Informație

46.3C: Ciclul carbonului - Biologie


Carbonul pătrunde în atmosferă sub formă de dioxid de carbon prin ciclul carbonului și revine la carbonul organic prin fotosinteză.

obiective de invatare

  • Distingeți între ciclurile biologice și biogeochimice ale carbonului

Puncte cheie

  • Carbonul este prezent în toate moleculele organice; compușii de carbon conțin cantități mari de energie, pe care oamenii o folosesc drept combustibil.
  • Ciclul biologic al carbonului este schimbul rapid de carbon între viețuitoare; autotrofii folosesc dioxid de carbon produs de heterotrofi pentru a produce glucoză și oxigen, care sunt apoi utilizați de heterotrofi.
  • Ciclul biogeochimic are loc la o rată mult mai lentă decât ciclul biologic, deoarece carbonul este stocat în rezervoare de carbon pentru perioade lungi de timp.
  • Dioxidul de carbon din atmosferă se dizolvă în apă, combinându-se cu moleculele de apă pentru a forma acid carbonic, care apoi se ionizează în ioni carbonat și bicarbonat.
  • Majoritatea carbonului din ocean se prezintă sub formă de ioni bicarbonat, care se pot combina cu calciu din apa de mare pentru a forma carbonat de calciu (CaCO3), o componentă majoră a cochiliilor organismelor marine.
  • Carbonul poate pătrunde în sol ca urmare a descompunerii organismelor vii, a degradării rocilor, a erupției vulcanilor și a altor sisteme geotermale.

Termeni cheie

  • subducție: mișcarea unei plăci tectonice sub alta
  • resursă neregenerabilă: resursă, cum ar fi combustibilul fosil, care este fie regenerată foarte lent, fie deloc
  • autotrof: Orice organism care își poate sintetiza hrana din substanțe anorganice, folosind căldura sau lumina ca sursă de energie
  • heterotrof: un organism care necesită o sursă externă de energie sub formă de alimente, întrucât nu poate sintetiza propria sa

Ciclul carbonului

Carbonul, al doilea cel mai abundent element din organismele vii, este prezent în toate moleculele organice. Rolul său în structura macromoleculelor este de o importanță primară pentru organismele vii. Compușii de carbon conțin forme deosebit de mari de energie, pe care oamenii le folosesc drept combustibil. Începând cu anii 1800 (începutul Revoluției Industriale), numărul țărilor care utilizează cantități masive de combustibili fosili a crescut, ceea ce a ridicat nivelurile de dioxid de carbon din atmosferă. Această creștere a dioxidului de carbon a fost asociată cu schimbările climatice și alte perturbări ale ecosistemelor terestre. Este o preocupare majoră de mediu la nivel mondial.

Ciclul carbonului este cel mai ușor studiat ca două subcicluri interconectate: unul care se ocupă de schimbul rapid de carbon între organismele vii și celălalt care se ocupă de ciclul pe termen lung al carbonului prin procese geologice.

Ciclul carbonului biologic

Organismele vii sunt conectate în multe feluri, chiar și între ecosisteme. Un bun exemplu al acestei conexiuni este schimbul de carbon între autotrofi și heterotrofi. Dioxidul de carbon este elementul de bază pe care majoritatea autotrofilor îl folosesc pentru a construi compuși multi-carbonici cu energie ridicată, cum ar fi glucoza. Energia valorificată de soare este utilizată de aceste organisme pentru a forma legăturile covalente care leagă atomii de carbon între ei. Aceste legături chimice stochează această energie pentru o utilizare ulterioară în procesul de respirație. Majoritatea autotrofilor terestri își obțin dioxidul de carbon direct din atmosferă, în timp ce autotrofii marini îl dobândesc sub formă dizolvată (acid carbonic, H2CO3). Cu toate acestea, dioxidul de carbon este dobândit, un produs secundar al procesului este oxigenul. Organismele fotosintetice sunt responsabile pentru depunerea a aproximativ 21% din conținutul de oxigen în atmosferă pe care o observăm astăzi.

Heterotrofii dobândesc compuși de carbon cu energie ridicată din autotrofi consumându-i și descompunându-i prin respirație pentru a obține energie celulară, cum ar fi ATP. Cel mai eficient tip de respirație, respirația aerobă, necesită oxigen obținut din atmosferă sau dizolvat în apă. Astfel, există un schimb constant de oxigen și dioxid de carbon între autotrofi (care au nevoie de carbon) și heterotrofi (care au nevoie de oxigen). Schimbul de gaze prin atmosferă și apă este o modalitate prin care ciclul carbonului conectează toate organismele vii de pe Pământ.

Ciclul carbonului biogeochimic

Mișcarea carbonului prin uscat, apă și aer este complexă și, în multe cazuri, are loc mult mai lent decât ciclul biologic al carbonului. Carbonul este stocat pentru perioade lungi de timp în ceea ce este cunoscut sub numele de rezervoare de carbon, care includ atmosfera, corpurile de apă lichidă (în mare parte oceane), sedimentele oceanice, solul, sedimentele terestre (inclusiv combustibilii fosili) și interiorul pământului.

După cum sa menționat, atmosfera, un rezervor major de carbon sub formă de dioxid de carbon, este esențială pentru procesul de fotosinteză. Nivelul de dioxid de carbon din atmosferă este foarte influențat de rezervorul de carbon din oceane. Schimbul de carbon între atmosferă și rezervoarele de apă influențează cantitatea de carbon găsită în fiecare locație; fiecare îl afectează reciproc. Dioxid de carbon (CO2) din atmosferă se dizolvă în apă, combinându-se cu moleculele de apă pentru a forma acid carbonic. Apoi ionizează în ioni carbonat și bicarbonat.

Mai mult de 90% din carbonul din ocean se găsește sub formă de ioni de bicarbonat. Unii dintre acești ioni se combină cu calciu din apa de mare pentru a forma carbonat de calciu (CaCO3), o componentă majoră a cochiliilor organismelor marine. Aceste organisme formează în cele din urmă sedimente pe fundul oceanului. În timp geologic, carbonatul de calciu formează calcar, care cuprinde cel mai mare rezervor de carbon de pe pământ.

Pe uscat, carbonul este stocat în sol ca urmare a descompunerii organismelor vii sau a intemperiilor rocilor terestre și a mineralelor. Acest carbon poate fi levigat în rezervoarele de apă prin scurgerea suprafeței. Subteran mai adânc, pe uscat și pe mare, există combustibili fosili: rămășițele anaerobe descompuse ale plantelor care necesită milioane de ani pentru a se forma. Combustibilii fosili sunt considerați o resursă neregenerabilă, deoarece utilizarea lor depășește cu mult rata lor de formare. O resursă neregenerabilă este fie regenerată foarte lent, fie deloc. O altă modalitate de intrare a carbonului în atmosferă este de la uscat prin erupția vulcanilor și a altor sisteme geotermale. Sedimentele de carbon de pe fundul oceanului sunt preluate adânc în pământ prin procesul de subducție: mișcarea unei plăci tectonice sub alta. Carbonul este eliberat sub formă de dioxid de carbon atunci când un vulcan erupe sau din orificiile hidrotermale vulcanice.

Dioxidul de carbon este adăugat în atmosferă și prin creșterea și creșterea animalelor. Numărul mare de animale terestre crescute pentru a hrăni populația în creștere a pământului are ca rezultat creșterea nivelului de dioxid de carbon în atmosferă datorită practicilor agricole, respirației și producției de metan. Acesta este un alt exemplu al modului în care activitatea umană afectează indirect ciclurile biogeochimice într-un mod semnificativ. Deși o mare parte a dezbaterii despre efectele viitoare ale creșterii carbonului atmosferic asupra schimbărilor climatice se concentrează asupra combustibililor fosili, oamenii de știință iau în considerare procesele naturale, cum ar fi vulcanii și respirația, pe măsură ce modelează și prezic impactul viitor al acestei creșteri.


