معلومة

هل يمكن للثدييات تحويل ثاني أكسيد الكربون المذاب المبتلع إلى طاقة قابلة للاستخدام؟


أحاول معرفة ما إذا كان من الممكن أن يبتلع حيوان ثديي عن طريق الفم ثاني أكسيد الكربون المذاب2 وتحويلها إلى طاقة من أجل حرارة الجسم ، ووظائف الأعضاء ، وما إلى ذلك.

لسوء الحظ ، تمكنت معظم المصادر العلمية من العثور على كلام بدلاً من ثاني أكسيد الكربون2 الغازات التي تستنشقها الثدييات. جميع المصادر التي تتحدث إلى أول أكسيد الكربون المذاب شفويا2 يبدأوا حجتهم بافتراض أن كل هذا يتم تحويله (وطرده كغاز) في الجهاز الهضمي ، لكنهم لا يكلفون أنفسهم عناء إثبات ذلك أو الاستشهاد بأي شيء.

يبدو أن هذا نادرًا ما يتم ملاحظته في الطبيعة ، وبالتالي لا تتم دراسته أو توثيقه حقًا ، لذلك أنا فضولي عن درجة اليقين الكيميائي أو البيولوجي حول هذا ، وما هو البحث الذي تم إجراؤه.


لا توجد أي طاقة مفيدة بيولوجيًا في ثاني أكسيد الكربون2. في الواقع ، ينتج البشر وجميع الحيوانات الأخرى ثاني أكسيد الكربون2 كمنتج نفايات في نهاية التمثيل الغذائي على وجه التحديد لأنه منخفض الطاقة. لست بحاجة إلى تناوله أو استنشاقه كغاز ، وإذا لم تتنفسه فستموت.


لا.

ما ينقص السؤال هو الإطار المنطقي للاحتمال المقترح - أن ثاني أكسيد الكربون يمكن أن يكون مصدرًا للطاقة - وأظن أن هذا لأنه يفتقر إلى تصور كيميائي واضح لماهية الطاقة وكيف تتشكل في الكائنات الحية .

توليد الطاقة في سياق بيولوجي يمكن اعتباره نتيجة لتفاعل كيميائي أو عملية فيزيائية كيميائية تتضمن تغيرًا سلبيًا في الطاقة (جيبس). للاستخدام بواسطة الخلية (باستثناء الظروف الاستثنائية مثل توليد الحرارة) ، يجب استخدام الطاقة المنبعثة في هذه العملية لدفع التكوين غير المواتي للديناميكا الحرارية لجزيء (مثل ATP) حيث يمكن "تخزين" هذا. يتم استخدام الطاقة المخزنة عندما يقترن التحلل المائي لـ ATP بتفاعل أو تغيير بيولوجي غير مواتٍ للديناميكا الحرارية ، وبالتالي توفير "الطاقة" لها. تمت تغطية هذا الموضوع في معظم النصوص البيوكيميائية ، على سبيل المثال. بيرج وآخرون..

لذلك إذا كان ثاني أكسيد الكربون مصدرًا للطاقة ، فسيتعين عليه الخضوع لبعض التفاعل مع تغيير طاقة حر سلبي (جيبس). مركبات الكربون الأخرى التي تعتبر مصادر للطاقة هي كذلك بحكم قدرتها على التأكسد (انظر مرة أخرى بيرج وآخرون.). ومع ذلك ، كما سبق ذكره في أحد التعليقات ، فإن ثاني أكسيد الكربون هو أكثر أشكال الكربون المؤكسدة وبالتالي لا يمكنه توليد الطاقة بهذه الطريقة:

لذلك ، ما لم يقترح السؤال مادة كيميائية أو كيميائية فيزيائية أخرى يمكن أن يشارك فيها ثاني أكسيد الكربون والتي لها تغير سلبي في الطاقة (جيبس) ، فلا يوجد سبب للنظر في الافتراض.


