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46.3C: El ciclo del carbono - Biología


El carbono entra a la atmósfera en forma de dióxido de carbono a través del ciclo del carbono y vuelve al carbono orgánico a través de la fotosíntesis.

Objetivos de aprendizaje

  • Distinguir entre los ciclos biológicos y biogeoquímicos del carbono.

Puntos clave

  • El carbono está presente en todas las moléculas orgánicas; Los compuestos de carbono contienen grandes cantidades de energía, que los seres humanos utilizan como combustible.
  • El ciclo biológico del carbono es el intercambio rápido de carbono entre los seres vivos; Los autótrofos utilizan el dióxido de carbono producido por los heterótrofos para producir glucosa y oxígeno, que luego son utilizados por los heterótrofos.
  • El ciclo biogeoquímico ocurre a un ritmo mucho más lento que el ciclo biológico, ya que el carbono se almacena en depósitos de carbono durante largos períodos de tiempo.
  • El dióxido de carbono de la atmósfera se disuelve en agua, combinándose con moléculas de agua para formar ácido carbónico, que luego se ioniza en iones carbonato y bicarbonato.
  • La mayor parte del carbono en el océano se encuentra en forma de iones de bicarbonato, que pueden combinarse con el calcio del agua de mar para formar carbonato de calcio (CaCO3), un componente importante de las conchas de los organismos marinos.
  • El carbono puede ingresar al suelo como resultado de la descomposición de organismos vivos, la erosión de las rocas, la erupción de volcanes y otros sistemas geotérmicos.

Términos clave

  • subducción: movimiento de una placa tectónica debajo de otra
  • recurso no renovable: recurso, como el combustible fósil, que se regenera muy lentamente o no se regenera en absoluto
  • autótrofo: Cualquier organismo que pueda sintetizar su alimento a partir de sustancias inorgánicas, utilizando el calor o la luz como fuente de energía.
  • heterótrofo: un organismo que requiere un suministro externo de energía en forma de alimento, ya que no puede sintetizar su propio

El ciclo del carbono

El carbono, el segundo elemento más abundante en los organismos vivos, está presente en todas las moléculas orgánicas. Su papel en la estructura de las macromoléculas es de primordial importancia para los organismos vivos. Los compuestos de carbono contienen formas de energía especialmente altas, que los seres humanos utilizan como combustible. Desde el siglo XIX (el comienzo de la Revolución Industrial), aumentó el número de países que utilizan cantidades masivas de combustibles fósiles, lo que elevó los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera. Este aumento de dióxido de carbono se ha asociado con el cambio climático y otras alteraciones de los ecosistemas de la tierra. Es una preocupación medioambiental importante en todo el mundo.

El ciclo del carbono se estudia más fácilmente como dos subciclos interconectados: uno que trata del intercambio rápido de carbono entre organismos vivos y el otro que trata del ciclo a largo plazo del carbono a través de procesos geológicos.

El ciclo biológico del carbono

Los organismos vivos están conectados de muchas formas, incluso entre ecosistemas. Un buen ejemplo de esta conexión es el intercambio de carbono entre autótrofos y heterótrofos. El dióxido de carbono es el bloque de construcción básico que la mayoría de los autótrofos utilizan para construir compuestos de alta energía de múltiples carbonos, como la glucosa. Estos organismos utilizan la energía obtenida del sol para formar los enlaces covalentes que unen a los átomos de carbono. Estos enlaces químicos almacenan esta energía para su uso posterior en el proceso de respiración. La mayoría de los autótrofos terrestres obtienen su dióxido de carbono directamente de la atmósfera, mientras que los autótrofos marinos lo adquieren en forma disuelta (ácido carbónico, H2CO3). Independientemente de cómo se adquiera el dióxido de carbono, un subproducto del proceso es el oxígeno. Los organismos fotosintéticos son responsables de depositar aproximadamente el 21 por ciento del contenido de oxígeno en la atmósfera que observamos hoy.

Los heterótrofos adquieren los compuestos de carbono de alta energía de los autótrofos al consumirlos y descomponerlos mediante la respiración para obtener energía celular, como el ATP. El tipo de respiración más eficiente, la respiración aeróbica, requiere oxígeno obtenido de la atmósfera o disuelto en agua. Por lo tanto, hay un intercambio constante de oxígeno y dióxido de carbono entre los autótrofos (que necesitan el carbono) y los heterótrofos (que necesitan el oxígeno). El intercambio de gases a través de la atmósfera y el agua es una forma en que el ciclo del carbono conecta a todos los organismos vivos de la Tierra.

El ciclo del carbono biogeoquímico

El movimiento del carbono a través de la tierra, el agua y el aire es complejo y, en muchos casos, ocurre mucho más lentamente que el ciclo biológico del carbono. El carbono se almacena durante largos períodos en lo que se conoce como depósitos de carbono, que incluyen la atmósfera, los cuerpos de agua líquida (principalmente océanos), los sedimentos oceánicos, el suelo, los sedimentos terrestres (incluidos los combustibles fósiles) y el interior de la tierra.

Como se dijo, la atmósfera, un importante depósito de carbono en forma de dióxido de carbono, es esencial para el proceso de fotosíntesis. El nivel de dióxido de carbono en la atmósfera está muy influenciado por la reserva de carbono en los océanos. El intercambio de carbono entre la atmósfera y los depósitos de agua influye en la cantidad de carbono que se encuentra en cada ubicación; cada uno afecta al otro recíprocamente. Dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera se disuelve en agua, combinándose con moléculas de agua para formar ácido carbónico. Luego se ioniza a iones carbonato y bicarbonato.

