Informacija

Ar žinduolis suvartotą ištirpusį CO2 galėtų paversti tinkama energija?


Bandau išsiaiškinti, ar įmanoma, kad žinduolis per burną galėtų nuryti ištirpusį CO2 ir paversti jį energija kūno šilumai, organų funkcijai ir kt.

Deja, dauguma mokslinių šaltinių, kuriuos man pavyko rasti, vietoj CO2 žinduolių įkvėptos dujos. Visi šaltiniai, kalbantys apie žodžiu nurytą ištirpintą CO2 jie pradeda savo ginčą darant prielaidą, kad visa tai virškinamajame trakte paverčiama dujomis (ir išmetama kaip dujos), tačiau niekada nesivargina to įrodyti ar ką nors cituoti.

Atrodo, kad tai retai būtų pastebėta gamtoje, todėl ji nėra ištirta ar dokumentuota, todėl man įdomu, koks yra cheminio ar biologinio tikrumo laipsnis ir kokie tyrimai buvo atlikti.


CO nėra biologiškai naudingos energijos2. Tiesą sakant, žmonės ir visi kiti gyvūnai gamina CO2 kaip atliekos metabolizmo pabaigoje, ypač todėl, kad yra mažai energijos. Jums nereikia jo nuryti ar įkvėpti kaip dujų, o jei neiškvėptumėte, mirtumėte.


Ne

Klausime trūksta logiškos siūlomos galimybės sistemos - kad anglies dioksidas gali būti energijos šaltinis - ir aš įtariu, kad taip yra todėl, kad trūksta aiškios cheminės sampratos, kas yra energija ir kaip ji susidaro gyvuose organizmuose. .

Energijos gamyba biologiniame kontekste gali būti laikomas cheminės reakcijos arba fizikinio-cheminio proceso, kurio metu vyksta neigiamas (Gibbs) laisvos energijos pasikeitimas, pasekmė. Kad ląstelė galėtų ją naudoti (išskyrus išimtines aplinkybes, tokias kaip šilumos susidarymas), šiame procese išsiskirianti energija turi būti panaudota norint paskatinti termodinamiškai nepalankią molekulės (pvz., ATP) susidarymą, kurioje ji gali būti „laikoma“. Sukaupta energija naudojama, kai ATP hidrolizė yra sujungta su termodinamiškai nepalankiomis biologinėmis reakcijomis ar pokyčiais, taigi suteikia jai „energijos“. Ši tema nagrinėjama daugumoje biocheminių tekstų, pvz. Bergas ir kt..

Taigi, jei anglies dioksidas būtų energijos šaltinis, jis turėtų patirti tam tikrą reakciją su neigiamu (Gibbs) laisvos energijos pasikeitimu. Kiti anglies junginiai, kurie yra energijos šaltiniai, yra tokie dėl savo gebėjimo oksiduotis (dar kartą žr ir kt.). Tačiau, kaip jau buvo minėta komentare, anglies dioksidas yra labiausiai oksiduota anglies forma ir todėl negali gaminti energijos tokiu būdu:

Taigi, nebent klausimas galėtų pasiūlyti kitą cheminę ar fizikinę-cheminę medžiagą, kurioje galėtų dalyvauti anglies dioksidas, turinti neigiamą (Gibso) laisvos energijos kaitą, nėra pagrindo svarstyti postulato.


CO2 nesuteikia jokios biologinės energijos.
Gyvi daiktai gali oksiduoti tokius junginius kaip gliukozė ir paskatinti iš jų ATP sintezę. Ši energija palaiko mus gyvus neleisdama patekti į pusiausvyros (mirties) būseną.
Jei žinduoliai turėtų kokių nors specialaus komplekso, kuris savo virškinimo sistemose šviesą paverstų chemine energija, jie būtų galėję gauti energijos iš nuryto CO2.
Mes net neturime jokių medžiagų apykaitos reakcijų, kurios oksiduoja neorganinius mineralus (pvz., Chemosintetines bakterijas), kad paskatintų angliavandenių sintezę.
Taigi nemanau, kad žinduoliai suvartotą CO2 gali paversti tinkama energija.


Profesorius modeliuoja sistemą, naudojančią kepimo soda pripildytas kapsules, kad užfiksuotų CO2 išmetimą

Anglis ir gamtinės dujos sudaro didžiąją JAV energijos tiekimo dalį. Net ir kontroliuojant taršą, deginant šį iškastinį kurą energijai, į atmosferą išsiskiria didžiulis anglies dioksido kiekis. Tyrimams naudojama mikrokapsulių technologija, dėl kurios anglies surinkimas po degimo gali būti pigesnis, saugesnis ir efektyvesnis.

Nors atsinaujinančios energijos naudojimas auga, vis dėlto dauguma anglies ir gamtinių dujų sudaro didžiąją JAV energijos tiekimo dalį. Net ir kontroliuojant taršą, deginant šį iškastinį kurą energijai, į atmosferą patenka didžiulis anglies dioksido kiekis - vien JAV anglis ir gamtinės dujos sudarė 1713 mln.2, arba 98 procentai visų CO2 išmetamų teršalų iš elektros energijos sektoriaus 2017 m. .1 Siekdami sušvelninti šį poveikį, mokslininkai ieško prieinamų būdų, kaip surinkti anglies dioksidą iš jėgainių išmetamųjų dujų.

Pitsburgo universiteto ir Lawrence'o Livermore'o nacionalinės laboratorijos (LLNL) vadovaujami tyrimai naudoja mikrokapsulių technologiją, dėl kurios anglies surinkimas po degimo gali būti pigesnis, saugesnis ir efektyvesnis.

„Mūsų požiūris labai skiriasi nuo tradicinio anglies dioksido surinkimo jėgainėje metodo“, - sakė Pitt Swanson inžinerijos mokyklos mechanikos inžinerijos docentė Katherine Hornbostel. „Užuot tekėję cheminį tirpiklį žemyn bokštu (kaip vanduo žemyn kriokliu), mes dedame tirpiklį į mažas mikrokapsules“.

Mikrokapsuliacija, panaši į skysto vaisto buvimą tabletėje, yra procesas, kurio metu skysčiai yra apgaubiami kieta danga.

„Mūsų siūlomame anglies surinkimo reaktoriaus projekte į konteinerį supakuojame krūvą mikrokapsulių ir per jas praleidžiame jėgainės išmetamąsias dujas“, - sakė Hornbostel. "Šiluma, reikalinga įprastiems reaktoriams, yra didelė, o tai reiškia didesnius įrenginių eksploatavimo kaštus. Mūsų konstrukcija bus mažesnė konstrukcija ir veikimui reikės mažiau elektros energijos, taip sumažinant išlaidas."

Įprastos konstrukcijos taip pat naudoja griežtą amino tirpiklį, kuris yra brangus ir gali būti pavojingas aplinkai. „Hornbostel“ ir jos bendradarbių LLNL sukurtoje mikrokapsulių konstrukcijoje naudojamas sprendimas, pagamintas iš įprasto namų apyvokos daikto.

„Kaip tirpiklį naudojame vandenyje ištirpintą soda“, - sakė Hornbostel. "Tai pigesnis, geresnis aplinkai ir gausesnis nei įprasti tirpikliai. Kaina ir gausa yra kritiniai veiksniai, kai kalbama apie 20 ar daugiau metrų pločio reaktorius, įrengtus šimtuose elektrinių."

Hornbostel paaiškino, kad mažas mikrokapsulės dydis suteikia tirpikliui didelį paviršiaus plotą tam tikram tūriui. Dėl didelio paviršiaus ploto tirpiklis greičiau sugeria anglies dioksidą, o tai reiškia, kad galima naudoti lėčiau sugeriančius tirpiklius. „Tai gera žinia, - sako Hornbostel, - nes ji suteikia pigesniems tirpikliams, pavyzdžiui, kepimo sodos tirpalui, galimybę kovoti su brangesniais ir ėsdinančiais tirpikliais“.

"Mūsų siūloma mikrokapsulių technologija ir dizainas yra perspektyvus anglies surinkimui po degimo, nes jie padeda efektyviau veikti lėtai reaguojančius tirpiklius",-sakė Hornbostel. „Manome, kad sumažėjusios tirpiklių sąnaudos kartu su mažesne struktūra ir mažesnėmis eksploatacinėmis sąnaudomis gali padėti anglies ir gamtinių dujų jėgainėms išlaikyti pelną ilgą laiką nekenkiant aplinkai“.


„SkyMine“ - anglies surinkimas siekiant pelno

Benas - Prie mūsų prisijungė Joe Jonesas, kilęs iš „Skyonic“ Teksase. Jie sukūrė tai, ką jie vadina „SkyMine“ - sistemą, kuri ne tik išgauna CO2 bet iš tikrųjų tai paverčia kažkuo, ką jie gali parduoti. Labai ačiū, kad prisijungėte prie mūsų Džo.

Benas - Kaip iš tikrųjų veikia „SkyMine“?

„Joe - Skyonic Corporation“ 6 metus dirbo prie „SkyMine“ proceso, kad surinktų anglies dioksidą iš skystų dujų ir paverstų jį kietais karbonato ir bikarbonato mineralais. Mes tai darome išnaudodami joninę cheminę anglies dioksido savybę. Pridedame rūgščių dujų, kurios, ištirpusios vandenyje, sudaro silpną anglies rūgštį. Mes sujungiame tą silpną rūgštį su stipria baze, kad susidarytume neutrali druska, kaip tai darėte vidurinės mokyklos chemijos laboratorijose. Mes galime pagaminti natrio karbonatą, kuris yra plovikliuose naudojama skalbimo soda, natrio bikarbonatą, valgomąją druską, galinčią nuraminti skrandį, arba kalcio arba magnio karbonatus, kurie sudaro kalkakmenį ar dolomitus. Be to, mes galime nusodinti kalcio karbonatą, kuris, be kita ko, sudaro 40% baltojo popieriaus.

Benas - Taigi, naudojant kalkakmenio versijas, nuosėdas ir pan., Tai yra labai geras būdas surinkti anglį, kurią vėliau galite vėl užkasti žemėje. Geras saugojimo būdas. Tačiau su kitais produktais jiems yra rinka. Jūs iš tikrųjų galite parduoti šių atliekų perdirbimo rezultatą.

Joe - Tikrai. Natrio karbonato ir bikarbonato rinkoje yra šiek tiek daugiau nei 10 milijardų JAV dolerių cheminio produkto, kuris šiuo metu yra išgaunamas iš archeologinės anglies, kuri išskiria senovinį išskirtą CO2, arba yra pagamintas sintezės metodais, kurie naudoja daug daugiau energijos. Taip jie sukuria ir daugiau anglies pėdsakų.

Benas - Iš kur atsiranda bazė, į kurią reaguoji? Ar tai reikia kasti? Ar jo gamyba iš pradžių yra brangus procesas?

Joe - Deja, nėra bazinių minų, kurios yra prieinamos, todėl jas sintezuojate iš paties druskos ir vandens. Jei elektrolizei naudojate sūrų vandenį ir energiją arba naudojate šilumos energiją, neutralią druską galite priversti suskaidyti į druskos rūgštį ir labai tinkamą bazę.

Benas - Taigi, norint atlikti elektrolizę, akivaizdu, kad tenka sumokėti energiją, tačiau manau, kad visi mūsų turimi anglies surinkimo mechanizmai kainuoja. Bent jau bent 20% turite padidinti savo elektrinės našumą, ir manau, kad kai kurie iš jų net 90% - Jūs beveik dvigubai padidinate energijos, kurią jums reikia pagaminti, tik tam, kad atgautumėte anglį! Kiek efektyvus yra „SkyMine“? Kiek jums reikia papildomos energijos?

Joe - „SkyMine“ turi teigiamą inžinerinį svertą, todėl jis išskiria daugiau anglies dioksido, nei sukuria jo veikimas. Tai yra svarbus dalykas anglies surinkimo sistemai. Šiuo metu anglies dioksido surinkimas ir sekvestravimas, kaip minėjote, nurodo 20% anglies dvideginio surinkimo ir sekvestravimo CC dalies. Tačiau sekvestracijos dalyje jie gali pasiekti daugiau nei 45%. Mūsų pirmoji gamykla, statoma San Antonijuje, Teksase, skirta 40% energijos baudai pasiekti pagal konkuruojančią CCS-amino technologiją. Esminiai patobulinimai, daugiau tyrimų, kuriuos atliekame, laboratorijoje parodėme, kad sugebame tai sumažinti žemiau 20%.

Benas - Naudodamiesi aminų technologija, jūs iš tikrųjų paliekate gana nemalonių toksiškų cheminių medžiagų ir pirmiausia turite akivaizdžiai išvalyti aminus. Manau, kad vienas iš tikrųjų privalumų yra tai, kad produktai, kurie jums liko, yra ne tik jiems skirta rinka, bet ir gana geranoriški.

Joe - tikrai gerybinis. Prieš maždaug 4 milijardus metų iš to meto, daugiausia anglies dioksido atmosferos, buvo sukurtas didžiulis kalkakmenio ir kitų mineralų kiekis. Kaip jūs taip pat minėjote, ta mineralų sekvestracija vyksta visur aplink mus. Teksaso Traviso grafystėje yra apie 450 pentilijonų tonų kalkakmenio, kuris kažkada buvo žemės atmosferos dalis.

Benas - Pentilionas - tai neįsivaizduojama!

Joe - Tai žodis, kurio negalima vartoti įprasto pokalbio metu.

Benas - Tai mane priverčia - kiek tai yra keičiamo dydžio? Ar tai kažkas, kur šiuo metu galėtumėte jį įdėti į bet kurią anglimi kūrenamą jėgainę pasaulyje? O gal mes vis dar žiūrime į gana mažą mastą?

Joe - gamykla, kurią statome San Antonijuje, „Capitol SkyMine“ gamykla, pagamins 75 000 metrinių tonų CO2. Skalė yra svarbi, nes Jungtinėse Valstijose per metus išmetame apie 2,6 milijardo metrinių tonų anglies dioksido. Tačiau teoriškai augalus galima efektyviai keisti be galo. Druskos, vandens ir mineralų yra daug daugiau, nei žemėje sudeginti.

