Βιογεωχημικοί Κύκλοι: ο Κύκλος του Άνθρακα
Μονόδρομη ροή ενέργειας, ανακύκλωση ύλης, φωτοσύνθεση, κυτταρική αναπνοή, ορυκτά καύσιμα, αποψίλωση
Κάποια από τα άτομα άνθρακα που έχεις τώρα στο σώμα σου μπορεί να ήταν πριν από χρόνια σε ένα φύλλο, σε έναν δεινόσαυρο ή στην ανάσα ενός ανθρώπου σε μια άλλη ήπειρο. Η ενέργεια «περνά και φεύγει», αλλά η ύλη ανακυκλώνεται. Και τι γίνεται όταν καίμε σε λίγες δεκαετίες άνθρακα που θάφτηκε για εκατομμύρια χρόνια;
Ενέργεια ρέει — ύλη ανακυκλώνεται
Η ενέργεια που δεσμεύουν οι παραγωγοί, αφού γίνει χημική, «ρέει μονόδρομα» μέσω των τροφικών αλυσίδων στους καταναλωτές και στους αποικοδομητές. Αντίθετα, η ύλη της βιόσφαιρας είναι περιορισμένη (ελάχιστη φτάνει από το Διάστημα). Γι' αυτό τα χημικά στοιχεία (C, H, O, N, S, P κ.ά.) πρέπει να κυκλοφορούν, ώστε να γίνονται ξανά διαθέσιμα.
Βιογεωχημικοί κύκλοι είναι οι επαναλαμβανόμενες κυκλικές πορείες των χημικών στοιχείων στα οικοσυστήματα· λέγονται έτσι γιατί περιλαμβάνουν βιολογικές, γεωλογικές και χημικές διαδικασίες.
Ο κύκλος του άνθρακα
Ο άνθρακας είναι το στοιχείο με βάση το οποίο δομούνται όλες οι οργανικές ενώσεις. Η πορεία του ακολουθεί τη ροή της ενέργειας, γιατί η χημική ενέργεια που περνά από επίπεδο σε επίπεδο είναι δεσμευμένη σε οργανικές ενώσεις.
- Ο άνθρακας εισέρχεται ως της ατμόσφαιρας, που οι παραγωγοί μετατρέπουν με τη φωτοσύνθεση σε γλυκόζη.
- Μέρος της γλυκόζης χρησιμοποιείται στην κυτταρική αναπνοή των ίδιων των παραγωγών· το που παράγεται επιστρέφει στην ατμόσφαιρα.
- Από την υπόλοιπη οργανική ύλη, μέρος περνά ως τροφή στους καταναλωτές και μέρος γίνεται νεκρή οργανική ύλη (φύλλα, καρποί, κλαδιά), τροφή για τους αποικοδομητές, μαζί με τη νεκρή ύλη ζωικής προέλευσης.
- Σε καταναλωτές και αποικοδομητές η οργανική ύλη οξειδώνεται: απελευθερώνεται ενέργεια και παράγεται που επιστρέφει στην ατμόσφαιρα.
Στη βάση της ανταλλαγής του βρίσκεται η εναλλαγή δύο διαδικασιών: φωτοσύνθεση (πρόσληψη ) και κυτταρική αναπνοή (επιστροφή ).
Ποιες δύο διαδικασίες βρίσκονται στη βάση της ανταλλαγής του CO₂ μεταξύ ατμόσφαιρας και οργανισμών;
Η παρέμβαση του ανθρώπου
Με τη Βιομηχανική Επανάσταση (αρχές 19ου αιώνα) άρχισε η συστηματική χρήση ορυκτών καυσίμων (γαιάνθρακες, πετρέλαιο, φυσικό αέριο). Προέρχονται από τον μετασχηματισμό οργανικής ύλης οργανισμών του παρελθόντος και ήταν για εκατομμύρια χρόνια μια αχρησιμοποίητη αποθήκη άνθρακα. Η καύση τους απελευθερώνει τεράστιες ποσότητες .
Ταυτόχρονα η καταστροφή των δασών (υλοτόμηση, εκχερσώσεις για κατοικία και καλλιέργεια) μειώνει τους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς που θα δέσμευαν το .
Αποτέλεσμα: τάση για βαθμιαία αύξηση της συγκέντρωσης του στην ατμόσφαιρα, με πιθανές δυσάρεστες συνέπειες για το κλίμα. Περισσότερα για την ατμοσφαιρική ρύπανση θα βρεις και στη Χημεία.
Ο κύκλος του άνθρακα είναι μια ανάσα του πλανήτη: τα φυτά «εισπνέουν» (φωτοσύνθεση) και όλοι οι οργανισμοί το «εκπνέουν» (αναπνοή, αποικοδόμηση). Τα ορυκτά καύσιμα είναι μια ανάσα που κρατήθηκε εκατομμύρια χρόνια — και τώρα την «εκπνέουμε» απότομα.
Γιατί η αποψίλωση των δασών συμβάλλει στην αύξηση του CO₂ στην ατμόσφαιρα;
Μέθοδος: παρακολουθώ ένα άτομο άνθρακα
- Ξεκίνα από το της ατμόσφαιρας.
- Φωτοσύνθεση → οργανική ένωση (γλυκόζη) στον παραγωγό.
