Biology for Majors II

Carbon is the second most abundant element in living organisms. O carbono está presente em todas as moléculas orgânicas, e seu papel na estrutura das macromoléculas é de importância primordial para os organismos vivos. Compostos de carbono contêm energia especialmente elevada, particularmente aqueles derivados de organismos fossilizados, principalmente plantas, que os seres humanos usam como combustível. Desde 1800, o número de países que utilizam quantidades maciças de combustíveis fósseis aumentou. Desde o início da Revolução Industrial, a demanda global para o fornecimento limitado de combustíveis fósseis da Terra aumentou; portanto, a quantidade de dióxido de carbono em nossa atmosfera aumentou. Este aumento do dióxido de carbono tem sido associado às alterações climáticas e a outros distúrbios dos ecossistemas da terra e é uma grande preocupação ambiental em todo o mundo. Assim, a” pegada de carbono ” é baseada em quanto dióxido de carbono é produzido e quanto combustível fóssil os países consomem.

O Ciclo do carbono é mais facilmente estudado como dois sub-ciclos interligados: um lidando com a troca rápida de carbono entre organismos vivos e o outro lidando com o ciclo de longo prazo do carbono através de processos geológicos. A Figura 1 mostra todo o ciclo do carbono.

Figura 1. O gás dióxido de carbono existe na atmosfera e é dissolvido em água. A fotossíntese converte o gás dióxido de carbono em carbono orgânico, e a respiração transforma o carbono orgânico de volta em gás dióxido de carbono. Armazenamento de longo prazo de carbono orgânico ocorre quando a matéria de organismos vivos é enterrada no subsolo profundo e se torna fossilizada. A atividade vulcânica e, mais recentemente, as emissões humanas, trazem esse carbono armazenado de volta ao ciclo do carbono. (credit: modification of work by John M. Evans and Howard Perlman, USGS)

o ciclo biológico de carbono

organismos vivos estão ligados de muitas formas, mesmo entre ecossistemas. Um bom exemplo desta conexão é a troca de carbono entre autotróficos e heterotróficos dentro e entre ecossistemas por meio de dióxido de carbono atmosférico. Dióxido de carbono é o bloco básico de construção que a maioria dos autotróficos usam para construir multi-carbono, compostos de alta energia, como a glicose. A energia aproveitada do sol é usada por estes organismos para formar as ligações covalentes que ligam átomos de carbono juntos. Estas ligações químicas armazenam assim esta energia para uso posterior no processo de respiração. A maioria dos autotróficos terrestres obtêm seu dióxido de carbono diretamente da atmosfera, enquanto os autotróficos marinhos o adquirem na forma dissolvida (ácido carbônico, H2CO3−). No entanto o dióxido de carbono é adquirido, um subproduto do processo é o oxigênio. Os organismos fotossintéticos são responsáveis pelo depósito de aproximadamente 21% do conteúdo de oxigênio da atmosfera que observamos hoje.

heterotróficos e autotróficos são parceiros na troca biológica de carbono (especialmente os consumidores primários, em grande parte herbívoros). Heterotróficos adquirem os compostos de carbono de alta energia dos autotróficos, consumindo-os, e quebrando-os pela respiração para obter energia celular, como a ATP. O tipo mais eficiente de respiração, respiração aeróbica, requer oxigênio obtido da atmosfera ou dissolvido em água. Assim, há uma troca constante de oxigênio e dióxido de carbono entre os autotróficos (que precisam do carbono) e os heterotróficos (que precisam do oxigênio). A troca de gás através da atmosfera e da água é uma forma de o ciclo de carbono ligar todos os organismos vivos na Terra.

o ciclo biogeoquímico de carbono

o movimento de carbono através da terra, água e ar é complexo, e em muitos casos, ocorre muito mais lentamente geologicamente do que visto entre organismos vivos. O carbono é armazenado por longos períodos no que são conhecidos como reservatórios de carbono, que incluem a atmosfera, corpos de água líquida (principalmente oceanos), sedimentos oceânicos, solo, sedimentos terrestres (incluindo combustíveis fósseis), e o interior da Terra.a atmosfera é um grande reservatório de carbono na forma de dióxido de carbono e é essencial para o processo de fotossíntese. O nível de dióxido de carbono na atmosfera é grandemente influenciado pelo reservatório de carbono nos oceanos. A troca de carbono entre a atmosfera e os reservatórios de água influencia a quantidade de carbono encontrado em cada local, e cada um afeta o outro reciprocamente. O dióxido de carbono (CO2) da atmosfera dissolve-se em água e combina-se com moléculas de água para formar ácido carbônico, e então ioniza-se em íons de 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:}&\text{HCO}^-_3&\longleftrightarrow&\text{H}^{+}+\text{CO}^{2-}_{3}\texto{(carbonato de ion)}\end{array}

O equilíbrio coeficientes são tais que mais de 90% do carbono nos oceanos é encontrado como bicarbonato de íons. Alguns destes íons combinam-se com cálcio marinho para formar carbonato de cálcio (CaCO3), um dos principais componentes das cascas dos organismos marinhos. Estes organismos eventualmente formam sedimentos no fundo do oceano. Ao longo do tempo geológico, o carbonato de cálcio forma calcário, que compreende o maior reservatório de carbono na Terra.em terra, o carbono é armazenado no solo como resultado da decomposição de organismos vivos (por decompositores) ou da meteorização de rochas e minerais terrestres. Este carbono pode ser enfiado nos reservatórios de água por escoamento superficial. Subterrâneos mais profundos, em terra e no mar, são combustíveis fósseis: os restos anaerobicamente decompostos de plantas que levam milhões de anos para se formar. Os combustíveis fósseis são considerados recursos não renováveis porque a sua utilização excede em muito a sua taxa de formação. Um recurso não renovável, como o combustível fóssil, ou é regenerado muito lentamente ou não é de todo. Outra maneira para o carbono entrar na atmosfera é a partir de terra (incluindo a terra abaixo da superfície do oceano) pela erupção de vulcões e outros sistemas geotérmicos. Sedimentos de carbono do fundo do oceano são tomados profundamente dentro da terra pelo processo de subducção: o movimento de uma placa tectônica sob outra. O carbono é libertado como dióxido de carbono quando um vulcão entra em erupção ou a partir de fontes hidrotermais vulcânicas.os seres humanos contribuem para o carbono atmosférico pela queima de combustíveis fósseis e outros materiais. Desde a Revolução Industrial, os seres humanos aumentaram significativamente a libertação de carbono e compostos de carbono, que por sua vez afetou o clima e ambiente geral.a criação de Animais pelos seres humanos também aumenta o carbono atmosférico. O grande número de animais terrestres criados para alimentar a crescente população da Terra resulta no aumento dos níveis de dióxido de carbono na atmosfera devido às práticas agrícolas, respiração e produção de metano. Este é outro exemplo de como a atividade humana afeta indiretamente os ciclos biogeoquímicos de uma forma significativa. Embora grande parte do debate sobre os efeitos futuros do aumento do carbono atmosférico sobre as alterações climáticas se concentre nos combustíveis fósseis, os cientistas levam em conta processos naturais, como vulcões e respiração, à medida que modelam e preveem o impacto futuro deste aumento.

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