معلومة

46.3C: دورة الكربون - علم الأحياء


يدخل الكربون إلى الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكربون عبر دورة الكربون ويعود إلى الكربون العضوي عبر عملية التمثيل الضوئي.

أهداف التعلم

  • يميز بين الدورات البيولوجية والكيميائية الحيوية للكربون

النقاط الرئيسية

  • يوجد الكربون في جميع الجزيئات العضوية ؛ تحتوي مركبات الكربون على كميات كبيرة من الطاقة التي يستخدمها البشر كوقود.
  • دورة الكربون البيولوجية هي التبادل السريع للكربون بين الكائنات الحية. تستخدم ذاتية التغذية ثاني أكسيد الكربون الذي تنتجه الكائنات غيرية التغذية لإنتاج الجلوكوز والأكسجين ، والتي يتم استخدامها بعد ذلك بواسطة الكائنات غيرية التغذية.
  • تحدث الدورة البيوجيوكيميائية بمعدل أبطأ بكثير من الدورة البيولوجية حيث يتم تخزين الكربون في خزانات الكربون لفترات طويلة من الزمن.
  • يذوب ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي في الماء ، ويتحد مع جزيئات الماء لتكوين حمض الكربونيك ، والذي يتأين بعد ذلك إلى أيونات كربونات وبيكربونات.
  • يأتي معظم الكربون الموجود في المحيط على شكل أيونات البيكربونات ، والتي يمكن أن تتحد مع الكالسيوم في مياه البحر لتكوين كربونات الكالسيوم (CaCO3) ، وهي مكون رئيسي لأصداف الكائنات البحرية.
  • يمكن أن يدخل الكربون إلى التربة نتيجة تحلل الكائنات الحية ، وتجوية الصخور ، وثوران البراكين ، وأنظمة الطاقة الحرارية الأرضية الأخرى.

الشروط الاساسية

  • الاندساس: حركة إحدى الصفائح التكتونية تحت الأخرى
  • طاقة غير متجددة: مورد ، مثل الوقود الأحفوري ، إما يتم تجديده ببطء شديد أو لا يتم تجديده على الإطلاق
  • تلقائية التغذية: أي كائن حي يمكنه تصنيع طعامه من مواد غير عضوية باستخدام الحرارة أو الضوء كمصدر للطاقة.
  • غيرية التغذية: كائن يتطلب إمدادًا خارجيًا بالطاقة على شكل غذاء ، لأنه لا يستطيع تصنيع مصدر طاقة خاص به

دورة الكربون

الكربون ، ثاني أكثر العناصر وفرة في الكائنات الحية ، موجود في جميع الجزيئات العضوية. دورها في بنية الجزيئات الكبيرة ذو أهمية قصوى للكائنات الحية. تحتوي مركبات الكربون بشكل خاص - على أشكال عالية من الطاقة ، والتي يستخدمها البشر كوقود. منذ القرن التاسع عشر (بداية الثورة الصناعية) ، ازداد عدد الدول التي تستخدم كميات هائلة من الوقود الأحفوري ، مما رفع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. ارتبطت هذه الزيادة في ثاني أكسيد الكربون بتغير المناخ واضطرابات أخرى في النظم البيئية للأرض. إنه مصدر قلق بيئي رئيسي في جميع أنحاء العالم.

تتم دراسة دورة الكربون بسهولة على أنها دورتان فرعيتان مترابطتان: الأولى تتعامل مع التبادل السريع للكربون بين الكائنات الحية والأخرى تتعامل مع دورة الكربون على المدى الطويل من خلال العمليات الجيولوجية.

دورة الكربون البيولوجية

ترتبط الكائنات الحية بطرق عديدة ، حتى بين النظم البيئية. خير مثال على هذا الارتباط هو تبادل الكربون بين ذاتية التغذية وغيرية التغذية. ثاني أكسيد الكربون هو لبنة البناء الأساسية التي يستخدمها معظم autotroph لبناء مركبات متعددة الكربون وعالية الطاقة ، مثل الجلوكوز. تستخدم هذه الكائنات الطاقة المستخرجة من الشمس لتكوين الروابط التساهمية التي تربط ذرات الكربون ببعضها البعض. تخزن هذه الروابط الكيميائية هذه الطاقة لاستخدامها لاحقًا في عملية التنفس. تحصل معظم ذاتية التغذية الأرضية على ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الغلاف الجوي ، بينما تكتسبه ذاتية التغذية البحرية في الصورة المذابة (حمض الكربونيك ، H2كو3). على الرغم من الحصول على ثاني أكسيد الكربون ، فإن المنتج الثانوي للعملية هو الأكسجين. كائنات التمثيل الضوئي مسؤولة عن ترسيب ما يقرب من 21 في المائة من محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي الذي نلاحظه اليوم.

تكتسب الكائنات غيرية التغذية مركبات الكربون عالية الطاقة من ذاتية التغذية عن طريق استهلاكها وتحطيمها عن طريق التنفس للحصول على الطاقة الخلوية ، مثل ATP. أكثر أنواع التنفس كفاءة ، التنفس الهوائي ، يتطلب أكسجين يتم الحصول عليه من الجو أو مذابًا في الماء. وبالتالي ، هناك تبادل مستمر للأكسجين وثاني أكسيد الكربون بين ذاتية التغذية (التي تحتاج إلى الكربون) وغيرية التغذية (التي تحتاج إلى الأكسجين). يعد تبادل الغازات عبر الغلاف الجوي والماء إحدى الطرق التي تربط بها دورة الكربون جميع الكائنات الحية على الأرض.

دورة الكربون البيوجيوكيميائية

تعتبر حركة الكربون عبر الأرض والماء والهواء معقدة ، وفي كثير من الحالات ، تحدث بشكل أبطأ بكثير من دورة الكربون البيولوجية. يتم تخزين الكربون لفترات طويلة في ما يُعرف باسم خزانات الكربون ، والتي تشمل الغلاف الجوي ، وأجسام المياه السائلة (المحيطات في الغالب) ، ورواسب المحيطات ، والتربة ، ورواسب الأرض (بما في ذلك الوقود الأحفوري) ، وداخل الأرض.

كما ذكرنا ، فإن الغلاف الجوي ، وهو خزان رئيسي للكربون على شكل ثاني أكسيد الكربون ، ضروري لعملية التمثيل الضوئي. يتأثر مستوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بشكل كبير بخزان الكربون في المحيطات. يؤثر تبادل الكربون بين الغلاف الجوي وخزانات المياه على كمية الكربون الموجودة في كل موقع ؛ يؤثر كل منهما على الآخر بشكل متبادل. ثاني أكسيد الكربون (CO2) من الغلاف الجوي يذوب في الماء ، ويتحد مع جزيئات الماء لتكوين حمض الكربونيك. ثم يتأين إلى كربونات وبيكربونات الأيونات.