Más del 90 por ciento del carbono del océano se encuentra en forma de iones bicarbonato. Algunos de estos iones se combinan con el calcio del agua de mar para formar carbonato de calcio (CaCO3), un componente importante de las conchas de organismos marinos. Estos organismos eventualmente forman sedimentos en el fondo del océano. Con el tiempo geológico, el carbonato de calcio forma piedra caliza, que comprende el depósito de carbono más grande de la tierra.

En tierra, el carbono se almacena en el suelo como resultado de la descomposición de organismos vivos o la meteorización de rocas y minerales terrestres. Este carbono se puede filtrar a los depósitos de agua por la escorrentía superficial. Más profundo bajo tierra, en tierra y en el mar, se encuentran los combustibles fósiles: los restos de plantas descompuestos anaeróbicamente que tardan millones de años en formarse. Los combustibles fósiles se consideran un recurso no renovable porque su uso supera con creces su tasa de formación. Un recurso no renovable se regenera muy lentamente o no se regenera en absoluto. Otra forma en que el carbono ingresa a la atmósfera es desde la tierra por la erupción de volcanes y otros sistemas geotérmicos. Los sedimentos de carbono del fondo del océano se toman a las profundidades de la tierra mediante el proceso de subducción: el movimiento de una placa tectónica debajo de otra. El carbono se libera como dióxido de carbono cuando un volcán entra en erupción o por respiraderos hidrotermales volcánicos.

El dióxido de carbono también se agrega a la atmósfera por la cría y la cría de ganado. La gran cantidad de animales terrestres criados para alimentar a la creciente población de la tierra da como resultado un aumento de los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera debido a las prácticas agrícolas, la respiración y la producción de metano. Este es otro ejemplo de cómo la actividad humana afecta indirectamente a los ciclos biogeoquímicos de manera significativa. Aunque gran parte del debate sobre los efectos futuros del aumento del carbono atmosférico sobre el cambio climático se centra en los combustibles fósiles, los científicos tienen en cuenta los procesos naturales, como los volcanes y la respiración, al modelar y predecir el impacto futuro de este aumento.


46.3 Ciclos biogeoquímicos

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

  • Discutir los ciclos biogeoquímicos del agua, el carbono, el nitrógeno, el fósforo y el azufre.
  • Explicar cómo las actividades humanas han impactado estos ciclos y las posibles consecuencias para la Tierra.

La energía fluye direccionalmente a través de los ecosistemas, ingresando como luz solar (o moléculas inorgánicas para quimioautótrofos) y saliendo como calor durante las numerosas transferencias entre niveles tróficos. Sin embargo, la materia que forma los organismos vivos se conserva y recicla. Los seis elementos más comunes asociados con las moléculas orgánicas (carbono, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno, fósforo y azufre) adoptan una variedad de formas químicas y pueden existir durante largos períodos en la atmósfera, en la tierra, en el agua o debajo de la superficie de la Tierra. . Los procesos geológicos, como la meteorización, la erosión, el drenaje de agua y la subducción de las placas continentales, juegan un papel en este reciclaje de materiales. Debido a que la geología y la química tienen un papel importante en el estudio de este proceso, el reciclaje de materia inorgánica entre los organismos vivos y su entorno se denomina ciclo biogeoquímico.

El agua contiene hidrógeno y oxígeno, que es esencial para todos los procesos vivos. La hidrosfera es el área de la Tierra donde ocurre el movimiento y el almacenamiento del agua. Sobre o debajo de la superficie, el agua se encuentra en forma líquida o sólida en ríos, lagos, océanos, aguas subterráneas, casquetes polares y glaciares. Y ocurre como vapor de agua en la atmósfera. El carbono se encuentra en todas las macromoléculas orgánicas y es un componente importante de los combustibles fósiles. El nitrógeno es un componente importante de nuestros ácidos nucleicos y proteínas y es fundamental para la agricultura humana. El fósforo, un componente principal del ácido nucleico (junto con el nitrógeno), es uno de los principales ingredientes de los fertilizantes artificiales utilizados en la agricultura y sus impactos ambientales asociados en nuestras aguas superficiales. El azufre es fundamental para el plegamiento tridimensional de proteínas, como en la unión de disulfuro.

El ciclo de estos elementos está interconectado. Por ejemplo, el movimiento del agua es fundamental para la lixiviación de nitrógeno y fosfato en ríos, lagos y océanos. Además, el propio océano es un importante depósito de carbono. Por lo tanto, los nutrientes minerales se ciclan, ya sea rápida o lentamente, a través de toda la biosfera, de un organismo vivo a otro, y entre el mundo biótico y abiótico.

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El ciclo del agua (hidrológico)

El agua es la base de todos los procesos vivos de la Tierra. Al examinar las reservas de agua en la Tierra, el 97,5 por ciento es agua salada no potable (Figura 46.12). Del agua restante, el 99 por ciento está encerrado bajo tierra como agua o hielo. Por lo tanto, menos del 1 por ciento del agua dulce es fácilmente accesible desde lagos y ríos. Muchos seres vivos, como plantas, animales y hongos, dependen de esa pequeña cantidad de agua dulce superficial, cuya falta puede tener efectos masivos en la dinámica de los ecosistemas. Para tener éxito, los organismos deben adaptarse a los suministros de agua fluctuantes. Los seres humanos, por supuesto, han desarrollado tecnologías para aumentar la disponibilidad de agua, como cavar pozos para recolectar agua subterránea, almacenar agua de lluvia y utilizar la desalinización para obtener agua potable del océano.

