大気中の炭素を増加させます。

地球の増加する人口を養うために飼育された多数の陸上動物は、農業慣行と呼吸とメタン生産のために大気中の二酸化炭素レベルを増加させます。 これは、人間の活動が間接的に生物地球化学的サイクルに重要な方法でどのように影響するかの別の例です。 気候変動に対する大気中の炭素の増加の将来の影響についての議論の多くは化石燃料に焦点を当てていますが、科学者たちは、この増加の将来の影

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