Benas - Vienas iš nusiskundimų dėl žaliųjų technologijų, dėl anglies surinkimo technologijų yra tas, kad tai nėra ekonomiškai perspektyvi. Akivaizdu, kad radote puikų būdą. Bet ateityje, tarkime, kiekvienoje elektrinėje turime „SkyMine“ ir gaminame didelius šių produktų kiekius, o kas nutiks, jei rinka bus visiškai užtvindyta?

Joe - Na, atsižvelgiant į turimą anglies dvideginio išmetimo mastą, tai tikrai įvyktų. Tuomet jūs galėtumėte valdyti gamyklą tiesiog CO sekvestravimo tikslu2 ir atidėkite mineralus. Arba jūsų ankstesnio interviu pavyzdžio atveju, mineralus galėtume įdėti atgal į nuimtą anglies siūlę, kad ją ten atskirtume. Bet tuo metu jūs pereinate prie išlaidų. Šiuo metu JAV energetikos departamentas apskaičiavo, kad aminorūgščių surinkimas kainuoja nuo 100 iki 300 USD už toną. Manome, kad galime pasiekti 25–50 USD diapazoną, kai šios papildomos išlaidos praeityje viršys rinkas.

Benas - Tai puikus skirtumas ir tai skamba kaip fantastiška technologija. Į kokią laiko skalę žiūrime, kol pamatysime, kad tai pasirodys skirtingose ​​elektrinėse?

Joe - Mūsų pirmoji didelio masto komercinė gamykla, kurioje pastaruosius 6 metus vykdėme bandomąsias gamyklas, Teksase, 2013 m. Pradės veikti internete. Po to ją galima atkurti visame pasaulyje. Maždaug dvejų metų statybos laikas, 25 metų gamyklos tarnavimo laikas ir per ateinančius 10 metų tikrai galime padaryti anglies įdubimą.

Benas - Na, tai labai gera žinia. Džiaugiuosi, kad turime šias technologijas, kurias vertiname optimistiškai. Labai ačiū, kad prisijungėte prie mūsų. Tai Joe Jonesas. Jis yra „Skyonic“ prezidentas ir generalinis direktorius Teksase.


Natūralus mineralas užrakina anglies dioksidą

Įprastas mineralas gali pašalinti anglies dioksidą iš degimo dujų, tačiau natūralios būklės jis yra ledinis. Dabar Pensilvanijos valstijos tyrinėtojų komanda keičia serpantiną taip, kad išskiria anglies dioksidą iš iškastinio kuro deginimo valandomis, o ne eonais.

„Serpentinas natūraliai sugeria anglies dioksidą per geologinį laiką, tačiau per lėtai mums padėti“,-sako dr. M. Mercedes Maroto-Valer, energetikos ir geografinės aplinkos inžinerijos docentas bei tvarios energijos programos koordinatorius, Energetikos institutas.

Metamorfinis mineralas serpentinas - arba magnio silikato hidroksidas - susideda iš magnio, silicio ir deguonies ir yra gausus. Šiam tyrimui mokslininkai panaudojo medžiagą iš Cedar Hills karjero, esančio Pensilvanijos/ Merilando pasienyje, tačiau mineralo daugelyje vietų galima gauti dideliais kiekiais. JAV mineralų, kurie gali būti naudojami šiam procesui, nuosėdos, serpentinas ir kiaušialąstės, taip pat gali pašalinti visą iš iškastinio kuro išsiskiriantį anglies dioksido kiekį.

„Ankstesni mokslininkai, tiriantys serpentiną, skirtą anglies dioksido sekvestravimui, labai smulkiai sutraiškė serpentiną, mažesnio dydžio nei paplūdimio smėlis, tačiau, net ir esant tokiems mažiems dydžiams, reakcijai paspartinti reikia aukštų temperatūrų“,-sako Maroto-Valer. "Naudojant mūsų metodą, mums nereikia jo smulkiai sutraiškyti ir mums nereikia aukštos temperatūros. Tiesą sakant, reakcija išskiria šilumą. Mūsų metodas yra daug pigesnis už energiją."

Mokslininkai, tarp kurių yra ir anglies aukščiausios kokybės anglies produktų konsorciumo (CPCPC) direktorius Johnas M. Andresenas, Energetikos institutas Yinzhi Zhang, doktorantas, Energetikos institutas Matthew E. Kuchta, geografinės aplinkos inžinerijos magistrantas , visi Penn State valstijoje ir Dan J. Fauth, JAV energetikos departamento nacionalinė energetikos laboratorija Pitsburge, ištirpino susmulkintą serpentiną sieros rūgštyje.

Kai serpentinas ištirpsta sieros rūgštyje, minerale esantis silicis tampa silicio dioksidu arba smėliu ir nukrenta į dugną, o magnis - magnio sulfatu. Apdorojus dalį šio magnio sulfato natrio hidroksidu, taip pat susidaro magnio hidroksidas. Mokslininkai sugebėjo didelius serpentino magnio kiekius paversti šiomis cheminėmis medžiagomis, suteikdami didelius paviršius reakcijoms įvykti kambario temperatūroje.

Anglies dioksidas, praeinantis per magnio sulfato ir magnio hidroksido tirpalą, virsta magnio karbonatu arba magnezitu, kuris tampa kieta medžiaga ir nukrenta į dugną. Ši kieta medžiaga gali būti naudojama statybinių blokų gamybai, taip pat kosmetikos pramonėje yra nedidelė hidratuoto magnio karbonato rinka. Silicio dioksidas gali būti naudojamas sieros dioksidui pašalinti iš išmetamųjų dujų, kurios vėliau gali būti paverstos sieros rūgštimi, kad būtų panaudotos pirmoje proceso dalyje.

„Dėl didelio silicio dioksido paviršiaus ploto jis tampa natūraliu sorbentu, kuris sugeria daugiau anglies dioksido ir sieros dioksido“,-sako Maroto-Valer.

Mokslininkai dar neišbandė proceso ant veikiančio anglimi kūrenamo stacionaraus katilo, tačiau jie stengiasi laboratorijoje sukurti reaktorių, galintį nuolat apdoroti išmetamąsias dujas. Tuo pačiu metu jie norėtų regeneruoti sieros rūgštį, kad sumažintų išlaidas.

Kadangi anglies dioksidas bus paskutinės dujos išmetamųjų teršalų sraute, yra dvi komercinio įgyvendinimo galimybės. Iškastinį kurą deginančios jėgainės galėtų tiesiog pastatyti serpantino reaktorių, nes paskutinė jų išmetamųjų teršalų dalis išvalo ir suriša anglį vietoje. Arba, jei teritorijoje yra daug iškastinį kurą deginančių įrenginių, kiekviena gamykla gali nukreipti anglies dioksidą į centrinį valymo įrenginį.

JAV energetikos departamentas palaikė šį tyrimą. Mokslininkai kreipėsi dėl JAV patento šiam procesui.

Istorijos šaltinis:

Medžiagos, pateiktos Penn State. Pastaba: turinys gali būti redaguojamas pagal stilių ir ilgį.


Anglies dioksido siuntimas į jūrą

Kai diskusijos dėl visuotinio atšilimo tampa vis rimtesnės, vis daugiau kalbama apie galimybes, kaip kovoti su jau esančiu anglies dioksidu.

Kai kurie žmonės sako, kad vandenyje galėtume sukaupti milijonus tonų anglies, jei skatintume mikroskopinių jūrų augalų augimą, vandenį tręšdami ir ištirpinę geležimi.

Žurnalo „Science“ perspektyvoje teigiama, kad ši idėja yra intriguojanti, tačiau ją reikia tvirtai patikrinti prieš patekimą į anglies dioksido kreditų rinką. Autoriai teigia, kad patikrinimo tyrimai turėtų parodyti, kad mechanizmas yra veiksmingas ir saugus aplinkai ir kad bet kokį neigiamą poveikį subalansuoja teigiamas šiltnamio efektą sukeliančių dujų mažinimo atmosferoje poveikis.

Anthony Michaelsas, USC koledžo ir rsquos Wrigley aplinkos tyrimų instituto direktorius, teigė, kad šio dokumento esmė yra ne tai, kad tręšimas geležies geležimi yra bloga idėja, o tai, kad reikia daugiau įrodymų tiek kaip bendrą idėją, tiek kiekvieną kartą, kai ji bandoma eksperimentuose.

Michaelsas yra vienas iš 16 straipsnio autorių, pasirodžiusių sausio 11 d. Paskelbtame Mokslo politikos forume. Jis teigė, kad šis dokumentas atspindi daugelio skirtingų požiūrių mokslininkų sutarimą dėl tyrimų, kuriuos reikia atlikti, kad įrodytų, jog tręšimas vandenyno geležimi saugiai saugo anglį.

Ši koncepcija patraukli kai kuriems verslininkams, nes gali būti didelė rinka įmonėms, kurios gali parodyti, kad pašalino anglies dioksidą iš atmosferos ir laikė jį vandenyje.Įmonės, kurios tai padarė, gali sukurti anglies dioksido kreditą ir jį parduoti valstybėse ir šalyse, kurios naudoja viršutinę ribą ir prekybos rinkas, kad sumažintų bendrą grynąjį anglies dvideginio išmetimą.

Michaelsas teigė, kad tokiai anglies dioksido kreditų rinkai reikės mokslinių dokumentų, kiek anglies buvo sulaikyta vandenyje ir kiek laiko ji ten išliks.

& ldquoMūsų popierius pateikia paprastą tvirtą teiginį: neturėtumėte parduoti anglies dioksido kreditų, kol nežinote, kiek anglies yra saugoma, - sakė rdquo Michaels. & ldquoTai & rsquos yra esminis dalykas. Galite tiesiog parduoti šiuos kreditus, nes manote, kad anglis bus saugoma. Mūsų nuomone, jūs turite iš tikrųjų parodyti, kad taip atsitiko. Tačiau, jei būtų įrodyta, kad tokia praktika gali nuspėti anglies kaupimąsi, tai galėtų būti svarbi priemonė šiltnamio efektą sukeliančioms dujoms valdyti ateityje. & Rdquo

Geležies pridėjimas prie vandenyno gali paskatinti keletą biologinių procesų, kurie sulaiko anglies dioksidą. Geležis skatina mikroskopinių augalų ir bakterijų augimą: Šie organizmai pašalina anglies dioksidą iš vandens fotosintezės metu, augdami ant esamų maistinių medžiagų arba azoto dujas paversdami organiniu azotu. Tačiau tai tik vienas žingsnis link anglies sekvestracijos. Ilgalaikis saugojimas įvyks tik tuo atveju, jei į šią organinę medžiagą paviršiuje absorbuota anglis nusės į gilesnį vandenį arba nukris iki pat vandenyno dugno.

Michaelsas sakė, kad šis paskutinis punktas yra labai svarbus norint įrodyti vandenyno geležies tręšimo efektyvumą. Vandenynai kasmet įkvepia ir išleidžia milijardus tonų anglies dioksido. Michaelas daug pasakė apie šį CO2 absorbuojamas tik į paviršinį vandenį, todėl lengvai patenka atgal į atmosferą.

& bdquo Labai trumpą laiką būtų labai lengva vandenynuose laikyti didžiulius anglies kiekius, - sakė rdquo Michaelsas. & ldquo Daug sunkiau ilgą laiką laikyti didelius anglies kiekius. Vandenynai kasmet gali iš atmosferos išimti gigatonų anglies, jei nesirūpinsime, jei ji sugrįš po kelerių metų ar dešimtmečio. Anglies pašalinimas ir laikymas vandenyne ilgiau nei 100 metų - ndash, kuris yra & lsquocanonical skaičius & rsquo, skirtas parduoti anglies dioksido įskaitymus ir kompensacijas, yra sudėtingesnis dalykas. Klausimas, kaip tai padaryti, mokslas turi išspręsti, kad sukurtų atsakingą rinką. & Rdquo


Turinys

Anglies ciklą pirmą kartą aprašė Antoine'as Lavoisier'is ir Josephas Priestley, o jį išpopuliarino Humphry Davy. [11] Pasaulinis anglies ciklas dabar paprastai yra padalintas į šiuos pagrindinius anglies telkinius, tarpusavyje sujungtus mainų keliais: [12]: 5–6

  • Atmosfera
  • Sausumos biosfera
  • Vandenynas, įskaitant ištirpusią neorganinę anglį ir gyvą bei negyvą jūrų biotą
  • Nuosėdos, įskaitant iškastinį kurą, gėlo vandens sistemas ir negyvas organines medžiagas.
  • Žemės vidus (mantija ir pluta). Šios anglies saugyklos sąveikauja su kitais komponentais geologinių procesų metu.