46.3 Cicluri biogeochimice

Până la sfârșitul acestei secțiuni, veți putea face următoarele:

  • Discutați despre ciclurile biogeochimice ale apei, carbonului, azotului, fosforului și sulfului
  • Explicați cum au afectat activitățile umane aceste cicluri și consecințele potențiale pentru Pământ

Energia curge direct prin ecosisteme, intrând ca lumina soarelui (sau molecule anorganice pentru chemoautotrofi) și plecând ca căldură în timpul numeroaselor transferuri între nivelurile trofice. Cu toate acestea, materia care alcătuiește organismele vii este conservată și reciclată. Cele șase elemente cele mai comune asociate cu moleculele organice - carbon, azot, hidrogen, oxigen, fosfor și sulf - iau o varietate de forme chimice și pot exista pentru perioade lungi de timp în atmosferă, pe uscat, în apă sau sub suprafața Pământului . Procesele geologice, cum ar fi intemperiile, eroziunea, drenarea apei și subducția plăcilor continentale, joacă un rol în această reciclare a materialelor. Deoarece geologia și chimia au roluri majore în studiul acestui proces, reciclarea materiei anorganice între organismele vii și mediul lor se numește ciclu biogeochimic.

Apa conține hidrogen și oxigen, care este esențial pentru toate procesele vii. Hidrosfera este zona Pământului în care are loc mișcarea și stocarea apei. Pe sau sub suprafață, apa apare sub formă lichidă sau solidă în râuri, lacuri, oceane, ape subterane, calote polare și ghețari. Și apare ca vapori de apă în atmosferă. Carbonul se găsește în toate macromoleculele organice și este un component important al combustibililor fosili. Azotul este o componentă majoră a acizilor și proteinelor noastre nucleice și este esențial pentru agricultura umană. Fosforul, o componentă majoră a acidului nucleic (împreună cu azotul), este unul dintre ingredientele principale din îngrășămintele artificiale utilizate în agricultură și impactul lor asupra mediului asupra apelor de suprafață. Sulful este esențial pentru plierea 3-D a proteinelor, cum ar fi legarea disulfurii.

Ciclarea acestor elemente este interconectată. De exemplu, mișcarea apei este critică pentru levigarea azotului și fosfatului în râuri, lacuri și oceane. Mai mult, oceanul în sine este un rezervor major pentru carbon. Astfel, substanțele nutritive minerale sunt ciclate, fie rapid, fie încet, prin întreaga biosferă, de la un organism viu la altul, și între lumea biotică și cea abiotică.

Link către învățare

Accesați acest site web pentru a afla mai multe despre ciclurile biogeochimice.

Ciclul de apă (hidrologic)

Apa este baza tuturor proceselor vii de pe Pământ. La examinarea rezervelor de apă de pe Pământ, 97,5% din aceasta este apă sărată nepotabilă (Figura 46.12). Din apa rămasă, 99% este blocată sub pământ sub formă de apă sau ca gheață. Astfel, mai puțin de 1% din apa dulce este ușor accesibilă din lacuri și râuri. Multe lucruri vii, precum plante, animale și ciuperci, depind de acea cantitate mică de apă de suprafață proaspătă, a cărei lipsă poate avea efecte masive asupra dinamicii ecosistemelor. Pentru a avea succes, organismele trebuie să se adapteze la fluctuațiile de aprovizionare cu apă. Oamenii, desigur, au dezvoltat tehnologii pentru a crește disponibilitatea apei, cum ar fi săparea puțurilor pentru recoltarea apei subterane, stocarea apei de ploaie și utilizarea desalinizării pentru a obține apă potabilă din ocean.

Ciclul apei este extrem de important pentru dinamica ecosistemului. Apa are o influență majoră asupra climei și, astfel, asupra mediului ecosistemelor. Cea mai mare parte a apei de pe Pământ este stocată pentru perioade lungi de timp în oceane, în subteran și sub formă de gheață. Figura 46.13 ilustrează timpul mediu pe care o moleculă individuală de apă îl poate petrece în rezervoarele majore de apă ale Pământului. Timpul de ședere este o măsură a timpului mediu în care o moleculă de apă individuală rămâne într-un anumit rezervor.

Există diferite procese care apar în timpul ciclului de apă, prezentate în Figura 46.14. Aceste procese includ următoarele:

  • evaporare / sublimare
  • condensare / precipitații
  • debit subteran de apă
  • scurgerea suprafeței / topirea zăpezii
  • flux de curent

Ciclul apei este condus de energia soarelui pe măsură ce încălzește oceanele și alte ape de suprafață. Acest lucru duce la evaporarea (apă la vapori de apă) a apei de suprafață lichide și la sublimare (gheață la vapori de apă) a apei înghețate, care depune cantități mari de vapori de apă în atmosferă. În timp, acest vapor de apă se condensează în nori sub formă de picături lichide sau înghețate și este urmat în cele din urmă de precipitații (ploaie sau zăpadă), care returnează apa la suprafața Pământului. Ploaia pătrunde în cele din urmă în pământ, unde se poate evapora din nou dacă este aproape de suprafață, curge sub suprafață sau se păstrează pentru perioade lungi de timp. Mai ușor de observat este scurgerea suprafeței: curgerea apei proaspete fie din ploaie, fie din topirea gheții. Apoi, scurgerea poate să-și croiască drum prin cursuri și lacuri către oceane sau să curgă direct către oceanele în sine.

Link către învățare

Accesați acest site web pentru a afla mai multe despre aprovizionarea cu apă dulce din lume.

Ploaia și scurgerea de suprafață sunt modalități majore prin care mineralele, inclusiv carbonul, azotul, fosforul și sulful, sunt ciclate de la uscat la apă. Efectele de mediu ale scurgerii vor fi discutate mai târziu, pe măsură ce sunt descrise aceste cicluri.

Ciclul carbonului

Carbonul este al doilea cel mai abundent element din organismele vii. Carbonul este prezent în toate moleculele organice, iar rolul său în structura macromoleculelor este de primă importanță pentru organismele vii.

Ciclul carbonului este cel mai ușor studiat ca două subcicluri interconectate: unul care se ocupă de schimbul rapid de carbon între organismele vii și celălalt care se ocupă de ciclul pe termen lung al carbonului prin procese geologice. Întregul ciclu al carbonului este prezentat în Figura 46.15.

Link către învățare

Faceți clic pe acest link pentru a citi informații despre Programul de știință al ciclului de carbon din Statele Unite.

Ciclul carbonului biologic

Organismele vii sunt conectate în multe feluri, chiar și între ecosisteme. Un bun exemplu al acestei conexiuni este schimbul de carbon între autotrofi și heterotrofi în interiorul și între ecosisteme prin intermediul dioxidului de carbon atmosferic. Dioxidul de carbon este elementul de bază pe care majoritatea autotrofilor îl folosesc pentru a construi compuși multicarboni, cu conținut ridicat de energie, cum ar fi glucoza. Energia valorificată de soare este utilizată de aceste organisme pentru a forma legăturile covalente care leagă atomii de carbon între ei. Aceste legături chimice stochează astfel această energie pentru o utilizare ulterioară în procesul de respirație. Majoritatea autotrofilor terestri își obțin dioxidul de carbon direct din atmosferă, în timp ce autotrofii marini îl dobândesc sub formă dizolvată (acid carbonic, H2CO3 -). Cu toate acestea, dioxidul de carbon este dobândit, un produs secundar al procesului este oxigenul. Organismele fotosintetice sunt responsabile pentru depunerea a aproximativ 21% conținut de oxigen din atmosferă pe care îl observăm astăzi.