- Τρεις δρόμοι: αναπνοή του παραγωγού (→ ), κατανάλωση (→ καταναλωτής → αναπνοή → ), νεκρή ύλη (→ αποικοδομητής → ).
- Ειδική περίπτωση: οργανική ύλη που θάφτηκε → ορυκτά καύσιμα → καύση → .
Άσκηση: Να εξηγήσεις γιατί η πορεία του άνθρακα στα οικοσυστήματα ακολουθεί τη ροή της ενέργειας.
Λύση:
Η χημική ενέργεια που περνά από το ένα τροφικό επίπεδο στο άλλο είναι δεσμευμένη στις οργανικές ενώσεις, οι οποίες είναι φτιαγμένες με βάση τον άνθρακα. Άρα όπου πηγαίνει η ενέργεια (από παραγωγούς σε καταναλωτές και αποικοδομητές), πηγαίνει και ο άνθρακας.
Άσκηση τύπου διαγωνίσματος: (α) Τι είναι οι βιογεωχημικοί κύκλοι και γιατί είναι απαραίτητοι; (β) Να περιγράψεις τον κύκλο του άνθρακα. (γ) Να εξηγήσεις πώς ο άνθρωπος διαταράσσει τον κύκλο αυτό.
Λύση:
(α) Οι επαναλαμβανόμενες κυκλικές πορείες των χημικών στοιχείων στα οικοσυστήματα, με βιολογικές, γεωλογικές και χημικές διαδικασίες. Είναι απαραίτητοι γιατί η ύλη της βιόσφαιρας είναι περιορισμένη και τα στοιχεία πρέπει να γίνονται ξανά διαθέσιμα.
(β) Το της ατμόσφαιρας δεσμεύεται με τη φωτοσύνθεση σε γλυκόζη. Μέρος της οξειδώνεται στην κυτταρική αναπνοή των παραγωγών· μέρος περνά στους καταναλωτές και μέρος ως νεκρή ύλη στους αποικοδομητές. Σε όλους η οργανική ύλη οξειδώνεται και το επιστρέφει στην ατμόσφαιρα.
(γ) Με την καύση ορυκτών καυσίμων, που απελευθερώνει άνθρακα αποθηκευμένο για εκατομμύρια χρόνια, και με την καταστροφή των δασών, που μειώνει τη δέσμευση με φωτοσύνθεση· έτσι αυξάνεται βαθμιαία η συγκέντρωση του στην ατμόσφαιρα.
Πριν από τη Βιομηχανική Επανάσταση η ατμόσφαιρα περιείχε περίπου 280 ppm (μέρη στο εκατομμύριο) . Σήμερα οι μετρήσεις, που γίνονται συνεχώς από το 1958 στο παρατηρητήριο Mauna Loa της Χαβάης, δείχνουν πάνω από 420 ppm — δηλαδή αύξηση πάνω από 50%.
Ένα δάσος σε ισορροπία δεσμεύει κάθε χρόνο με τη φωτοσύνθεση 100 τόνους άνθρακα και επιστρέφει στην ατμόσφαιρα με την αναπνοή όλων των οργανισμών του (παραγωγών, καταναλωτών, αποικοδομητών) επίσης 100 τόνους. (α) Μεταβάλλει το δάσος την ποσότητα της ατμόσφαιρας; (β) Αν το δάσος καεί, τι θα συμβεί στον άνθρακα που ήταν αποθηκευμένος στα δέντρα; (γ) Γιατί η καύση ορυκτών καυσίμων διαφέρει από την αναπνοή ως προς το «ισοζύγιο» του κύκλου;
Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση
(α) Όχι: δεσμεύει και επιστρέφει την ίδια ποσότητα, άρα το ισοζύγιο είναι μηδενικό.
(β) Θα απελευθερωθεί απότομα ως στην ατμόσφαιρα, και επιπλέον θα λείπει πλέον ο παραγωγός που θα τον ξαναδέσμευε.
(γ) Στην αναπνοή επιστρέφει άνθρακας που δεσμεύτηκε πρόσφατα με φωτοσύνθεση (κλειστός κύκλος). Τα ορυκτά καύσιμα είναι άνθρακας που ήταν εκτός κύκλου για εκατομμύρια χρόνια· η καύση τους προσθέτει νέο στην ατμόσφαιρα.
Με ποια μορφή εισέρχεται ο άνθρακας στα οικοσυστήματα;
- Και η ενέργεια ανακυκλώνεται. Η ενέργεια ρέει μονόδρομα· ανακυκλώνεται μόνο η ύλη.
- Μόνο τα ζώα αναπνέουν. Και οι παραγωγοί κάνουν κυτταρική αναπνοή και απελευθερώνουν .
- Οι αποικοδομητές δεν παράγουν . Οξειδώνουν τη νεκρή οργανική ύλη και απελευθερώνουν .
- Η ενέργεια ρέει μονόδρομα· η ύλη είναι περιορισμένη και ανακυκλώνεται με τους βιογεωχημικούς κύκλους.
- Κύκλος άνθρακα: → (φωτοσύνθεση) → οργανική ύλη → (αναπνοή παραγωγών, καταναλωτών, αποικοδομητών) → .
- Η πορεία του άνθρακα ακολουθεί τη ροή της ενέργειας.
- Ανθρώπινη παρέμβαση: καύση ορυκτών καυσίμων και καταστροφή δασών → αύξηση → πιθανές κλιματικές μεταβολές.