If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

Kurs: Biologia > Rozdział 28

Lekcja 7: Cykle biogeochemiczne
Nauki przyrodnicze
Biologia
Ekologia
Cykle biogeochemiczne
© 2024 Khan AcademyWarunki użytkowaniapolitykę prywatnościInformacja o plikach cookie

Obieg węgla w przyrodzie

Google Classroom
Dowiedz się, jak węgiel krąży przez ekosystemy Ziemi oraz jak ludzka działalność wpływa na cykl węglowy. Tłumaczenie na język polski: Fundacja Edukacja Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji HASCO-LEK.

Kluczowe informacje

  • Węgiel jest podstawowym pierwiastkiem w organizmach żywych. Jest również ważny dla współczesnego człowieka z ekonomicznego punktu widzenia - ze względu na paliwa kopalne.
  • Dwutlenek węgla—CO2—z atmosfery jest pobierany przez organizmy fotosyntetyzujące i wykorzystywany do wytwarzania cząsteczek organicznych, które migrują przez łańcuchy pokarmowe. Na końcu atomy węgla są uwalniane jako CO2 podczas oddychania.
  • Powolne procesy geologiczne, w tym tworzenie się skał osadowych i paliw kopalnych, przyczyniają się do obiegu węgla w długich ramach czasowych.
  • Niektóre działania człowieka, takie jak spalanie paliw kopalnych i wycinanie lasów, powodują wzrost poziomu atmosferycznego CO2 i wpływają na klimat Ziemi i oceany.

Węgiel: element budulcowy i źródło paliwa

Około 18% twojego ciała składa się z atomów węgla i można powiedzieć, że te atomy węgla są kluczem do twojego istnienia!1 Bez węgla nie miałbyś błon cytoplazmatycznych swoich komórek, cząsteczek cukru, których używasz jako paliwa, a nawet nie miałbyś DNA, który zawiera instrukcje budowy i działania twojego ciała.
Węgiel jest częścią naszego ciała, ale jest też częścią naszego współczesnego przemysłu. Związki węgla z dawnych roślin i glonów tworzą paliwa kopalne, takie jak węgiel kamienny i gaz ziemny, których używamy obecnie jako źródła energii. Podczas spalania tych paliw kopalnych dwutlenek węgla—CO2—jest uwalniany do atmosfery, co prowadzi do coraz wyższych poziomów CO2 atmosferycznego. Ten wzrost poziomu CO2 wpływa na klimat Ziemi i jest poważnym problemem dla środowiska na całym świecie.
Przyjrzyjmy się obiegowi węgla i zobaczmy, jak CO2 atmosferyczny i węgiel wykorzystywane przez żywe organizmy wpisują się w szerszy obraz cyklu węglowego.

Obieg węgla w przyrodzie (cykl węglowy)

Obieg węgla w przyrodzie najłatwiej jest przeanalizować jako dwa połączone ze sobą podcykle:
  • Jeden dotyczący wymiany węgla między organizmami żywymi w krótkim okresie czasu
  • Jeden dotyczący długoterminowego obiegu węgla w procesach geologicznych
Chociaż przeanalizujemy je osobno, ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że te cykle są ze sobą powiązane. Na przykład te same źródła atmosferycznego i oceanicznego CO2, które są wykorzystywane przez organizmy, biorą także udział w procesach geologicznych.
Krótko mówiąc, węgiel występuje w powietrzu głównie w postaci dwutlenku węgla—CO2—gazu, który rozpuszcza się w wodzie i reaguje z cząsteczkami wody, tworząc wodorowęglan—HCO3−. Fotosynteza przeprowadzana przez rośliny lądowe, bakterie i glony przekształca dwutlenek węgla lub wodorowęglan w cząsteczki organiczne. Cząsteczki organiczne wytwarzane przez fotosyntezatory migrują przez łańcuchy pokarmowe, a w procesie oddychania komórkowego przekształcane są z węgla organicznego z powrotem w dwutlenek węgla.
Źródło obrazu: Biogeochemical cycles: Figure 3 autor OpenStax College, Biology, CC BY 4.0; zmodyfikowane przez John M. Evans i Howard Perlman, USG
Długookresowe magazynowanie węgla organicznego ma miejsce, gdy materia z organizmów żywych jest zakopana głęboko pod ziemią lub jest zatopiona na dnie oceanu i tworzy skały osadowe. Aktywność wulkaniczna, a ostatnio także spalanie paliw kopalnych przez ludzi, przywraca ten zmagazynowany węgiel z powrotem do cyklu węglowego. Tworzenie się paliw kopalnych odbywa się w bardzo powolnej, geologicznej skali czasu, zaś uwalnianie przez człowieka węgla, który paliwa zawierają - jako CO2 - następuje w bardzo szybkiej skali czasowej.