لا ينتج عن ثاني أكسيد الكربون أي طاقة بيولوجية.
يمكن للكائنات الحية أكسدة مركبات مثل الجلوكوز وإخراج تخليق ATP منه. تبقينا هذه الطاقة على قيد الحياة من خلال عدم السماح لنا بالوقوع في حالة توازن (الموت).
إذا كان لدى الثدييات أي معقدات خاصة تحول الضوء إلى طاقة كيميائية في أنظمتها الهضمية ، لكانت قادرة على استخلاص الطاقة من ثاني أكسيد الكربون المبتلع.
ليس لدينا حتى أي تفاعلات في عملية التمثيل الغذائي لدينا والتي تؤدي إلى أكسدة المعادن غير العضوية (مثل بكتيريا التخليق الكيميائي) لتحفيز تخليق الكربوهيدرات.
لذلك لا أعتقد أن الثدييات يمكنها تحويل ثاني أكسيد الكربون المبتلع إلى طاقة قابلة للاستخدام.


نماذج نظام يستخدم كبسولات مملوءة بصودا الخبز لالتقاط انبعاثات ثاني أكسيد الكربون

يمثل الفحم والغاز الطبيعي غالبية إمدادات الطاقة في الولايات المتحدة. حتى مع ضوابط التلوث ، فإن حرق الوقود الأحفوري للحصول على الطاقة يطلق كمية هائلة من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. تستخدم الأبحاث تقنية الكبسولات الدقيقة التي قد تجعل التقاط الكربون بعد الاحتراق أرخص وأكثر أمانًا وفعالية.

على الرغم من تزايد استخدام الطاقة المتجددة ، لا يزال الفحم والغاز الطبيعي يمثلان غالبية إمدادات الطاقة في الولايات المتحدة. حتى مع ضوابط التلوث ، فإن حرق هذا الوقود الأحفوري من أجل الطاقة يطلق كمية هائلة من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي - في الولايات المتحدة وحدها ، ساهم الفحم والغاز الطبيعي في 1713 مليون طن متري من ثاني أكسيد الكربون.2، أو 98 في المائة من إجمالي ثاني أكسيد الكربون2 انبعاثات قطاع الطاقة الكهربائية في عام 2017.1 في محاولة للتخفيف من هذه الآثار ، يبحث الباحثون عن طرق ميسورة التكلفة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون من عوادم محطات الطاقة.

تستخدم الأبحاث التي أجرتها جامعة بيتسبرغ ومختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) تقنية الكبسولة الدقيقة التي قد تجعل التقاط الكربون بعد الاحتراق أرخص وأكثر أمانًا وفعالية.

قالت كاثرين هورنبوستيل ، الأستاذة المساعدة في الهندسة الميكانيكية في مدرسة سوانسون للهندسة في بيت: "نهجنا مختلف تمامًا عن الطريقة التقليدية لالتقاط ثاني أكسيد الكربون في محطة توليد الكهرباء". "بدلاً من تدفق مذيب كيميائي إلى أسفل برج (مثل الماء أسفل شلال) ، فإننا نضع المذيب في كبسولات دقيقة."

على غرار احتواء الدواء السائل في حبوب منع الحمل ، فإن الكبسلة الدقيقة هي عملية تُحاط فيها السوائل بطبقة صلبة.

قال هورنبوستيل: "في تصميمنا المقترح لمفاعل احتجاز الكربون ، نقوم بتعبئة مجموعة من الكبسولات الدقيقة في حاوية ونقوم بتدفق غاز عادم محطة توليد الكهرباء عبر ذلك". "الحرارة المطلوبة للمفاعلات التقليدية عالية ، مما يترجم إلى ارتفاع تكاليف تشغيل المحطة. سيكون تصميمنا هيكلًا أصغر وسيتطلب قدرًا أقل من الكهرباء للتشغيل ، وبالتالي خفض التكاليف."