Anglies mainai tarp rezervuarų vyksta dėl įvairių cheminių, fizinių, geologinių ir biologinių procesų. Vandenynuose yra didžiausias aktyvus anglies telkinys šalia Žemės paviršiaus. [13] Natūralūs anglies srautai tarp atmosferos, vandenyno, sausumos ekosistemų ir nuosėdų yra gana subalansuoti, todėl anglies lygis būtų beveik stabilus be žmogaus įtakos. [3] [14]

Atmosfera Redaguoti

Anglis Žemės atmosferoje egzistuoja dviem pagrindinėmis formomis: anglies dioksidu ir metanu. Abi šios dujos sugeria ir sulaiko šilumą atmosferoje ir yra iš dalies atsakingos už šiltnamio efektą. [13] Metanas sukuria didesnį šiltnamio efektą vienam tūriui, palyginti su anglies dioksidu, tačiau jis egzistuoja daug mažesnėmis koncentracijomis ir yra trumpesnis nei anglies dioksidas, todėl anglies dioksidas yra svarbiausios šiltnamio efektą sukeliančios dujos. [15]

Anglies dioksidas iš atmosferos pašalinamas pirmiausia fotosintezės būdu ir patenka į sausumos ir vandenyno biosferas. Anglies dioksidas taip pat tiesiogiai ištirpsta iš atmosferos į vandens telkinius (vandenyną, ežerus ir kt.), Taip pat ištirpsta krituliuose, kai lietaus lašai krenta per atmosferą. Ištirpęs vandenyje, anglies dioksidas reaguoja su vandens molekulėmis ir sudaro anglies rūgštį, kuri prisideda prie vandenyno rūgštingumo. Tada jį gali absorbuoti uolos per orą. Jis taip pat gali parūgštinti kitus paviršius, kuriuos liečia, arba nuplauti į vandenyną. [16]

Žmonių veikla per pastaruosius du šimtmečius nuo 2020 m. Padidino anglies kiekį atmosferoje beveik 50%, daugiausia anglies dioksido pavidalu, ir pakeisdama ekosistemų galimybes išgauti anglies dioksidą iš atmosferos, ir ją išmetant tiesiogiai, pvz., deginant iškastinį kurą ir gaminant betoną. [4] [13]

Labai tolimoje ateityje (pvz., 2–3 milijardai metų) anglies dioksido absorbcijos greitis per karbonato ir silikato ciklą greičiausiai padidės dėl numatomų saulės pokyčių senstant. Tikimasi, kad padidėjęs Saulės spindesys greičiausiai pagreitins paviršių. [17] Dėl to ilgainiui didžioji dalis atmosferoje esančio anglies dioksido bus susmulkinta į Žemės plutą kaip karbonatas. [18] [19] Kai anglies dioksido koncentracija atmosferoje nukrenta žemiau maždaug 50 milijonųjų dalių (leistini nuokrypiai įvairiose rūšyse), C3 fotosintezė nebebus įmanoma. [19] Buvo prognozuojama, kad tai įvyks 600 milijonų metų nuo dabarties, nors modeliai skiriasi. [20]

Kai po maždaug 1,1 milijardo metų Žemės vandenynai išgaruos, [17] plokščių tektonika greičiausiai sustos, nes trūksta vandens jiems sutepti. Dėl anglies dioksido išsiurbiančių ugnikalnių trūkumo anglies ciklas ateityje baigsis nuo 1 iki 2 milijardų metų. [21] [ reikalinga visa citata ]

Sausumos biosfera Redaguoti

Sausumos biosfera apima organinę anglį visuose sausumoje gyvenančiuose organizmuose, tiek gyvuose, tiek negyvuose, taip pat dirvožemyje laikomą anglį. Augaluose ir kituose gyvuose organizmuose virš žemės saugoma apie 500 gigatonų anglies [3], o dirvožemyje yra apie 1500 gigatonų anglies. [23] Didžioji dalis anglies sausumos biosferoje yra organinė anglis, [24] o maždaug trečdalis dirvožemio anglies yra laikoma neorganinėmis formomis, tokiomis kaip kalcio karbonatas. [25] Organinė anglis yra pagrindinė visų organizmų, gyvenančių žemėje, sudedamoji dalis. Autotrofai išgauna jį iš oro anglies dioksido pavidalu, paversdami jį organine anglimi, o heterotrofai gauna anglies suvartodami kitus organizmus.

Kadangi anglies įsisavinimas sausumos biosferoje priklauso nuo biotinių veiksnių, jis seka paros ir sezoninį ciklą. CO
2 matavimai, ši savybė akivaizdi Kilingo kreivėje. Jis yra stipriausias šiauriniame pusrutulyje, nes šis pusrutulis turi didesnę sausumos masę nei pietinis pusrutulis, taigi ir daugiau erdvės ekosistemoms sugerti ir išmesti anglį.

Anglis palieka sausumos biosferą keliais būdais ir skirtingais laiko tarpais. Organinės anglies deginimas ar kvėpavimas greitai išskiria ją į atmosferą. Jis taip pat gali būti eksportuojamas į vandenyną per upes arba lieka inertinės anglies pavidalo dirvožemyje. [26] Dirvožemyje laikoma anglis gali likti ten net tūkstančius metų, kol erozijos būdu išplaunama į upes arba kvėpuojama dirvožemiu. 1989–2008 m. Dirvožemio kvėpavimas padidėjo apie 0,1% per metus. [27] 2008 m. Bendras CO
Kvėpuojant dirvožemiu išmetama maždaug 98 milijardai tonų, kasmet deginant iškastinį kurą į atmosferą išmetama maždaug 10 kartų daugiau anglies nei žmonės (tai nereiškia gryno anglies perkėlimo iš dirvožemio į atmosferą, nes kvėpavimas iš esmės yra kompensuoja dirvožemio anglies junginiai). Yra keletas įtikinamų šios tendencijos paaiškinimų, tačiau labiausiai tikėtinas paaiškinimas yra tas, kad kylanti temperatūra padidino dirvožemio organinių medžiagų skilimo greitį, o tai padidino CO srautą
2. Anglies kaupimosi dirvožemyje trukmė priklauso nuo vietinių klimato sąlygų, taigi ir klimato kaitos eigos pokyčių. [28]

Pagrindinių anglies telkinių Žemėje dydis (2000 m. Apskaičiavimai) [13]
Baseinas Kiekis
(gigatonai)
Atmosfera 720
Vandenynas (iš viso) 38,400
Visiškas neorganinis 37,400
Visiškai ekologiška 1,000
Paviršiaus sluoksnis 670
Gilus sluoksnis 36,730
Litosfera
Nuosėdiniai karbonatai & gt 60 000 000
Kerogenai 15,000,000
Sausumos biosfera (iš viso) 2,000
Gyvoji biomasė 600 – 1,000
Negyva biomasė 1,200
Vandens biosfera 1 – 2
Iškastinis kuras (iš viso) 4,130
Anglis 3,510
Alyva 230
Dujos 140
Kiti (durpės) 250

Redaguoti vandenyną

Vandenyną konceptualiai galima suskirstyti į paviršinį sluoksnį, kuriame vanduo dažnai (nuo kasdienio iki metinio) liečiasi su atmosfera, ir gilų sluoksnį, esantį žemiau tipinio mišraus sluoksnio gylio, kuris yra keli šimtai metrų ar mažiau, per kurį susidaro laikas tarp iš eilės einančių kontaktų. gali būti šimtmečiai. Paviršiniame sluoksnyje ištirpusi neorganinė anglis (DIC) greitai keičiasi su atmosfera, išlaikant pusiausvyrą. Iš dalies dėl to, kad jo DIC koncentracija yra apie 15% didesnė [29], bet daugiausia dėl didesnio tūrio, giliame vandenyne yra daug daugiau anglies - tai yra didžiausias aktyviai cikliškos anglies telkinys pasaulyje, kuriame yra 50 kartų daugiau nei atmosferoje [13] - tačiau pusiausvyros su atmosfera laikotarpis yra šimtai metų: anglies mainai tarp dviejų sluoksnių, kuriuos skatina termohalino cirkuliacija, yra lėti. [13]

Anglis į vandenyną patenka daugiausia ištirpus atmosferos anglies dioksidui, kurio nedidelė dalis paverčiama karbonatu. Jis taip pat gali patekti į vandenyną per upes kaip ištirpusi organinė anglis. Organizmai fotosintezės būdu jį paverčia organine anglimi ir gali būti keičiami per visą maisto grandinę arba nusodinami į gilesnius vandenynų sluoksnius, kuriuose gausu anglies, kaip negyvas minkštas audinys arba kriauklėse kaip kalcio karbonatas. Šiame sluoksnyje jis cirkuliuoja ilgą laiką, kol nusėda kaip nuosėdos arba galiausiai grįžta į paviršinius vandenis per termohaliną. [3] Vandenynai yra pagrindiniai (

pH 8,2), taigi CO
2 rūgštėjimas perkelia vandenyno pH į neutralų.

CO absorbcija vandenynuose
2 yra viena iš svarbiausių anglies sekvestracijos formų, kuri riboja žmogaus sukeltą anglies dioksido susidarymą atmosferoje. Tačiau šį procesą riboja keletas veiksnių. CO
2 absorbcija daro vandenį rūgštesnį, o tai daro įtaką vandenyno biosistemoms. Numatomas vandenyno rūgštingumo didėjimo greitis gali sulėtinti biologinį kalcio karbonatų nusėdimą, taip sumažindamas vandenyno gebėjimą absorbuoti CO
2 . [30] [31]

Redaguoti geosferą

Geologinis anglies ciklo komponentas veikia lėtai, palyginti su kitomis pasaulinio anglies ciklo dalimis. Tai yra vienas iš svarbiausių anglies kiekį atmosferoje, taigi ir pasaulinę temperatūrą, lemiančių veiksnių. [32]

Dauguma žemės anglies inertiškai kaupiasi žemės litosferoje. [13] Didžioji dalis anglies, esančios žemės mantijoje, buvo laikoma ten, kai susidarė žemė. [33] Dalis jos buvo nusodinta organinės anglies pavidalu iš biosferos. [34] Geosferoje saugomos anglies apie 80% sudaro kalkakmenis ir jo dariniai, kurie susidaro nusėdus kalcio karbonatui, laikomam jūrų organizmų kriauklėse. Likę 20% yra laikomi kaip kerogenai, susidarantys nusėdant ir laidojant sausumos organizmus esant aukštai temperatūrai ir slėgiui. Geosferoje laikoma organinė anglis gali likti ten milijonus metų. [32]

Anglis gali išeiti iš geosferos keliais būdais. Anglies dioksidas išsiskiria karbonatinių uolienų metamorfizmo metu, kai jos patenka į žemės apvalkalą. Šis anglies dioksidas gali patekti į atmosferą ir vandenyną per ugnikalnius ir karštuosius taškus. [33] Jį žmonės taip pat gali pašalinti tiesioginiu būdu išgaunant žalingus iškastinio kuro pavidalu. Po ekstrahavimo iškastinis kuras deginamas, kad išlaisvintų energiją ir išskiria į atmosferą kaupiamą anglį.

Diagramoje dešinėje: [35]

  1. Atmosferos dalelės veikia kaip debesies kondensacijos branduoliai ir skatina debesų susidarymą. [36] [37]
  2. Lietaus lašai sugeria organinę ir neorganinę anglį per daleles ir adsorbuoja organinius garus, krisdami link Žemės. [38] [39]
  3. Degant ir išsiveržus ugnikalniams išsivysto labai kondensuotos policiklinės aromatinės molekulės (ty juodoji anglis), kuri kartu su šiltnamio efektą sukeliančiomis dujomis, tokiomis kaip CO, grąžinama į atmosferą2. [40][41]
  4. Sausumos augalai fiksuoja atmosferos CO2 fotosintezės būdu, dalelė grįžta į atmosferą kvėpuojant. [42] Ligninas ir celiuliozė sudaro net 80% organinės anglies miškuose ir 60% ganyklose. [43] [44] ir šaknies organinės anglies mišinys su nuosėdinėmis medžiagomis, kad susidarytų organiniai dirvožemiai, kuriuose augalinės kilmės ir petrogeninė organinė anglis yra saugoma ir transformuojama mikrobų ir grybelių aktyvumo dėka. [45] [46] [47]
  5. Vanduo sugeria augalinę ir nusistovėjusią iš aerozolio gautą ištirpusią organinę anglį (DOC) ir ištirpusią neorganinę anglį (DIC), kai ji praeina per miško stogelius (t. Y. Pratekėjimą) ir išilgai augalų kamienų (stiebų). [48] ​​Biogeocheminės transformacijos vyksta, vandeniui įsiurbus į dirvožemio tirpalą ir požeminio vandens rezervuarus [49] [50], o sausumos srautas įvyksta, kai dirvožemis yra visiškai prisotintas, [51] arba krituliai atsiranda greičiau nei prisotinimas dirvožemyje. [52]
  6. Organinė anglis, gauta iš sausumos biosferos ir savo vietojepirminę produkciją skaido mikrobų bendruomenės upėse ir upeliuose kartu su fiziniu skilimu (t. y. fotooksidacija), todėl susidaro CO2 iš upių į atmosferą, kurios dydis yra toks pat, kaip ir anglies kiekis, kasmet surenkamas sausumos biosferos. [53] [54] [55] Antžeminės makromolekulės, tokios kaip ligninas [56] ir juodoji anglis [57], suskaidomos į mažesnius komponentus ir monomerus, galiausiai paverčiamos CO2, metabolinės tarpinės medžiagos arba biomasė.
  7. Ežeruose, rezervuaruose ir užtvankose paprastai kaupiasi daug organinės anglies ir nuosėdų, tačiau vandens stulpelyje taip pat atsiranda grynoji heterotrofija, dėl kurios susidaro grynasis CO2 atmosferą, kuri yra maždaug vienu laipsniu mažesnė už upes. [58] [55] Metano gamyba taip pat paprastai yra didelė anoksinėse užliejamųjų, ežerų ir rezervuarų nuosėdose. [59]
  8. Pagrindinė upių plunksnų gamyba paprastai padidėja dėl upių maistinių medžiagų eksporto. [60] [61] Nepaisant to, estuarijų vandenys yra CO šaltinis2 į atmosferą, visame pasaulyje. [62] tiek saugo, tiek eksportuoja mėlyną anglį. [63] [64] [65] Siūloma, kad pelkėse ir pelkėse būtų lygiavertis CO srautas2 į atmosferą kaip upės visame pasaulyje. [66] ir atviras vandenynas paprastai sugeria CO2 iš atmosferos. [62]
  9. Jūros biologinis siurblys surenka nedidelę, bet reikšmingą absorbuoto CO dalį2 kaip organinė anglis jūrų nuosėdose (žr. kitą skyrių). [67] [35]

Jūrų biologinis siurblys yra vandenyno biologiškai varomas anglies sekvestravimas iš atmosferos ir sausumos į gilų vandenyno vidų ir jūros dugno nuosėdas. [68] Biologinis siurblys yra ne tiek vieno proceso rezultatas, kiek daugelio procesų, kurių kiekvienas gali turėti įtakos biologiniam siurbimui, suma. Siurblys kasmet į vandenyno vidų perneša apie 11 milijardų tonų anglies. Vandenynas be biologinio siurblio sukeltų atmosferos CO2 lygis yra apie 400 ppm didesnis nei dabartinis. [69] [70] [71]

Dauguma anglies, įtrauktos į organines ir neorganines biologines medžiagas, susidaro jūros paviršiuje, kur ji gali pradėti skęsti vandenyno dugne. Gilus vandenynas didžiąją dalį maistinių medžiagų gauna iš aukštesnės vandens kolonos, kai jos nuskęsta jūros sniego pavidalu. Jį sudaro negyvi ar mirštantys gyvūnai ir mikrobai, išmatos, smėlis ir kitos neorganinės medžiagos. [72]

