Biologie voor Majors II

koolstof is het op een na meest voorkomende element in levende organismen. Koolstof is aanwezig in alle organische molecules, en zijn rol in de structuur van macromoleculen is van primair belang voor het leven organismen. Koolstofverbindingen bevatten bijzonder hoge energie, met name die afkomstig van gefossiliseerde organismen, voornamelijk planten, die door de mens als brandstof worden gebruikt. Sinds de jaren 1800 is het aantal landen dat enorme hoeveelheden fossiele brandstoffen gebruikt toegenomen. Sinds het begin van de industriële revolutie is de wereldwijde vraag naar de beperkte voorraden fossiele brandstoffen van de aarde gestegen; daarom is de hoeveelheid kooldioxide in onze atmosfeer toegenomen. Deze toename van kooldioxide is in verband gebracht met klimaatverandering en andere verstoringen van de ecosystemen van de aarde en is wereldwijd een belangrijk milieuprobleem. De “koolstofvoetafdruk” is dus gebaseerd op de hoeveelheid kooldioxide die wordt geproduceerd en de hoeveelheid fossiele brandstoffen die landen verbruiken.

de koolstofcyclus is het gemakkelijkst te bestuderen als twee onderling verbonden subcycli: de ene heeft betrekking op de snelle uitwisseling van koolstof tussen levende organismen en de andere op de langetermijncyclus van koolstof via geologische processen. De volledige koolstofcyclus is weergegeven in Figuur 1.

figuur 1. Kooldioxidegas bestaat in de atmosfeer en wordt opgelost in water. Fotosynthese zet koolstofdioxide gas om in organische koolstof, en ademhaling cycli de organische koolstof terug in koolstofdioxide gas. Langdurige opslag van organische koolstof vindt plaats wanneer materie van levende organismen diep onder de grond wordt begraven en fossiel wordt. Vulkanische activiteit en, meer recent, menselijke emissies brengen deze opgeslagen koolstof terug in de koolstofcyclus. (credit: modification of work by John M. Evans and Howard Perlman, USGS)

de biologische koolstofcyclus

levende organismen zijn op vele manieren met elkaar verbonden, zelfs tussen ecosystemen. Een goed voorbeeld van deze verbinding is de uitwisseling van koolstof tussen autotrofen en heterotrofen binnen en tussen ecosystemen door middel van atmosferische koolstofdioxide. Kooldioxide is de basis bouwsteen die de meeste autotrophs gebruiken om multi-koolstof, hoge energie verbindingen, zoals glucose te bouwen. De energie van de zon wordt door deze organismen gebruikt om de covalente bindingen te vormen die koolstofatomen met elkaar verbinden. Deze chemische bindingen slaan deze energie op voor later gebruik in het proces van ademhaling. De meeste terrestrische autotrophs verkrijgen hun kooldioxide rechtstreeks uit de atmosfeer, terwijl mariene autotrophs het in opgeloste vorm (koolzuur, H2CO3−) verwerven. Echter kooldioxide wordt verkregen, een bijproduct van het proces is zuurstof. De fotosynthetische organismen zijn verantwoordelijk voor het deponeren van ongeveer 21 procent zuurstofgehalte in de atmosfeer die we vandaag waarnemen.

heterotrofen en autotrofen zijn partners in de biologische koolstofuitwisseling (vooral de primaire gebruikers, voornamelijk herbivoren). Heterotrophs verwerven de high-energy koolstofsamenstellingen van de autotrophs door hen te consumeren, en hen af te breken door ademhaling om cellulaire energie, zoals ATP te verkrijgen. De meest efficiënte vorm van ademhaling, aërobe ademhaling, vereist zuurstof uit de atmosfeer of opgelost in water. Zo is er een constante uitwisseling van zuurstof en kooldioxide tussen de autotrophs (die de koolstof nodig hebben) en de heterotrophs (die de zuurstof nodig hebben). Gasuitwisseling door de atmosfeer en water is een manier waarop de koolstofcyclus alle levende organismen op aarde verbindt.