Heterotrofii și autotrofii sunt parteneri în schimbul biologic de carbon (în special consumatorii primari, în mare parte erbivori). Heterotrofii dobândesc compuși de carbon cu energie ridicată din autotrofi consumându-i și descompunându-i prin respirație pentru a obține energie celulară, cum ar fi ATP. Cel mai eficient tip de respirație, respirația aerobă, necesită oxigen obținut din atmosferă sau dizolvat în apă. Astfel, există un schimb constant de oxigen și dioxid de carbon între autotrofi (care au nevoie de carbon) și heterotrofi (care au nevoie de oxigen). Schimbul de gaze prin atmosferă și apă este o modalitate prin care ciclul carbonului conectează toate organismele vii de pe Pământ.

Ciclul carbonului biogeochimic

Mișcarea carbonului prin uscat, apă și aer este complexă și, în multe cazuri, apare mult mai încet din punct de vedere geologic decât se vede între organismele vii. Carbonul este stocat pentru perioade lungi de timp în ceea ce este cunoscut sub numele de rezervoare de carbon, care includ atmosfera, corpurile de apă lichidă (în mare parte oceane), sedimentele oceanelor, solul, sedimentele terestre (inclusiv combustibilii fosili) și interiorul Pământului.

După cum sa menționat, atmosfera este un rezervor major de carbon sub formă de dioxid de carbon și este esențială pentru procesul de fotosinteză. Nivelul de dioxid de carbon din atmosferă este foarte influențat de rezervorul de carbon din oceane. Schimbul de carbon între atmosferă și rezervoarele de apă influențează cât de mult carbon se găsește în fiecare locație și fiecare îl afectează reciproc. Dioxid de carbon (CO2) din atmosferă se dizolvă în apă și se combină cu moleculele de apă pentru a forma acid carbonic, apoi se ionizează în ioni carbonat și bicarbonat (Figura 46.16)

Coeficienții de echilibru sunt astfel încât mai mult de 90% din carbonul din ocean se găsește sub formă de ioni bicarbonat. Unii dintre acești ioni se combină cu calciu din apa de mare pentru a forma carbonat de calciu (CaCO3), o componentă majoră a cochiliilor organismelor marine. Aceste organisme formează în cele din urmă sedimente pe fundul oceanului. În timp geologic, carbonatul de calciu formează calcar, care cuprinde cel mai mare rezervor de carbon de pe Pământ.

Pe uscat, carbonul este stocat în sol ca urmare a descompunerii organismelor vii (de către descompunători) sau de la intemperii a rocilor terestre și a mineralelor. Acest carbon poate fi levigat în rezervoarele de apă prin scurgerea suprafeței. Subteran mai adânc, pe uscat și pe mare, sunt combustibili fosili: rămășițele anaerobe descompuse ale plantelor care necesită milioane de ani pentru a se forma. Combustibilii fosili sunt considerați o resursă nerenovabilă, deoarece utilizarea lor depășește cu mult rata lor de formare. O resursă nerenovabilă, cum ar fi combustibilul fosil, este fie regenerată foarte lent, fie deloc. O altă modalitate de pătrundere a carbonului în atmosferă este de la uscat (inclusiv teren de sub suprafața oceanului) prin erupția vulcanilor și a altor sisteme geotermale. Sedimentele de carbon de pe fundul oceanului sunt preluate adânc în Pământ prin procesul de subducție: mișcarea unei plăci tectonice sub alta. Carbonul este eliberat sub formă de dioxid de carbon atunci când un vulcan erupe sau din gurile de ventilare hidrotermale.

Oamenii contribuie la carbonul atmosferic prin arderea combustibililor fosili și a altor materiale. De la Revoluția industrială, oamenii au crescut semnificativ eliberarea de carbon și compuși de carbon, care la rândul lor au afectat clima și mediul în ansamblu.

Creșterea animalelor de către oameni crește, de asemenea, carbonul atmosferic. Numărul mare de animale terestre crescute pentru a hrăni populația în creștere a Pământului are ca rezultat creșterea nivelului de dioxid de carbon în atmosferă datorită practicilor agricole și a producției de respirație și metan. Acesta este un alt exemplu al modului în care activitatea umană afectează indirect ciclurile biogeochimice într-un mod semnificativ. Deși o mare parte a dezbaterii despre efectele viitoare ale creșterii carbonului atmosferic asupra schimbărilor climatice se concentrează asupra combustibililor fosili, oamenii de știință iau în considerare procesele naturale, cum ar fi vulcanii și respirația, pe măsură ce modelează și prezic impactul viitor al acestei creșteri.

Ciclul azotului

Obținerea azotului în lumea vie este dificilă. Plantele și fitoplanctonul nu sunt echipate pentru a încorpora azotul din atmosferă (care există ca N covalent triplu strâns legat2) chiar dacă această moleculă cuprinde aproximativ 78 la sută din atmosferă. Azotul intră în lumea vie prin intermediul bacteriilor libide și simbiotice, care încorporează azot în macromoleculele lor prin fixarea azotului (conversia N2). Cianobacteriile trăiesc în majoritatea ecosistemelor acvatice, unde lumina soarelui este prezentă, ele joacă un rol cheie în fixarea azotului. Cianobacteriile pot folosi surse anorganice de azot pentru a „fixa” azotul. Rhizobium bacteriile trăiesc simbiotic în nodulii rădăcinii leguminoaselor (cum ar fi mazărea, fasolea și arahidele) și le furnizează azotul organic de care au nevoie. (De exemplu, grădinarii cultivă adesea mazăre atât pentru produsele lor, cât și pentru a adăuga în mod natural azot în sol. Această practică se întoarce în timpuri străvechi, chiar dacă știința a fost înțeleasă recent recent.) Bacterii libere, cum ar fi Azotobacter, sunt, de asemenea, importante fixatoare de azot.

Azotul organic este deosebit de important pentru studiul dinamicii ecosistemelor, deoarece multe procese ecosistemice, cum ar fi producția primară și descompunerea, sunt limitate de aprovizionarea disponibilă cu azot. Așa cum se arată în Figura 46.17, azotul care intră în sistemele vii prin fixarea azotului este transformat succesiv din azot organic înapoi în azot gazos de către bacterii. Acest proces are loc în trei etape în sistemele terestre: amonificare, nitrificare și denitrificare. În primul rând, procesul de amonificare transformă deșeurile azotate de la animale vii sau de la rămășițele animalelor moarte în amoniu (NH4 +) de anumite bacterii și ciuperci. În al doilea rând, amoniul este transformat în nitriți (NO2 -) prin bacterii nitrificante, cum ar fi Nitrosomonas, prin nitrificare. Ulterior, nitriții sunt transformați în nitrați (NO3 -) de către organisme similare. În al treilea rând, are loc procesul de denitrificare, prin care bacteriile, cum ar fi Pseudomonas și Clostridium, transformă nitrații în azot gazos, permițându-i să intre din nou în atmosferă.

Conexiune vizuală

Care dintre următoarele afirmații despre ciclul azotului este falsă?

  1. Amonificarea transformă materia azotată organică din organismele vii în amoniu (NH4 + ).
  2. Denitrificarea de către bacterii transformă nitrații (NO3 -) la azot gazos (N2).
  3. Nitrificarea de către bacterii transformă nitrații (NO3 -) la nitriți (NO2 − ).
  4. Bacteriile fixatoare de azot transformă azotul gazos (N2) în compuși organici.