تم العثور على أكثر من 90 في المئة من الكربون في المحيط على شكل أيونات بيكربونات. تتحد بعض هذه الأيونات مع الكالسيوم في مياه البحر لتكوين كربونات الكالسيوم (CaCO3) ، وهو مكون رئيسي لأصداف الكائنات البحرية. تشكل هذه الكائنات في النهاية رواسب في قاع المحيط. مع مرور الوقت الجيولوجي ، تشكل كربونات الكالسيوم الحجر الجيري ، والذي يضم أكبر خزان للكربون على وجه الأرض.

على الأرض ، يتم تخزين الكربون في التربة نتيجة تحلل الكائنات الحية أو تجوية الصخور الأرضية والمعادن. يمكن ترشيح هذا الكربون في خزانات المياه عن طريق الجريان السطحي. يوجد وقود أحفوري في أعماق الأرض ، على اليابسة وفي البحر: بقايا النباتات المتحللة اللاهوائية التي يستغرق تشكيلها ملايين السنين. يعتبر الوقود الأحفوري موردًا غير متجدد لأن استخدامه يتجاوز بكثير معدل تكوينه. إما أن يتم تجديد المورد غير المتجدد ببطء شديد أو لا يتم تجديده على الإطلاق. هناك طريقة أخرى لدخول الكربون إلى الغلاف الجوي وهي من اليابسة عن طريق ثوران البراكين وأنظمة الطاقة الحرارية الأرضية الأخرى. يتم أخذ رواسب الكربون من قاع المحيط في أعماق الأرض من خلال عملية الاندساس: حركة إحدى الصفائح التكتونية تحت الأخرى. ينطلق الكربون في صورة ثاني أكسيد الكربون عندما ينفجر البركان أو من الفتحات الحرارية المائية البركانية.

يضاف ثاني أكسيد الكربون أيضًا إلى الغلاف الجوي عن طريق تربية وتربية الماشية. تؤدي الأعداد الكبيرة من الحيوانات البرية التي يتم تربيتها لإطعام سكان الأرض المتزايدين إلى زيادة مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بسبب ممارسات الزراعة والتنفس وإنتاج الميثان. هذا مثال آخر على كيفية تأثير النشاط البشري بشكل غير مباشر على الدورات البيوجيوكيميائية بطريقة ملحوظة. على الرغم من أن الكثير من الجدل حول الآثار المستقبلية لزيادة الكربون في الغلاف الجوي على تغير المناخ يركز على الوقود الأحفوري ، إلا أن العلماء يأخذون العمليات الطبيعية ، مثل البراكين والتنفس ، في الاعتبار أثناء نمذجة وتوقع التأثير المستقبلي لهذه الزيادة.


46.3 الدورات البيوجيوكيميائية

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • ناقش الدورات البيوجيوكيميائية للماء والكربون والنيتروجين والفوسفور والكبريت
  • اشرح كيف أثرت الأنشطة البشرية على هذه الدورات والعواقب المحتملة على الأرض

تتدفق الطاقة بشكل مباشر عبر النظم البيئية ، حيث تدخل في صورة ضوء الشمس (أو جزيئات غير عضوية للتغذية الكيميائية) وتترك كحرارة أثناء عمليات النقل العديدة بين المستويات الغذائية. ومع ذلك ، فإن المادة التي تتكون منها الكائنات الحية يتم حفظها وإعادة تدويرها. تتخذ العناصر الستة الأكثر شيوعًا المرتبطة بالجزيئات العضوية - الكربون والنيتروجين والهيدروجين والأكسجين والفوسفور والكبريت - مجموعة متنوعة من الأشكال الكيميائية وقد توجد لفترات طويلة في الغلاف الجوي أو على الأرض أو في الماء أو تحت سطح الأرض . تلعب العمليات الجيولوجية ، مثل التجوية والتعرية وتصريف المياه واندساس الصفائح القارية ، دورًا في إعادة تدوير المواد. نظرًا لأن للجيولوجيا والكيمياء دورًا رئيسيًا في دراسة هذه العملية ، فإن إعادة تدوير المواد غير العضوية بين الكائنات الحية وبيئتها تسمى دورة بيوجيوكيميائية.

يحتوي الماء على الهيدروجين والأكسجين ، وهو أمر ضروري لجميع العمليات الحية. الغلاف المائي هو مساحة الأرض التي تحدث فيها حركة المياه وتخزينها. على السطح أو تحته ، يحدث الماء في صورة سائلة أو صلبة في الأنهار والبحيرات والمحيطات والمياه الجوفية والقمم الجليدية القطبية والأنهار الجليدية. ويحدث على شكل بخار ماء في الغلاف الجوي. يوجد الكربون في جميع الجزيئات العضوية الكبيرة وهو مكون مهم للوقود الأحفوري. يعتبر النيتروجين مكونًا رئيسيًا للأحماض والبروتينات النووية لدينا وهو أمر بالغ الأهمية للزراعة البشرية. يعد الفوسفور ، أحد المكونات الرئيسية للحمض النووي (جنبًا إلى جنب مع النيتروجين) ، أحد المكونات الرئيسية في الأسمدة الصناعية المستخدمة في الزراعة والآثار البيئية المرتبطة بها على المياه السطحية لدينا. يعتبر الكبريت أمرًا بالغ الأهمية في الطي ثلاثي الأبعاد للبروتينات ، كما هو الحال في ارتباط ثاني كبريتيد.

إن دورة هذه العناصر مترابطة. على سبيل المثال ، تعتبر حركة المياه أمرًا بالغ الأهمية لتسرّب النيتروجين والفوسفات في الأنهار والبحيرات والمحيطات. علاوة على ذلك ، يعد المحيط نفسه خزانًا رئيسيًا للكربون. وبالتالي ، يتم تدوير المغذيات المعدنية ، إما بسرعة أو ببطء ، عبر المحيط الحيوي بأكمله ، من كائن حي إلى آخر ، وبين العالم الحيوي وغير الحيوي.

ارتباط بالتعلم

توجه إلى هذا الموقع لمعرفة المزيد عن الدورات البيوجيوكيميائية.

دورة المياه (الهيدرولوجية)

الماء هو أساس جميع العمليات الحية على الأرض. عند فحص مخازن المياه على الأرض ، فإن 97.5 في المائة منها عبارة عن مياه مالحة غير صالحة للشرب (الشكل 46.12). من المياه المتبقية ، 99 في المائة محبوس تحت الأرض كمياه أو كجليد. وبالتالي ، يمكن الوصول بسهولة إلى أقل من 1 في المائة من المياه العذبة من البحيرات والأنهار. تعتمد العديد من الكائنات الحية ، مثل النباتات والحيوانات والفطريات ، على هذه الكمية الصغيرة من المياه السطحية العذبة ، والتي يمكن أن يكون لنقصها تأثيرات هائلة على ديناميكيات النظام البيئي. لكي تكون ناجحًا ، يجب أن تتكيف الكائنات الحية مع تقلبات إمدادات المياه. طور البشر ، بالطبع ، تقنيات لزيادة توافر المياه ، مثل حفر الآبار لتجميع المياه الجوفية ، وتخزين مياه الأمطار ، واستخدام تحلية المياه للحصول على مياه صالحة للشرب من المحيط.