Biologinis siurblys yra atsakingas už ištirpusios neorganinės anglies (DIC) pavertimą organine biomasė ir siurbimą dalelėmis arba ištirpusia forma į gilųjį vandenyną. Fotosintezės metu fitoplanktonas fiksuoja neorganines maistines medžiagas ir anglies dioksidą, kuris išskiria ištirpusią organinę medžiagą (DOM) ir sunaudoja žolėdis zooplanktonas. Didesnis zooplanktonas, pvz., Kalakutai, išmatų granulės, kurias galima pakartotinai įpilti ir nuskęsti arba surinkti kartu su kitais organiniais detritais į didesnius, greičiau skęstančius užpildus. DOM iš dalies sunaudoja bakterijos, o likęs ugniai atsparus DOM yra priskiriamas ir sumaišomas su gilia jūra. DOM ir užpildai, eksportuojami į gilią vandenį, sunaudojami ir įkvepiami, taip organinė anglis grąžinama į didžiulį gilų DIC vandenyno rezervuarą. [73]

Viena fitoplanktono ląstelė skęsta maždaug vieną metrą per dieną. Atsižvelgiant į tai, kad vidutinis vandenyno gylis yra apie keturis kilometrus, gali praeiti daugiau nei dešimt metų, kol šios ląstelės pasieks vandenyno dugną. Tačiau dėl tokių procesų, kaip krešėjimas ir išstūmimas į plėšrūnų išmatų granules, šios ląstelės sudaro agregatus. Šių agregatų nuskendimo rodikliai yra didesni nei atskirų ląstelių, o kelionė į gilumą baigiama per kelias dienas. [74]

Maždaug 1% dalelių, išeinančių iš vandenyno paviršiaus, pasiekia jūros dugną ir yra sunaudojamos, kvėpuojamos arba palaidotos nuosėdose. Šių procesų grynasis poveikis yra pašalinti organinę anglį iš paviršiaus ir grąžinti ją į DIC didesniame gylyje, išlaikant DIC nuolydį iki vandenyno. Termohalino cirkuliacija grąžina giliavandenį DIC į atmosferą tūkstantmečio laikotarpiais. Nuosėdose palaidota anglis gali būti paverčiama į žemės apvalkalą ir saugoma milijonus metų kaip lėto anglies ciklo dalis (žr. Kitą skyrių). [73]

Yra greitas ir lėtas anglies ciklas. Greitas ciklas veikia biosferoje, o lėtas - uolienose. Greitas arba biologinis ciklas gali baigtis per kelerius metus, perkeliant anglį iš atmosferos į biosferą, o tada atgal į atmosferą. Lėtas arba geologinis ciklas gali užtrukti milijonus metų, pernešant anglį per Žemės plutą tarp uolų, dirvožemio, vandenyno ir atmosferos. [75]

Greitas anglies ciklas apima santykinai trumpalaikius biogeocheminius procesus tarp aplinkos ir gyvų organizmų biosferoje (žr. Diagramą straipsnio pradžioje). Tai apima anglies judėjimą tarp atmosferos ir sausumos bei jūrų ekosistemų, taip pat dirvožemio ir jūros dugno nuosėdų. Į greitą ciklą įeina kasmetiniai fotosintezės ir dešimtmečio ciklai, apimantys vegetatyvinį augimą ir skilimą. Greito anglies ciklo reakcija į žmogaus veiklą nulems daugelį tiesioginių klimato kaitos padarinių. [76] [77] [78]

Lėtosios anglies ciklas apima vidutinės trukmės ir ilgalaikius geocheminius procesus, priklausančius uolienų ciklui (žr. Diagramą dešinėje). Keitimasis vandenynu ir atmosfera gali užtrukti šimtmečius, o uolienų dūlėjimas gali užtrukti milijonus metų.Vandenyno anglis nusėda į vandenyno dugną, kur gali susidaryti nuosėdinė uoliena ir patekti į žemės mantiją. Kalnų statybos procesai lemia šios geologinės anglies grąžinimą į Žemės paviršių. Ten uolos yra atlaikytos, o anglis į atmosferą grąžinama degazuojant, o į vandenyną - upėmis. Kita geologinė anglis grįžta į vandenyną per hidroterminę kalcio jonų emisiją. Tam tikrais metais per šį lėtą ciklą juda nuo 10 iki 100 milijonų tonų anglies. Tai apima ugnikalnius, kurie grąžina geologinę anglį tiesiai į atmosferą anglies dioksido pavidalu. Tačiau tai yra mažiau nei vienas procentas anglies dioksido, patekusio į atmosferą deginant iškastinį kurą. [75] [76]

Nors gilus anglies ciklas nėra taip gerai suprantamas kaip anglies judėjimas per atmosferą, sausumos biosferą, vandenyną ir geosferą, vis dėlto tai yra svarbus procesas. [79] Gilus anglies ciklas yra glaudžiai susijęs su anglies judėjimu Žemės paviršiuje ir atmosferoje. Jei šis procesas neegzistuotų, anglis liktų atmosferoje, kur per ilgą laiką kauptųsi iki itin aukšto lygio. [80] Todėl leidžiant anglies dioksidui grįžti į Žemę, gilus anglies ciklas vaidina lemiamą vaidmenį išlaikant gyvybei būtinas sausumos sąlygas.

Be to, procesas taip pat yra reikšmingas vien dėl didžiulio anglies kiekio, kurį jis perneša per planetą. Tiesą sakant, ištyrus bazaltinės magmos sudėtį ir matuojant anglies dioksido srautą iš ugnikalnių, paaiškėja, kad anglies kiekis mantijoje iš tikrųjų yra tūkstantį kartų didesnis nei Žemės paviršiuje. [81] Akivaizdu, kad gręžti ir fiziškai stebėti giluminius anglies procesus Žemėje yra labai sunku, nes apatinė mantija ir šerdis tęsiasi atitinkamai nuo 660 iki 2891 km ir nuo 2 891 iki 6371 km gylyje. Atitinkamai nėra daug galutinai žinoma apie anglies vaidmenį gilioje Žemėje. Nepaisant to, keli įrodymai, kurių dauguma gaunami iš giliųjų Žemės sąlygų laboratorinių modeliavimų, nurodė elemento judėjimo žemyn į apatinę apvalkalą mechanizmus, taip pat kokias formas anglies įgauna esant ekstremalioms minėto sluoksnio temperatūroms ir slėgiams. Be to, tokie metodai kaip seismologija leido geriau suprasti galimą anglies buvimą Žemės šerdyje.

Anglis apatinėje mantijoje Redaguoti

Anglis daugiausia patenka į mantiją karbonatų turinčių nuosėdų pavidalu ant vandenyno plutos tektoninių plokščių, kurios subdukcijos metu traukia anglį į mantiją. Apie anglies cirkuliaciją mantijoje, ypač gilioje Žemėje, nėra daug žinoma, tačiau daugeliu tyrimų buvo bandoma pagerinti mūsų supratimą apie elemento judėjimą ir formas regione. Pavyzdžiui, 2011 m. Tyrimas parodė, kad anglies ciklas tęsiasi iki apatinės mantijos. Tyrimo metu buvo išanalizuoti reti, labai gilūs deimantai Juinos mieste, Brazilijoje, ir nustatyta, kad kai kurių deimantų intarpų masė atitinka numatytą bazalto lydymosi ir kristalizacijos rezultatą esant žemesnei mantijos temperatūrai ir slėgiui. [83] Taigi tyrimo išvados rodo, kad bazalto vandenyno litosferos gabalai veikia kaip pagrindinis anglies transportavimo mechanizmas į gilų Žemės vidų. Šie subdukuoti karbonatai gali sąveikauti su apatinės mantijos silikatais, galiausiai sudarydami itin gilius deimantus, tokius kaip rastas. [84]

Tačiau karbonatai, nusileidę į apatinę mantiją, be deimantų susidūrimo susiduria ir su kitais likimais. 2011 m. Karbonatai buvo veikiami aplinkos, panašios į 1800 km gylio į Žemę, gerai apatinėje mantijoje. Dėl to susidarė magnezitas, sideritas ir daugybė grafito rūšių. [85] Kiti eksperimentai, taip pat naftos stebėjimai, patvirtina šį teiginį, nurodydami, kad magnezitas iš tikrųjų yra stabiliausia karbonato fazė didžiojoje mantijos dalyje. Tai daugiausia lemia jo aukštesnė lydymosi temperatūra. [86] Todėl mokslininkai padarė išvadą, kad karbonatai mažėja, kai jie nusileidžia į mantiją, kol jie stabilizuojasi gylyje esant mažai deguonies fugacity aplinkai. Magnis, geležis ir kiti metalo junginiai viso proceso metu veikia kaip buferiai. [87] Sumažėjusių elementarių anglies formų, tokių kaip grafitas, buvimas rodo, kad anglies junginių sumažėja, kai jie nusileidžia į mantiją.

Polimorfizmas keičia karbonato junginių stabilumą skirtinguose Žemės gyliuose. Pavyzdžiui, laboratoriniai modeliavimai ir tankio funkcinės teorijos skaičiavimai rodo, kad tetraedriniai suderinti karbonatai yra stabiliausi gylyje, artėjant prie šerdies ir mantijos ribos. [88] [85] 2015 m. Atliktas tyrimas rodo, kad žemas mantijos aukštas slėgis sukelia anglies jungčių perėjimą nuo sp2 į sp3 hibridizuotos orbitos, dėl kurių anglies tetraedrinis ryšys su deguonimi. [89] CO3 trigoninės grupės negali sudaryti polimerizuojamų tinklų, o tetraedrinis CO4 gali, o tai reiškia padidėjusį anglies dioksido koordinavimo skaičių ir dėl to drastiškus karbonato junginių savybių pokyčius apatinėje mantijoje. Pavyzdžiui, preliminarūs teoriniai tyrimai rodo, kad dėl aukšto slėgio karbonato lydalo klampumas padidina mažesnį lydalo judrumą, nes padidėjęs klampumas sukelia didelius anglies nuosėdas giliai į mantiją. [90]

Atitinkamai anglis ilgą laiką gali likti apatinėje mantijoje, tačiau didelės anglies koncentracijos dažnai grįžta į litosferą. Šis procesas, vadinamas anglies išskyrimu, yra gazuotos mantijos lydymosi dekompresijos rezultatas, taip pat mantijos plunksnos, pernešančios anglies junginius link plutos. [91] Pakilus į vulkaninius taškus anglis oksiduojama, kur ji išsiskiria kaip CO2. Taip atsitinka, kad anglies atomas atitinka tokiose vietose išsiveržusių bazaltų oksidacijos būseną. [92]

Anglies šerdis Redaguoti

Nors anglies buvimas Žemės šerdyje yra ribotas, naujausi tyrimai rodo, kad šiame regione gali būti saugomos didelės anglies atsargos. [ reikalingas paaiškinimas ] Šlyties (S) bangos, judančios vidine šerdimi, sklinda maždaug penkiasdešimt procentų greičio, kurio tikimasi daugumos geležies turinčių lydinių greičiu. [93] Kadangi manoma, kad šerdies sudėtis yra kristalinės geležies ir nedidelio nikelio kiekio lydinys, ši seisminė anomalija rodo, kad šerdyje yra lengvų elementų, įskaitant anglį. Tiesą sakant, tyrimai, naudojant deimantines priekalo ląsteles, kad būtų pakartotos sąlygos Žemės šerdyje, rodo, kad geležies karbidas (Fe7C3) atitinka vidinio šerdies bangų greitį ir tankį. Todėl geležies karbido modelis galėtų būti įrodymas, kad šerdis turi net 67% Žemės anglies. [94] Be to, kitame tyrime nustatyta, kad esant Žemės vidinės šerdies slėgiui ir temperatūrai, anglis ištirpsta geležyje ir sudaro stabilią fazę su tuo pačiu Fe7C3 kompozicija, nors ir skiriasi nuo anksčiau minėtos. [95] Apibendrinant galima pasakyti, kad nors anglies kiekis, galimai saugomas Žemės šerdyje, nėra žinomas, naujausi tyrimai rodo, kad geležies karbidų buvimas gali paaiškinti kai kuriuos geofizinius stebėjimus.

Nuo pramonės revoliucijos, o ypač nuo Antrojo pasaulinio karo pabaigos, žmogaus veikla iš esmės sutrikdė pasaulinį anglies ciklą, perskirstydama didžiulius anglies kiekius iš geosferos. [1] Žmonės taip pat toliau keitė sausumos biosferos natūralias sudedamąsias funkcijas, keisdami augmeniją ir kitą žemės naudojimą. [13] Sukurti ir masiškai pagaminti dirbtiniai (sintetiniai) anglies junginiai, kurie ore, vandenyje ir nuosėdose išliks teršalai dešimtmečius ar tūkstantmečius. [96] [97] Klimato kaita sustiprina ir priverčia toliau netiesiogiai keisti anglies apytakos ratą, todėl įvairūs teigiami ir neigiami atsiliepimai. [28]

Žemės naudojimo pakeitimai Redaguoti

Nuo žemės ūkio išradimo žmonės per šimtmečius tiesiogiai ir palaipsniui įtakojo anglies ciklą, pakeisdami augalijos mišinį sausumos biosferoje. [98] Per pastaruosius kelis šimtmečius dėl tiesioginių ir netiesioginių žmogaus sukeltų žemės naudojimo ir žemės dangos pokyčių (LUCC) sumažėjo biologinė įvairovė, o tai sumažina ekosistemų atsparumą aplinkos poveikiui ir sumažina jų gebėjimą pašalinti anglį iš atmosferos. . Tiesą sakant, tai dažnai lemia anglies išsiskyrimą iš sausumos ekosistemų į atmosferą.

Miškų naikinimas žemės ūkio tikslais pašalina miškus, kuriuose yra daug anglies, ir juos pakeičia, paprastai žemės ūkio ar miesto teritorijomis. Abu šie pakaitiniai žemės dangos tipai kaupia palyginti nedidelius anglies kiekius, todėl grynasis perėjimo rezultatas yra tas, kad atmosferoje lieka daugiau anglies. Tačiau poveikis atmosferai ir bendram anglies ciklui gali būti tyčia ir (arba) natūraliai pakeistas atkuriant miškus.

Iškastinio anglies gavyba Redaguoti

Didžiausias ir vienas sparčiausiai augančių žmonių padarinių anglies ciklui ir biosferai yra iškastinio kuro, kuris tiesiogiai perneša anglį iš geosferos į atmosferą, gavyba ir deginimas. Anglies dioksidas taip pat susidaro ir išsiskiria kalcinuojant kalkakmenį klinkerio gamybai. [99] Klinkeris yra pramoninis cemento pirmtakas.