Activitatea umană poate elibera azot în mediu prin două mijloace principale: arderea combustibililor fosili, care eliberează oxizi de azot diferiți și prin utilizarea îngrășămintelor artificiale în agricultură, care sunt apoi spălate în lacuri, cursuri de apă și râuri prin scurgerea de suprafață. Azotul atmosferic este asociat cu mai multe efecte asupra ecosistemelor Pământului, inclusiv producerea de ploi acide (ca acid azotic, HNO3) și gaze cu efect de seră (ca oxid de azot, N2O) care poate provoca schimbări climatice. Un efect major al scurgerii îngrășămintelor este eutrofizarea apei sărate și a apei dulci, un proces prin care scurgerea nutrienților determină creșterea excesivă a microorganismelor, epuizând nivelurile de oxigen dizolvat și ucigând fauna ecosistemică.

Un proces similar are loc în ciclul azotului marin, unde procesele de amonificare, nitrificare și denitrificare sunt efectuate de bacteriile marine. O parte din acest azot cade pe fundul oceanului ca sediment, care poate fi apoi mutat pe uscat în timp geologic prin ridicarea suprafeței Pământului și astfel încorporat în roca terestră. Deși mișcarea azotului din rocă direct în sistemele vii a fost văzută în mod tradițional ca fiind nesemnificativă în comparație cu azotul fixat din atmosferă, un studiu recent a arătat că acest proces poate fi într-adevăr semnificativ și ar trebui inclus în orice studiu al ciclului global al azotului. 3

Ciclul fosforului

Fosforul este un nutrient esențial pentru procesele vii, este o componentă majoră a acidului nucleic și a fosfolipidelor și, ca fosfat de calciu, constituie componentele de susținere a oaselor noastre. Fosforul este adesea nutrientul limitativ (necesar pentru creștere) în ecosistemele acvatice (Figura 46.18).

Fosforul apare în natură ca ion fosfat (PO4 3−). În plus față de scurgerea fosfaților ca rezultat al activității umane, scurgerea naturală a suprafeței are loc atunci când este levigată de rocile care conțin fosfați prin intemperii, trimitând astfel fosfați în râuri, lacuri și ocean. Această rocă își are originile în ocean. Sedimentele oceanice care conțin fosfat se formează în principal din corpurile organismelor oceanice și din excrețiile lor. Cu toate acestea, în regiunile îndepărtate, cenușa vulcanică, aerosolii și praful mineral pot fi, de asemenea, surse semnificative de fosfat. Acest sediment este apoi mutat pe uscat în timp geologic prin înălțarea zonelor de pe suprafața Pământului.

Fosforul este, de asemenea, schimbat reciproc între fosfatul dizolvat în ocean și ecosistemele marine. Mișcarea fosfatului de la ocean la uscat și prin sol este extrem de lentă, ionul fosfat mediu având un timp de ședere oceanic între 20.000 și 100.000 de ani.

După cum sa discutat în capitolul 44, excesul de fosfor și azot care intră în aceste ecosisteme din scurgerea îngrășămintelor și din canalizare provoacă o creștere excesivă a microorganismelor și epuizează oxigenul dizolvat, ceea ce duce la moartea multor faune ecosistemice, cum ar fi crustaceele și peștii. Acest proces este responsabil pentru zonele moarte din lacuri și la gurile multor râuri majore (Figura 46.19).

După cum sa discutat mai devreme, o zonă moartă este o zonă dintr-un ecosistem marin sau de apă dulce în care suprafețele mari sunt epuizate din flora și fauna normală, aceste zone pot fi cauzate de eutrofizare, deversări de petrol, deversarea de substanțe chimice toxice și alte activități umane. Numărul zonelor moarte a crescut de câțiva ani și peste 400 dintre aceste zone erau prezente începând din 2008. Una dintre cele mai grave zone moarte este în largul coastei Statelor Unite în Golful Mexic, unde scurgerea îngrășămintelor din Bazinul râului Mississippi a creat o zonă moartă de peste 8463 mile pătrate. Scurgerile de fosfați și nitrați din îngrășăminte afectează, de asemenea, negativ mai multe ecosisteme de lacuri și golfuri, inclusiv golful Chesapeake din estul Statelor Unite.

Conexiune de zi cu zi

Golful Chesapeake

Golful Chesapeake a fost mult timp apreciat ca fiind una dintre cele mai pitorești zone de pe Pământ, acum este în primejdie și este recunoscut ca un ecosistem în declin. În anii 1970, Golful Chesapeake a fost unul dintre primele ecosisteme care au identificat zone moarte, care continuă să omoare mulți pești și specii care locuiesc în fund, cum ar fi scoici, stridii și viermi. Mai multe specii au scăzut în Golful Chesapeake din cauza scurgerii apelor de suprafață care conțin exces de nutrienți din îngrășăminte artificiale utilizate pe uscat. Sursa îngrășămintelor (cu un conținut ridicat de azot și fosfați) nu se limitează la practicile agricole. Există multe zone urbane din apropiere și peste 150 de râuri și pâraie goale în golf, care transportă scurgeri de îngrășăminte din peluze și grădini. Astfel, declinul golfului Chesapeake este o problemă complexă și necesită cooperarea industriei, agriculturii și a proprietarilor de case de zi cu zi.

Un interes deosebit pentru conservatori este populația de stridii, se estimează că mai mult de 200.000 de acri de recife de stridii existau în golf în anii 1700, dar acest număr a scăzut acum la doar 36.000 de acri. Recoltarea de stridii a fost odată o industrie majoră pentru Golful Chesapeake, dar a scăzut cu 88% între 1982 și 2007. Acest declin s-a datorat nu numai scurgerilor de îngrășăminte și zonelor moarte, ci și supra-recoltării. Stridiile necesită o anumită densitate minimă a populației, deoarece trebuie să se afle în imediata apropiere pentru a se reproduce. Activitatea umană a modificat populația și locațiile de stridii, perturbând considerabil ecosistemul.

Restaurarea populației de stridii din Golful Chesapeake a continuat de câțiva ani, cu succes mixt. Nu numai că mulți oameni găsesc stridii bune de mâncat, dar curăță și golful. Stridiile sunt filtratoare și, pe măsură ce mănâncă, curăță apa din jurul lor. În anii 1700, s-a estimat că au durat doar câteva zile până când populația de stridii a filtrat întregul volum al golfului. Astăzi, cu condițiile modificate ale apei, se estimează că populația actuală ar dura aproape un an pentru a face aceeași treabă.

Eforturile de restaurare sunt în curs de desfășurare de câțiva ani de către organizații nonprofit, cum ar fi Fundația Chesapeake Bay. Scopul restaurării este de a găsi o modalitate de a crește densitatea populației, astfel încât stridiile să se poată reproduce mai eficient. Multe soiuri rezistente la boli (dezvoltate la Institutul de Științe Marine din Virginia pentru Colegiul William și Mary) sunt acum disponibile și au fost utilizate în construcția recifelor de stridii experimentale. Eforturile de curățare și restaurare a golfului de către Virginia și Delaware au fost îngreunate, deoarece o mare parte din poluarea care intră în golf provine din alte state, ceea ce subliniază necesitatea cooperării interstatale pentru a obține restaurarea cu succes.

Noile tulpini consistente de stridii au generat, de asemenea, o industrie nouă și viabilă din punct de vedere economic - acvacultura de stridii - care nu numai că furnizează stridii pentru hrană și profit, dar are și avantajul suplimentar al curățării golfului.

Ciclul sulfului

Sulful este un element esențial pentru macromoleculele ființelor vii. Ca parte a aminoacizilor cisteină, este implicată în formarea de legături disulfidice în proteine, care ajută la determinarea modelelor lor de pliere 3D și, prin urmare, a funcțiilor lor. Așa cum se arată în Figura 46.21, sulful ciclează între oceane, uscat și atmosferă. Sulful atmosferic se găsește sub formă de dioxid de sulf (SO2) și intră în atmosferă în trei moduri: de la descompunerea moleculelor organice, de la activitatea vulcanică și gurile de ventilare geotermale și de la arderea combustibililor fosili de către oameni.