تعتبر دورة المياه مهمة للغاية لديناميات النظام البيئي. الماء له تأثير كبير على المناخ ، وبالتالي على بيئات النظم البيئية. يتم تخزين معظم المياه الموجودة على الأرض لفترات طويلة في المحيطات وتحت الأرض وعلى شكل جليد. يوضح الشكل 46.13 متوسط ​​الوقت الذي قد يقضيه جزيء الماء الفردي في خزانات المياه الرئيسية على الأرض. وقت الإقامة هو مقياس لمتوسط ​​الوقت الذي يبقى فيه جزيء الماء الفردي في خزان معين.

هناك العديد من العمليات التي تحدث أثناء تدوير المياه ، كما هو موضح في الشكل 46.14. تشمل هذه العمليات ما يلي:

  • التبخر / التسامي
  • التكثيف / هطول الأمطار
  • تدفق المياه الجوفية
  • الجريان السطحي / ذوبان الجليد
  • التدفق

دورة المياه مدفوعة بطاقة الشمس لأنها تعمل على تدفئة المحيطات والمياه السطحية الأخرى. هذا يؤدي إلى تبخر (الماء إلى بخار الماء) من الماء السطحي السائل وتسامي (الجليد إلى بخار الماء) من الماء المتجمد ، الذي يودع كميات كبيرة من بخار الماء في الغلاف الجوي. بمرور الوقت ، يتكثف بخار الماء هذا في السحب على شكل قطرات سائلة أو مجمدة ويتبعه في النهاية هطول (مطر أو ثلج) ، والذي يعيد الماء إلى سطح الأرض. يتخلل المطر في النهاية إلى الأرض ، حيث قد يتبخر مرة أخرى إذا كان بالقرب من السطح ، أو يتدفق تحت السطح ، أو تم تخزينه لفترات طويلة. من السهل ملاحظة الجريان السطحي: تدفق المياه العذبة إما من المطر أو ذوبان الجليد. يمكن للجريان السطحي أن يشق طريقه عبر الجداول والبحيرات إلى المحيطات أو يتدفق مباشرة إلى المحيطات نفسها.

ارتباط بالتعلم

توجه إلى هذا الموقع لمعرفة المزيد حول إمدادات المياه العذبة في العالم.

المطر والجريان السطحي من الطرق الرئيسية التي يتم من خلالها تدوير المعادن ، بما في ذلك الكربون والنيتروجين والفوسفور والكبريت ، من الأرض إلى الماء. ستتم مناقشة الآثار البيئية للجريان السطحي لاحقًا حيث يتم وصف هذه الدورات.

دورة الكربون

الكربون هو ثاني أكثر العناصر وفرة في الكائنات الحية. يوجد الكربون في جميع الجزيئات العضوية ، ودوره في بنية الجزيئات الكبيرة له أهمية أساسية للكائنات الحية.

تتم دراسة دورة الكربون بسهولة على أنها دورتان فرعيتان مترابطتان: الأولى تتعامل مع التبادل السريع للكربون بين الكائنات الحية والأخرى تتعامل مع دورة الكربون على المدى الطويل من خلال العمليات الجيولوجية. تظهر دورة الكربون بأكملها في الشكل 46.15.

ارتباط بالتعلم

انقر فوق هذا الارتباط لقراءة معلومات حول برنامج علوم دورة الكربون بالولايات المتحدة.

دورة الكربون البيولوجية

ترتبط الكائنات الحية بطرق عديدة ، حتى بين النظم البيئية. خير مثال على هذا الارتباط هو تبادل الكربون بين ذاتية التغذية وغيرية التغذية داخل وبين النظم البيئية عن طريق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. ثاني أكسيد الكربون هو لبنة البناء الأساسية التي يستخدمها معظم autotroph لبناء مركبات متعددة الكربون عالية الطاقة ، مثل الجلوكوز. تستخدم هذه الكائنات الطاقة المستخرجة من الشمس لتكوين الروابط التساهمية التي تربط ذرات الكربون ببعضها البعض. وبالتالي تخزن هذه الروابط الكيميائية هذه الطاقة لاستخدامها لاحقًا في عملية التنفس. تحصل معظم ذاتية التغذية الأرضية على ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الغلاف الجوي ، بينما تكتسبه ذاتية التغذية البحرية في الصورة المذابة (حمض الكربونيك ، H2كو3 -). على الرغم من الحصول على ثاني أكسيد الكربون ، فإن المنتج الثانوي للعملية هو الأكسجين. كائنات التمثيل الضوئي مسؤولة عن ترسيب ما يقرب من 21 في المائة من محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي الذي نلاحظه اليوم.

تعتبر الكائنات غيرية التغذية وذات التغذية الذاتية شركاء في تبادل الكربون البيولوجي (خاصة المستهلكين الأساسيين ، والحيوانات العاشبة إلى حد كبير). تكتسب الكائنات غيرية التغذية مركبات الكربون عالية الطاقة من ذاتية التغذية عن طريق استهلاكها وتفكيكها عن طريق التنفس للحصول على الطاقة الخلوية ، مثل ATP. أكثر أنواع التنفس كفاءة ، التنفس الهوائي ، يتطلب أكسجين يتم الحصول عليه من الجو أو مذابًا في الماء. وبالتالي ، هناك تبادل مستمر للأكسجين وثاني أكسيد الكربون بين ذاتية التغذية (التي تحتاج إلى الكربون) وغيرية التغذية (التي تحتاج إلى الأكسجين). يعد تبادل الغازات عبر الغلاف الجوي والماء إحدى الطرق التي تربط بها دورة الكربون جميع الكائنات الحية على الأرض.

دورة الكربون البيوجيوكيميائية

إن حركة الكربون عبر الأرض والماء والهواء معقدة ، وفي كثير من الحالات ، تحدث بشكل أبطأ بكثير من الناحية الجيولوجية مما هو واضح بين الكائنات الحية. يتم تخزين الكربون لفترات طويلة فيما يعرف باسم خزانات الكربون ، والتي تشمل الغلاف الجوي ، وأجسام المياه السائلة (المحيطات في الغالب) ، ورواسب المحيطات ، والتربة ، ورواسب الأرض (بما في ذلك الوقود الأحفوري) ، وداخل الأرض.