Nuo 2020 m. [Atnaujinimas] iš viso buvo išgauta apie 450 gigatonų iškastinės anglies, kurios kiekis artėja prie anglies, esančios visoje Žemės gyvoje sausumos biomasėje. [2] Pastaruoju metu į atmosferą išmetamų teršalų kiekis viršijo augmenijos ir vandenynų suvartojimą. [100] [101] [102] [103] Tikimasi, kad šios kriauklės per maždaug šimtmetį pašalins apie pusę pridėtos atmosferos anglies. [2] [98] [104] Nepaisant to, kriauklės, tokios kaip vandenynas, turi besikeičiančių prisotinimo savybių, ir numatoma, kad didelė dalis (20–35%, remiantis susietais modeliais) pridėtinės anglies išliks atmosferoje šimtmečius ar tūkstantmečius. [105] [106] Taigi IPCC, atmosferos ir vandenyno mokslininkai apibūdina iškastinio anglies gavybą, kuri didina atmosferos šiltnamio efektą sukeliančias dujas. ilgalaikis visuomenės įsipareigojimas gyventi kintančiame klimate ir galiausiai šiltesniame pasaulyje. [4] [107]

Dirbtinės cheminės medžiagos Redaguoti

Mažesni kiekiai dirbtinių naftos chemijos produktų, kurių sudėtyje yra iškastinės anglies, gali turėti netikėto ir per didelio poveikio biologiniam anglies ciklui. Taip yra iš dalies dėl to, kad žmonės juos sąmoningai sukūrė lėtai skaidytis, o tai leidžia nenatūraliai išlikti ir kauptis visoje biosferoje. Daugeliu atvejų jų keliai per platesnį anglies ciklą taip pat dar nėra gerai apibūdinami ar suprantami.

Plastikas Redaguoti

2018 m. Pasaulyje buvo pagaminta beveik 400 milijonų tonų plastiko, o metinis augimo tempas siekė 10%, o nuo 1950 m. Iš viso pagaminta daugiau nei 6 gigatonai. plačiai paplitęs oro ir vandens srovėmis. Gyvūnai lengvai įsisavina mikroplastikus ir nanoplastikus prariję ir įkvėpus, kartu su biologinio kaupimosi rizika. Į sąvartynus patekę biologiškai skaidūs plastikai gamina metaną ir anglies dioksidą, kurie cirkuliuoja atmosferoje, nebent jie būtų sugauti. [108] Atliekant plačią mokslinių įrodymų peržiūrą, atliktą 2019 m., Nenustatytos didelės pasekmės žmonių visuomenei dabartiniu lygiu, tačiau numatoma didelė rizika, atsirandanti per kitą šimtmetį. [109] 2019 m. Atliktas tyrimas parodė, kad dėl saulės spindulių skaidantis plastikas išskiria ir anglies dioksidą, ir kitas šiltnamio efektą sukeliančias dujas. [110] Bioplastikai, kurių anglies ciklas yra natūralesnis ir greitesnis, buvo sukurti kaip alternatyva kitiems vienkartiniams naftos pagrindo plastikams. [111]

Halokarbonai Redaguoti

Halokarbonai yra mažiau produktyvūs junginiai, sukurti įvairiems tikslams visoje pramonėje, pavyzdžiui, kaip tirpikliai ir šaltnešiai. Nepaisant to, santykinai mažos chlorfluorangliavandenilio, hidrofluorangliavandenilio ir perfluorokarbono dujų koncentracijos (dalys trilijonui dalių) atmosferoje sudaro apie 10% viso tiesioginio spinduliavimo iš visų ilgaamžių šiltnamio efektą sukeliančių dujų (2019 m.) nuo daug didesnės anglies dioksido ir metano koncentracijos. [112] Chlorfluorangliavandeniliai taip pat sukelia ozono sluoksnio sluoksnio ardymą. Tarptautinės pastangos pagal Monrealio protokolą ir Kioto protokolą tęsiamos siekiant kontroliuoti spartų šių aplinkai stiprių dujų gamybos ir naudojimo augimą. Kai kurioms reikmėms buvo sukurtos ir palaipsniui diegiamos daugiau gerybinių alternatyvų, tokių kaip hidrofluoroolefinai. [113]

Atsiliepimai apie klimato kaitą Redaguoti

Dabartinės klimato kaitos tendencijos lemia aukštesnę vandenyno temperatūrą ir rūgštingumą, taip keičiant jūrų ekosistemas. [115] Taip pat rūgštus lietus ir užterštas žemės ūkio bei pramonės nuotėkis keičia vandenyno cheminę sudėtį. Tokie pokyčiai gali turėti dramatišką poveikį labai jautrioms ekosistemoms, tokioms kaip koralų rifai, [116] ir taip apriboti vandenyno galimybes absorbuoti anglį iš atmosferos regioniniu mastu ir sumažinti vandenynų biologinę įvairovę visame pasaulyje.

Anglies mainai tarp atmosferos ir kitų Žemės sistemos komponentų, bendrai vadinami anglies ciklu, šiuo metu yra svarbūs neigiami (slopinantys) atsiliepimai apie antropogeninio anglies dvideginio poveikį klimato kaitai. Šiuo metu sausumoje ir vandenyne esanti anglis kasmet užima maždaug ketvirtadalį antropogeninio anglies dvideginio. [117] [114]

Tikimasi, kad šie atsiliepimai ateityje susilpnės, sustiprindami antropogeninio anglies dvideginio poveikį klimato kaitai. [118] Tačiau jų susilpnėjimo laipsnis yra labai neaiškus, nes Žemės sistemos modeliai numato įvairius sausumos ir vandenynų anglies dioksido suvartojimo diapazonus, net esant vienodiems atmosferos koncentracijos ar išmetimo scenarijams. [119] [114] Arkties metano išmetimas, kurį netiesiogiai sukelia antropogeninis visuotinis atšilimas, taip pat turi įtakos anglies ciklui ir prisideda prie tolesnio atšilimo.

Epifitai ant elektros laidų. Šios rūšies augalas užima tiek CO
2 ir vanduo iš atmosferos gyvenimui ir augimui.

Žmonių veikla nuo pramonės eros pakeitė natūralaus anglies ciklo pusiausvyrą. Vienetai yra gigatonais. [3]


4.1. Energija ir metabolizmas

  • Paaiškinkite, kokie yra medžiagų apykaitos keliai
  • Nurodykite pirmąjį ir antrąjį termodinamikos dėsnius
  • Paaiškinkite kinetinės ir potencialios energijos skirtumą
  • Apibūdinkite endergonines ir eksergonines reakcijas
  • Aptarkite, kaip fermentai veikia kaip molekuliniai katalizatoriai

Mokslininkai vartoja šį terminą bioenergetika apibūdinti energijos srauto sampratą (4.2 pav.) per gyvas sistemas, tokias kaip ląstelės. Ląsteliniai procesai, tokie kaip sudėtingų molekulių kūrimas ir skaidymas, vyksta laipsniškomis cheminėmis reakcijomis. Kai kurios iš šių cheminių reakcijų yra spontaniškos ir išskiria energiją, o kitos reikalauja energijos. Kaip gyvos būtybės turi nuolat vartoti maistą, kad papildytų savo energijos atsargas, ląstelės turi nuolat gaminti daugiau energijos, kad galėtų papildyti tą, kurią sunaudoja daugybė nuolatinių cheminių reakcijų, reikalaujančių energijos. Kartu visos ląstelėse vykstančios cheminės reakcijos, įskaitant tas, kurios sunaudoja arba sukuria energiją, vadinamos ląstelės medžiagų apykaitą .

Metabolizmo keliai

Apsvarstykite cukraus metabolizmą. Tai yra klasikinis vieno iš daugelio ląstelių procesų, naudojančių ir gaminančių energiją, pavyzdys. Gyvosios būtybės sunaudoja cukrų kaip pagrindinį energijos šaltinį, nes cukraus molekulėse yra daug energijos. Dažniausiai fotosintezuojantys organizmai, tokie kaip augalai, gamina šiuos cukrus. Fotosintezės metu augalai naudoja energiją (iš pradžių iš saulės spindulių) anglies dioksido dujoms (CO2) į cukraus molekules (pvz., gliukozę: C6H12O6). Jie sunaudoja anglies dioksidą ir gamina deguonį kaip atliekas. Ši reakcija apibendrinta taip:

Kadangi šis procesas apima energiją kaupiančios molekulės sintezę, tam reikia energijos sąnaudų. Fotosintezės šviesos reakcijų metu energiją suteikia molekulė, vadinama adenozino trifosfatu (ATP), kuri yra visų ląstelių pirminė energijos valiuta. Kaip doleris naudojamas kaip valiuta prekėms pirkti, ląstelės naudoja ATP molekules kaip energijos valiutą, kad galėtų nedelsiant atlikti darbą. Priešingai, energijos kaupimo molekulės, tokios kaip gliukozė, sunaudojamos tik tam, kad būtų suskaidytos, kad panaudotų savo energiją. Reakciją, kuri surenka cukraus molekulės energiją ląstelėse, kurioms išgyventi reikia deguonies, galima apibendrinti atvirkštine reakcija į fotosintezę. Šios reakcijos metu sunaudojamas deguonis ir anglies dioksidas išsiskiria kaip atliekos. Reakcija apibendrinta taip:

Abi šios reakcijos apima daugybę žingsnių.

Cukraus molekulių gamybos ir skaidymo procesai iliustruoja du medžiagų apykaitos būdų pavyzdžius. Metabolizmo kelias yra cheminių reakcijų serija, kuri paima pradinę molekulę ir ją žingsnis po žingsnio modifikuoja per daugybę metabolinių tarpinių produktų, galiausiai gaunant galutinį produktą. Cukraus apykaitos pavyzdyje pirmasis metabolizmo kelias susintetino cukrų iš mažesnių molekulių, o kitas kelias suskaidė cukrų į mažesnes molekules. Šie du priešingi procesai - pirmasis reikalaujantis energijos, o antrasis - gaminantys energiją - vadinami anabolinis

keliai (statybiniai polimerai) ir katabolinis keliai (polimerų skaidymas į jų monomerus). Vadinasi, metabolizmą sudaro sintezė (anabolizmas) ir skilimas (katabolizmas) (4.3 pav.).

Svarbu žinoti, kad cheminės medžiagų apykaitos takų reakcijos nevyksta savaime. Kiekvieną reakcijos etapą palengvina arba katalizuoja baltymas, vadinamas fermentu. Fermentai yra svarbūs katalizuojant visų rūšių biologines reakcijas - tokias, kurioms reikia energijos, ir tas, kurios išskiria energiją.

Energija

Termodinamika reiškia energijos ir energijos perdavimo, apimančio fizinę medžiagą, tyrimą. Dalykas, susijęs su konkrečiu energijos perdavimo atveju, vadinamas sistema, o viskas, kas nėra toje materijoje, vadinama aplinka. Pavyzdžiui, kaitinant vandens puodą ant viryklės, sistema apima viryklę, puodą ir vandenį. Energija perduodama sistemoje (tarp viryklės, puodo ir vandens). Yra dviejų tipų sistemos: atvira ir uždara. Atviroje sistemoje energija gali būti keičiama su aplinka. Viryklės sistema yra atidaryta, nes oras gali prarasti šilumą. Uždara sistema negali keistis energija su savo aplinka.

Biologiniai organizmai yra atviros sistemos. Energija keičiasi tarp jų ir jų aplinkos, nes jie naudoja saulės energiją fotosintezei atlikti arba sunaudoja energiją kaupiančias molekules ir išskiria energiją į aplinką dirbdami ir išskirdami šilumą.Energijai, kaip ir visiems fizinio pasaulio dalykams, galioja fiziniai įstatymai. Termodinamikos dėsniai reguliuoja energijos perdavimą visatoje ir visose sistemose.

Apskritai energija apibrėžiama kaip gebėjimas dirbti ar sukurti tam tikrus pokyčius. Energija egzistuoja įvairiomis formomis. Pavyzdžiui, elektros energija, šviesos energija ir šilumos energija yra skirtingos energijos rūšys. Norint įvertinti, kaip energija patenka į biologines sistemas ir iš jų, svarbu suprasti du fizinius dėsnius, valdančius energiją.

Termodinamika

Pirmasis termodinamikos dėsnis teigia, kad bendras energijos kiekis visatoje yra pastovus ir išsaugotas. Kitaip tariant, visatoje visada buvo ir bus lygiai toks pat energijos kiekis. Energija egzistuoja daugybe skirtingų formų. Pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį energija gali būti perkeliama iš vienos vietos į kitą arba transformuojama į skirtingas formas, tačiau jos negalima sukurti ar sunaikinti. Aplink mus nuolat vyksta energijos perdavimas ir transformacija. Lemputės elektros energiją paverčia šviesos ir šilumos energija. Dujinės viryklės cheminę energiją iš gamtinių dujų paverčia šilumos energija. Augalai atlieka vieną iš biologiškai naudingiausių energijos transformacijų žemėje: saulės šviesos energiją paverčia į cheminę energiją, saugomą organinėse molekulėse (4.2 pav.). Kai kurie energijos transformacijos pavyzdžiai pateikti 4.4 paveiksle.

Visų gyvų organizmų uždavinys yra gauti iš aplinkos energiją tokiomis formomis, kurias jie galėtų perduoti arba paversti tinkama energija darbui atlikti. Gyvos ląstelės išsivystė, kad įveiktų šį iššūkį. Cheminė energija, kaupiama organinėse molekulėse, tokiose kaip cukrus ir riebalai, perkeliama ir transformuojama per ląstelių chemines reakcijas į energiją ATP molekulėse. Energija ATP molekulėse yra lengvai prieinama darbui atlikti. Darbo, kurį turi atlikti ląstelės, pavyzdžiai yra sudėtingų molekulių kūrimas, medžiagų gabenimas, blakstienų ar vėliavų judėjimas ir raumenų skaidulų sutraukimas judėjimui sukurti.

Pagrindinės gyvos ląstelės užduotys gauti, transformuoti ir naudoti energiją darbui gali atrodyti paprastos. Tačiau antrasis termodinamikos dėsnis paaiškina, kodėl šios užduotys yra sunkesnės, nei atrodo. Visi energijos perdavimai ir pertvarkymai niekada nėra visiškai veiksmingi. Per kiekvieną energijos perdavimą tam tikras energijos kiekis prarandamas tokia forma, kuri yra netinkama naudoti. Daugeliu atvejų ši forma yra šilumos energija. Termodinamiškai, šilumos energija apibrėžiama kaip energija, perduodama iš vienos sistemos į kitą, kuri neveikia. Pavyzdžiui, įjungus lemputę, dalis energijos, paverčiamos iš elektros energijos į šviesos energiją, prarandama kaip šilumos energija. Panašiai dalis energijos prarandama kaip šilumos energija ląstelių metabolinių reakcijų metu.