Pe uscat, sulful se depune în patru moduri majore: precipitații, precipitații directe din atmosferă, degradarea rocilor și orificii geotermale (Figura 46.21). Sulful atmosferic se găsește sub formă de dioxid de sulf (SO2) și pe măsură ce ploaia cade prin atmosferă, sulful este dizolvat sub formă de acid sulfuric slab (H2ASA DE3). Sulful poate cădea, de asemenea, direct din atmosferă într-un proces numit precipitații. De asemenea, intemperiile rocilor care conțin sulf eliberează sulf în sol. Aceste roci provin din sedimente oceanice care sunt mutate pe uscat prin înălțarea geologică a sedimentelor oceanice. Ecosistemele terestre pot utiliza apoi acești sulfați ai solului (SO 4 - SO 4 -), iar la moartea și descompunerea acestor organisme, eliberează sulful înapoi în atmosferă sub formă de hidrogen sulfurat (H2S) gaz.

Sulful pătrunde în ocean prin scurgeri de pe uscat, din căderea atmosferică și din orificiile geotermale subacvatice. Unele ecosisteme (Figura 46.9) se bazează pe chemoautotrofe care utilizează sulful ca sursă de energie biologică. Acest sulf susține apoi ecosistemele marine sub formă de sulfați.

Activitățile umane au jucat un rol major în modificarea echilibrului ciclului global al sulfului. Arderea unor cantități mari de combustibili fosili, în special din cărbune, eliberează în atmosferă cantități mai mari de hidrogen sulfurat gazos. Ploaia acidă este cauzată de căderea apei de ploaie la sol prin acest gaz de dioxid de sulf, transformându-l în acid sulfuric slab. Ploaia acidă dăunează mediului natural prin scăderea pH-ului lacurilor, care ucide multe dintre faunele rezidente, afectează și mediul creat de om prin degradarea chimică a clădirilor. De exemplu, multe monumente din marmură, cum ar fi Memorialul Lincoln din Washington, DC, au suferit daune semnificative din cauza ploilor acide de-a lungul anilor.


Reclamație DMCA

Dacă credeți că conținutul disponibil prin intermediul site-ului web (așa cum este definit în Termenii și condițiile noastre) încalcă unul sau mai multe drepturi de autor, vă rugăm să ne anunțați furnizând o notificare scrisă („Notificare de încălcare”) care conține informațiile descrise mai jos către persoana desemnată agent listat mai jos. Dacă Tutorii Varsity iau măsuri ca răspuns la o Notificare privind încălcarea dreptului, va face o încercare de bună credință de a contacta partea care a pus la dispoziție un astfel de conținut prin intermediul celei mai recente adrese de e-mail, dacă este cazul, furnizată de către o astfel de parte Tutorilor Varsity.

Notificarea dvs. de încălcare poate fi transmisă părții care a pus la dispoziție conținutul sau unor terțe părți, cum ar fi ChillingEffects.org.

Vă rugăm să rețineți că veți fi răspunzător pentru daune (inclusiv costurile și onorariile avocaților) dacă declarați în mod eronat că un produs sau activitate vă încalcă drepturile de autor. Astfel, dacă nu sunteți sigur că conținutul localizat sau legat de site-ul web vă încalcă drepturile de autor, ar trebui să luați în considerare mai întâi contactarea unui avocat.

Urmați acești pași pentru a depune o notificare:

Trebuie să includeți următoarele:

O semnătură fizică sau electronică a proprietarului dreptului de autor sau a unei persoane autorizate să acționeze în numele său. detalii pentru a permite Tutorilor Varsity să găsească și să identifice în mod pozitiv acel conținut, de exemplu, avem nevoie de un link către întrebarea specifică (nu doar numele întrebării) care conține conținutul și o descriere a porțiunii specifice a întrebării - o imagine, o link, text, etc - reclamația dvs. se referă la numele dvs., adresa, numărul de telefon și adresa de e-mail și o declarație a dvs.: (a) că credeți cu bună credință că utilizarea conținutului despre care pretindeți că vă încalcă drepturile de autor este neautorizat prin lege sau de către proprietarul drepturilor de autor sau agentul respectivului proprietar (b) că toate informațiile conținute în notificarea dvs. privind încălcarea dreptului sunt corecte și (c) sub pedeapsa mărturiei mincinoase, că sunteți fie proprietarul drepturilor de autor sau o persoană autorizată să acționeze în numele lor.

Trimiteți reclamația agentului nostru desemnat la:

Charles Cohn Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
Louis, MO 63105


Ciclul rapid al carbonului

Timpul necesar carbonului pentru a se deplasa prin ciclul rapid al carbonului este măsurat într-o durată de viață. Ciclul rapid al carbonului este în mare parte mișcarea carbonului prin formele de viață de pe Pământ sau din biosferă. Între 10 15 și 10 17 grame (1.000 până la 100.000 milioane de tone metrice) de carbon se deplasează în fiecare an prin ciclul rapid al carbonului.

Carbonul joacă un rol esențial în biologie datorită abilității sale de a forma numeroase legături și mdashup la patru per atom și mdashin, o varietate aparent nesfârșită de molecule organice complexe. Multe molecule organice conțin atomi de carbon care au format legături puternice cu alți atomi de carbon, combinându-se în lanțuri lungi și inele. Astfel de lanțuri și inele de carbon stau la baza celulelor vii. De exemplu, ADN-ul este format din două molecule împletite construite în jurul unui lanț de carbon.

Legăturile din lanțurile lungi de carbon conțin multă energie. Când lanțurile se rup, energia stocată este eliberată. Această energie face din moleculele de carbon o sursă excelentă de combustibil pentru toate viețuitoarele.

În timpul fotosintezei, plantele absorb dioxidul de carbon și lumina soarelui pentru a crea combustibil și mdashglucose și alte zaharuri și mdash pentru construirea structurilor plantelor. Acest proces formează fundamentul ciclului rapid (biologic) al carbonului. (Ilustrație adaptată din P.J. Sellers și colab., 1992.)

Plantele și fitoplanctonul sunt principalele componente ale ciclului rapid al carbonului. Fitoplanctonul (organismele microscopice din ocean) și plantele preiau dioxidul de carbon din atmosferă absorbindu-l în celulele lor. Folosind energia din Soare, atât plantele, cât și planctonul combină dioxid de carbon (CO2) și apă pentru a forma zahăr (CH2O) și oxigen. Reacția chimică arată astfel:

Patru lucruri se pot întâmpla pentru a muta carbonul dintr-o plantă și a-l readuce în atmosferă, dar toate implică aceeași reacție chimică. Plantele descompun zahărul pentru a obține energia de care au nevoie pentru a crește. Animalele (inclusiv oamenii) mănâncă plantele sau planctonul și descompun zahărul din plantă pentru a obține energie. Plantele și planctonul mor și se descompun (sunt consumate de bacterii) la sfârșitul sezonului de creștere. Sau focul consumă plante. În fiecare caz, oxigenul se combină cu zahărul pentru a elibera apă, dioxid de carbon și energie. Reacția chimică de bază arată astfel:

În toate cele patru procese, dioxidul de carbon eliberat în reacție ajunge de obicei în atmosferă. Ciclul rapid al carbonului este atât de strâns legat de viața plantelor încât sezonul de vegetație poate fi văzut prin modul în care dioxidul de carbon fluctuează în atmosferă. În iarna emisferei nordice, când puține plante terestre cresc și multe sunt în descompunere, concentrațiile atmosferice de dioxid de carbon cresc. În primăvară, când plantele încep să crească din nou, concentrațiile scad. Este ca și cum Pământul respiră.