كما ذكرنا ، الغلاف الجوي هو خزان رئيسي للكربون على شكل ثاني أكسيد الكربون وهو ضروري لعملية التمثيل الضوئي. يتأثر مستوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بشكل كبير بخزان الكربون في المحيطات. يؤثر تبادل الكربون بين الغلاف الجوي وخزانات المياه على مقدار الكربون الموجود في كل موقع ، ويؤثر كل منهما على الآخر بشكل تبادلي. ثاني أكسيد الكربون (CO2) من الغلاف الجوي يذوب في الماء ويتحد مع جزيئات الماء لتكوين حمض الكربونيك ، ثم يتأين إلى أيونات كربونات وبيكربونات (الشكل 46.16)

معاملات التوازن هي أن أكثر من 90 في المائة من الكربون في المحيط يوجد على شكل أيونات بيكربونات. تتحد بعض هذه الأيونات مع الكالسيوم في مياه البحر لتكوين كربونات الكالسيوم (CaCO3) ، وهو مكون رئيسي لأصداف الكائنات البحرية. تشكل هذه الكائنات في النهاية رواسب في قاع المحيط. مع مرور الوقت الجيولوجي ، تشكل كربونات الكالسيوم الحجر الجيري ، والذي يضم أكبر خزان للكربون على الأرض.

على الأرض ، يتم تخزين الكربون في التربة نتيجة تحلل الكائنات الحية (بواسطة المُحلِّلات) أو نتيجة تجوية الصخور الأرضية والمعادن. يمكن ترشيح هذا الكربون في خزانات المياه عن طريق الجريان السطحي. يوجد وقود أحفوري في أعماق الأرض ، على اليابسة وفي البحر: بقايا النباتات المتحللة اللاهوائية التي يستغرق تشكيلها ملايين السنين. يعتبر الوقود الأحفوري موردًا غير متجدد لأن استخدامه يتجاوز بكثير معدل تكوينه. المورد غير المتجدد ، مثل الوقود الأحفوري ، إما يتجدد ببطء شديد أو لا يتجدد على الإطلاق. هناك طريقة أخرى لدخول الكربون إلى الغلاف الجوي وهي من اليابسة (بما في ذلك الأرض تحت سطح المحيط) عن طريق ثوران البراكين وأنظمة الطاقة الحرارية الأرضية الأخرى. يتم أخذ رواسب الكربون من قاع المحيط في أعماق الأرض من خلال عملية الاندساس: حركة إحدى الصفائح التكتونية تحت الأخرى. ينطلق الكربون في صورة ثاني أكسيد الكربون عندما ينفجر البركان أو من الفتحات الحرارية المائية البركانية.

يساهم البشر في الكربون الموجود في الغلاف الجوي عن طريق حرق الوقود الأحفوري والمواد الأخرى. منذ الثورة الصناعية ، زاد البشر بشكل كبير من إطلاق مركبات الكربون والكربون ، مما أثر بدوره على المناخ والبيئة بشكل عام.

كما أن تربية الإنسان للحيوان تزيد من نسبة الكربون في الغلاف الجوي. تؤدي الأعداد الكبيرة من الحيوانات البرية التي يتم تربيتها لإطعام سكان الأرض المتزايدين إلى زيادة مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بسبب ممارسات الزراعة والتنفس وإنتاج الميثان. هذا مثال آخر على كيفية تأثير النشاط البشري بشكل غير مباشر على الدورات البيوجيوكيميائية بطريقة ملحوظة. على الرغم من أن الكثير من الجدل حول الآثار المستقبلية لزيادة الكربون في الغلاف الجوي على تغير المناخ يركز على الوقود الأحفوري ، فإن العلماء يأخذون العمليات الطبيعية ، مثل البراكين والتنفس ، في الاعتبار أثناء نمذجة وتوقع التأثير المستقبلي لهذه الزيادة.

دورة النيتروجين

من الصعب إدخال النيتروجين إلى العالم الحي. النباتات والعوالق النباتية غير مجهزة لدمج النيتروجين من الغلاف الجوي (الموجود على شكل N تساهمية ثلاثية الترابط بإحكام.2) على الرغم من أن هذا الجزيء يشتمل على حوالي 78 بالمائة من الغلاف الجوي. يدخل النيتروجين إلى العالم الحي عبر بكتيريا تعيش بحرية وتكافل ، والتي تدمج النيتروجين في جزيئاتها الكبيرة من خلال تثبيت النيتروجين (تحويل N2). تعيش البكتيريا الزرقاء في معظم النظم البيئية المائية حيث يوجد ضوء الشمس ، فهي تلعب دورًا رئيسيًا في تثبيت النيتروجين. البكتيريا الزرقاء قادرة على استخدام مصادر غير عضوية للنيتروجين "لتثبيت" النيتروجين. ريزوبيوم تعيش البكتيريا بشكل تكافلي في العقيدات الجذرية للبقوليات (مثل البازلاء والفول والفول السوداني) وتزودها بالنيتروجين العضوي الذي تحتاجه. (على سبيل المثال ، غالبًا ما يزرع البستانيون البازلاء من أجل إنتاجهم ولإضافة النيتروجين بشكل طبيعي إلى التربة. تعود هذه الممارسة إلى العصور القديمة ، حتى لو كان العلم قد تم فهمه مؤخرًا فقط.) البكتيريا الحرة ، مثل أزوتوباكتر، هي أيضًا من المثبتات المهمة للنيتروجين.

النيتروجين العضوي مهم بشكل خاص لدراسة ديناميات النظام البيئي لأن العديد من عمليات النظام البيئي ، مثل الإنتاج الأولي والتحلل ، محدودة بسبب الإمداد المتاح من النيتروجين. كما هو مبين في الشكل 46.17 ، يتم تحويل النيتروجين الذي يدخل الأنظمة الحية عن طريق تثبيت النيتروجين على التوالي من النيتروجين العضوي مرة أخرى إلى غاز النيتروجين بواسطة البكتيريا. تحدث هذه العملية في ثلاث خطوات في الأنظمة الأرضية: ammonification ، و nitrification ، ونزع النتروجين. أولاً ، تقوم عملية التحصين بتحويل النفايات النيتروجينية من الحيوانات الحية أو من بقايا الحيوانات الميتة إلى أمونيوم (NH4 +) بواسطة بعض البكتيريا والفطريات. ثانيًا ، يتم تحويل الأمونيوم إلى نتريت (NO2 -) عن طريق البكتيريا الآزوتية ، مثل نيتروسوموناس، من خلال النترجة. بعد ذلك ، يتم تحويل النتريت إلى نترات (NO3 -) بواسطة كائنات مماثلة. ثالثًا ، تحدث عملية نزع النتروجين ، حيث تحدث البكتيريا ، مثل الزائفة و المطثية، وتحويل النترات إلى غاز النيتروجين ، مما يسمح لها بدخول الغلاف الجوي مرة أخرى.

اتصال مرئي

أي العبارات التالية خاطئة عن دورة النيتروجين؟

  1. يحول Ammonification المواد النيتروجينية العضوية من الكائنات الحية إلى الأمونيوم (NH4 + ).
  2. نزع النتروجين بواسطة البكتيريا يحول النترات (NO3 -) لغاز النيتروجين (N2).
  3. النترجة بواسطة البكتيريا يحول النترات (NO3 -) لنتريت (NO2 − ).
  4. تقوم بكتيريا تثبيت النيتروجين بتحويل غاز النيتروجين (N2) في مركبات عضوية.