El ciclo del agua es extremadamente importante para la dinámica de los ecosistemas. El agua tiene una gran influencia en el clima y, por tanto, en el medio ambiente de los ecosistemas. La mayor parte del agua de la Tierra se almacena durante largos períodos en los océanos, bajo tierra y en forma de hielo. La figura 46.13 ilustra el tiempo promedio que una molécula de agua individual puede pasar en los principales depósitos de agua de la Tierra. El tiempo de residencia es una medida del tiempo promedio que una molécula de agua individual permanece en un reservorio particular.

Hay varios procesos que ocurren durante el ciclo del agua, como se muestra en la Figura 46.14. Estos procesos incluyen lo siguiente:

  • evaporación / sublimación
  • condensación / precipitación
  • flujo de agua subterránea
  • escorrentía superficial / deshielo
  • flujo de corriente

El ciclo del agua es impulsado por la energía del sol a medida que calienta los océanos y otras aguas superficiales. Esto conduce a la evaporación (agua a vapor de agua) del agua superficial líquida y a la sublimación (hielo a vapor de agua) del agua congelada, que deposita grandes cantidades de vapor de agua en la atmósfera. Con el tiempo, este vapor de agua se condensa en nubes como gotas líquidas o congeladas y finalmente es seguido por precipitación (lluvia o nieve), que devuelve el agua a la superficie de la Tierra. La lluvia eventualmente penetra en el suelo, donde puede evaporarse nuevamente si está cerca de la superficie, fluye debajo de la superficie o se almacena durante períodos prolongados. Se observa más fácilmente la escorrentía superficial: el flujo de agua dulce procedente de la lluvia o del derretimiento del hielo. La escorrentía puede luego abrirse camino a través de arroyos y lagos hacia los océanos o fluir directamente a los océanos mismos.

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La lluvia y la escorrentía superficial son las principales formas en que los minerales, incluidos el carbono, el nitrógeno, el fósforo y el azufre, se reciclan de la tierra al agua. Los efectos ambientales de la escorrentía se discutirán más adelante a medida que se describan estos ciclos.

El ciclo del carbono

El carbono es el segundo elemento más abundante en los organismos vivos. El carbono está presente en todas las moléculas orgánicas y su papel en la estructura de las macromoléculas es de primordial importancia para los organismos vivos.

El ciclo del carbono se estudia más fácilmente como dos subciclos interconectados: uno que trata del intercambio rápido de carbono entre organismos vivos y el otro que trata del ciclo a largo plazo del carbono a través de procesos geológicos. El ciclo completo del carbono se muestra en la Figura 46.15.

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Haga clic en este enlace para leer información sobre el Programa Científico del Ciclo del Carbono de los Estados Unidos.

El ciclo biológico del carbono

Los organismos vivos están conectados de muchas formas, incluso entre ecosistemas. Un buen ejemplo de esta conexión es el intercambio de carbono entre autótrofos y heterótrofos dentro y entre ecosistemas a través del dióxido de carbono atmosférico. El dióxido de carbono es el bloque de construcción básico que la mayoría de los autótrofos utilizan para construir compuestos multicarbonos de alta energía, como la glucosa. Estos organismos utilizan la energía obtenida del sol para formar los enlaces covalentes que unen a los átomos de carbono. Estos enlaces químicos almacenan esta energía para su uso posterior en el proceso de respiración. La mayoría de los autótrofos terrestres obtienen su dióxido de carbono directamente de la atmósfera, mientras que los autótrofos marinos lo adquieren en forma disuelta (ácido carbónico, H2CO3 -). Independientemente de cómo se adquiera el dióxido de carbono, un subproducto del proceso es el oxígeno. Los organismos fotosintéticos son responsables de depositar aproximadamente el 21 por ciento del contenido de oxígeno de la atmósfera que observamos hoy.

Los heterótrofos y autótrofos son socios en el intercambio biológico de carbono (especialmente los consumidores primarios, en gran parte herbívoros). Los heterótrofos adquieren los compuestos de carbono de alta energía de los autótrofos al consumirlos y descomponerlos mediante la respiración para obtener energía celular, como el ATP. El tipo de respiración más eficiente, la respiración aeróbica, requiere oxígeno obtenido de la atmósfera o disuelto en agua. Por lo tanto, hay un intercambio constante de oxígeno y dióxido de carbono entre los autótrofos (que necesitan el carbono) y los heterótrofos (que necesitan el oxígeno). El intercambio de gases a través de la atmósfera y el agua es una forma en que el ciclo del carbono conecta a todos los organismos vivos de la Tierra.

El ciclo del carbono biogeoquímico

El movimiento del carbono a través de la tierra, el agua y el aire es complejo y, en muchos casos, ocurre mucho más lentamente geológicamente que como se ve entre los organismos vivos. El carbono se almacena durante largos períodos en lo que se conoce como depósitos de carbono, que incluyen la atmósfera, los cuerpos de agua líquida (principalmente océanos), los sedimentos oceánicos, el suelo, los sedimentos terrestres (incluidos los combustibles fósiles) y el interior de la Tierra.

