Основно съдържание

Биологична библиотека

Курс: Биологична библиотека > Раздел 28

Урок 7: Биогеохимичните цикли

Кръговрат на въглерода

Класна стая на Google

Научи за кръговрата на въглерода в екосистемите и как човешката дейност го променя.

Основни идеи

Въглеродът е съществен елемент в телата на живите организми. Той също е икономически важен за съвременните хора под формата на изкопаеми горива.
Въглеродният диоксид (start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript) от атмосферата се поема от фотосинтезиращи организми и се използва за синтеза на органични молекули, които пътуват през хранителни вериги. В крайна сметка въглеродните атоми се освобождават като start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript при дишане.
Бавни геоложки процеси, включително образуването на седиментни скали и изкопаеми горива, допринасят за кръговрата на въглерода през дълги периоди от време.
Някои човешки дейности, например изгарянето на изкопаеми горива и обезлесяването, увеличават атмосферния start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript и засягат климата и океаните на Земята.

Въглерод: градивен блок и източник на гориво

Около 18 % от масата на тялото ти се състои от въглеродни атоми и те са много важни за твоето съществуване! start superscript, 1, end superscript Без въглерод няма да съществуват плазмените мембрани на твоите клетки, захарните молекули, които използваш за гориво, или дори start text, Д, Н, К, end text, която носи инструкции за изграждането и управлението на твоето тяло.

Въглеродът е част от нашите тела, но той също е част от нашите съвременни индустрии. Въглеродни съединения от растения и водорасли, които са съществували отдавна, се съдържат в изкопаемите горива като въглища и природен газ, които ние използваме днес като източници на енергия. Когато тези изкопаеми горива бъдат изгорени, въглероден диоксид – start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript — се освобождава във въздуха, което води до все по-високо съдържание на start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript в атмосферата. Това повишение на нивата на start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript влияе на климата на Земята и е главен екологичен проблем по целия свят.

Нека да разгледаме кръговрата на въглерода и да видим как атмосферният start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript и използването на въглерод от живите организми се вписват в по-голямата картина на въглеродното циркулиране.

Кръговрат на въглерода

Кръговратът на въглерода се изучава най-лесно като два взаимосвързани под-цикъла:

Един, който включва бързия въглероден обмен сред живите организми
Втори, който включва дългосрочното циркулиране на въглерода през геоложки процеси

Въпреки че ние ще ги разгледаме поотделно, е важно да осъзнаем, че тези цикли са свързани. Например същите резервоари на start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript в океаните и в атмосферата, които се използват от организмите, се захранват и изчерпват от геоложки процеси.

Като кратък преглед, въглеродът се съдържа във въздуха до голяма степен като въглероден диоксид – start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript — газ, който се разтваря във вода и реагира с водните молекули, при което се получава бикарбонат-start text, H, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript, start superscript, minus, end superscript. [Фотосинтезата](/ science/biology/photosynthesis-in-plants/introduction-to-stages-of-photosynthesis/v/photosynthesis) от земни растения, бактерии и водорасли преобразува въглеродния диоксид или бикарбонат в органични молекули. Органичните молекули, синтезирани от фотосинтезиращи организми, преминават през хранителни вериги, а клетъчното дишане преобразува органичния въглерод обратно в газообразен въглероден диоксид.

Дългосрочно съхранение на органичен въглерод се получава, когато материя от живи организми е заровена дълбоко под земята или потъва на дъното на океана и образува седиментна скала. Вулканична активност и, по-наскоро, изгарянето на изкопаеми горива от човечеството връща този съхранен въглерод обратно в кръговрата на въглерода. Въпреки че образуването на изкопаеми горива се случва бавно, в геоложки мащаби, освобождаването на въглерода, който те съдържат, в резултат на човешката дейност — във вид на start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript— става изключително бързо.

Биологичен кръговрат на въглерода

Въглеродът влиза във всички хранителни мрежи, и земни, и водни, чрез автотрофи, или самохранещи се организми. Почти всички тези автотрофи са фотосинтезиращи, например растения или водорасли.

Автотрофите улавят въглероден диоксид от въздуха или бикарбонатни йони от водата и ги използват за синтез на органични съединения като глюкоза. Хетеротрофите, или хранещи-се-с-други, като човека, консумират органичните молекули и органичният въглерод се предава през хранителни вериги и мрежи.

Как въглеродът се връща обратно в атмосферата или океана? За да освободят енергията, натрупана във въглеродсъдържащите молекули като захарите, автотрофите и хетеротрофите разлагат тези молекули в процес, наречен клетъчно дишане. В този процес въглеродните атоми се освобождават във вид на въглероден диоксид. Организмите, предизвикващи гниене, също освобождават органични съединения и въглероден диоксид, когато разлагат мъртви организми и отпадъчни продукти.