يمكن للنشاط البشري إطلاق النيتروجين في البيئة من خلال وسيلتين أساسيتين: احتراق الوقود الأحفوري ، الذي يطلق أكاسيد النيتروجين المختلفة ، وباستخدام الأسمدة الاصطناعية في الزراعة ، والتي يتم غسلها بعد ذلك في البحيرات والجداول والأنهار عن طريق الجريان السطحي. يرتبط النيتروجين في الغلاف الجوي بالعديد من التأثيرات على النظم البيئية للأرض بما في ذلك إنتاج المطر الحمضي (مثل حمض النيتريك ، HNO3) وغازات الاحتباس الحراري (مثل أكسيد النيتروز ، N2س) يحتمل أن يسبب تغير المناخ. التأثير الرئيسي لجريان الأسمدة هو إغناء المياه المالحة والمياه العذبة بالمغذيات ، وهي عملية يتسبب فيها جريان المغذيات في النمو الزائد للكائنات الدقيقة ، واستنفاد مستويات الأكسجين المذاب وقتل حيوانات النظام البيئي.

تحدث عملية مماثلة في دورة النيتروجين البحري ، حيث يتم إجراء عمليات ammonification ، والنترة ، ونزع النتروجين بواسطة البكتيريا البحرية. يسقط بعض هذا النيتروجين في قاع المحيط كرواسب ، والتي يمكن بعد ذلك نقلها إلى اليابسة في الزمن الجيولوجي عن طريق رفع سطح الأرض وبالتالي دمجها في الصخور الأرضية. على الرغم من أن حركة النيتروجين من الصخور مباشرة إلى الأنظمة الحية كان يُنظر إليها تقليديًا على أنها غير مهمة مقارنة بالنيتروجين الثابت من الغلاف الجوي ، فقد أظهرت دراسة حديثة أن هذه العملية قد تكون مهمة بالفعل ويجب تضمينها في أي دراسة لدورة النيتروجين العالمية. 3

دورة الفوسفور

يعتبر الفوسفور من العناصر الغذائية الأساسية للعمليات الحية ، فهو مكون رئيسي من الحمض النووي والفوسفوليبيد ، وكفوسفات الكالسيوم ، يشكل المكونات الداعمة لعظامنا. غالبًا ما يكون الفوسفور هو العنصر الغذائي المحدد (الضروري للنمو) في النظم الإيكولوجية المائية (الشكل 46.18).

يحدث الفوسفور في الطبيعة مثل أيون الفوسفات (PO4 3−). بالإضافة إلى الجريان السطحي للفوسفات نتيجة للنشاط البشري ، يحدث الجريان السطحي الطبيعي عند ارتشائه من الصخور المحتوية على الفوسفات عن طريق التجوية ، وبالتالي إرسال الفوسفات إلى الأنهار والبحيرات والمحيطات. تعود أصول هذه الصخرة إلى المحيط. تتكون رواسب المحيطات المحتوية على الفوسفات بشكل أساسي من أجسام الكائنات الحية المحيطية ومن إفرازاتها. ومع ذلك ، في المناطق النائية ، قد يكون الرماد البركاني ، والهباء الجوي ، والغبار المعدني مصادر مهمة للفوسفات. ثم يتم نقل هذه الرواسب إلى اليابسة على مدار الزمن الجيولوجي عن طريق رفع مناطق سطح الأرض.

يتم أيضًا تبادل الفوسفور بشكل متبادل بين الفوسفات المذاب في المحيط والنظم الإيكولوجية البحرية. حركة الفوسفات من المحيط إلى الأرض وعبر التربة بطيئة للغاية ، حيث يبلغ متوسط ​​أيون الفوسفات فترة بقاء محيطية بين 20000 و 100000 سنة.

كما نوقش في الفصل 44 ، يتسبب الفسفور الزائد والنيتروجين الذي يدخل في هذه النظم البيئية من جريان الأسمدة ومن مياه الصرف الصحي في النمو المفرط للكائنات الدقيقة واستنفاد الأكسجين الذائب ، مما يؤدي إلى موت العديد من حيوانات النظام البيئي ، مثل المحار والأسماك الزعنفية. هذه العملية مسؤولة عن المناطق الميتة في البحيرات وعند مصبات العديد من الأنهار الرئيسية (الشكل 46.19).

كما تمت مناقشته سابقًا ، فإن المنطقة الميتة هي منطقة داخل نظام إيكولوجي للمياه العذبة أو البحرية حيث يتم استنفاد مساحات كبيرة من النباتات والحيوانات الطبيعية ، يمكن أن تكون هذه المناطق ناتجة عن التخثث ، وانسكاب النفط ، وإلقاء المواد الكيميائية السامة ، والأنشطة البشرية الأخرى. يتزايد عدد المناطق الميتة منذ عدة سنوات ، وأكثر من 400 من هذه المناطق كانت موجودة اعتبارًا من عام 2008. واحدة من أسوأ المناطق الميتة هي قبالة سواحل الولايات المتحدة في خليج المكسيك ، حيث جريان الأسمدة من أنشأ حوض نهر المسيسيبي منطقة ميتة تزيد مساحتها عن 8463 ميل مربع. كما يؤثر جريان الفوسفات والنترات من الأسمدة سلبًا على العديد من النظم البيئية للبحيرات والخليج بما في ذلك خليج تشيسابيك في شرق الولايات المتحدة.

اتصال يومي

منطقة شيسبيكا

لطالما تم تقييم خليج تشيسابيك كواحد من أكثر المناطق ذات المناظر الخلابة على وجه الأرض وهو الآن في محنة ومعترف به كنظام بيئي متدهور. في سبعينيات القرن الماضي ، كان خليج تشيسابيك من أوائل النظم البيئية التي حددت المناطق الميتة ، والتي تستمر في قتل العديد من الأسماك والأنواع التي تعيش في القاع ، مثل المحار ، والمحار ، والديدان. تراجعت العديد من الأنواع في خليج تشيسابيك بسبب جريان المياه السطحية الذي يحتوي على مغذيات زائدة من الأسمدة الاصطناعية المستخدمة على الأرض. لا يقتصر مصدر الأسمدة (التي تحتوي على نسبة عالية من النيتروجين والفوسفات) على الممارسات الزراعية. هناك العديد من المناطق الحضرية القريبة وأكثر من 150 نهراً وجداول تصب في الخليج وتحمل جريان الأسمدة من المروج والحدائق. وبالتالي ، فإن تدهور خليج تشيسابيك هو قضية معقدة وتتطلب تعاون الصناعة والزراعة وأصحاب المنازل اليومية.