Como se dijo, la atmósfera es un depósito importante de carbono en forma de dióxido de carbono y es esencial para el proceso de fotosíntesis. El nivel de dióxido de carbono en la atmósfera está muy influenciado por la reserva de carbono en los océanos. El intercambio de carbono entre la atmósfera y los depósitos de agua influye en la cantidad de carbono que se encuentra en cada lugar, y cada uno afecta al otro de forma recíproca. Dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera se disuelve en agua y se combina con moléculas de agua para formar ácido carbónico, y luego se ioniza a iones carbonato y bicarbonato (Figura 46.16)

Los coeficientes de equilibrio son tales que más del 90 por ciento del carbono en el océano se encuentra en forma de iones bicarbonato. Algunos de estos iones se combinan con el calcio del agua de mar para formar carbonato de calcio (CaCO3), un componente importante de las conchas de organismos marinos. Estos organismos eventualmente forman sedimentos en el fondo del océano. Con el tiempo geológico, el carbonato de calcio forma piedra caliza, que comprende el depósito de carbono más grande de la Tierra.

En tierra, el carbono se almacena en el suelo como resultado de la descomposición de organismos vivos (por descomponedores) o de la meteorización de rocas y minerales terrestres. Este carbono se puede filtrar a los depósitos de agua por la escorrentía superficial. Más profundo bajo tierra, en tierra y en el mar, son los combustibles fósiles: los restos descompuestos anaeróbicamente de plantas que tardan millones de años en formarse. Los combustibles fósiles se consideran un recurso no renovable porque su uso supera con creces su tasa de formación. Un recurso no renovable, como los combustibles fósiles, se regenera muy lentamente o no se regenera en absoluto. Otra forma en que el carbono ingresa a la atmósfera es desde la tierra (incluida la tierra debajo de la superficie del océano) por la erupción de volcanes y otros sistemas geotérmicos. Los sedimentos de carbono del fondo del océano se toman a las profundidades de la Tierra mediante el proceso de subducción: el movimiento de una placa tectónica debajo de otra. El carbono se libera como dióxido de carbono cuando un volcán entra en erupción o por respiraderos hidrotermales volcánicos.

Los seres humanos contribuyen al carbono atmosférico mediante la quema de combustibles fósiles y otros materiales. Desde la Revolución Industrial, los seres humanos han aumentado significativamente la liberación de carbono y compuestos de carbono, lo que a su vez ha afectado el clima y el medio ambiente en general.

La cría de animales por parte de los humanos también aumenta el carbono atmosférico. La gran cantidad de animales terrestres criados para alimentar a la creciente población de la Tierra da como resultado un aumento de los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera debido a las prácticas agrícolas y la respiración y la producción de metano. Este es otro ejemplo de cómo la actividad humana afecta indirectamente a los ciclos biogeoquímicos de manera significativa. Aunque gran parte del debate sobre los efectos futuros del aumento del carbono atmosférico sobre el cambio climático se centra en los combustibles fósiles, los científicos tienen en cuenta los procesos naturales, como los volcanes y la respiración, al modelar y predecir el impacto futuro de este aumento.

El ciclo del nitrógeno

Llevar nitrógeno al mundo vivo es difícil. Las plantas y el fitoplancton no están equipados para incorporar nitrógeno de la atmósfera (que existe como N triple covalente fuertemente unido2) a pesar de que esta molécula comprende aproximadamente el 78 por ciento de la atmósfera. El nitrógeno ingresa al mundo vivo a través de bacterias simbióticas y de vida libre, que incorporan nitrógeno en sus macromoléculas a través de la fijación de nitrógeno (conversión de N2). Las cianobacterias viven en la mayoría de los ecosistemas acuáticos donde hay luz solar y juegan un papel clave en la fijación de nitrógeno. Las cianobacterias pueden utilizar fuentes inorgánicas de nitrógeno para "fijar" el nitrógeno. Rhizobium las bacterias viven simbióticamente en los nódulos de las raíces de las legumbres (como guisantes, frijoles y cacahuetes) y les proporcionan el nitrógeno orgánico que necesitan. (Por ejemplo, los jardineros a menudo cultivan guisantes tanto para sus productos como para agregar nitrógeno al suelo de forma natural. Esta práctica se remonta a la antigüedad, incluso si la ciencia se ha entendido recientemente). Bacterias de vida libre, como Azotobacter, son también importantes fijadores de nitrógeno.

El nitrógeno orgánico es especialmente importante para el estudio de la dinámica de los ecosistemas, ya que muchos procesos de los ecosistemas, como la producción primaria y la descomposición, están limitados por el suministro de nitrógeno disponible. Como se muestra en la figura 46.17, el nitrógeno que ingresa a los sistemas vivos mediante la fijación de nitrógeno se convierte sucesivamente de nitrógeno orgánico en gas nitrógeno por las bacterias. Este proceso ocurre en tres pasos en los sistemas terrestres: amonificación, nitrificación y desnitrificación. Primero, el proceso de amonificación convierte los desechos nitrogenados de animales vivos o de los restos de animales muertos en amonio (NH4 +) por ciertas bacterias y hongos. En segundo lugar, el amonio se convierte en nitritos (NO2 -) por bacterias nitrificantes, como Nitrosomonas, a través de la nitrificación. Posteriormente, los nitritos se convierten en nitratos (NO3 -) por organismos similares. En tercer lugar, se produce el proceso de desnitrificación, mediante el cual las bacterias, como Pseudomonas y Clostridium, convierte los nitratos en nitrógeno gaseoso, lo que le permite volver a entrar en la atmósfera.

Conexión visual

¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el ciclo del nitrógeno es falsa?