Biologiczny szlak cyklu węglowego

Węgiel dostaje się do wszystkich sieci pokarmowych, zarówno lądowych, jak i wodnych, dzięki autotrofom, czyli organizmom samożwynym . Prawie wszystkie z tych autotrofów są fotosyntezatorami, takimi jak rośliny lub algi.
Autotrofy wychwytują dwutlenek węgla z powietrza lub jony wodorowęglanowe z wody i wykorzystują je do produkcji związków organicznych, takich jak glukoza. Heterotrofy, czyli organizmy cudzożywne, takie jak ludzie, konsumują cząsteczki organiczne, a węgiel organiczny migruje przez łańcuchy i sieci pokarmowe.
W jaki sposób węgiel powraca do atmosfery lub oceanu? Aby uwolnić energię zmagazynowaną w cząsteczkach zawierających węgiel, np. cukrach, autotrofy i heterotrofy rozkładają te cząsteczki w procesie zwanym oddychaniem komórkowym. W procesie tym węgiel jest uwalniany jako dwutlenek węgla. Destruenci także uwalniają związki organiczne i dwutlenek węgla, gdy rozkładają martwe organizmy i odpady.
Ta biologiczna ścieżka obiegu węgla jest szybka, zwłaszcza w ekosystemach wodnych. Ogólnie szacuje się, że każdego roku przez biologiczną ścieżkę migruje od 1000 do 100 000 milionów ton węgla. Dla porównania, tona to mniej więcej tyle, ile waży słoń lub mały samochód!2,3,4

Geologiczny szlak cyklu węglowego

Geologiczny szlak cyklu węglowego trwa znacznie dłużej niż szlak biologiczny opisany powyżej. W rzeczywistości przejście węgla przez szlak geologiczny zwykle trwa miliony lat. Węgiel może być magazynowany przez długi czas w atmosferze, zbiornikach wodnych - głównie w oceanach - w osadach oceanicznych, glebie, skałach, paliwach kopalnych i we wnętrzu Ziemi.
Na poziom dwutlenku węgla w atmosferze wpływa rezerwuar węgla w oceanach i odwrotnie. Dwutlenek węgla z atmosfery rozpuszcza się w wodzie i reaguje z cząsteczkami wody w następujących reakcjach:
CO2+H2O⇌H2CO3⇌HCO3−+H+⇌CO32−+2H+
Węglan—CO32−—uwolniony w tym procesie reaguje z jonami Ca2+, tworząc węglan wapnia—CaCO3—kluczowy składnik muszli organizmów morskich.5 Kiedy organizmy umrą, ich szczątki mogą zatonąć i ostatecznie stać się częścią osadu na dnie oceanu. Z biegiem czasu geologicznego osad zamienia się w wapień, który jest największym rezerwuarem węgla na Ziemi.
Na lądzie węgiel jest magazynowany w glebie jako węgiel organiczny pochodzący z rozkładu organizmów żywych lub jako węgiel nieorganiczny z wietrzenia skał i minerałów. Głębiej pod ziemią znajdują się paliwa kopalne, takie jak ropa, węgiel kamienny i gaz ziemny, które są pozostałościami roślin rozkładających się w warunkach beztlenowych. Paliwa kopalne powstają miliony lat. Kiedy ludzie je spalają, węgiel jest uwalniany do atmosfery w postaci dwutlenku węgla.
Innym sposobem przedostania się węgla do atmosfery jest erupcja wulkanów. Osady zawierające węgiel na dnie oceanu dostają się w głąb Ziemi w procesie zwanym subdukcją, w którym jedna płyta tektoniczna przesuwa się pod drugą. W procesie tym powstaje dwutlenek węgla, który może zostać uwolniony do atmosfery w wyniku erupcji wulkanów lub kominów hydrotermalnych.