Svarbi fizinių sistemų sąvoka yra tvarka ir netvarka. Kuo daugiau energijos sistema praranda aplinkai, tuo sistema yra mažiau tvarkinga ir atsitiktinė. Mokslininkai atsitiktinumo ar sutrikimo matą sistemoje vadina entropija. Didelė entropija reiškia didelį sutrikimą ir mažai energijos. Molekulės ir cheminės reakcijos taip pat turi skirtingą entropiją. Pavyzdžiui, entropija didėja, kai didelės koncentracijos molekulės vienoje vietoje išsisklaido ir pasiskirsto. Antrasis termodinamikos dėsnis sako, kad energija visada bus prarasta kaip šiluma perduodant ar transformuojant energiją.

Gyvieji daiktai yra labai tvarkingi, todėl jiems reikia nuolatinės energijos, kad būtų išlaikyta maža entropija.

Potenciali ir kinetinė energija

Kai objektas juda, su juo susijęs energija. Pagalvokite apie griaunantį kamuolį. Net lėtai judantis griovimo kamuolys gali padaryti daug žalos kitiems daiktams. Energija, susijusi su judančiais objektais, vadinama kinetinė energija (4.5 pav.). Greitai važiuojanti kulka, vaikščiojantis žmogus ir greitas molekulių judėjimas ore (kuris gamina šilumą) turi kinetinės energijos.

O kas, jei tas pats nejudantis griovimo kamuolys kranu bus pakeltas dviem aukštais virš žemės? Jei pakabintas griovimo rutulys nejuda, ar su juo siejama energija? Atsakymas yra „taip“. Energija, kurios reikėjo pakelti griaunamąjį rutulį, neišnyko, bet dabar dėl savo padėties ir jį veikiančios gravitacijos jėgos kaupiama griuvėsiuose. Ši energijos rūšis vadinama potencinė energija (4.5 pav.). Jei kamuolys nukristų, potenciali energija būtų paversta kinetine energija, kol visa potenciali energija bus išnaudota, kai rutulys atsirems į žemę. Griovimo kamuoliai taip pat svyra per svyravimus, nuolat keičiasi potenciali energija (didžiausia sūpynių viršuje) į kinetinę energiją (didžiausia sūpynių apačioje). Kiti potencialios energijos pavyzdžiai yra vandens energija, laikoma už užtvankos arba žmogus, kuris ketina šokti iš lėktuvo.

Potenciali energija yra susijusi ne tik su materijos vieta, bet ir su materijos sandara. Net spyruoklė ant žemės turi potencialios energijos, jei ji yra suspausta, taip pat ir guminė juosta, ištempta. Molekuliniu lygmeniu ryšiai, laikantys molekulių atomus, egzistuoja tam tikroje struktūroje, kuri turi potencialią energiją. Atminkite, kad anaboliniams ląstelių keliams reikia energijos sudėtingoms molekulėms sintezuoti iš paprastesnių, o kataboliniai keliai išskiria energiją, kai suskaidomos sudėtingos molekulės. Tai, kad energija gali būti išlaisvinta suskaidžius tam tikras chemines jungtis, reiškia, kad tos obligacijos turi potencialios energijos. Tiesą sakant, potenciali energija yra saugoma visų mūsų valgomų maisto molekulių ryšiuose, kurie galiausiai panaudojami naudojimui. Taip yra todėl, kad šie ryšiai gali išlaisvinti energiją, kai jie nutrūksta. Potencialios energijos rūšis, egzistuojanti cheminiuose ryšiuose ir išsiskirianti, kai tos jungtys nutrūksta, vadinama chemine energija. Cheminė energija yra atsakinga už gyvų ląstelių aprūpinimą maistu. Energija išsiskiria, kai nutrūksta molekulinės jungtys maisto molekulėse.

Apsilankykite svetainėje ir meniu „Darbas ir energija“ pasirinkite „Švytuoklė“, kad pamatytumėte judančios švytuoklės kintančią kinetinę ir potencialią energiją.

Nemokama ir aktyvuojanti energija

Sužinoję, kad cheminės reakcijos išskiria energiją, kai nutrūksta energiją kaupiančios jungtys, svarbus kitas klausimas yra toks: kaip kiekybiškai išreikšta ir išreikšta su šiomis cheminėmis reakcijomis susijusi energija? Kaip galima palyginti vienos reakcijos išsiskiriančią energiją su kitos reakcijos energija? Šiems energijos perdavimams kiekybiškai įvertinti naudojamas laisvos energijos matavimas. Prisiminkite, kad pagal antrąjį termodinamikos dėsnį visi energijos perdavimai yra susiję su tam tikro energijos kiekio praradimu netinkama forma, pavyzdžiui, šiluma. Laisva energija konkrečiai reiškia energiją, susijusią su chemine reakcija, kuri yra prieinama po nuostolių apskaitos. Kitaip tariant, laisva energija yra naudojama energija arba energija, kuri yra prieinama darbui atlikti.

Jei energija išsiskiria cheminės reakcijos metu, tada laisvosios energijos pokytis, žymimas ∆G (delta G), bus neigiamas skaičius. Neigiamas laisvosios energijos pokytis taip pat reiškia, kad reakcijos produktai turi mažiau laisvos energijos nei reagentai, nes reakcijos metu jie išskiria šiek tiek laisvos energijos. Reakcijos, kurios neigiamai keičia laisvą energiją ir dėl to išskiria laisvą energiją, vadinamos egzergoninės reakcijos . Pagalvokite: pvz ergonika reiškia energiją pvz sistemindamas sistemą. Šios reakcijos taip pat vadinamos savaiminėmis reakcijomis, o jų produktai turi mažiau energijos nei reagentai. Būtina atskirti terminą spontaniškas ir iš karto vykstančios cheminės reakcijos idėją. Priešingai nei kasdien vartojamas terminas, spontaniška reakcija nėra ta, kuri staiga ar greitai atsiranda. Geležies rūdijimas yra spontaniškos reakcijos, kuri atsiranda lėtai, po truputį, laikui bėgant, pavyzdys.

Jei cheminė reakcija sugeria energiją, o ne išskiria energiją, tada šios reakcijos ∆G bus teigiama. Šiuo atveju produktai turi daugiau laisvos energijos nei reagentai. Taigi šių reakcijų produktai gali būti laikomi energiją kaupiančiomis molekulėmis. Šios cheminės reakcijos vadinamos endergoninės reakcijos ir jie nėra spontaniški. Endergoninė reakcija neįvyks savaime, nepridedant laisvos energijos.

Pažvelkite į kiekvieną parodytą procesą ir nuspręskite, ar jis yra endergoninis, ar eksergoninis.

Yra dar viena svarbi sąvoka, į kurią reikia atsižvelgti atsižvelgiant į endergonines ir eksergonines reakcijas. Eksergoninėms reakcijoms pradėti reikia nedidelio energijos kiekio, kad jos galėtų tęsti savo energijos išskyrimo veiksmus. Šios reakcijos išleidžia grynąją energiją, tačiau iš pradžių vis tiek reikia šiek tiek energijos. Šis nedidelis energijos kiekis, reikalingas visoms cheminėms reakcijoms įvykti, vadinamas aktyvinimo energija .

Žiūrėkite animaciją apie perėjimą iš laisvos energijos į pereinamąją reakcijos būseną.

Fermentai

Medžiaga, padedanti įvykti cheminei reakcijai, vadinama katalizatoriumi, o molekulės, katalizuojančios biochemines reakcijas. fermentų . Dauguma fermentų yra baltymai ir atlieka svarbią užduotį - sumažinti cheminių reakcijų aktyvinimo energiją ląstelės viduje. Dauguma reakcijų, kurios yra gyvybiškai svarbios ląstelės, įvyksta per lėtai esant normaliai temperatūrai, kad jos būtų naudingos. Be fermentų, kurie pagreitintų šias reakcijas, gyvenimas negalėjo tęstis. Fermentai tai daro prisijungdami prie reaguojančių molekulių ir laikydami jas taip, kad cheminiai ryšiai nutrūktų ir susidarytų lengviau. Svarbu prisiminti, kad fermentai nesikeičia, ar reakcija yra eksergoninė (spontaniška), ar endergoninė. Taip yra todėl, kad jie nekeičia laisvos reagentų ar produktų energijos. Jie tik sumažina aktyvinimo energiją, reikalingą reakcijai į priekį (4.7 pav.). Be to, pats fermentas nesikeičia dėl jo katalizuojamos reakcijos. Katalizavus vieną reakciją, fermentas gali dalyvauti kitose reakcijose.

Cheminiai reagentai, prie kurių jungiasi fermentas, vadinami fermentais substratai . Priklausomai nuo konkrečios cheminės reakcijos, gali būti vienas ar keli substratai. Kai kuriose reakcijose vienas reagento substratas suskaidomas į kelis produktus. Kituose dviejuose substratuose gali susidaryti viena didesnė molekulė. Du reagentai taip pat gali įsijungti į reakciją ir abu tampa modifikuoti, tačiau jie palieka reakciją kaip du produktai. Fermento vieta, kurioje substratas jungiasi, vadinama fermento vieta aktyvi svetainė . Aktyvi svetainė yra vieta, kur vyksta „veiksmas“. Kadangi fermentai yra baltymai, aktyvioje vietoje yra unikalus aminorūgščių šoninių grandinių derinys. Kiekviena šoninė grandinė pasižymi skirtingomis savybėmis. Jie gali būti dideli arba maži, silpnai rūgštūs arba baziniai, hidrofiliniai arba hidrofobiniai, teigiamai arba neigiamai įkrauti arba neutralūs. Unikalus šoninių grandinių derinys sukuria labai specifinę cheminę aplinką aktyvioje vietoje. Ši specifinė aplinka tinka prisijungti prie vieno specifinio cheminio substrato (arba substratų).

Aktyvios svetainės yra veikiamos vietinės aplinkos. Padidinus aplinkos temperatūrą, paprastai padidėja reakcijų greitis, katalizuojamas fermentų ar kitaip. Tačiau temperatūra, esanti už optimalaus diapazono, sumažina greitį, kuriuo fermentas katalizuoja reakciją. Dėl karštos temperatūros fermentai denatūruosis, negrįžtamai pasikeis trimatė forma, taigi ir fermento funkcija. Fermentai taip pat tinka geriausiai veikti tam tikrame pH ir druskos koncentracijos diapazone, ir, kaip ir temperatūra, ekstremalus pH ir druskos koncentracija gali sukelti fermentų denatūraciją.

Daugelį metų mokslininkai manė, kad fermentų ir substratų surišimas vyksta paprastu būdu. Šis modelis tvirtino, kad fermentas ir substratas puikiai dera vienu metu. Tačiau dabartiniai tyrimai palaiko modelį, vadinamą indukuotu tinkamumu (4.8 pav.). Sukeltas tinkamumo modelis plečiasi užrakto ir rakto modeliu, apibūdindamas dinamiškesnį fermento ir substrato susiejimą. Susijungus fermentui ir substratui, jų sąveika sukelia nedidelį fermento struktūros poslinkį, kuris sudaro idealų surišimo susitarimą tarp fermento ir substrato.

Kai fermentas suriša savo substratą, susidaro fermento ir substrato kompleksas. Šis kompleksas sumažina reakcijos aktyvinimo energiją ir skatina greitą jos progresavimą vienu iš kelių galimų būdų. Iš esmės fermentai skatina chemines reakcijas, apimančias daugiau nei vieną substratą, sujungdami substratus optimalia reakcija. Kitas būdas, kuriuo fermentai skatina savo substratų reakciją, yra sukurti optimalią aplinką aktyvioje vietoje reakcijai įvykti. Cheminės savybės, atsirandančios dėl tam tikro aminorūgščių R grupių išdėstymo aktyvioje vietoje, sukuria puikią aplinką specifiniams fermento substratams reaguoti.

Fermentų ir substratų kompleksas taip pat gali sumažinti aktyvinimo energiją, pažeisdamas ryšių struktūrą, kad būtų lengviau sulaužyti. Galiausiai, fermentai taip pat gali sumažinti aktyvinimo energiją dalyvaudami pačioje cheminėje reakcijoje. Tokiais atvejais svarbu prisiminti, kad pasibaigus reakcijai fermentas visada grįš į pradinę būseną. Viena iš pagrindinių fermentų savybių yra ta, kad jie galiausiai nesikeičia dėl jų katalizuojamų reakcijų. Kai fermentas katalizuoja reakciją, jis išskiria savo produktą (-us) ir gali katalizuoti naują reakciją.

Atrodytų idealu turėti scenarijų, kuriame visi organizmo fermentai egzistuotų gausiai ir optimaliai veiktų visomis ląstelių sąlygomis, visose ląstelėse ir bet kuriuo metu. Tačiau įvairūs mechanizmai užtikrina, kad taip neatsitiktų. Ląstelių poreikiai ir sąlygos kiekvienoje ląstelėje nuolat kinta ir laikui bėgant keičiasi atskirose ląstelėse. Reikalingi skrandžio ląstelių fermentai skiriasi nuo riebalų kaupimo ląstelių, odos ląstelių, kraujo ląstelių ir nervų ląstelių. Be to, virškinimo organo ląstelė daug sunkiau apdoroja ir suskaido maistines medžiagas per tą laiką, kuris yra arti valgio, palyginti su daugeliu valandų po valgio. Kadangi šie ląstelių poreikiai ir sąlygos skiriasi, turi keistis skirtingų fermentų kiekis ir funkcionalumas.

Kadangi biocheminių reakcijų greitį kontroliuoja aktyvinimo energija, o fermentai mažina ir nustato aktyvinimo energiją cheminėms reakcijoms, santykinis fermentų kiekis ir veikimas ląstelėje galiausiai lemia, kokios reakcijos vyks ir kokiu greičiu. Šis nustatymas yra griežtai kontroliuojamas ląstelėse. Tam tikroje ląstelių aplinkoje fermentų aktyvumą iš dalies kontroliuoja aplinkos veiksniai, tokie kaip pH, temperatūra, druskos koncentracija ir kai kuriais atvejais kofaktoriai ar kofermentai.