  1. La amonificación convierte la materia orgánica nitrogenada de los organismos vivos en amonio (NH4 + ).
  2. La desnitrificación por bacterias convierte los nitratos (NO3 -) al gas nitrógeno (N2).
  3. La nitrificación por bacterias convierte los nitratos (NO3 -) a nitritos (NO2 − ).
  4. Las bacterias fijadoras de nitrógeno convierten el gas nitrógeno (N2) en compuestos orgánicos.

La actividad humana puede liberar nitrógeno al medio ambiente por dos medios principales: la combustión de combustibles fósiles, que liberan diferentes óxidos de nitrógeno, y mediante el uso de fertilizantes artificiales en la agricultura, que luego son arrastrados a lagos, arroyos y ríos por la escorrentía superficial. El nitrógeno atmosférico está asociado con varios efectos en los ecosistemas de la Tierra, incluida la producción de lluvia ácida (como ácido nítrico, HNO3) y gases de efecto invernadero (como óxido nitroso, N2O) potencialmente causando el cambio climático. Un efecto importante de la escorrentía de fertilizantes es la eutrofización del agua salada y del agua dulce, un proceso por el cual la escorrentía de nutrientes provoca el crecimiento excesivo de microorganismos, agota los niveles de oxígeno disuelto y mata la fauna del ecosistema.

Un proceso similar ocurre en el ciclo del nitrógeno marino, donde los procesos de amonificación, nitrificación y desnitrificación son realizados por bacterias marinas. Parte de este nitrógeno cae al fondo del océano en forma de sedimento, que luego puede trasladarse a la tierra en tiempo geológico mediante el levantamiento de la superficie de la Tierra y, por lo tanto, incorporado a la roca terrestre. Aunque el movimiento de nitrógeno de la roca directamente a los sistemas vivos se ha considerado tradicionalmente insignificante en comparación con el nitrógeno fijado de la atmósfera, un estudio reciente mostró que este proceso puede ser significativo y debería incluirse en cualquier estudio del ciclo global del nitrógeno. 3

El ciclo del fósforo

El fósforo es un nutriente esencial para los procesos vivos, es un componente principal de los ácidos nucleicos y los fosfolípidos y, como fosfato de calcio, constituye los componentes de apoyo de nuestros huesos. El fósforo es a menudo el nutriente limitante (necesario para el crecimiento) en los ecosistemas acuáticos (Figura 46.18).

El fósforo se encuentra en la naturaleza como ión fosfato (PO4 3−). Además de la escorrentía de fosfato como resultado de la actividad humana, la escorrentía superficial natural ocurre cuando se lixivia de rocas que contienen fosfato por la intemperie, enviando fosfatos a ríos, lagos y al océano. Esta roca tiene su origen en el océano. Los sedimentos oceánicos que contienen fosfato se forman principalmente a partir de los cuerpos de los organismos oceánicos y de sus excreciones. Sin embargo, en regiones remotas, las cenizas volcánicas, los aerosoles y el polvo mineral también pueden ser fuentes importantes de fosfato. Este sedimento luego se traslada a la tierra a lo largo del tiempo geológico mediante la elevación de áreas de la superficie de la Tierra.

El fósforo también se intercambia recíprocamente entre el fosfato disuelto en el océano y los ecosistemas marinos. El movimiento del fosfato desde el océano a la tierra y a través del suelo es extremadamente lento, y el ión fosfato promedio tiene un tiempo de residencia oceánica entre 20.000 y 100.000 años.

Como se discutió en el Capítulo 44, el exceso de fósforo y nitrógeno que ingresa a estos ecosistemas a partir de la escorrentía de fertilizantes y de las aguas residuales provoca un crecimiento excesivo de microorganismos y agota el oxígeno disuelto, lo que conduce a la muerte de muchos ecosistemas de fauna, como mariscos y peces. Este proceso es responsable de las zonas muertas en los lagos y en las desembocaduras de muchos ríos importantes (Figura 46.19).

Como se discutió anteriormente, una zona muerta es un área dentro de un ecosistema de agua dulce o marino donde grandes áreas están agotadas de su flora y fauna normales, estas zonas pueden ser causadas por eutrofización, derrames de petróleo, vertido de productos químicos tóxicos y otras actividades humanas. El número de zonas muertas ha aumentado durante varios años, y más de 400 de estas zonas estaban presentes en 2008. Una de las peores zonas muertas se encuentra frente a la costa de los Estados Unidos en el Golfo de México, donde la escorrentía de fertilizantes del La cuenca del río Mississippi ha creado una zona muerta de más de 8463 millas cuadradas. La escorrentía de fosfatos y nitratos de los fertilizantes también afecta negativamente a varios ecosistemas de lagos y bahías, incluida la Bahía de Chesapeake en el este de los Estados Unidos.

Conexión diaria

Bahía de Chesapeake

La bahía de Chesapeake ha sido valorada durante mucho tiempo como una de las áreas más pintorescas de la Tierra; ahora está en peligro y es reconocida como un ecosistema en declive. En la década de 1970, la Bahía de Chesapeake fue uno de los primeros ecosistemas en haber identificado zonas muertas, que continúan matando a muchos peces y especies que viven en el fondo, como almejas, ostras y gusanos. Varias especies han disminuido en la Bahía de Chesapeake debido a la escorrentía de aguas superficiales que contiene un exceso de nutrientes de fertilizantes artificiales utilizados en la tierra. La fuente de los fertilizantes (con alto contenido de nitrógeno y fosfato) no se limita a las prácticas agrícolas. Hay muchas áreas urbanas cercanas y más de 150 ríos y arroyos desembocan en la bahía que transportan la escorrentía de fertilizantes de céspedes y jardines. Por lo tanto, el declive de la bahía de Chesapeake es un tema complejo y requiere la cooperación de la industria, la agricultura y los propietarios cotidianos.

