Biologi för Majors II

kol är det näst vanligaste elementet i levande organismer. KOL finns i alla organiska molekyler, och dess roll i makromolekylernas struktur är av största vikt för levande organismer. Kolföreningar innehåller särskilt hög energi, särskilt de som härrör från fossiliserade organismer, främst växter, som människor använder som bränsle. Sedan 1800-talet har antalet länder som använder massiva mängder fossila bränslen ökat. Sedan början av den industriella revolutionen har den globala efterfrågan på jordens begränsade fossila bränsleförsörjning ökat, därför har mängden koldioxid i vår atmosfär ökat. Denna ökning av koldioxid har förknippats med klimatförändringar och andra störningar i jordens ekosystem och är ett stort miljöproblem över hela världen. Således är” koldioxidavtrycket ” baserat på hur mycket koldioxid som produceras och hur mycket fossila bränsleländer konsumerar.

kolcykeln studeras lättast som två sammankopplade delcykler: en som hanterar snabbt kolutbyte mellan levande organismer och den andra som hanterar den långsiktiga cyklingen av kol genom geologiska processer. Hela kolcykeln visas i Figur 1.

Figur 1. Koldioxidgas finns i atmosfären och löses i vatten. Fotosyntes omvandlar koldioxidgas till organiskt kol och andning cyklar det organiska kolet tillbaka till koldioxidgas. Långvarig lagring av organiskt kol uppstår när materia från levande organismer begravs djupt under jord och blir fossiliserad. Vulkanisk aktivitet och, på senare tid, mänskliga utsläpp, föra denna lagrade kol tillbaka in i kolcykeln. (kredit: ändring av arbete av John M. Evans och Howard Perlman, USGS)

den biologiska kolcykeln

levande organismer är kopplade på många sätt, även mellan ekosystem. Ett bra exempel på detta samband är utbytet av kol mellan autotrofer och heterotrofer inom och mellan ekosystem genom atmosfärisk koldioxid. Koldioxid är den grundläggande byggstenen som de flesta autotrofer använder för att bygga flerkol, högenergiföreningar, såsom glukos. Energin som utnyttjas från solen används av dessa organismer för att bilda de kovalenta bindningarna som kopplar samman kolatomer. Dessa kemiska bindningar lagrar därmed denna energi för senare användning i andningsprocessen. De flesta markbundna autotrofer får sin koldioxid direkt från atmosfären, medan Marina autotrofer förvärvar den i upplöst form (kolsyra, H2CO3−). Men koldioxid förvärvas, en biprodukt av processen är syre. De fotosyntetiska organismerna ansvarar för att deponera cirka 21 procent syreinnehåll i atmosfären som vi observerar idag.

heterotrofer och autotrofer är partner i biologiskt kolutbyte (särskilt de primära konsumenterna, till stor del växtätare). Heterotrofer förvärvar kolföreningarna med hög energi från autotroferna genom att konsumera dem och bryta ner dem genom andning för att erhålla cellulär energi, såsom ATP. Den mest effektiva typen av andning, aerob andning, kräver syre erhållet från atmosfären eller upplöst i vatten. Således finns det en konstant utbyte av syre och koldioxid mellan autotroferna (som behöver kolet) och heterotroferna (som behöver syre). Gasutbyte genom atmosfären och vattnet är ett sätt att kolcykeln förbinder alla levande organismer på jorden.

den biogeokemiska kolcykeln

kolens rörelse genom land, vatten och luft är komplex och i många fall sker det mycket långsammare geologiskt än vad som ses mellan levande organismer. Kol lagras under långa perioder i så kallade kolreservoarer, som inkluderar atmosfären, kroppar av flytande vatten (mestadels hav), havsediment, jord, marksediment (inklusive fossila bränslen) och jordens inre.

som sagt är atmosfären en stor reservoar av kol i form av koldioxid och är väsentlig för fotosyntesprocessen. Koldioxidnivån i atmosfären påverkas starkt av kolbehållaren i oceanerna. Utbytet av kol mellan atmosfären och vattenreservoarerna påverkar hur mycket kol som finns på varje plats, och var och en påverkar den andra ömsesidigt. Koldioxid (CO2) från atmosfären löses upp i vatten och kombineras med vattenmolekyler för att bilda kolsyra, och sedan joniseras den till karbonat-och bikarbonatjoner:

\ begin{array}{rrcl} \ text{Steg 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 {(karbonatjon)}\end{array}

jämviktskoefficienterna är sådana att mer än 90 procent av kolet i havet finns som bikarbonatjoner. Några av dessa joner kombineras med havsvattenkalcium för att bilda kalciumkarbonat (CaCO3), en viktig del av marina organismskal. Dessa organismer bildar så småningom sediment på havsbotten. Under geologisk tid, kalciumkarbonatet bildar kalksten, som omfattar den största kolreservoaren på jorden.

på land lagras kol i jord som ett resultat av sönderdelning av levande organismer (genom sönderdelare) eller från förväxling av marksten och mineraler. Detta kol kan lakas ut i vattenreservoarerna genom ytavrinning. Djupare under jord, på land och till sjöss, är fossila bränslen: de anaerobt sönderdelade resterna av växter som tar miljontals år att bilda. Fossila bränslen anses vara en icke-förnybar resurs eftersom deras användning överstiger deras bildningshastighet. En icke-förnybar resurs, som fossilt bränsle, regenereras antingen mycket långsamt eller inte alls. Ett annat sätt för kol att komma in i atmosfären är från land (inklusive land under havets yta) genom utbrott av vulkaner och andra geotermiska system. Kolsediment från havsbotten tas djupt i jorden genom subduktionsprocessen: rörelsen av en tektonisk platta under en annan. Kol frigörs som koldioxid när en vulkan bryter ut eller från vulkaniska hydrotermiska ventiler.

människor bidrar till Atmosfäriskt kol genom förbränning av fossila bränslen och andra material. Sedan den industriella revolutionen har människor ökat frisättningen av kol och kolföreningar avsevärt, vilket i sin tur har påverkat klimatet och den totala miljön.

djurhållning av människor ökar också Atmosfäriskt kol. Det stora antalet landdjur som odlas för att mata jordens växande befolkning resulterar i ökade koldioxidnivåer i atmosfären på grund av jordbruksmetoder och andning och metanproduktion. Detta är ett annat exempel på hur mänsklig aktivitet indirekt påverkar biogeokemiska cykler på ett betydande sätt. Även om mycket av debatten om de framtida effekterna av ökande Atmosfäriskt kol på klimatförändringar fokuserar på fossilbränslen, tar forskare hänsyn till naturliga processer, såsom vulkaner och andning, när de modellerar och förutsäger den framtida effekten av denna ökning.

bidra!

förbättra denna sidalär dig mer