Въглеродът може да циркулира бързо през тази биологична пътека, особено във водни екосистеми. Като цяло приблизително 1000 до 100 000 милиона метрични тона въглерод се движат през биологичната пътека всяка година. За контекста, един метричен тон е приблизително колкото теглото на един слон или малка кола! start superscript, 2, comma, 3, comma, 4, end superscript

Геоложки кръговрат на въглерода

Геоложката пътека на кръговрата на въглерода отнема много повече време, отколкото биологичната пътека описана по-горе. В действителност обикновено отнема милиони години за циркулацията на въглерода през геоложката пътека. Въглеродът може да се съхранява за дълги периоди от време в атмосферата, във водни басейни, предимно океаните, в океанска утайка, в почва, скали, изкопаеми горива и във вътрешността на Земята.

Нивото на въглероден диоксид в атмосферата е повлияно от резервоара на въглерод в океаните и обратно. Въглеродният диоксид от атмосферата се разтваря във вода и реагира с водните молекули в следните химични реакции:

start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, \rightleftharpoons, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript, \rightleftharpoons, start text, H, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript, start superscript, minus, end superscript, plus, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, \rightleftharpoons, start text, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript, start superscript, 2, minus, end superscript, plus, 2, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript

Карбонатът — start text, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript, start superscript, 2, minus, end superscript — освободен в този процес, се съчетава с йони на start text, C, a, end text, start superscript, 2, plus, end superscript и се получава калциев карбонат — start text, C, a, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript – ключов компонент на черупките на морските организми. start superscript, 5, end superscript Когато тези организми умират, техните останки може да потънат и евентуално да станат част от утайката на дъното на океана. През геологичното време утайката се превръща във варовик, който е най-големият въглероден резервоар на Земята.

На сушата въглеродът се съхранява в почвата като органичен въглерод от разлагането на живи организми или като неорганичен въглерод от ерозията на земни скали и минерали. По-дълбоко под земята са изкопаеми горива като нефт, въглища и природен газ, които са останките от растения, разложени при анаеробни (без кислород) условия. Изкопаемите горива са се образували в продължение на милиони години. Когато хората ги горят, въглеродът се освобождава в атмосферата като въглероден диоксид.

Друг начин въглеродът да влезе в атмосферата е чрез изригването на вулкани. Въглеродсъдържащи утайки на океанското дъно потъват дълбоко в земната кора, когато една тектонична плоча се приплъзне под друга. В този процес може да се отдели въглероден диоксид в атмосферата при вулканични изригвания или през хидротермални отвори.

Влияние на човешката дейност върху кръговрата на въглерода

Използването на ограничените резерви от изкопаеми горива е нараснало глобално след началото на Индустриалната революция. Изкопаемите горива се считат за невъзобновим ресурс, защото се използват много по-бързо, отколкото могат да бъдат произведени от геоложки процеси.

При изгарянето на изкопаеми горива в атмосферата се отделя въглероден диоксид - start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript. Увеличаващото се използване на изкопаеми горива е довело до повишение на нивото на start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript в атмосферата. Обезлесяването - сеченето на гори — също играе важна роля за повишаване на нивата на start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript . Дърветата и други компоненти на горската екосистема улавят въглерод, а голяма част от въглерода се освобождава като start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript, ако гората бъде изсечена. start superscript, 6, end superscript

Малка част от допълнителния start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript, произведен от човешката дейност, се улавя от растения или се поглъща от океана, но тези процеси не противодействат напълно на увеличението. Така че атмосферните нива на start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript се повишават и продължават да нарастват. Нивата на start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript естествено се повишавата и понижават в цикли за дълги периоди от време, но сега те са по-високи, отколкото са били през последните 400 000 години, както е показано на графиката по-долу:

[Защо нивата на въглероден диоксид се движат нагоре и надолу през годините?]

Защо има значение, че се повишава нивото на start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript в атмосферата? start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript е парников газ. Когато е в атмосферата, той улавя топлина и не ѝ позволява да бъде излъчена в космическото пространство. Въз основа на обширни проучвания учените смятат, че повишените нива на start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript и други парникови газове причиняват изразените промени в земния климат. Без решителни промени за намаляване на емисиите се смята, че земната температура ще се увеличи с 1 до 5degreesC до 2100 година.start superscript, 8, end superscript

Също така, докато поглъщането на излишния въглероден диоксид от океаните може да изглежда добро от гледна точка на парниковите газове, то не може да бъде добро по принцип от гледна точка на морската природа. Както видяхме по-горе, разтвореният start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript в морската вода може да реагира с водните молекули и да се освободят start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript йони. Така че разтваряне на още start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript във водата я прави по-киселинна. По-киселинната вода може от своя страна да намали концентрациите на start text, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript, start superscript, 2, minus, end superscript и да направи по-трудно за морските организми да изграждат и поддържат техните черупки от start text, C, a, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript.start superscript, 9, end superscript И увеличаващите се температури, и по-високата киселинност може да навредят на морската природа и се свързват с обезцветяването на коралите.

Дебатът за бъдещите последствия от увеличаващия се въглероден диоксид в атмосферата върху изменението на климата се фокусира върху изкопаемите горива. Обаче учените трябва да вземат предвид и естествени процеси като изригване на вулкани, растеж на растенията, почвени въглеродни нива и дишане, докато моделират и прогнозират бъдещото въздействие на това увеличение.

[Източници и препратки]

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.