De particular interés para los conservacionistas es la población de ostras; se estima que más de 200,000 acres de arrecifes de ostras existían en la bahía en el siglo XVIII, pero ese número ahora ha disminuido a solo 36,000 acres. La recolección de ostras fue una vez una industria importante para la bahía de Chesapeake, pero disminuyó un 88 por ciento entre 1982 y 2007. Esta disminución se debió no solo a la escorrentía de fertilizantes y las zonas muertas, sino también a la sobreexplotación. Las ostras requieren una cierta densidad de población mínima porque deben estar muy cerca para reproducirse. La actividad humana ha alterado la población y las ubicaciones de las ostras, alterando enormemente el ecosistema.

La restauración de la población de ostras en la bahía de Chesapeake se ha llevado a cabo durante varios años con resultados mixtos. Muchas personas no solo encuentran buenas ostras para comer, sino que también limpian la bahía. Las ostras se alimentan por filtración y, mientras comen, limpian el agua que las rodea. En la década de 1700, se estimó que la población de ostras tardaba solo unos días en filtrar todo el volumen de la bahía. Hoy, con las condiciones cambiantes del agua, se estima que la población actual tardaría casi un año en hacer el mismo trabajo.

Los esfuerzos de restauración se han realizado durante varios años por organizaciones sin fines de lucro, como la Fundación de la Bahía de Chesapeake. El objetivo de la restauración es encontrar una manera de aumentar la densidad de población para que las ostras puedan reproducirse de manera más eficiente. Muchas variedades resistentes a enfermedades (desarrolladas en el Instituto de Ciencias Marinas de Virginia para el Colegio de William and Mary) están ahora disponibles y se han utilizado en la construcción de arrecifes de ostras experimentales. Los esfuerzos de Virginia y Delaware para limpiar y restaurar la bahía se han visto obstaculizados porque gran parte de la contaminación que ingresa a la bahía proviene de otros estados, lo que enfatiza la necesidad de cooperación interestatal para lograr una restauración exitosa.

Las nuevas y abundantes cepas de ostras también han dado lugar a una industria nueva y económicamente viable, la acuicultura de ostras, que no solo suministra ostras para la alimentación y las ganancias, sino que también tiene el beneficio adicional de limpiar la bahía.

El ciclo del azufre

El azufre es un elemento esencial para las macromoléculas de los seres vivos. Como parte del aminoácido cisteína, participa en la formación de enlaces disulfuro dentro de las proteínas, que ayudan a determinar sus patrones de plegamiento tridimensionales y, por lo tanto, sus funciones. Como se muestra en la Figura 46.21, los ciclos del azufre entre los océanos, la tierra y la atmósfera. El azufre atmosférico se encuentra en forma de dióxido de azufre (SO2) y entra a la atmósfera de tres formas: por la descomposición de moléculas orgánicas, por la actividad volcánica y los respiraderos geotérmicos, y por la quema de combustibles fósiles por parte de los seres humanos.

En tierra, el azufre se deposita de cuatro formas principales: precipitación, lluvia radiactiva directa de la atmósfera, erosión de las rocas y respiraderos geotérmicos (Figura 46.21). El azufre atmosférico se encuentra en forma de dióxido de azufre (SO2), y a medida que la lluvia cae a través de la atmósfera, el azufre se disuelve en forma de ácido sulfuroso débil (H2ASI QUE3). El azufre también puede caer directamente de la atmósfera en un proceso llamado lluvia radiactiva. Además, la meteorización de las rocas que contienen azufre libera azufre en el suelo. Estas rocas se originan a partir de sedimentos oceánicos que se mueven a la tierra por la elevación geológica de los sedimentos oceánicos. Los ecosistemas terrestres pueden entonces hacer uso de estos sulfatos del suelo (SO 4 - SO 4 -) y, tras la muerte y descomposición de estos organismos, liberar el azufre a la atmósfera como sulfuro de hidrógeno (H2S) gas.

El azufre ingresa al océano a través de la escorrentía de la tierra, de la lluvia atmosférica y de los respiraderos geotérmicos submarinos. Algunos ecosistemas (Figura 46.9) dependen de quimioautótrofos que utilizan azufre como fuente de energía biológica. Este azufre luego sustenta los ecosistemas marinos en forma de sulfatos.

Las actividades humanas han jugado un papel importante en la alteración del equilibrio del ciclo global del azufre. La quema de grandes cantidades de combustibles fósiles, especialmente de carbón, libera grandes cantidades de gas sulfuro de hidrógeno a la atmósfera. La lluvia ácida es causada por el agua de lluvia que cae al suelo a través de este gas de dióxido de azufre, convirtiéndolo en ácido sulfúrico débil. La lluvia ácida daña el medio ambiente natural al reducir el pH de los lagos, lo que mata a gran parte de la fauna residente y también afecta el medio ambiente creado por el hombre a través de la degradación química de los edificios. Por ejemplo, muchos monumentos de mármol, como el Lincoln Memorial en Washington, DC, han sufrido daños importantes por la lluvia ácida a lo largo de los años.


