Biologi For Majors II

Karbon Er den nest mest tallrike element i levende organismer. Karbon er tilstede i alle organiske molekyler, og dets rolle i strukturen av makromolekyler er av største betydning for levende organismer. Karbonforbindelser inneholder spesielt høy energi, spesielt de som er avledet fra fossiliserte organismer, hovedsakelig planter, som mennesker bruker som drivstoff. Siden 1800-tallet har antall land som bruker enorme mengder fossilt brensel økt. Siden Begynnelsen av Den Industrielle Revolusjonen har den globale etterspørselen etter Jordens begrensede fossile brenselforsyning økt; derfor har mengden karbondioksid i atmosfæren økt. Denne økningen i karbondioksid har vært forbundet med klimaendringer og andre forstyrrelser I Jordens økosystemer og er et stort miljøproblem over hele verden. Dermed er» karbonavtrykket » basert på hvor mye karbondioksid som produseres og hvor mye fossilt brensel land forbruker.karbonsyklusen er lettest studert som to sammenhengende sub-sykluser: en arbeider med rask karbon utveksling mellom levende organismer og den andre arbeider med langsiktig sykling av karbon gjennom geologiske prosesser. Hele karbonkretsløpet er vist I Figur 1.

Figur 1. Karbondioksid finnes i atmosfæren og oppløses i vann. Fotosyntese omdanner karbondioksidgass til organisk karbon, og respirasjon sykluser det organiske karbonet tilbake til karbondioksidgass. Langsiktig lagring av organisk karbon oppstår når materie fra levende organismer er begravet dypt under jorden og blir fossilisert. Vulkansk aktivitet og, mer nylig, menneskelige utslipp, bringer dette lagrede karbonet tilbake i karbon syklusen. (kreditt: modifikasjon av arbeid Av John M. Evans OG Howard Perlman, USGS)

Den Biologiske Karbonsyklusen

Levende organismer er koblet på mange måter, selv mellom økosystemer. Et godt eksempel på denne forbindelsen er utveksling av karbon mellom autotrofer og heterotrofer i og mellom økosystemer ved hjelp av atmosfærisk karbondioksid. Karbondioksid er den grunnleggende byggesteinen som de fleste autotrofer bruker til å bygge multi-karbon, høy energi forbindelser, slik som glukose. Energien som utnyttes fra solen, brukes av disse organismene til å danne kovalente bindinger som knytter karbonatomer sammen. Disse kjemiske bindingene lagrer dermed denne energien for senere bruk i respirasjonsprosessen. De fleste terrestriske autotrofer får karbondioksid direkte fra atmosfæren, mens marine autotrofer får det i oppløst form(karbonsyre, H2CO3−). Men karbondioksid er anskaffet, et biprodukt av prosessen er oksygen. De fotosyntetiske organismene er ansvarlige for å deponere omtrent 21 prosent oksygeninnhold i atmosfæren som vi observerer i dag.Heterotrofer og autotrofer er partnere i biologisk karbonutveksling (spesielt de primære forbrukerne, hovedsakelig plantelevende dyr). Heterotrophs erverve høy-energi karbonforbindelser fra autotrophs ved å konsumere dem, og bryte dem ned ved respirasjon for å oppnå cellulær energi, SLIK SOM ATP. Den mest effektive typen respirasjon, aerob respirasjon, krever oksygen oppnådd fra atmosfæren eller oppløst i vann. Dermed er det en konstant utveksling av oksygen og karbondioksid mellom autotrofene (som trenger karbon) og heterotrofene (som trenger oksygen). Gassutveksling gjennom atmosfæren og vannet er en måte at karbonsyklusen forbinder alle levende organismer på Jorden.

Den Biogeokjemiske Karbonsyklusen

bevegelsen av karbon gjennom land, vann og luft er kompleks, og i mange tilfeller forekommer det mye langsommere geologisk enn sett mellom levende organismer. Karbon lagres i lange perioder i det som kalles karbonreservoarer, som inkluderer atmosfæren, legemer av flytende vann (for det meste hav), havsediment, jord, landsedimenter (inkludert fossile brensler) og Jordens indre.som nevnt er atmosfæren et stort reservoar av karbon i form av karbondioksid og er avgjørende for prosessen med fotosyntese. Nivået av karbondioksid i atmosfæren påvirkes sterkt av reservoaret av karbon i havene. Utvekslingen av karbon mellom atmosfæren og vannreservoarene påvirker hvor mye karbon som finnes på hvert sted, og hver påvirker den andre gjensidig. Kullsyre (CO2) fra atmosfæren oppløses i vann og kombinerer med vannmolekyler for å danne karbonsyre, og deretter ioniserer den til karbonat-og bikarbonationer:

\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:}&\tekst{HCO}^-_3&\longleftrightarrow &\tekst{H}^{+}+\tekst{CO}^{2-}_{3}\tekst{(carbonate ion)}\end{array}

likevektskoeffisientene er slik at mer enn 90 prosent av karbonet i havet er funnet som bikarbonationer. Noen av disse ionene kombinerer med sjøvannskalsium for å danne kalsiumkarbonat (CaCO3), en viktig komponent i marine organismeskall. Disse organismene danner til slutt sedimenter på havbunnen. Over geologisk tid, kalsiumkarbonat danner kalkstein, som omfatter den største karbonreservoar På Jorden.

på land lagres karbon i jord som følge av nedbrytning av levende organismer (ved dekomponere) eller fra forvitring av jordbasert stein og mineraler. Dette karbonet kan lekket ut i vannreservoarene ved overflateavrenning. Dypere under jorden, på land og til sjøs, er fossile brensler: de anaerobt dekomponerte rester av planter som tar millioner av år å danne. Fossile brensler anses som en ikke-fornybar ressurs fordi deres bruk langt overstiger deres formasjonshastighet. En ikke-fornybar ressurs, som fossilt brensel, regenereres enten veldig sakte eller ikke i det hele tatt. En annen måte for karbon å komme inn i atmosfæren er fra land (inkludert land under overflaten av havet) ved utbrudd av vulkaner og andre geotermiske systemer. Karbon sedimenter fra havbunnen tas dypt inne I Jorden ved subduksjonsprosessen: bevegelsen av en tektonisk plate under en annen. Karbon frigjøres som karbondioksid når en vulkan bryter ut eller fra vulkanske hydrotermiske ventiler.Mennesker bidrar til atmosfærisk karbon ved forbrenning av fossilt brensel og andre materialer. Siden Den Industrielle Revolusjonen har mennesker økt utslipp av karbon og karbonforbindelser betydelig, noe som igjen har påvirket klimaet og det generelle miljøet.

Husdyrhold av mennesker øker også atmosfærisk karbon. Det store antallet landdyr oppdratt for å mate Jordens voksende befolkning resulterer i økte karbondioksidnivåer i atmosfæren på grunn av oppdrettspraksis og respirasjon og metanproduksjon. Dette er et annet eksempel på hvordan menneskelig aktivitet indirekte påvirker biogeokjemiske sykluser på en betydelig måte. Selv om mye av debatten om fremtidige effekter av økende atmosfærisk karbon på klimaendringer fokuserer på fossilbrensel, tar forskere hensyn til naturlige prosesser, som vulkaner og respirasjon, når de modellerer og forutsier den fremtidige effekten av denne økningen.

Bidra!

Forbedre denne sidenlære mer