Biologia dla kierunku II

węgiel jest drugim najliczniejszym pierwiastkiem w organizmach żywych. Węgiel jest obecny we wszystkich cząsteczkach organicznych, a jego rola w strukturze makrocząsteczek ma podstawowe znaczenie dla organizmów żywych. Związki węgla zawierają szczególnie wysoką energię, szczególnie te pochodzące ze skamieniałych organizmów, głównie roślin, które ludzie używają jako paliwo. Od 1800 roku liczba krajów stosujących ogromne ilości paliw kopalnych wzrosła. Od początku rewolucji przemysłowej globalny popyt na ograniczone zasoby paliw kopalnych na Ziemi wzrósł; w związku z tym wzrosła ilość dwutlenku węgla w naszej atmosferze. Ten wzrost dwutlenku węgla był związany ze zmianami klimatycznymi i innymi zakłóceniami ekosystemów ziemi i jest poważnym problemem środowiskowym na całym świecie. Tak więc „ślad węglowy” opiera się na tym, ile dwutlenku węgla jest wytwarzany i ile zużywają kraje z paliw kopalnych.

cykl węglowy jest najłatwiej badany jako Dwa połączone ze sobą podcykle: jeden zajmujący się szybką wymianą węgla między organizmami żywymi, a drugi zajmujący się długotrwałym cyklem węgla w procesach geologicznych. Cały cykl węglowy pokazano na fig. 1.

Rysunek 1. Dwutlenek węgla występuje w atmosferze i rozpuszcza się w wodzie. Fotosynteza przekształca dwutlenek węgla w węgiel organiczny, a oddychanie cyklami węgla organicznego z powrotem do dwutlenku węgla. Długotrwałe przechowywanie węgla organicznego następuje, gdy materia z organizmów żywych jest zakopywana głęboko pod ziemią i ulega skamieniałości. Aktywność wulkaniczna, a ostatnio także emisje ludzkie, przywracają zmagazynowany węgiel do cyklu węglowego. (źródło: modyfikacja prac Johna M. Evansa i Howarda Perlmana, USGS)

biologiczny cykl węglowy

organizmy żywe są połączone na wiele sposobów, nawet między ekosystemami. Dobrym przykładem tego związku jest wymiana węgla między autotrofami i heterotrofami w ekosystemach i między nimi za pomocą atmosferycznego dwutlenku węgla. Dwutlenek węgla jest podstawowym budulcem, którego większość autotrophów używa do budowy wielowęglowych, wysokoenergetycznych związków, takich jak glukoza. Energia pozyskana ze słońca jest wykorzystywana przez te organizmy do tworzenia wiązań kowalencyjnych, które łączą ze sobą atomy węgla. Te wiązania chemiczne magazynują w ten sposób tę energię do późniejszego wykorzystania w procesie oddychania. Większość autotrofów lądowych otrzymuje swój dwutlenek węgla bezpośrednio z atmosfery, podczas gdy autotrofy morskie pozyskują go w postaci rozpuszczonej (kwas węglowy, H2CO3−). Jednak dwutlenek węgla jest pozyskiwany, produktem ubocznym procesu jest tlen. Organizmy fotosyntetyczne są odpowiedzialne za odkładanie około 21 procent zawartości tlenu w atmosferze, którą obserwujemy dzisiaj.

heterotrofy i autotrofy są partnerami w biologicznej wymianie węgla (zwłaszcza pierwotni konsumenci, głównie roślinożercy). Heterotrofy pozyskują wysokoenergetyczne związki węgla z autotrofów, pochłaniając je i rozkładając przez oddychanie w celu uzyskania energii komórkowej, takiej jak ATP. Najbardziej efektywny rodzaj oddychania, oddychanie tlenowe, wymaga tlenu otrzymanego z atmosfery lub rozpuszczonego w wodzie. Tak więc, istnieje stała wymiana tlenu i dwutlenku węgla między autotrofami (które potrzebują węgla) i heterotrofami (które potrzebują tlenu). Wymiana gazowa przez atmosferę i wodę jest jednym ze sposobów, w jaki cykl węglowy łączy wszystkie żywe organizmy na Ziemi.