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El ciclo rápido del carbono

El tiempo que tarda el carbono en moverse a través del ciclo rápido del carbono se mide en una vida útil. El ciclo rápido del carbono es en gran parte el movimiento del carbono a través de formas de vida en la Tierra o la biosfera. Entre 10 15 y 10 17 gramos (1.000 a 100.000 millones de toneladas métricas) de carbono se mueven a través del ciclo rápido del carbono cada año.

El carbono juega un papel esencial en la biología debido a su capacidad para formar muchos enlaces (hasta cuatro por átomo) en una variedad aparentemente interminable de moléculas orgánicas complejas. Muchas moléculas orgánicas contienen átomos de carbono que han formado enlaces fuertes con otros átomos de carbono, combinándose en largas cadenas y anillos. Estas cadenas y anillos de carbono son la base de las células vivas. Por ejemplo, el ADN está formado por dos moléculas entrelazadas construidas alrededor de una cadena de carbono.

Los enlaces de las largas cadenas de carbono contienen mucha energía. Cuando las cadenas se rompen, se libera la energía almacenada. Esta energía hace que las moléculas de carbono sean una excelente fuente de combustible para todos los seres vivos.

Durante la fotosíntesis, las plantas absorben dióxido de carbono y luz solar para crear combustible y glucosa y otros azúcares para la construcción de estructuras de plantas. Este proceso forma la base del ciclo rápido (biológico) del carbono. (Ilustración adaptada de P.J. Sellers et al., 1992.)

Las plantas y el fitoplancton son los componentes principales del ciclo rápido del carbono. El fitoplancton (organismos microscópicos en el océano) y las plantas toman dióxido de carbono de la atmósfera absorbiéndolo en sus células. Usando energía del Sol, tanto las plantas como el plancton combinan el dióxido de carbono (CO2) y agua para formar azúcar (CH2O) y oxígeno. La reacción química se ve así:

Pueden suceder cuatro cosas para mover el carbono de una planta y devolverlo a la atmósfera, pero todas involucran la misma reacción química. Las plantas descomponen el azúcar para obtener la energía que necesitan para crecer. Los animales (incluidas las personas) comen las plantas o el plancton y descomponen el azúcar de la planta para obtener energía. Las plantas y el plancton mueren y se descomponen (son devorados por las bacterias) al final de la temporada de crecimiento. O el fuego consume plantas. En cada caso, el oxígeno se combina con el azúcar para liberar agua, dióxido de carbono y energía. La reacción química básica se ve así:

En los cuatro procesos, el dióxido de carbono liberado en la reacción generalmente termina en la atmósfera. El ciclo rápido del carbono está tan estrechamente ligado a la vida vegetal que la temporada de crecimiento se puede ver por la forma en que el dióxido de carbono fluctúa en la atmósfera. En el invierno del hemisferio norte, cuando pocas plantas terrestres crecen y muchas se están pudriendo, las concentraciones de dióxido de carbono atmosférico aumentan. Durante la primavera, cuando las plantas comienzan a crecer nuevamente, las concentraciones disminuyen. Es como si la Tierra respirara.

El flujo y reflujo del ciclo rápido del carbono es visible en los cambios de estación. A medida que las grandes masas de tierra del hemisferio norte se vuelven verdes en la primavera y el verano, extraen carbono de la atmósfera. Este gráfico muestra la diferencia en los niveles de dióxido de carbono del mes anterior, con la tendencia a largo plazo eliminada.

Este ciclo alcanza su punto máximo en agosto, con aproximadamente 2 partes por millón de dióxido de carbono extraídas de la atmósfera. En otoño e invierno, a medida que la vegetación desaparece en el hemisferio norte, la descomposición y la respiración devuelven dióxido de carbono a la atmósfera.

Estos mapas muestran la productividad primaria neta (la cantidad de carbono consumido por las plantas) en la tierra (verde) y en los océanos (azul) durante agosto y diciembre de 2010. En agosto, las áreas verdes de América del Norte, Europa y Asia representan plantas. utilizando carbono de la atmósfera para crecer. En diciembre, la productividad primaria neta en latitudes altas es negativa, lo que supera el aumento estacional de la vegetación en el hemisferio sur. Como resultado, aumenta la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera.

(Gráfico de Marit Jentoft-Nilsen y Robert Simmon, utilizando datos del Laboratorio de Investigación del Sistema Terrestre de la NOAA. Mapas de Robert Simmon y Reto St & oumlckli, utilizando datos de MODIS).


46.3C: El ciclo del carbono - Biología

A través de una serie de reacciones químicas y actividad tectónica, el carbono tarda entre 100 y 200 millones de años en moverse entre las rocas, el suelo, el océano y la atmósfera en el ciclo lento del carbono. En promedio, 10 13 a 10 14 gramos (10 y 100 millones de toneladas métricas) de carbono se mueven a través del ciclo lento del carbono cada año. En comparación, las emisiones humanas de carbono a la atmósfera son del orden de 10 15 gramos, mientras que el ciclo rápido del carbono mueve de 10 16 a 10 17 gramos de carbono por año.

El movimiento de carbono de la atmósfera a la litosfera (rocas) comienza con la lluvia. El carbono atmosférico se combina con el agua para formar un ácido débil y ácido carbónico mdash que cae a la superficie en la lluvia. El ácido disuelve las rocas y el proceso mdasha llamado meteorización química y libera iones de calcio, magnesio, potasio o sodio. Los ríos llevan los iones al océano.

Los ríos transportan iones de calcio y mdash como resultado de la meteorización química de las rocas y mdash al océano, donde reaccionan con el carbonato disuelto en el agua. El producto de esa reacción, el carbonato de calcio, se deposita en el fondo del océano, donde se convierte en piedra caliza. (Fotografía y copia 2009 Greg Carley.)