Wpływ człowieka na obieg węgla w przyrodzie

Globalny popyt na ograniczone rezerwy paliw kopalnych na Ziemi wzrósł od początku rewolucji przemysłowej. Paliwa kopalne są uważane za nieodnawialne źródła energii, ponieważ zużywają się znacznie szybciej, niż mogą zostać wyprodukowane w procesach geologicznych.
Podczas spalania paliw kopalnych dwutlenek węgla—CO2— jest uwalniany do atmosfery. Rosnące wykorzystanie paliw kopalnych doprowadziło do podwyższenia poziomu CO2 w atmosferze. Wylesianie - wycinanie lasów - jest również głównym czynnikiem przyczyniającym się do wzrostu poziomu CO2. Drzewa i inne składowe ekosystemu leśnego magazynują węgiel, a jeśli las zostanie wycięty, większość węgla jest uwalniana jako CO2.6
Część CO2 wytwarzanego przez działalność człowieka jest pochłaniana przez rośliny lub absorbowana przez ocean, ale procesy te nie są w stanie zahamować wzrostu poziomu dwutlenku węgla w atmosferze. Tak więc poziom atmosferycznego CO2 rośnie i wciąż będzie rósł. Poziom CO2 naturalnie rośnie i maleje w cyklach w długich okresach czasu, ale obecnie jest wyższy niż w ciągu ostatnich 400 000 lat, jak pokazano na poniższym wykresie:
Źródło obrazu: "Threats to biodiversity: Figure 1" autor OpenStax College, Biology, CC BY 4.0
Dlaczego to takie ważne, że w atmosferze jest dużo CO2? CO2 to gaz cieplarniany. Gdy znajduje się w atmosferze, zatrzymuje ciepło i zapobiega jego rozchodzeniu się w przestrzeń kosmiczną. Na podstawie obszernych dowodów naukowcy uważają, że podwyższone poziomy CO2 i innych gazów cieplarnianych powodują wyraźne zmiany w klimacie Ziemi. Przewiduje się, że bez zdecydowanych zmian mających na celu ograniczenie ich emisji temperatura Ziemi wzrośnie o 1–5∘C do 2100 roku.8
Ponadto, chociaż pochłanianie nadmiaru dwutlenku węgla przez oceany może wydawać się dobre z punktu widzenia gazów cieplarnianych, może wcale nie być dobre z punktu widzenia życia morskiego. Jak widzieliśmy powyżej, CO2 rozpuszczony w wodzie morskiej może reagować z cząsteczkami wody, uwalniając jony H+ . Zatem rozpuszczenie większej ilości CO2 w wodzie powoduje, że woda staje się bardziej kwasowa. Bardziej kwasowa woda może z kolei zmniejszyć stężenie CO32− i utrudnić organizmom morskim zbudowanie i utrzymanie muszli z CaCO3.9 Zarówno wzrost temperatury, jak i wyższa kwasowość mogą szkodzić organizmom morskim i są powiązane z bieleniem koralowców.
Zdjęcie przedstawia wyblakły koralowiec z przodu, a zdrowy, brązowy koralowiec w tle. Źródło obrazu: Keppelbleaching autor Acropora, CC BY 3.0
Debata na temat przyszłych skutków wzrostu poziomu węgla atmosferycznego na zmiany klimatu koncentruje się na regulacji wykorzystywania paliw kopalnych. Jednak naukowcy muszą wziąć pod uwagę naturalne procesy, takie jak erupcje wulkanów, wzrost roślin, poziom węgla w glebie i oddychanie, podczas modelowania i przewidywania przyszłego wzrostu jego poziomu.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się
Na razie brak głosów w dyskusji
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.