Debitul și fluxul ciclului rapid al carbonului sunt vizibile în anotimpurile în schimbare. Pe măsură ce marile mase terestre din emisfera nordică se înverzesc primăvara și vara, extrag carbon din atmosferă. Acest grafic arată diferența dintre nivelurile de dioxid de carbon față de luna precedentă, cu tendința pe termen lung eliminată.

Acest ciclu atinge maximul în august, cu aproximativ 2 părți pe milion de dioxid de carbon extrase din atmosferă. Toamna și iarna, pe măsură ce vegetația moare în emisfera nordică, descompunerea și respirația returnează dioxidul de carbon în atmosferă.

Aceste hărți arată productivitatea primară netă (cantitatea de carbon consumată de plante) pe uscat (verde) și în oceane (albastru) în august și decembrie 2010. În august, zonele verzi din America de Nord, Europa și Asia reprezintă plante folosind carbonul din atmosferă pentru a crește. În decembrie, productivitatea primară netă la latitudini mari este negativă, ceea ce depășește creșterea sezonieră a vegetației din emisfera sudică. Ca urmare, cantitatea de dioxid de carbon din atmosferă crește.

(Grafic de Marit Jentoft-Nilsen și Robert Simmon, folosind date de la Laboratorul de Cercetare a Sistemului Pământean NOAA. Hărți de Robert Simmon și Reto St & oumlckli, folosind date MODIS.)


46.3C: Ciclul carbonului - Biologie

Printr-o serie de reacții chimice și activitate tectonică, carbonul durează între 100 și 200 de milioane de ani pentru a se deplasa între roci, sol, ocean și atmosferă în ciclul lent al carbonului. În medie, 10 13 - 10 14 grame (10 și 100 milioane de tone metrice) de carbon se mișcă în fiecare an prin ciclul lent al carbonului. În comparație, emisiile umane de carbon în atmosferă sunt de ordinul a 10 15 grame, în timp ce ciclul rapid al carbonului mută 10 16 până la 10 17 grame de carbon pe an.

Mișcarea carbonului din atmosferă în litosferă (roci) începe cu ploaie. Carbonul atmosferic se combină cu apa pentru a forma un acid slab și acid mdashcarbonic și mdash care cade la suprafață în ploaie. Acidul dizolvă rocile și procesul mdasha numit intemperii chimice și eliberează ioni de calciu, magneziu, potasiu sau sodiu. Râurile transportă ionii către ocean.

Râurile transportă ioni de calciu și rezultatul degradării chimice a rocilor și amestecului în ocean, unde reacționează cu carbonat dizolvat în apă. Produsul acelei reacții, carbonatul de calciu, este apoi depus pe fundul oceanului, unde devine calcar. (Fotografie și copie 2009 Greg Carley.)

În ocean, ionii de calciu se combină cu ioni de bicarbonat pentru a forma carbonat de calciu, ingredientul activ din antiacide și substanța albă cretoasă care se usucă pe robinet dacă locuiți într-o zonă cu apă dură. În oceanul modern, cea mai mare parte a carbonatului de calciu este produsă de organisme care construiesc cochilii (cum ar fi coralii) și plancton (cum ar fi coccolithophores și foraminifera). După ce organismele mor, acestea se scufundă pe fundul mării. De-a lungul timpului, straturile de coji și sedimente sunt cimentate împreună și se transformă în rocă, stocând carbonul în piatră și mdashlimestone și în derivații săi.

Calcarul, sau vărul său metamorfic, marmura, este rocă făcută în principal din carbonat de calciu. Aceste tipuri de roci sunt adesea formate din corpurile plantelor și animalelor marine, iar cochiliile și scheletele lor pot fi păstrate ca fosile. Carbonul blocat în calcar poate fi stocat timp de milioane și chiar sute de milioane și ani. (Fotografie și copie 2008 Rookuzz (Hmm).)

Doar 80 la sută din roca care conține carbon este realizată în acest fel. Restul de 20 la sută conțin carbon de la viețuitoare (carbon organic) care au fost încorporate în straturi de noroi. Căldura și presiunea comprimă noroiul și carbonul de-a lungul a milioane de ani, formând roci sedimentare precum șistul. În cazuri speciale, atunci când materia vegetală moartă se acumulează mai repede decât se poate descompune, straturile de carbon organic devin petrol, cărbune sau gaz natural în loc de roci sedimentare precum șistul.

Această cusătură de cărbune din Scoția a fost inițial un strat de sedimente, bogat în carbon organic. Stratul sedimentar a fost în cele din urmă îngropat adânc sub pământ, iar căldura și presiunea l-au transformat în cărbune. Coal and other fossil fuels are a convenient source of energy, but when they are burned, the stored carbon is released into the atmosphere. This alters the balance of the carbon cycle, and is changing Earth&rsquos climate. (Photograph ©2010 Sandchem.)

The slow cycle returns carbon to the atmosphere through volcanoes. Earth&rsquos land and ocean surfaces sit on several moving crustal plates. When the plates collide, one sinks beneath the other, and the rock it carries melts under the extreme heat and pressure. The heated rock recombines into silicate minerals, releasing carbon dioxide.

When volcanoes erupt, they vent the gas to the atmosphere and cover the land with fresh silicate rock to begin the cycle again. At present, volcanoes emit between 130 and 380 million metric tons of carbon dioxide per year. For comparison, humans emit about 30 billion tons of carbon dioxide per year&mdash100&ndash300 times more than volcanoes&mdashby burning fossil fuels.

Chemistry regulates this dance between ocean, land, and atmosphere. If carbon dioxide rises in the atmosphere because of an increase in volcanic activity, for example, temperatures rise, leading to more rain, which dissolves more rock, creating more ions that will eventually deposit more carbon on the ocean floor. It takes a few hundred thousand years to rebalance the slow carbon cycle through chemical weathering.

Carbon stored in rocks is naturally returned to the atmosphere by volcanoes. In this photograph, Russia&rsquos Kizimen Volcano vents ash and volcanic gases in January 2011. Kizimen is located on the Kamchatka Peninsula, where the Pacific Plate is subducting beneath Asia. (Photograph ©2011 Artyom Bezotechestvo/Photo Kamchatka.)

However, the slow carbon cycle also contains a slightly faster component: the ocean. At the surface, where air meets water, carbon dioxide gas dissolves in and ventilates out of the ocean in a steady exchange with the atmosphere. Once in the ocean, carbon dioxide gas reacts with water molecules to release hydrogen, making the ocean more acidic. The hydrogen reacts with carbonate from rock weathering to produce bicarbonate ions.

Before the industrial age, the ocean vented carbon dioxide to the atmosphere in balance with the carbon the ocean received during rock weathering. However, since carbon concentrations in the atmosphere have increased, the ocean now takes more carbon from the atmosphere than it releases. Over millennia, the ocean will absorb up to 85 percent of the extra carbon people have put into the atmosphere by burning fossil fuels, but the process is slow because it is tied to the movement of water from the ocean&rsquos surface to its depths.

In the meantime, winds, currents, and temperature control the rate at which the ocean takes carbon dioxide from the atmosphere. (See The Ocean&rsquos Carbon Balance on the Earth Observatory.) It is likely that changes in ocean temperatures and currents helped remove carbon from and then restore carbon to the atmosphere over the few thousand years in which the ice ages began and ended.


The Carbon Cycle

The carbon cycle describes how carbon transfers between different reservoirs located on Earth. This cycle is important for maintaining a stable climate and carbon balance on Earth.