من الأهمية بمكان أنصار الحفاظ على البيئة هو تجمعات المحار ، حيث تشير التقديرات إلى وجود أكثر من 200000 فدان من شعاب المحار في الخليج في القرن الثامن عشر الميلادي ، ولكن هذا العدد انخفض الآن إلى 36000 فدان فقط. كان حصاد المحار في يوم من الأيام صناعة رئيسية في خليج تشيسابيك ، لكنه انخفض بنسبة 88 في المائة بين عامي 1982 و 2007. لم يكن هذا الانخفاض بسبب جريان الأسمدة والمناطق الميتة فحسب ، بل أيضًا إلى الإفراط في الحصاد. يتطلب المحار كثافة سكانية دنيا معينة لأنه يجب أن يكون على مقربة من التكاثر. لقد أدى النشاط البشري إلى تغيير أعداد المحار ومواقعه ، مما أدى إلى اضطراب كبير في النظام البيئي.

استمرت عملية استعادة تجمعات المحار في خليج تشيسابيك منذ عدة سنوات وحققت نجاحًا متباينًا. لا يجد الكثير من الناس المحار جيدًا للأكل فحسب ، بل إنهم ينظفون الخليج أيضًا. المحار عبارة عن مغذيات بالترشيح ، وعندما يأكلون ، ينظفون الماء من حولهم. في القرن الثامن عشر الميلادي ، كان من المقدر أن الأمر استغرق بضعة أيام فقط لتجمع المحار لتصفية الحجم الكامل للخليج. اليوم ، مع تغير ظروف المياه ، تشير التقديرات إلى أن السكان الحاليين سيستغرقون ما يقرب من عام للقيام بنفس العمل.

استمرت جهود الاستعادة لعدة سنوات من قبل المنظمات غير الربحية ، مثل مؤسسة خليج تشيسابيك. هدف الاستعادة هو إيجاد طريقة لزيادة الكثافة السكانية حتى يتمكن المحار من التكاثر بكفاءة أكبر. تتوفر الآن العديد من الأصناف المقاومة للأمراض (التي تم تطويرها في معهد فيرجينيا للعلوم البحرية لكلية وليام وماري) وقد تم استخدامها في بناء الشعاب المرجانية التجريبية. تم إعاقة جهود تنظيف الخليج وترميمه من قبل فرجينيا وديلاوير لأن الكثير من التلوث الذي يدخل الخليج يأتي من ولايات أخرى ، مما يؤكد الحاجة إلى التعاون بين الولايات لتحقيق الاستعادة الناجحة.

كما أن سلالات المحار الشهية الجديدة قد ولدت أيضًا صناعة جديدة ومجدية اقتصاديًا - تربية الأحياء المائية للمحار - والتي لا تزود المحار فقط بالطعام والربح ، ولكن لها أيضًا فائدة إضافية تتمثل في تنظيف الخليج.

دورة الكبريت

الكبريت عنصر أساسي في الجزيئات الكبيرة للكائنات الحية. كجزء من حمض السيستين الأميني ، يشارك في تكوين روابط ثاني كبريتيد داخل البروتينات ، مما يساعد على تحديد أنماط طيها ثلاثية الأبعاد ، وبالتالي وظائفها. كما هو مبين في الشكل 46.21 ، دورات الكبريت بين المحيطات والأرض والغلاف الجوي. تم العثور على الكبريت الجوي في شكل ثاني أكسيد الكبريت (SO2) ويدخل الغلاف الجوي بثلاث طرق: من تحلل الجزيئات العضوية ، ومن النشاط البركاني والفتحات الحرارية الأرضية ، ومن حرق الوقود الأحفوري بواسطة البشر.

على الأرض ، يتم ترسيب الكبريت بأربع طرق رئيسية: هطول الأمطار ، والتساقط المباشر من الغلاف الجوي ، وتجوية الصخور ، والفتحات الحرارية الأرضية (الشكل 46.21). تم العثور على الكبريت الجوي في شكل ثاني أكسيد الكبريت (SO2) ، ومع هطول الأمطار في الغلاف الجوي ، يذوب الكبريت على شكل حمض كبريتي ضعيف (H2وبالتالي3). يمكن أن يسقط الكبريت أيضًا مباشرة من الغلاف الجوي في عملية تسمى السقوط. كما أن تجوية الصخور المحتوية على الكبريت تطلق الكبريت في التربة. تنشأ هذه الصخور من رواسب المحيطات التي تنتقل إلى اليابسة عن طريق الرفع الجيولوجي لرواسب المحيطات. يمكن للنظم البيئية الأرضية بعد ذلك الاستفادة من كبريتات التربة هذه (SO 4 - SO 4 -) ، وعند موت هذه الكائنات الحية وتحللها ، يتم إطلاق الكبريت مرة أخرى في الغلاف الجوي على شكل كبريتيد الهيدروجين (H2ق) الغاز.

يدخل الكبريت إلى المحيط عن طريق الجريان السطحي من الأرض ، ومن تداعيات الغلاف الجوي ، ومن فتحات الطاقة الحرارية الأرضية تحت الماء. تعتمد بعض النظم البيئية (الشكل 46.9) على المغذيات الكيميائية التي تستخدم الكبريت كمصدر للطاقة البيولوجية. ثم يدعم هذا الكبريت النظم البيئية البحرية في شكل كبريتات.

لعبت الأنشطة البشرية دورًا رئيسيًا في تغيير توازن دورة الكبريت العالمية. يؤدي حرق كميات كبيرة من الوقود الأحفوري ، وخاصة من الفحم ، إلى إطلاق كميات أكبر من غاز كبريتيد الهيدروجين في الغلاف الجوي. ينتج المطر الحمضي عن سقوط مياه الأمطار على الأرض من خلال غاز ثاني أكسيد الكبريت ، مما يحولها إلى حمض كبريتيك ضعيف. تدمر الأمطار الحمضية البيئة الطبيعية عن طريق خفض درجة الحموضة في البحيرات ، مما يؤدي إلى قتل العديد من الحيوانات المقيمة كما أنها تؤثر على البيئة التي يصنعها الإنسان من خلال التدهور الكيميائي للمباني. على سبيل المثال ، تعرضت العديد من الآثار الرخامية ، مثل نصب لنكولن التذكاري في واشنطن العاصمة ، لأضرار كبيرة من الأمطار الحمضية على مر السنين.


شكوى DMCA

إذا كنت تعتقد أن المحتوى المتاح عن طريق موقع الويب (كما هو محدد في شروط الخدمة الخاصة بنا) ينتهك واحدًا أو أكثر من حقوق الطبع والنشر الخاصة بك ، فيرجى إخطارنا من خلال تقديم إشعار كتابي ("إشعار الانتهاك") يحتوي على المعلومات الموضحة أدناه إلى الجهة المعينة الوكيل المذكور أدناه. إذا اتخذ Varsity Tutors إجراءً ردًا على إشعار الانتهاك ، فسيحاول بحسن نية الاتصال بالطرف الذي جعل هذا المحتوى متاحًا عن طريق عنوان البريد الإلكتروني الأحدث ، إن وجد ، الذي قدمه هذا الطرف إلى Varsity Tutor.