En el océano, los iones de calcio se combinan con los iones de bicarbonato para formar carbonato de calcio, el ingrediente activo de los antiácidos y la sustancia blanca como la tiza que se seca en el grifo si vive en un área con agua dura. En el océano moderno, la mayor parte del carbonato de calcio es producido por organismos que construyen conchas (calcificantes) (como los corales) y plancton (como cocolitóforos y foraminíferos). Una vez que los organismos mueren, se hunden en el lecho marino. Con el tiempo, las capas de conchas y sedimentos se cementan y se convierten en roca, almacenando el carbono en piedra y piedra caliza y sus derivados.

La piedra caliza, o su primo metamórfico, el mármol, es una roca compuesta principalmente de carbonato de calcio. Estos tipos de rocas a menudo se forman a partir de cuerpos de plantas y animales marinos, y sus conchas y esqueletos se pueden conservar como fósiles. El carbono encerrado en la piedra caliza se puede almacenar durante millones y mdashor incluso cientos de millones y mdashof años. (Fotografía y copia 2008 Rookuzz (Hmm).)

Actualmente, solo el 80 por ciento de la roca que contiene carbono se fabrica de esta manera. El 20 por ciento restante contiene carbono de los seres vivos (carbono orgánico) que se han incrustado en capas de lodo. El calor y la presión comprimen el lodo y el carbono durante millones de años, formando rocas sedimentarias como el esquisto. En casos especiales, cuando la materia vegetal muerta se acumula más rápido de lo que puede descomponerse, las capas de carbono orgánico se convierten en petróleo, carbón o gas natural en lugar de rocas sedimentarias como el esquisto.

Esta veta de carbón en Escocia era originalmente una capa de sedimento, rica en carbono orgánico. La capa sedimentaria finalmente fue enterrada profundamente bajo tierra, y el calor y la presión la transformaron en carbón. Coal and other fossil fuels are a convenient source of energy, but when they are burned, the stored carbon is released into the atmosphere. This alters the balance of the carbon cycle, and is changing Earth&rsquos climate. (Photograph ©2010 Sandchem.)

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

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

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

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

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

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

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


The Carbon Cycle

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

Biology, Conservation, Earth Science

Quinault River Rainforest

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

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

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

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

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

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

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


The ocean and carbon

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

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


CAREER CONNECTION

Bahía de Chesapeake

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

The Chesapeake Bay (Figure 7a) is one of the most scenic areas on Earth it is now in distress and is recognized as a case study of a declining ecosystem. In the 1970s, the Chesapeake Bay was one of the first aquatic ecosystems to have identified dead zones, which continue to kill many fish and bottom-dwelling species such as clams, oysters, and worms. Several species have declined in the Chesapeake Bay because surface water runoff contains excess nutrients from artificial fertilizer use on land. La fuente de los fertilizantes (con alto contenido de nitrógeno y fosfato) no se limita a las prácticas agrícolas. Hay muchas áreas urbanas cercanas y más de 150 ríos y arroyos desembocan en la bahía que transportan la escorrentía de fertilizantes de céspedes y jardines. Thus, the decline of the Chesapeake Bay is a complex issue and requires the cooperation of industry, agriculture, and individual homeowners.

Of particular interest to conservationists is the oyster population (Figure 7b) it is estimated that more than 200,000 acres of oyster reefs existed in the bay in the 1700s, but that number has now declined to only 36,000 acres. Oyster harvesting was once a major industry for Chesapeake Bay, but it declined 88 percent between 1982 and 2007. This decline was caused not only by fertilizer runoff and dead zones, but also because of overharvesting. Las ostras requieren una cierta densidad de población mínima porque deben estar muy cerca para reproducirse. Human activity has altered the oyster population and locations, thus greatly disrupting the ecosystem.

La restauración de la población de ostras en la bahía de Chesapeake se ha llevado a cabo durante varios años con resultados mixtos. Not only do many people find oysters good to eat, but the oysters also clean up the bay. They are filter feeders, and as they eat, they clean the water around them. Filter feeders eat by pumping a continuous stream of water over finely divided appendages (gills in the case of oysters) and capturing prokaryotes, plankton, and fine organic particles in their mucus. En la década de 1700, se estimó que la población de ostras tardaba solo unos días en filtrar todo el volumen de la bahía. Today, with the changed water conditions, it is estimated that the present population would take nearly a year to do the same job.

Restoration efforts have been ongoing for several years by non-profit organizations such as the Chesapeake Bay Foundation. El objetivo de la restauración es encontrar una manera de aumentar la densidad de población para que las ostras puedan reproducirse de manera más eficiente. Muchas variedades resistentes a enfermedades (desarrolladas en el Instituto de Ciencias Marinas de Virginia para el Colegio de William and Mary) están ahora disponibles y se han utilizado en la construcción de arrecifes de ostras experimentales. Efforts by Virginia and Delaware to clean and restore the bay have been hampered because much of the pollution entering the bay comes from other states, which emphasizes the need for interstate cooperation to gain successful restoration.

Las nuevas y abundantes cepas de ostras también han dado lugar a una industria nueva y económicamente viable, la acuicultura de ostras, que no solo suministra ostras para la alimentación y las ganancias, sino que también tiene el beneficio adicional de limpiar la bahía.


The Carbon Cycle

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Resumen

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

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


46.3C: The Carbon Cycle - Biology

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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


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