Biology, Conservation, Earth Science

Quinault River Rainforest

Full of living entities, and the formerly living, the temperate rainforest at the Quinault River in Olympic Peninsula, Washington, and places like it are rich reservoirs of carbon.

Carbon is an essential element for all life forms on Earth. Whether these life forms take in carbon to help manufacture food or release carbon as part of respiration, the intake and output of carbon is a component of all plant and animal life.

Carbon is in a constant state of movement from place to place. It is stored in what are known as reservoirs, and it moves between these reservoirs through a variety of processes, including photosynthesis, burning fossil fuels, and simply releasing breath from the lungs. The movement of carbon from reservoir to reservoir is known as the carbon cycle.

Carbon can be stored in a variety of reservoirs, including plants and animals, which is why they are considered carbon life forms. Carbon is used by plants to build leaves and stems, which are then digested by animals and used for cellular growth. In the atmosphere, carbon is stored in the form of gases, such as carbon dioxide. It is also stored in oceans, captured by many types of marine organisms. Some organisms, such as clams or coral, use the carbon to form shells and skeletons. Most of the carbon on the planet is contained within rocks, minerals, and other sediment buried beneath the surface of the planet.

Because Earth is a closed system, the amount of carbon on the planet never changes. However, the amount of carbon in a specific reservoir can change over time as carbon moves from one reservoir to another. For example, some carbon in the atmosphere might be captured by plants to make food during photosynthesis. This carbon can then be ingested and stored in animals that eat the plants. When the animals die, they decompose, and their remains become sediment, trapping the stored carbon in layers that eventually turn into rock or minerals. Some of this sediment might form fossil fuels, such as coal, oil, or natural gas, which release carbon back into the atmosphere when the fuel is burned.

The carbon cycle is vital to life on Earth. Nature tends to keep carbon levels balanced, meaning that the amount of carbon naturally released from reservoirs is equal to the amount that is naturally absorbed by reservoirs. Maintaining this carbon balance allows the planet to remain hospitable for life. Scientists believe that humans have upset this balance by burning fossil fuels, which has added more carbon to the atmosphere than usual and led to climate change and global warming.

Full of living entities, and the formerly living, the temperate rainforest at the Quinault River in Olympic Peninsula, Washington, and places like it are rich reservoirs of carbon.


The ocean and carbon

The ocean plays an important part in the carbon cycle. Overall, the ocean is called a carbon ‘sink’ because it takes up more carbon from the atmosphere than it gives up.

Carbon dioxide from the atmosphere dissolves in the surface waters of the ocean. Some of the carbon dioxide stays as dissolved gas, but much of it gets turned into other things. Photosynthesis by tiny marine plants (phytoplankton) in the sunlit surface waters turns the carbon into organic matter. Many organisms use carbon to make calcium carbonate, a building material of shells and skeletons. Other chemical processes create calcium carbonate in the water. The using up of carbon by biological and chemical processes allows more carbon dioxide to enter the water from the atmosphere.


CAREER CONNECTION

Golful Chesapeake

Figura 7: This (a) satellite image shows the Chesapeake Bay, an ecosystem affected by phosphate and nitrate runoff. A (b) member of the Army Corps of Engineers holds a clump of oysters being used as a part of the oyster restoration effort in the bay. (credit a: modification of work by NASA/MODIS credit b: modification of work by U.S. Army)

The Chesapeake Bay (Figure 7a) is one of the most scenic areas on Earth it is now in distress and is recognized as a case study of a declining ecosystem. In the 1970s, the Chesapeake Bay was one of the first aquatic ecosystems to have identified dead zones, which continue to kill many fish and bottom-dwelling species such as clams, oysters, and worms. Several species have declined in the Chesapeake Bay because surface water runoff contains excess nutrients from artificial fertilizer use on land. Sursa îngrășămintelor (cu un conținut ridicat de azot și fosfați) nu se limitează la practicile agricole. Există multe zone urbane din apropiere și peste 150 de râuri și pâraie goale în golf, care transportă scurgeri de îngrășăminte din peluze și grădini. Thus, the decline of the Chesapeake Bay is a complex issue and requires the cooperation of industry, agriculture, and individual homeowners.

Of particular interest to conservationists is the oyster population (Figure 7b) it is estimated that more than 200,000 acres of oyster reefs existed in the bay in the 1700s, but that number has now declined to only 36,000 acres. Oyster harvesting was once a major industry for Chesapeake Bay, but it declined 88 percent between 1982 and 2007. This decline was caused not only by fertilizer runoff and dead zones, but also because of overharvesting. Stridiile necesită o anumită densitate minimă a populației, deoarece trebuie să se afle în imediata apropiere pentru a se reproduce. Human activity has altered the oyster population and locations, thus greatly disrupting the ecosystem.

Restaurarea populației de stridii din Golful Chesapeake a continuat de câțiva ani, cu succes mixt. Not only do many people find oysters good to eat, but the oysters also clean up the bay. They are filter feeders, and as they eat, they clean the water around them. Filter feeders eat by pumping a continuous stream of water over finely divided appendages (gills in the case of oysters) and capturing prokaryotes, plankton, and fine organic particles in their mucus. În anii 1700, s-a estimat că au durat doar câteva zile până când populația de stridii a filtrat întregul volum al golfului. Today, with the changed water conditions, it is estimated that the present population would take nearly a year to do the same job.

Restoration efforts have been ongoing for several years by non-profit organizations such as the Chesapeake Bay Foundation. Scopul restaurării este de a găsi o modalitate de a crește densitatea populației, astfel încât stridiile să se poată reproduce mai eficient. Multe soiuri rezistente la boli (dezvoltate la Institutul de Științe Marine din Virginia pentru Colegiul William și Mary) sunt acum disponibile și au fost utilizate în construcția recifelor de stridii experimentale. Efforts by Virginia and Delaware to clean and restore the bay have been hampered because much of the pollution entering the bay comes from other states, which emphasizes the need for interstate cooperation to gain successful restoration.

Noile tulpini consistente de stridii au generat, de asemenea, o industrie nouă și viabilă din punct de vedere economic - acvacultura de stridii - care nu numai că furnizează stridii pentru hrană și profit, dar are și avantajul suplimentar al curățării golfului.


The Carbon Cycle

After completing this section, you should be able to discuss Earth's carbon cycle, including the primary reservoirs and anthropogenic transfer mechanisms. You need not remember specific transfer rates or reservoir "sizes", but you should be able to identify the largest reservoirs and transfer mechanisms, as well as describe the consequences of the unbalanced, anthropogenic portions of the carbon cycle.

Concentrations of atmospheric carbon dioxide are increasing, largely because of the burning of fossil fuels. But, are trends in atmospheric carbon dioxide concentrations that straightforward? If you refer to the data from the Mauna Loa Observatory, you can see that there's a clear increase since the late 1950s, but there's also a yearly cycle that's apparent (note the regular ups and downs in the red trace). Carbon dioxide concentrations vary throughout the year because of plant photosynthesis. During warmer months, when plants are more actively growing, the process of photosynthesis uses carbon dioxide, which removes it from the air. During colder months, with less plant growth, atmospheric carbon dioxide concentrations increase again because less is being consumed by photosynthesis.

So, not all carbon dioxide that human activities have added to the atmosphere stays in the atmosphere (and not all carbon dioxide in the atmosphere comes from anthropogenic sources). As it turns out, Earth has a carbon cycle, which contains several carbon "reservoirs" (places that retain carbon), and carbon continuously gets exchanged between the earth and the atmosphere. But, the carbon cycle deals with more than just anthropogenic emissions and plant growth.