Fermentai taip pat gali būti reguliuojami tokiu būdu, kuris skatina arba sumažina fermentų aktyvumą. Yra daug rūšių molekulių, kurios slopina arba skatina fermentų funkciją, ir įvairūs mechanizmai, kuriais jie tai daro. Kai kuriais fermento slopinimo atvejais inhibitoriaus molekulė yra pakankamai panaši į substratą, todėl gali prisijungti prie aktyviosios vietos ir tiesiog blokuoti substrato prisijungimą. Kai taip atsitinka, fermentas slopinamas konkurencinis slopinimas , nes inhibitoriaus molekulė konkuruoja su substratu dėl prisijungimo prie aktyviosios vietos.

Kita vertus, į nekonkurencinis slopinimas inhibitoriaus molekulė prisijungia prie fermento kitoje vietoje nei aktyvi vieta, vadinama alosterine vieta, tačiau vis tiek sugeba blokuoti substrato prisijungimą prie aktyviosios vietos. Kai kurios inhibitorių molekulės jungiasi prie fermentų toje vietoje, kur jų prisijungimas sukelia konformacinius pokyčius, kurie sumažina fermento afinitetą jo substratui. Šis slopinimo tipas vadinamas alosterinis slopinimas (4.9 pav.). Daugumą alosteriškai reguliuojamų fermentų sudaro daugiau nei vienas polipeptidas, tai reiškia, kad jie turi daugiau nei vieną baltymų subvienetą. Kai alosterinis inhibitorius prisijungia prie fermento srities, visos aktyvios baltymų subvienetų vietos yra šiek tiek pakeistos taip, kad jos mažiau efektyviai suriša jų substratus. Yra alosterinių aktyvatorių ir inhibitorių. Allosteriniai aktyvatoriai jungiasi prie fermentų vietų, esančių toli nuo aktyviosios vietos, sukeldami konformacinius pokyčius, kurie padidina fermento aktyviosios (-ių) vietos (-ų) afinitetą jo substratui (-ams) (4.9 pav.).

Fermentai yra pagrindiniai medžiagų apykaitos procesų komponentai. Suprasti, kaip veikia fermentai ir kaip juos galima reguliuoti, yra pagrindiniai daugelio šiandien rinkoje esančių farmacijos vaistų kūrimo principai. Biologai, dirbantys šioje srityje, bendradarbiauja su kitais mokslininkais kurdami vaistus (4.10 pav.).

Apsvarstykite, pavyzdžiui, statinus - statinai yra vienos klasės vaistų, galinčių sumažinti cholesterolio kiekį, pavadinimas. Šie junginiai yra fermento HMG-CoA reduktazės, kuri yra fermentas, sintetinantis cholesterolį iš lipidų organizme, inhibitoriai. Slopinant šį fermentą, galima sumažinti organizme sintezuojamo cholesterolio kiekį. Panašiai acetaminofenas, populiariai parduodamas prekės ženklu Tylenol, yra fermento ciklooksigenazės inhibitorius. Nors jis naudojamas palengvinti karščiavimą ir uždegimą (skausmą), jo veikimo mechanizmas vis dar nėra visiškai suprantamas.

Kaip aptinkami narkotikai? Vienas iš didžiausių narkotikų atradimo iššūkių yra nustatyti narkotikų taikinį. Narkotikų taikinys yra molekulė, kuri tiesiogine prasme yra vaisto taikinys. Statinų atveju vaistas yra HMG-CoA reduktazė. Narkotikų taikiniai nustatomi kruopščiai atliekant tyrimus laboratorijoje. Vien tikslo nustatymo nepakanka, mokslininkai taip pat turi žinoti, kaip taikinys veikia ląstelės viduje ir kokios reakcijos ligos atveju yra klaidingos. Nustačius tikslą ir kelią, prasideda tikrasis vaistų kūrimo procesas. Šiame etape chemikai ir biologai bendradarbiauja kurdami ir sintetindami molekules, kurios gali blokuoti arba suaktyvinti tam tikrą reakciją. Tačiau tai tik pradžia: jei ir kai vaisto prototipas sėkmingai atlieka savo funkciją, jis turi būti išbandytas daug kartų - nuo eksperimentų in vitro iki klinikinių tyrimų, kol bus gautas JAV maisto ir vaistų administracijos patvirtinimas. Parduotuvė.

Daugelis fermentų neveikia optimaliai arba net visai, nebent yra susieti su kitomis specifinėmis ne baltymų pagalbinėmis molekulėmis. Jie gali laikinai jungtis per jonines arba vandenilio jungtis arba visam laikui per stipresnius kovalentinius ryšius. Prisijungimas prie šių molekulių skatina optimalią jų fermentų formą ir funkciją. Du šių tipų pagalbinių molekulių pavyzdžiai yra kofaktoriai ir kofermentai. Kofaktoriai yra neorganiniai jonai, tokie kaip geležies ir magnio jonai.Koenzimai yra organinės pagalbinės molekulės, turinčios bazinę atominę struktūrą, sudarytą iš anglies ir vandenilio. Kaip ir fermentai, šios molekulės dalyvauja reakcijose nekeičiamos ir galiausiai yra perdirbamos ir pakartotinai naudojamos. Vitaminai yra kofermentų šaltinis. Kai kurie vitaminai yra koenzimų pirmtakai, o kiti veikia kaip kofermentai. Vitaminas C yra tiesioginis kofermentas daugeliui fermentų, dalyvaujančių kuriant svarbų jungiamąjį audinį, kolageną. Todėl fermentų funkciją iš dalies reguliuoja daugybė kofaktorių ir kofermentų, kuriuos gali tiekti organizmo mityba arba kai kuriais atvejais pats organizmas.

Grįžtamojo ryšio slopinimas metaboliniuose keliuose

Molekulės gali reguliuoti fermentų funkciją įvairiais būdais. Tačiau išlieka pagrindinis klausimas: kokios yra šios molekulės ir iš kur jos? Kai kurie yra kofaktoriai ir kofermentai, kaip jūs sužinojote. Kokios kitos ląstelės molekulės užtikrina fermentinį reguliavimą, pvz., Alosterinį moduliavimą ir konkurencinį bei nekonkurencinį slopinimą? Turbūt svarbiausi reguliavimo molekulių šaltiniai, susiję su fermentiniu ląstelių metabolizmu, yra patys ląstelių metabolinių reakcijų produktai. Efektyviausiu ir elegantiškiausiu būdu ląstelės išsivystė taip, kad panaudotų savo reakcijų produktus fermentų aktyvumo slopinimui. Grįžtamojo ryšio slopinimas apima reakcijos produkto naudojimą tolesnei jo gamybai reguliuoti (4.11 pav.). Ląstelė reaguoja į produktų gausą sulėtindama gamybą anabolinių ar katabolinių reakcijų metu. Tokie reakcijos produktai gali slopinti fermentus, kurie katalizavo jų gamybą aukščiau aprašytais mechanizmais.

Aminorūgščių ir nukleotidų gamyba kontroliuojama slopinant grįžtamąjį ryšį. Be to, ATP yra allosterinis kai kurių fermentų, dalyvaujančių kataboliniame cukraus skaidyme, reguliatorius, kuris sukuria ATP. Tokiu būdu, kai ATP yra daug, ląstelė gali užkirsti kelią ATP gamybai. Kita vertus, ADP yra teigiamas allosterinis reguliatorius (allosterinis aktyvatorius) kai kuriems tiems patiems fermentams, kuriuos slopina ATP. Taigi, kai santykinis ADP lygis yra aukštas, palyginti su ATP, ląstelė suaktyvinama gaminti daugiau ATP per cukraus katabolizmą.


Pirmasis „akytas skystis“

Belfasto Karalienės universiteto mokslininkai padarė didžiulį laimėjimą, sukurdami porėtą skystį, galintį panaudoti daugybę naujų technologijų, įskaitant anglies dioksido surinkimą.

„Queen's“ chemijos ir chemijos inžinerijos mokyklos mokslininkai kartu su kolegomis iš Liverpulio universiteto ir kitais tarptautiniais partneriais išrado naują skystį ir nustatė, kad jis gali ištirpinti neįprastai daug dujų, kurios absorbuojamos į „skyles“ 'skystyje. Jų tyrimų rezultatai skelbiami žurnale Gamta.

Trejų metų mokslinių tyrimų projektas galėtų atverti kelią daugeliui efektyvesnių ir ekologiškesnių cheminių procesų, įskaitant galiausiai procedūrą, vadinamą anglies surinkimu-anglies dioksido gaudymą iš pagrindinių šaltinių, pavyzdžiui, iškastinio kuro jėgainės, ir jo saugojimą, kad būtų išvengta jo patekimas į atmosferą.

Profesorius Stuartas Jamesas iš Karalienės chemijos ir chemijos inžinerijos mokyklos sakė: "Medžiagos, kuriose yra nuolatinių skylių ar porų, yra technologiškai svarbios. Jos naudojamos gaminant įvairius gaminius - nuo plastikinių butelių iki benzino. Tačiau iki šiol šios akytos medžiagos buvo kietos medžiagos. Mes padarėme suprojektuoti specialų skystį iš apačios į viršų-mes sukūrėme skystį sudarančių molekulių formas taip, kad skystis negalėtų užpildyti visos erdvės. tuščias skyles, kurias mes turėjome skystyje, mes nustatėme, kad jis sugebėjo ištirpinti neįprastai daug dujų. Šie pirmieji eksperimentai yra tai, ko reikia norint suprasti šią naujo tipo medžiagą, o rezultatai rodo įdomias ilgalaikes programas, dėl dujų ištirpimo.

"Reikės dar kelerių metų tyrimų, tačiau jei rasime pritaikymo šiems akytiems skysčiams, jie gali sukelti naujus ar patobulintus cheminius procesus. Bent jau mums pavyko pademonstruoti labai naują principą - kad sukuriant skylėse skysčiuose mes galime žymiai padidinti dujų, kurias jie gali ištirpinti, kiekį. Šios puikios savybės rodo įdomų pritaikymą ilgainiui. "


Kas yra C6H12O6?

C6H12O6 yra kelių paprastų cukrų cheminė formulė, iš kurių trys žymiausios yra gliukozė, fruktozė ir galaktozė. Kiti cukrūs turi tą pačią cheminę formulę, tačiau yra reti arba jų gamtoje nėra. Nors šie cukrūs turi tą patį atomų skaičių, jų molekulės yra skirtingai sukonfigūruotos.

Gliukozė yra pagrindinis gyvų organizmų energijos šaltinis Žemėje. Jis sudeginamas, kad amonio difosfatas taptų amonio trifosfatu, gyvybiškai svarbiu ląstelių energijos šaltiniu. Keletas sujungtų gliukozės molekulių gali būti krakmolo arba celiuliozės pavidalu. Žmonės turi fermentų, kurie atskiria krakmolo gliukozės molekules, tačiau žmonės negali paversti celiuliozės tinkama energija.

Fruktozė, dar vadinama vaisių cukrumi, yra saldžiausia iš visų cukrų ir yra meduje. Sujungus gliukozę ir fruktozę, susidaro sacharozė arba stalo cukrus. Fruktozė naudojama maisto pramonėje, kuriant kukurūzų sirupą, kuriame yra daug fruktozės, kuriame yra maždaug vienas su vienu gliukozės ir fruktozės santykis. Skirtingai nuo sacharozės, šį sirupą galima ištirpinti rūgštiniame maiste, nepablogindamas.

Galaktozės formulė taip pat yra C6H12O6. Žinduoliai gliukozę paverčia galaktoze, tada suriša galaktozę ir gliukozę, kad susidarytų laktozė, kuri yra piene esantis cukrus.


112 Prokariotinis metabolizmas

Pasibaigus šiam skyriui, galėsite atlikti šiuos veiksmus:

  • Nustatykite makroelementus, reikalingus prokariotams, ir paaiškinkite jų svarbą
  • Apibūdinkite būdus, kuriais prokariotai gauna energijos ir anglies gyvybiniams procesams
  • Apibūdinkite prokariotų vaidmenį anglies ir azoto cikluose

Prokariotai yra metaboliškai įvairūs organizmai. Daugeliu atvejų prokariotas gali būti dedamas į rūšies klade pagal jo apibrėžtas metabolines savybes: ar jis gali metabolizuoti laktozę? Ar jis gali augti ant citrato? Ar jis gamina H.2S? Ar jis fermentuoja angliavandenius, kad susidarytų rūgštis ir dujos? Ar jis gali augti anaerobinėmis sąlygomis? Kadangi metabolizmas ir metabolitai yra fermentų kelių produktas, o fermentai yra užkoduoti genuose, prokarioto metabolinės galimybės atspindi jo genomą. Žemėje yra daug skirtingų aplinkų, kuriose yra įvairių energijos ir anglies šaltinių, ir kintamos sąlygos, prie kurių gali prisitaikyti prokariotai. Prokariotai galėjo gyventi bet kurioje aplinkoje-nuo giliavandenių vulkaninių angų iki Antarkties ledo, naudodamiesi bet kokiais turimais energijos ir anglies šaltiniais. Prokariotai užpildo daugybę nišų Žemėje, įskaitant dalyvavimą azoto ir anglies cikluose, fotosintezės deguonies gamybą, negyvų organizmų skilimą ir klestėjimą kaip parazitiniai, komensiniai ar abipusiai organizmai daugialąsčiuose organizmuose, įskaitant žmones. Įmanomas labai platus prokariotų užimamos aplinkos spektras, nes jos turi įvairius medžiagų apykaitos procesus.

Prokariotų poreikis

Įvairi aplinka ir ekosistemos Žemėje turi daugybę sąlygų, susijusių su temperatūra, turimomis maistinėmis medžiagomis, rūgštingumu, druskingumu, deguonies prieinamumu ir energijos šaltiniais. Prokariotai yra labai gerai pasirengę pragyventi iš daugybės maistinių medžiagų ir aplinkos sąlygų. Norėdami gyventi, prokariotams reikia energijos šaltinio, anglies šaltinio ir kai kurių papildomų maistinių medžiagų.