Biogeochemiczny cykl węglowy

ruch węgla przez ląd, wodę i powietrze jest złożony i w wielu przypadkach zachodzi znacznie wolniej geologicznie niż między żywymi organizmami. Węgiel jest przechowywany przez długi czas w tak zwanych zbiornikach węglowych, które obejmują atmosferę, ciała ciekłej wody (głównie oceany), osady oceaniczne, glebę, osady lądowe (w tym paliwa kopalne) i wnętrze Ziemi.

jak stwierdzono, atmosfera jest głównym rezerwuarem węgla w postaci dwutlenku węgla i jest niezbędna do procesu fotosyntezy. Na poziom dwutlenku węgla w atmosferze duży wpływ ma zbiornik węgla w oceanach. Wymiana węgla między atmosferą a zbiornikami wodnymi wpływa na ilość węgla znalezionego w każdym miejscu, a każde z nich oddziałuje wzajemnie na drugie. Dwutlenek węgla (CO2) z atmosfery rozpuszcza się w wodzie i łączy się z cząsteczkami wody, tworząc kwas węglowy, a następnie jonizuje do jonów węglanowych i wodorowęglanowych:

\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 {(carbonate ion)} \ end{array}

współczynniki równowagi są takie, że ponad 90 procent węgla w oceanie znajduje się jako jony wodorowęglanowe. Niektóre z tych jonów łączą się z wapniem w wodzie morskiej, tworząc węglan wapnia (CaCO3), główny składnik muszli organizmów morskich. Organizmy te ostatecznie tworzą osady na dnie oceanu. W czasie geologicznym węglan wapnia tworzy wapień, który stanowi największy zbiornik węgla na Ziemi.

na lądzie węgiel jest magazynowany w glebie w wyniku rozkładu organizmów żywych (przez rozkładniki) lub w wyniku wietrzenia ziemskich skał i minerałów. Węgiel ten może zostać wypłukany do zbiorników wodnych przez spływ powierzchniowy. Głębiej pod ziemią, na lądzie i na morzu, znajdują się paliwa kopalne: beztlenowo rozłożone szczątki roślin, które tworzą się miliony lat. Paliwa kopalne są uważane za zasoby nieodnawialne, ponieważ ich wykorzystanie znacznie przekracza tempo ich powstawania. Nieodnawialne zasoby, takie jak paliwa kopalne, są regenerowane bardzo powoli lub wcale. Innym sposobem na wejście węgla do atmosfery jest z lądu (w tym lądu pod powierzchnią oceanu) przez erupcję wulkanów i innych systemów geotermalnych. Osady węglowe z dna oceanu są zabierane głęboko w ziemi przez proces subdukcji: ruch jednej płyty tektonicznej pod drugą. Węgiel jest uwalniany jako dwutlenek węgla, gdy wybucha wulkan lub z wulkanicznych otworów hydrotermalnych.

ludzie przyczyniają się do atmosferycznego węgla poprzez spalanie paliw kopalnych i innych materiałów. Od czasu rewolucji przemysłowej ludzie znacznie zwiększyli uwalnianie węgla i związków węgla, co z kolei wpłynęło na klimat i ogólne środowisko.

hodowla zwierząt przez ludzi również zwiększa zawartość węgla w atmosferze. Duża liczba zwierząt lądowych hodowanych w celu wyżywienia rosnącej populacji Ziemi powoduje wzrost poziomu dwutlenku węgla w atmosferze dzięki praktykom rolniczym i oddychaniu oraz produkcji metanu. Jest to kolejny przykład tego, jak działalność człowieka pośrednio wpływa na cykle biogeochemiczne w znaczący sposób. Chociaż większość debaty na temat przyszłych skutków wzrostu węgla atmosferycznego na zmiany klimatu koncentruje się na paliwach skamieniałości, naukowcy biorą pod uwagę naturalne procesy, takie jak wulkany i oddychanie, podczas modelowania i przewidywania przyszłego wpływu tego wzrostu.

popraw tę stronęucz się więcej