de biogeochemische koolstofcyclus

de beweging van koolstof door land, water en lucht is complex, en in veel gevallen gebeurt het geologisch veel langzamer dan tussen levende organismen wordt waargenomen. Koolstof wordt lange tijd opgeslagen in wat bekend staat als koolstofreservoirs, waaronder de atmosfeer, lichamen van vloeibaar water (meestal oceanen), oceaansediment, bodem, landsedimenten (inclusief fossiele brandstoffen), en het binnenste van de aarde.

zoals gezegd is de atmosfeer een belangrijk koolstofreservoir in de vorm van kooldioxide en is het essentieel voor het proces van fotosynthese. Het niveau van kooldioxide in de atmosfeer wordt sterk beïnvloed door het koolstofreservoir in de oceanen. De uitwisseling van koolstof tussen de atmosfeer en waterreservoirs beïnvloedt de hoeveelheid koolstof die op elke locatie wordt gevonden, en elk beïnvloedt de andere wederzijds. Koolstofdioxide (CO2) uit de atmosfeer lost op in water en combineert met watermoleculen om koolzuur te vormen, en ioniseert vervolgens tot carbonaat – en bicarbonaationen:

\ 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}\tekst {(carbonaation)}\end{array}

De evenwichtscoëfficiënten zijn zodanig dat meer dan 90 procent van de koolstof in de oceaan wordt gevonden Als bicarbonaationen. Sommige van deze ionen combineren met zeewater calcium tot calciumcarbonaat (CaCO3), een belangrijke component van mariene organismen schelpen. Deze organismen vormen uiteindelijk sedimenten op de oceaanbodem. In de geologische tijd vormt het calciumcarbonaat kalksteen, het grootste koolstofreservoir op aarde.

op het land wordt koolstof opgeslagen in de bodem als gevolg van de afbraak van levende organismen (door ontbinders) of door verwering van terrestrisch gesteente en mineralen. Deze koolstof kan in de waterreservoirs worden uitgelogen door afvoer van het oppervlak. Dieper onder de grond, op het land en op zee, zijn fossiele brandstoffen: de anaeroob ontbonden resten van planten die miljoenen jaren duren om te vormen. Fossiele brandstoffen worden beschouwd als een niet-hernieuwbare hulpbron, omdat ze veel meer worden gebruikt dan hun vormingssnelheid. Een niet-hernieuwbare hulpbron, zoals fossiele brandstoffen, wordt ofwel heel langzaam geregenereerd, ofwel helemaal niet. Een andere manier om koolstof in de atmosfeer te krijgen is van land (inclusief land onder het oppervlak van de oceaan) door de uitbarsting van vulkanen en andere geothermische systemen. Koolstofsedimenten van de oceaanbodem worden diep in de aarde genomen door het proces van subductie: de beweging van een tektonische plaat onder een andere. Koolstof komt vrij als kooldioxide wanneer een vulkaan uitbarst of uit vulkanische hydrothermale bronnen.

mensen dragen bij aan atmosferische koolstof door de verbranding van fossiele brandstoffen en andere materialen. Sinds de industriële revolutie hebben de mensen de uitstoot van koolstof en koolstofverbindingen aanzienlijk verhoogd, wat op zijn beurt het klimaat en het milieu heeft beïnvloed.

veeteelt door mensen verhoogt ook de atmosferische koolstof. De grote aantallen landdieren die worden opgevoed om de groeiende bevolking van de aarde te voeden, resulteert in verhoogde kooldioxide-niveaus in de atmosfeer als gevolg van landbouwpraktijken en ademhaling en methaanproductie. Dit is een ander voorbeeld van hoe menselijke activiteit indirect invloed biogeochemische cycli op een significante manier. Hoewel een groot deel van het debat over de toekomstige effecten van toenemende atmosferische koolstof op klimaatverandering zich richt op fossiele brandstoffen, houden wetenschappers rekening met natuurlijke processen, zoals vulkanen en ademhaling, bij het modelleren en voorspellen van de toekomstige impact van deze toename.

bijdragen!

verbeter deze pagina leer meer