قد تتم إعادة توجيه إشعار الانتهاك الخاص بك إلى الطرف الذي جعل المحتوى متاحًا أو إلى جهات خارجية مثل ChillingEffects.org.

يُرجى العلم أنك ستكون مسؤولاً عن التعويضات (بما في ذلك التكاليف وأتعاب المحاماة) إذا لم تُثبت بالدليل المادي أن منتجًا أو نشاطًا ما ينتهك حقوق الطبع والنشر الخاصة بك. وبالتالي ، إذا لم تكن متأكدًا من أن المحتوى الموجود على الموقع الإلكتروني أو المرتبط به ينتهك حقوق الطبع والنشر الخاصة بك ، فيجب أن تفكر أولاً في الاتصال بمحامٍ.

الرجاء اتباع هذه الخطوات لتقديم إشعار:

يجب عليك تضمين ما يلي:

توقيع مادي أو إلكتروني لمالك حقوق الطبع والنشر أو شخص مخول بالتصرف نيابة عنه تعريف بحقوق النشر المزعوم انتهاكها وصفًا لطبيعة وموقع المحتوى الذي تدعي أنه ينتهك حقوق الطبع والنشر الخاصة بك ، بما يكفي التفاصيل للسماح للمدرسين المختلفين بالعثور على هذا المحتوى وتحديده بشكل إيجابي ، على سبيل المثال ، نطلب رابطًا إلى السؤال المحدد (وليس فقط اسم السؤال) الذي يحتوي على المحتوى ووصف أي جزء معين من السؤال - صورة ، أو الرابط والنص وما إلى ذلك - تشير شكواك إلى اسمك وعنوانك ورقم هاتفك وعنوان بريدك الإلكتروني وبيان من جانبك: (أ) تعتقد بحسن نية أن استخدام المحتوى الذي تدعي أنه ينتهك حقوق الطبع والنشر الخاصة بك هو غير مصرح به بموجب القانون ، أو من قبل مالك حقوق الطبع والنشر أو وكيل المالك (ب) أن جميع المعلومات الواردة في إشعار الانتهاك الخاص بك دقيقة ، و (ج) تحت طائلة عقوبة الحنث باليمين ، أنك إما مالك حقوق الطبع والنشر أو شخص مخول بالتصرف نيابة عنه.

أرسل شكواك إلى وكيلنا المعين على:

تشارلز كوهن فارسيتي توتورز ذ م م
101 طريق هانلي ، جناح 300
سانت لويس ، مو 63105


دورة الكربون السريعة

يتم قياس الوقت الذي يستغرقه الكربون للتحرك خلال دورة الكربون السريعة في العمر الافتراضي. إن دورة الكربون السريعة هي إلى حد كبير حركة الكربون من خلال أشكال الحياة على الأرض ، أو المحيط الحيوي. ما بين 10 15 و 10 17 جرامًا (1،000 إلى 100،000 مليون طن متري) من الكربون تتحرك خلال دورة الكربون السريعة كل عام.

يلعب الكربون دورًا أساسيًا في علم الأحياء نظرًا لقدرته على تكوين العديد من الروابط و mdashup إلى أربعة لكل ذرة و mdashin مجموعة متنوعة لا نهاية لها على ما يبدو من الجزيئات العضوية المعقدة. تحتوي العديد من الجزيئات العضوية على ذرات كربون شكلت روابط قوية مع ذرات كربون أخرى ، وتتحد في سلاسل وحلقات طويلة. سلاسل وحلقات الكربون هذه هي أساس الخلايا الحية. على سبيل المثال ، يتكون الحمض النووي من جزيئين متشابكين مبنيين حول سلسلة كربون.

الروابط في سلاسل الكربون الطويلة تحتوي على الكثير من الطاقة. عندما تنفصل السلاسل ، يتم تحرير الطاقة المخزنة. تجعل هذه الطاقة جزيئات الكربون مصدرًا ممتازًا للوقود لجميع الكائنات الحية.

أثناء البناء الضوئي ، تمتص النباتات ثاني أكسيد الكربون وضوء الشمس لتوليد الوقود و mdashglucose والسكريات الأخرى و [مدش] لبناء الهياكل النباتية. تشكل هذه العملية أساس دورة الكربون (البيولوجية) السريعة. (رسم توضيحي مقتبس من P.J. Sellers et al. ، 1992.)

النباتات والعوالق النباتية هي المكونات الرئيسية لدورة الكربون السريعة. العوالق النباتية (الكائنات الحية الدقيقة في المحيط) والنباتات تأخذ ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي عن طريق امتصاصه في خلاياها. باستخدام الطاقة من الشمس ، تجمع كل من النباتات والعوالق بين ثاني أكسيد الكربون (CO2) والماء لتكوين السكر (CH2س) والأكسجين. يبدو التفاعل الكيميائي كالتالي:

يمكن أن تحدث أربعة أشياء لنقل الكربون من النبات وإعادته إلى الغلاف الجوي ، لكن جميعها تنطوي على نفس التفاعل الكيميائي. تكسر النباتات السكر للحصول على الطاقة التي يحتاجونها للنمو. تأكل الحيوانات (بما في ذلك البشر) النباتات أو العوالق ، وتكسر سكر النبات للحصول على الطاقة. تموت النباتات والعوالق وتتحلل (تأكلها البكتيريا) في نهاية موسم النمو. أو النار تستهلك النباتات. في كل حالة ، يتحد الأكسجين مع السكر لإطلاق الماء وثاني أكسيد الكربون والطاقة. يبدو التفاعل الكيميائي الأساسي كما يلي:

في جميع العمليات الأربع ، عادةً ما ينتهي ثاني أكسيد الكربون المنطلق في التفاعل في الغلاف الجوي. ترتبط دورة الكربون السريعة ارتباطًا وثيقًا بالحياة النباتية بحيث يمكن رؤية موسم النمو بالطريقة التي يتقلب بها ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. في فصل الشتاء في نصف الكرة الشمالي ، عندما ينمو عدد قليل من النباتات البرية ويتحلل الكثير منها ، ترتفع تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. خلال الربيع ، عندما تبدأ النباتات في النمو مرة أخرى ، تنخفض التركيزات. يبدو الأمر كما لو أن الأرض تتنفس.

إن المد والجزر لدورة الكربون السريعة مرئي في المواسم المتغيرة. نظرًا لأن كتل اليابسة الكبيرة في نصف الكرة الشمالي خضراء في الربيع والصيف ، فإنها تسحب الكربون من الغلاف الجوي. يوضح هذا الرسم البياني الاختلاف في مستويات ثاني أكسيد الكربون عن الشهر السابق ، مع إزالة الاتجاه طويل المدى.