Makroelementai

Ląstelės iš esmės yra gerai organizuotas makromolekulių ir vandens rinkinys. Prisiminkite, kad makromolekulės gaminamos polimerizuojant mažesnius vienetus, vadinamus monomerais. Kad ląstelės galėtų sukurti visas molekules, reikalingas gyvybei palaikyti, joms reikia tam tikrų medžiagų, bendrai vadinamų maistinėmis medžiagomis. Kai gamtoje auga prokariotai, jie turi gauti maistinių medžiagų iš aplinkos. Maistinės medžiagos, kurių reikia dideliais kiekiais, vadinamos makroelementų, o tie, kurių reikia mažesniais ar mažesniais kiekiais, vadinami mikroelementų. Tik keletas elementų laikomi makroelementais - anglis, vandenilis, deguonis, azotas, fosforas ir siera. (Šių elementų prisiminimo mnemonika yra akronimas CHONPS.)

Kodėl šių makroelementų reikia dideliais kiekiais? Jie yra organinių junginių komponentai ląstelėse, įskaitant vandenį. Anglis yra pagrindinis visų makromolekulių elementas: angliavandeniai, baltymai, nukleorūgštys, lipidai ir daugelis kitų junginių. Anglis sudaro apie 50 procentų ląstelės sudėties. Priešingai, azotas sudaro tik 12 procentų visos tipinės ląstelės sausos masės. Azotas yra baltymų, nukleorūgščių ir kitų ląstelių sudedamųjų dalių komponentas. Dauguma gamtoje esančio azoto yra atmosferos azotas (N.2) ar kita neorganine forma. Diatominis (N.2) azotą į organinę formą gali paversti tik tam tikri mikroorganizmai, vadinami azotą fiksuojančiais organizmais. Ir vandenilis, ir deguonis yra daugelio organinių junginių ir vandens dalis. Fosforo reikalauja visi organizmai nukleotidų ir fosfolipidų sintezei. Siera yra kai kurių amino rūgščių, tokių kaip cisteinas ir metioninas, struktūros dalis, taip pat yra keliuose vitaminuose ir kofermentuose. Kiti svarbūs makroelementai yra kalis (K), magnis (Mg), kalcis (Ca) ir natris (Na). Nors šių elementų reikia mažesniais kiekiais, jie yra labai svarbūs prokariotinės ląstelės struktūrai ir funkcijai.

Mikroelementai

Be šių makroelementų, prokariotams reikia įvairių metalinių elementų nedideliais kiekiais. Jie vadinami mikroelementais arba mikroelementais. Pavyzdžiui, geležis yra būtina citochromų, dalyvaujančių elektronų pernešimo reakcijose, funkcijai. Kai kuriems prokariotams pirmiausia reikalingi kiti elementai, tokie kaip boras (B), chromas (Cr) ir manganas (Mn) - kaip fermentiniai kofaktoriai.

Būdai, kuriais prokariotai gauna energijos

Prokariotai klasifikuojami tiek pagal energijos gavimo būdą, tiek pagal anglies šaltinį, kurį jie naudoja organinėms molekulėms gaminti. Šios kategorijos apibendrintos (pav.). Prokariotai gali naudoti skirtingus energijos šaltinius, kad sukurtų ATP, reikalingą biosintezei ir kitai ląstelių veiklai. Fototrofai (arba fototrofiniai organizmai) energiją gauna iš saulės spindulių. Fototrofai sulaiko šviesos energiją, naudodami chlorofilus arba, kai kuriais atvejais, bakterinį rodopsiną. (Rodopsiną naudojantys fototrofai, kaip bebūtų keista, yra fototrofiniai, bet ne fotosintezės, nes jie nefiksuoja anglies.) Chemotrofai (arba chemosintetiniai organizmai) energiją gauna iš cheminių junginių. Chemotrofai, kurie gali naudoti organinius junginius kaip energijos šaltinius, vadinami chemoorganotrofais. Tie, kurie kaip energijos šaltinius gali naudoti neorganinius junginius, tokius kaip sieros ar geležies junginiai, vadinami chemolitotrofais.

Energijos gamybos būdai gali būti aerobiniai, naudojant galutinį elektronų akceptorių deguonį, arba anaerobiniai, naudojant paprastus neorganinius junginius arba organines molekules. galinis elektronų akceptorius. Kadangi prokariotai Žemėje gyveno beveik milijardą metų, kol fotosintezė pagamino daug deguonies aerobiniam kvėpavimui, daugelis bakterijų ir Archaea rūšių yra anaerobinės ir jų metabolinė veikla yra svarbi toliau aptartiems anglies ir azoto ciklams.

Būdai, kuriais prokariotai gauna anglies

Prokariotai gali ne tik naudoti skirtingus energijos šaltinius, bet ir skirtingus anglies junginių šaltinius. Autotrofiniai prokariotai sintetina organines molekules iš anglies dioksido. Priešingai, heterotrofiniai prokariotai anglį gauna iš organinių junginių. Kad vaizdas būtų sudėtingesnis, galima sujungti terminus, apibūdinančius, kaip prokariotai gauna energiją ir anglį. Taigi fotoautotrofai naudoja energiją iš saulės spindulių, o anglis - iš anglies dioksido ir vandens, tuo tarpu chemoheterotrofai energiją ir anglį gauna iš organinio cheminio šaltinio. Chemolitoautotrofai energiją gauna iš neorganinių junginių, o sudėtingas molekules stato iš anglies dioksido. Galiausiai prokariotai, kurie energiją gauna iš šviesos, o anglį - iš organinių junginių, yra fotoheterotrofai. Žemiau esančioje lentelėje ((pav.)) Apibendrinami anglies ir energijos šaltiniai prokariotuose.

Anglies ir energijos šaltiniai prokariotuose
Energijos šaltiniai Anglies šaltiniai
Šviesa Chemikalai Anglies dioksidas Organiniai junginiai
Fototrofai Chemotrofai Autotrofai Heterotrofai
Organinės cheminės medžiagos Neorganinės cheminės medžiagos
Cheminiai organotrofai Chemolitotrofai

Prokariotų vaidmuo ekosistemose

Prokariotų yra visur: nėra nišos ar ekosistemos, kurioje jie nebūtų. Prokariotai atlieka daugybę vaidmenų aplinkoje, kurią jie užima. Jų vaidmuo anglies ir azoto cikluose yra gyvybiškai svarbus gyvybei Žemėje. Be to, dabartinis mokslinis sutarimas rodo, kad metaboliškai sąveikaujančios prokariotinės bendruomenės galėjo būti eukariotinių ląstelių atsiradimo pagrindas.

Prokariotai ir anglies ciklas

Anglis yra vienas iš svarbiausių makroelementų, o prokariotai atlieka svarbų vaidmenį anglies cikle ((paveikslas)). Anglies ciklas seka anglies judėjimą iš neorganinių į organinius junginius ir atgal. Anglis cirkuliuoja pagrindiniais Žemės rezervuarais: sausuma, atmosfera, vandens aplinka, nuosėdos ir uolienos bei biomasė. Tam tikra prasme anglies ciklas atkartoja senovės graikų filosofo Empedoklio pirmą kartą pasiūlytų „keturių elementų“ vaidmenį: ugnį, vandenį, žemę ir orą. Anglies dioksidas pašalinamas iš atmosferos sausumos augalais ir jūrų prokariotais, o į atmosferą grąžinamas kvėpuojant chemoorganotrofiniams organizmams, įskaitant prokariotus, grybus ir gyvūnus. Nors didžiausias anglies rezervuaras sausumos ekosistemose yra uolienose ir nuosėdose, ši anglis nėra lengvai prieinama.

Anglies ciklo dalyviai yra maždaug suskirstyti tarp organinių anglies junginių gamintojų, vartotojų ir skaidytojų. The pirminiai gamintojai organinių anglies junginių iš CO2 yra sausumos augalai ir fotosintezės bakterijos. Didelis kiekis anglies randamas gyvuose sausumos augaluose. Susijęs anglies junginių šaltinis yra humuso, kuris yra organinių medžiagų mišinys iš negyvų augalų ir prokariotų, atsparių skilimui. (Terminas “humusas, ”, beje, yra žodžio “human. ” šaknis. Vartotojai, tokie kaip gyvūnai ir kiti heterotrofai, naudoja gamintojų sukurtus organinius junginius ir išskiria anglies dioksidą į atmosferą. Kitos bakterijos ir grybeliai, bendrai vadinami skaidytojai , atlieka augalų ir gyvūnų bei jų organinių junginių skaidymą (skilimą). Dauguma anglies dioksido atmosferoje susidaro kvėpuojant mikroorganizmams, kurie skaido negyvus gyvūnus, augalus ir humusą.

Vandeninėje aplinkoje ir jų anoksinėse nuosėdose vyksta dar vienas anglies ciklas. Šiuo atveju ciklas grindžiamas vienos anglies junginiais. Anoksinėse nuosėdose prokariotai, dažniausiai archajos, gamina metaną (CH4). Šis metanas patenka į zoną virš nuosėdų, kuri yra turtingesnė deguonimi ir palaiko bakterijas, vadinamas metano oksidatoriai kurie oksiduoja metaną į anglies dioksidą, kuris vėliau grįžta į atmosferą.


Prokariotai ir azoto ciklas

Azotas yra labai svarbus gyvybės elementas, nes jis yra pagrindinė baltymų ir nukleorūgščių sudedamoji dalis. Tai makroelementas, ir gamtoje jis yra perdirbamas iš organinių junginių į amoniaką, amonio jonus, nitratą, nitritą ir azoto dujas daugeliu procesų, kurių daugelis atliekami tik prokariotais. Kaip parodyta (paveikslėlyje), prokariotai yra azoto ciklo raktas. Didžiausias azoto telkinys sausumos ekosistemoje yra dujinis azotas (N2) iš oro, tačiau šio azoto negali naudoti augalai, kurie yra pirminiai gamintojai. Dujinis azotas paverčiamas arba „fiksuojamas“ į lengviau prieinamas formas, tokias kaip amoniakas (NH3), azoto fiksavimo proceso metu. Priskiriamos azotą fiksuojančios bakterijos Azotobakterija dirvožemyje ir visur esančiose fotosintezinėse cianobakterijose. Kai kurios azotą fiksuojančios bakterijos, pvz Šakniastiebis, gyvena simbioziniuose santykiuose ankštinių augalų šaknyse. Kitas amoniako šaltinis yra amoninimas, procesas, kurio metu amoniakas išsiskiria skaidant azoto turinčius organinius junginius. Amonio joną palaipsniui oksiduoja įvairios bakterijų rūšys, vadinamos nitrifikacija. Nitrifikacijos procesas prasideda nuo amonio konversijos į nitritą (NO2 –), ir toliau vyksta nitrito konversija į nitratą. Nitrifikaciją dirvožemyje atlieka bakterijos, priklausančios gentims Nitrozomos, Nitrobacter, ir
Nitrospira
. Dauguma azoto dirvožemyje yra amonio (NH4 +) arba nitrato (NO3 –). Amoniaką ir nitratą augalai gali naudoti arba paversti kitomis formomis.

Tačiau į atmosferą išleistas amoniakas sudaro tik 15 procentų viso išleidžiamo azoto, likusi dalis yra N2 ir N.2O (azoto oksidas). Amoniakas anaerobiškai katabolizuojamas kai kurių prokariotų, gaunamas N2 kaip galutinis produktas. Denitrifikuojančios bakterijos pakeičia nitrifikacijos procesą, sumažindamos nitratą iš dirvožemio į dujinius junginius, tokius kaip N2O, NE ir N.2.


Kuris iš šių teiginių apie azoto ciklą yra klaidingas?

  1. Azotą fiksuojančios bakterijos yra ant ankštinių augalų šaknų mazgų ir dirvožemyje.
  2. Denitrifikuojančios bakterijos konvertuoja nitratus (NO3 –) į azoto dujas (N2).
  3. Amonifikacija yra procesas, kurio metu amonio jonas (NH4 +) išsiskiria iš suyrančių organinių junginių.
  4. Nitrifikacija yra procesas, kurio metu nitritai (NO2 –) paverčiami amonio jonais (NH4 + ).

Skilties santrauka

Kaip seniausi gyvi Žemės gyventojai, prokariotai taip pat yra labiausiai metaboliškai įvairūs, jie klesti daugelyje skirtingų aplinkų, kuriuose yra įvairių energijos ir anglies šaltinių, kintanti temperatūra, pH, slėgis, deguonis ir vanduo. Maistinės medžiagos, kurių reikia dideliais kiekiais, vadinamos makroelementais, o tos, kurios reikalingos nedideliais kiekiais, vadinamos mikroelementais arba mikroelementais. Makroelementai yra C, H, O, N, P, S, K, Mg, Ca ir Na. Be šių makroelementų, augimui ir fermentų funkcijai prokariotams reikalingi įvairūs metaliniai elementai. Prokariotai naudoja skirtingus energijos šaltinius, kad surinktų makromolekules iš mažesnių molekulių. Fototrofai energiją gauna iš saulės spindulių, o chemotrofai energiją iš cheminių junginių. Energijos gamybos būdai gali būti aerobiniai arba anaerobiniai.

Prokariotai vaidina anglies ir azoto ciklus. Gamintojai surenka anglies dioksidą iš atmosferos ir paverčia jį organiniais junginiais.Vartotojai (gyvūnai ir kiti chemoorganotrofiniai organizmai) naudoja gamintojų sukurtus organinius junginius ir kvėpuojant išskiria anglies dioksidą į atmosferą. Anglies dioksidą į atmosferą grąžina ir negyvų organizmų mikrobų skaidytojai. Azotas taip pat cirkuliuoja ir išeina iš gyvų organizmų - nuo organinių junginių iki amoniako, amonio jonų, nitritų, nitratų ir azoto dujų. Prokariotai yra būtini daugumai šių konversijų. Dujinis azotas fiksacijos būdu virsta amoniaku. Amoniakas anaerobiškai katabolizuojamas kai kurių prokariotų, gaunamas N2 kaip galutinis produktas. Nitrifikacija yra amonio pavertimas nitritu. Nitrifikaciją dirvožemyje atlieka bakterijos. Denitrifikaciją atlieka ir bakterijos, o nitratas iš dirvožemio virsta dujiniais azoto junginiais, tokiais kaip N2O, NE ir N.2.

Vizualinio ryšio klausimai

(Paveikslas) Kuris iš šių teiginių apie azoto ciklą yra klaidingas?


Žiūrėti video įrašą: Žalioji energija (Sausis 2022).