For starters, the earth-atmosphere system has a "carbon budget" of sorts, which, ideally, would be approximately balanced (exchanges of carbon between the earth and atmosphere would be equal). Historically, we know that the cycle hasn't been perfectly balanced at all times, because concentrations of atmospheric carbon dioxide have varied (historical concentrations have ups and downs). Still, over the long haul, the "ups" have been offset by the "downs" because of the earth-atmosphere system always seeking to balance the cycle. But, since the dawn of the industrial age, that balance has changed.

The primary reservoirs of carbon dioxide are the oceans, the terrestrial surface (primarily in plants and soil), and geological reserves of fossil fuels. The atmosphere is a carbon reservoir, too, but as you can see from the schematic of the carbon cycle below, the atmosphere contains a tiny fraction of the carbon (in the form of carbon dioxide) compared to the oceans and geological reserves.

The oceans are, by far, the largest reservoir of carbon, followed by geological reserves of fossil fuels, the terrestrial surface (plans and soil), and the atmosphere. But, carbon moves naturally between the earth and atmosphere continuously. For example, volcanoes and other geologic activity emit carbon dioxide into the atmosphere. On the other hand, the weathering of some rocks results in chemical reactions with atmospheric carbon dioxide that removes it from the atmosphere. Plant photosynthesis also removes carbon dioxide from the atmosphere and returns it to the terrestrial surface. Note in the diagram above that the natural exchanges (marked by purple arrows) between the atmosphere, ocean, and terrestrial surface are balanced (emissions into the atmosphere are balanced by transfer back to the ocean and terrestrial surface).

Geological reserves were largely left out of the cycle until industrialization resulted in the large-scale recovery and burning of carbon-based fossil fuels, which creates carbon dioxide as a byproduct. The transfer of carbon dioxide into the atmosphere from the burning of fossil fuels is actually much smaller than that which naturally occurs from the ocean and terrestrial surface, but it's an unbalanced part of the cycle.

Deforestation also adds carbon dioxide to the atmosphere, because wood is roughly 50 percent carbon. So, when forests are cleared, much of that carbon eventually makes its way into the atmosphere. This process is exacerbated when deforestation occurs via burning. While the amount of carbon dioxide added to the atmosphere each year from deforestation is somewhat uncertain (that's why a range of 1 to 2 billion kilograms per year is shown in the diagram), deforestation on a global scale may be responsible for more than a quarter of anthropogenic emissions, and it's also an unbalanced part of the cycle. So, deforestation has some global climate impacts, too, in addition to the local ones we discussed previously.

The important thing to take away from this discussion is that the anthropogenic transfers of carbon dioxide to the atmosphere (via fossil fuels and deforestation) are unbalanced parts of the cycle. No mechanisms perfectly balance them and transfer equal amounts of carbon dioxide back into the oceans and terrestrial surface. So, while the anthropogenic additions of carbon dioxide to the atmosphere are small compared to natural ones (refer to the carbon cycle diagram above), since they're unbalanced, the anthropogenic contributions gradually add up over time, which is why carbon dioxide concentrations in the atmosphere have increased more than 40 percent since pre-industrial days, and more than 25 percent just since the late 1950s.

However, the earth-atmosphere system is very dynamic, and as the earth has warmed and atmospheric carbon dioxide has increased, the rate of natural processes that remove carbon dioxide from the atmosphere has also increased, which has had the overall effect of removing some anthropogenic carbon dioxide from the atmosphere. It turns out that roughly half of the carbon dioxide that humans have emitted into the atmosphere has been returned to the oceans and terrestrial surface by natural processes. In other words, nature is doing its very best to seek balance and offset the increasing carbon dioxide concentrations in the atmosphere from human activity. But, these natural removal processes haven't been able to keep up with the rate of anthropogenic emissions, and show no signs of being able to in the future. As long as more carbon dioxide is being emitted into the atmosphere than is being removed, atmospheric concentrations of carbon dioxide will continue to increase, just as your bank account balance grows if you deposit more money than you withdraw over a period of time.

Rezumat

  • Carbon is stored in four main reservoirs -- oceans (the largest reservoir), geological reserves of fossil fuels, the terrestrial surface (plants and soil, mainly), and the atmosphere.
  • Natural processes result in a continuous exchange of carbon between the atmosphere, oceans, and terrestrial surface, which ideally is approximately balanced.
  • Fossil fuel use and deforestation represent unbalanced additions to atmospheric carbon dioxide. Only about half of anthropogenic carbon dioxide in the atmosphere has been removed and returned to oceans and terrestrial surface by natural processes.
  • As long as more carbon dioxide is being emitted into the atmosphere than is being removed, atmospheric concentrations of carbon dioxide will continue to increase.

The end result of the increase in atmospheric carbon dioxide (and other greenhouse gases) is a strengthening greenhouse effect that gradually warms the planet. But, the observed warming trend since the late 1800s has hardly been as smooth and consistent as the increase in greenhouse gas concentrations. Up next, we'll take a closer look at the how scientists take Earth's temperature, and dial in on the details of the observed warming trends.


46.3C: The Carbon Cycle - Biology

Carbon is the fourth most abundant element in the Universe, after hydrogen, helium, and oxygen. On Earth, carbon cycles through the land, ocean, atmosphere, and the Earth's interior in a major biogeochemical cycle (the circulation of chemical components through the biosphere from or to the lithosphere, atmosphere, and hydrosphere). The global carbon cycle can be divided into two categories: the geological, which operates over large time scales (millions of years), and the biological/physical, which operates at shorter time scales (days to thousands of years).

Photosynthesis traps carbon dioxide from the atmosphere to produce glucose and it stores energy. Glucose, of course, is used to make other organic molecules and is used as a source of energy in respiration.

In respiration and in the oxidative decomposition of plant materials, the carbon in organic molecules is converted to CO2. Only a very small percentage of the organic carbon is sequestered in sediments.

The biological carbon cycle is not only faster than the geological carbon cycle. The amount of carbon taken up by photosynthesis and released back to the atmosphere by respiration each year is 1,000 times greater than the amount of carbon that moves through the geological cycle on an annual basis.

The biological carbon cycle plays a role in the long-term, geological cycling of carbon. The presence of land vegetation enhances the weathering of soil, leading to the uptake of carbon dioxide from the atmosphere. In the oceans, some of the carbon taken up by phytoplankton is used to make shells of calcium carbonate that settle to the bottom after the organisms die to form sediments. Marine animals, such as corals, also use dissolved carbon dioxide in biomineralization.

During the daytime in the growing season, leaves absorb sunlight and take up carbon dioxide from the atmosphere. Plants, animals and soil microbes consume the carbon in organic matter and return carbon dioxide to the atmosphere.

When conditions are too cold or too dry, photosynthesis and respiration cease along with the movement of carbon between the atmosphere and the land surface.

The amounts of carbon that move from the atmosphere through photosynthesis, respiration, and back to the atmosphere are large and produce oscillations in atmospheric carbon dioxide concentrations.

Significant amounts of carbon are stored in the biomass of forests and in the soil. Terrestrial sources release the stored carbon when forests are cleared for agriculture. Organisms in the ocean consume and release large quantities of carbon dioxide but ocean biological carbon cycles are faster than terrestrial cycles. There is virtually no storage of carbon as as biomass. Photosynthetic plankton are consumed by zooplankton within days to weeks.

Carbon dioxide exchange in the oceans is controlled by sea surface temperatures, circulating currents, and by the biological processes of photosynthesis and respiration. Carbon dioxide solvation is temperature dependent. Cold ocean temperatures favor the uptake of carbon dioxide from the atmosphere while warm temperatures can cause the ocean surface to release carbon dioxide. Cold, downward moving currents such as those that occur over the North Atlantic absorb carbon dioxide and transfer it to the deep ocean. Upward moving currents such as those in the tropics bring carbon dioxide up from depth and release it to the atmosphere.