تبلغ هذه الدورة ذروتها في أغسطس ، حيث يتم سحب حوالي 2 جزء في المليون من ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي. في الخريف والشتاء ، مع موت الغطاء النباتي في نصف الكرة الشمالي ، يؤدي التحلل والتنفس إلى عودة ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي.

تُظهر هذه الخرائط صافي الإنتاجية الأولية (كمية الكربون التي تستهلكها النباتات) على الأرض (الخضراء) وفي المحيطات (الزرقاء) خلال شهري أغسطس وديسمبر 2010. في أغسطس ، تمثل المناطق الخضراء في أمريكا الشمالية وأوروبا وآسيا النباتات باستخدام الكربون من الغلاف الجوي للنمو. في كانون الأول (ديسمبر) ، كانت الإنتاجية الأولية الصافية عند خطوط العرض العالية سلبية ، مما يفوق الزيادة الموسمية في الغطاء النباتي في نصف الكرة الجنوبي. نتيجة لذلك ، تزداد كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.

(رسم بياني بواسطة Marit Jentoft-Nilsen و Robert Simmon ، باستخدام بيانات من مختبر أبحاث نظام الأرض NOAA. خرائط بواسطة Robert Simmon و Reto St & oumlckli ، باستخدام بيانات MODIS.)


46.3C: دورة الكربون - علم الأحياء

من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية والنشاط التكتوني ، يستغرق الكربون ما بين 100-200 مليون سنة للتنقل بين الصخور والتربة والمحيطات والغلاف الجوي في دورة الكربون البطيئة. في المتوسط ​​، يتحرك 10 13 إلى 10 14 جرامًا (10 & ndash100 مليون طن متري) من الكربون خلال دورة الكربون البطيئة كل عام. وبالمقارنة ، فإن انبعاثات الكربون البشرية في الغلاف الجوي هي في حدود 10 15 جرامًا ، بينما تتحرك دورة الكربون السريعة من 10 إلى 10 17 جرامًا من الكربون سنويًا.

تبدأ حركة الكربون من الغلاف الجوي إلى الغلاف الصخري (الصخور) بالمطر. يتحد الكربون الجوي مع الماء لتكوين حمض ضعيف وحمض مدشربونيك و [مدش] يسقط على السطح في المطر. يقوم الحمض بإذابة الصخور وعملية مدشة تسمى التجوية الكيميائية و mdashand يطلق الكالسيوم أو المغنيسيوم أو البوتاسيوم أو أيونات الصوديوم. الأنهار تحمل الأيونات إلى المحيط.

الأنهار تحمل أيونات الكالسيوم و [مدش] نتيجة التجوية الكيميائية للصخور و [مدشنتو] المحيط حيث تتفاعل مع الكربونات الذائبة في الماء. ثم يتم ترسيب ناتج هذا التفاعل ، كربونات الكالسيوم ، في قاع المحيط ، حيث يتحول إلى حجر جيري. (تصوير ونسخ 2009 جريج كارلي.)

في المحيط ، تتحد أيونات الكالسيوم مع أيونات البيكربونات لتكوين كربونات الكالسيوم ، والمكون النشط في مضادات الحموضة والمادة البيضاء الطباشيرية التي تجف على الصنبور إذا كنت تعيش في منطقة بها ماء عسر. في المحيطات الحديثة ، يتكون معظم كربونات الكالسيوم من كائنات بناء القواقع (التكلس) (مثل الشعاب المرجانية) والعوالق (مثل coccolithophores و foraminifera). بعد موت الكائنات الحية ، تغرق في قاع البحر. بمرور الوقت ، يتم لصق طبقات من الأصداف والرواسب معًا وتتحول إلى الصخور ، وتخزين الكربون في الحجر و mdashlimestone ومشتقاته.

الحجر الجيري ، أو ابن عمه المتحولة ، الرخام ، هو صخر مصنوع أساسًا من كربونات الكالسيوم. غالبًا ما تتشكل هذه الأنواع من الصخور من أجسام النباتات والحيوانات البحرية ، ويمكن الحفاظ على أصدافها وهياكلها العظمية كأحفاف. يمكن تخزين الكربون المحبوس في الحجر الجيري لملايين و [مدشور] حتى مئات الملايين و [مدشوف من السنين. (صورة ونسخة 2008 Rookuzz (هم).)

فقط 80 في المائة من الصخور المحتوية على الكربون تصنع بهذه الطريقة. تحتوي نسبة الـ 20 بالمائة المتبقية على الكربون من الكائنات الحية (الكربون العضوي) التي تم دمجها في طبقات من الطين. تضغط الحرارة والضغط على الطين والكربون على مدى ملايين السنين ، وتشكل الصخور الرسوبية مثل الصخر الزيتي. في حالات خاصة ، عندما تتراكم المادة النباتية الميتة بشكل أسرع مما يمكن أن تتحلل ، تصبح طبقات الكربون العضوي زيتًا أو فحمًا أو غازًا طبيعيًا بدلاً من الصخور الرسوبية مثل الصخر الزيتي.

كان هذا التماس الفحم في اسكتلندا في الأصل عبارة عن طبقة من الرواسب غنية بالكربون العضوي. The sedimentary layer was eventually buried deep underground, and the heat and pressure transformed it into coal. 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

منطقة شيسبيكا

Figure 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. The source of the fertilizers (with high nitrogen and phosphate content) is not limited to agricultural practices. هناك العديد من المناطق الحضرية القريبة وأكثر من 150 نهراً وجداول تصب في الخليج وتحمل جريان الأسمدة من المروج والحدائق. 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. يتطلب المحار كثافة سكانية دنيا معينة لأنه يجب أن يكون على مقربة من التكاثر. Human activity has altered the oyster population and locations, thus greatly disrupting the ecosystem.

استمرت عملية استعادة تجمعات المحار في خليج تشيسابيك منذ عدة سنوات وحققت نجاحًا متباينًا. 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. في القرن الثامن عشر الميلادي ، كان من المقدر أن الأمر استغرق بضعة أيام فقط لتجمع المحار لتصفية الحجم الكامل للخليج. 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. هدف الاستعادة هو إيجاد طريقة لزيادة الكثافة السكانية حتى يتمكن المحار من التكاثر بكفاءة أكبر. تتوفر الآن العديد من الأصناف المقاومة للأمراض (التي تم تطويرها في معهد فيرجينيا للعلوم البحرية لكلية وليام وماري) وقد تم استخدامها في بناء الشعاب المرجانية التجريبية. 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.

كما أن سلالات المحار الشهية الجديدة قد ولدت أيضًا صناعة جديدة ومجدية اقتصاديًا - تربية الأحياء المائية للمحار - والتي لا تزود المحار فقط بالطعام والربح ، ولكن لها أيضًا فائدة إضافية تتمثل في تنظيف الخليج.


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 دورة الكربون, 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.

ملخص

  • 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.