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lunedì 15 aprile 2019

IL CICLO BIOLOGICO DEL CARBONIO O CICLO VELOCE, di Rosa M Mistretta


la scuola del sapere




La biologia ha un ruolo importante nel ciclo del Carbonio con i processi di fotosintesi e di respirazione. Praticamente tutta la vita multicellulare sulla Terra dipende dalla produzione di zuccheri attivata dalla luce solare, dal biossido di Carbonio (fotosintesi) e dalla disgregazione metabolica (respirazione) degli zuccheri per produrre l’energia necessaria per il movimento, la crescita e la riproduzione. Gli autotrofi catturano l'anidride carbonica dall'aria o gli ioni bicarbonato dall'acqua e li usano per produrre composti organici come il glucosio. Gli eterotrofi, o altri alimentatori, come gli animali, consumano le molecole organiche e il Carbonio organico prende parte alle catene alimentari.


Durante la fotosintesi, le piante assorbono anidride carbonica e luce solare per creare glucosio e altri zuccheri, per costruire le strutture a esse utili. Per liberare l'energia immagazzinata in molecole contenenti Carbonio, come gli zuccheri, gli autotrofi e gli eterotrofi rompono queste molecole in un processo chiamato respirazione: gli atomi di carbonio della molecola sono rilasciati come anidride carbonica. I decompositori rilasciano anche composti organici e anidride carbonica quando agiscono su organismi morti e prodotti di scarto.
Il carbonio nella biomassa è presente in forma inorganica ossidata come CO2 oppure in forma organica ridotta rappresentata dai carboidrati di formula n(CH2OH).
La circolazione del Carbonio avviene attraverso due fasi: l’uno sulla terraferma, l'altro nel mare.
Nell’oceano il fitoplancton fissa l'anidride carbonica per mezzo del processo della fotosintesi:

6 CO2 + 6 H2O >>>> C6 H12 O6 + 6 O2

La respirazione, il processo inverso della fotosintesi, restituisce l'anidride carbonica utilizzata per produrre energia utile agli esseri viventi.
Il carbonio, ossidato nei processi biologici, va a costituire parti scheletriche e di rivestimento di animali marini che morendo si depositano sui fondali e vanno a far parte dei sedimenti.
Esiste una correlazione tra ecosistema terrestre e quello marino?

 Il deflusso superficiale è la risposta al quesito, in quanto lo scorrimento delle acque trasporta una parte della biomassa terrestre morta accanto alla biomassa marina morta.
I residui organici della biomassa terrestre, materia organica di animali e di piante vissuti milioni di anni fa, che hanno formato carbone e petrolio, oggi si possono utilizzare come combustibili fossili.  In questo modo si restituisce energia che era stata immagazzinata e intrappolata per millenni nei sedimenti.
Nel periodo pre-Rivoluzione Industriale, il sistema Terra è in rigoroso equilibrio: le quantità in entrata nei singoli serbatoi coincidono con quelle in uscita.
Dopo l'avvento dell'industrializzazione è opportuno aggiungere una freccia in uscita dalla litosfera verso l'atmosfera che indica la quantità di combustibili fossili bruciati dall’attività industriale, circa 5 miliardi di tonnellate all'anno con conseguente addizione di CO2 industriale alla atmosfera.
Occorre, inoltre, aggiungere l'opera dei cementifici, identificata con una freccia in uscita dalla litosfera verso l'atmosfera, esplicata dalla seguente reazione che avviene in condizioni di alta temperatura

 CaCO3 >>>>> CaO + CO2

La freccia non indica un flusso perché non ha un ciclo di ritorno e porta tutto il sistema al disequilibrio.
Negli ultimi anni la selvaggia deforestazione di vaste aree territoriali ha influito sul naturale equilibrio dell'ecosistema terrestre di un valore di materiale a senso unico senza ritorno. Le piante e il fitoplancton sono i componenti principali del ciclo del Carbonio veloce. Le piante assorbono anidride carbonica (CO2) dall'atmosfera durante la fotosintesi e rilasciano CO2 nell'atmosfera durante la respirazione attraverso le seguenti reazioni chimiche:

Respirazione:
C6 H12 O6 (sostanza organica) + 6O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energia

Fotosintesi:
Energia (luce solare) + 6CO 2 + H 2 O → C 6 H 12 O6 + 6O 2

Attraverso la fotosintesi, le piante verdi usano l’energia solare per trasformare l'anidride carbonica atmosferica in carboidrati (zuccheri). Le piante e gli animali usano i carboidrati attraverso un processo chiamato respirazione, il processo opposto alla fotosintesi, che modifica i carboidrati in biossido di Carbonio, che a sua volta è rilasciato nell'atmosfera. La quantità di Carbonio assorbita dalla fotosintesi, rilasciata di nuovo in atmosfera dalla respirazione, ogni anno è circa 1.000 volte maggiore della quantità di Carbonio che si muove nel ciclo geologico (lento) su base annuale.

In tutti i processi, l'anidride carbonica rilasciata nella reazione di solito finisce nell'atmosfera. Il ciclo del Carbonio veloce è così strettamente legato alla vita vegetale che la stagione di crescita può essere indicata dal modo in cui l'anidride carbonica fluttua nell'atmosfera. Nell'inverno dell'emisfero nord, quando poche piante terrestri crescono e molte sono in decomposizione, le concentrazioni atmosferiche di anidride carbonica aumentano. Durante la primavera, quando le piante ricominciano a crescere, le concentrazioni diminuiscono. Lo squilibrio si riflette nei cambiamenti stagionali delle concentrazioni atmosferiche di CO2. Durante l'inverno nell'emisfero settentrionale, la fotosintesi cessa quando molte piante perdono le foglie, ma la respirazione continua. 

Questa condizione porta a un aumento delle concentrazioni atmosferiche di CO2. Con l'inizio della primavera, tuttavia, la fotosintesi riprende e le concentrazioni atmosferiche di CO2 sono ridotte. Il ciclo raggiunge il picco a agosto, con circa 2 ppm di anidride carbonica estratta dall'atmosfera. In autunno e in inverno, mentre la vegetazione ritorna nell'emisfero settentrionale, la decomposizione e la respirazione restituiscono l'anidride carbonica nell'atmosfera.
La variazione non si manifesta solo nel corso delle stagioni ma è anche in ambito giornaliero. Durante il giorno nella stagione vegetativa, le foglie stimolate dalla luce solare assorbono l'anidride carbonica dall'atmosfera. Allo stesso tempo piante, animali e microorganismi del suolo trasformano il Carbonio in materia organica e restituiscono l'anidride carbonica nell'atmosfera. La fotosintesi si arresta di notte quando il sole non fornisce l’energia utile per la reazione, sebbene la respirazione continui.

Nel complesso Il Carbonio si sposta rapidamente attraverso questo percorso biologico, specialmente negli ecosistemi acquatici. Complessivamente, si stima che tra 1.000 e 100.000 milioni di tonnellate di Carbonio (1015 e 1017 grammi) si muovano attraverso il percorso biologico ogni anno.

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