تستخدم التصميمات التقليدية أيضًا مذيب أمين قاسيًا باهظ الثمن ويمكن أن يكون خطيرًا على البيئة. يستخدم تصميم الكبسولة الدقيقة الذي أنشأته Hornbostel ومعاونوها في LLNL حلاً مصنوعًا من عنصر منزلي مشترك.

قال هورنبوستيل: "نحن نستخدم صودا الخبز المذابة في الماء كمذيب لنا". "إنها أرخص وأفضل للبيئة وأكثر وفرة من المذيبات التقليدية. التكلفة والوفرة هي عوامل حاسمة عندما تتحدث عن مفاعلات بعرض 20 مترًا أو أكثر مثبتة في مئات من محطات توليد الطاقة."

أوضح هورنبوستل أن الحجم الصغير للكبسولة الصغيرة يمنح المذيب مساحة سطح كبيرة لحجم معين. هذه المساحة السطحية العالية تجعل المذيب يمتص ثاني أكسيد الكربون بشكل أسرع ، مما يعني أنه يمكن استخدام مذيبات امتصاص بطيئة. يقول Hornbostel: "هذه أخبار جيدة ، لأنها تعطي مذيبات أرخص مثل محلول صودا الخبز فرصة قتالية للتنافس مع المذيبات الأكثر تكلفة والمسببة للتآكل."

قال هورنبوستيل: "إن تقنية الكبسولة الدقيقة المقترحة وتصميمها واعدان لالتقاط الكربون بعد الاحتراق لأنها تساعد في جعل المذيبات بطيئة التفاعل أكثر كفاءة". "نعتقد أن انخفاض تكلفة المذيبات جنبًا إلى جنب مع هيكل أصغر وتكلفة تشغيل أقل قد يساعد محطات توليد الطاقة بالفحم والغاز الطبيعي في الحفاظ على الأرباح على المدى الطويل دون الإضرار بالبيئة."


SkyMine - التقاط الكربون لتحقيق الربح

بن - انضم إلينا جو جونز من Skyonic في تكساس. لقد طوروا ما يسمونه "SkyMine" ، وهو نظام لا يستخرج ثاني أكسيد الكربون فقط2 ولكن في الواقع يحولها إلى شيء يمكنهم بيعه. شكرا جزيلا لانضمامك إلينا جو.

بن - كيف يعمل SkyMine بالفعل؟

تعمل شركة Joe - Skyonic Corporation لمدة 6 سنوات في عملية SkyMine لالتقاط ثاني أكسيد الكربون من الغاز السائل وتحويله إلى كربونات صلبة ومعادن بيكربونات. نقوم بذلك عن طريق استغلال خاصية كيميائية أيونية لثاني أكسيد الكربون. نضيف بعض الغازات الحمضية التي تشكل حمض الكربونيك الضعيف عندما يذوب في الماء. نحن نجمع هذا الحمض الضعيف مع قاعدة قوية لتشكيل ملح متعادل ، تمامًا كما فعلت في مختبرات الكيمياء بالمدرسة الثانوية. يمكننا صنع كربونات الصوديوم ، وهي صودا الغسيل المستخدمة في المنظفات ، وبيكربونات الصوديوم ، وملح الطعام الذي يمكن أن يهدئ معدتك ، أو يمكننا صنع كربونات الكالسيوم أو المغنيسيوم التي تشكل الحجر الجيري أو الدولوميت. أيضًا ، يمكننا ترسيب كربونات الكالسيوم التي تشكل 40٪ من الورق الأبيض من بين أشياء أخرى.

بن - إذن مع إصدارات الحجر الجيري والرواسب وما إلى ذلك ، فهذه طريقة جيدة جدًا لالتقاط الكربون بحيث يمكنك دفنه في الأرض مرة أخرى. طريقة جيدة للتخزين. لكن مع المنتجات الأخرى ، هناك سوق لها. يمكنك في الواقع بيع نتيجة إعادة تدوير هذه النفايات.

جو - في الواقع. في سوق كربونات الصوديوم والبيكربونات ، هناك ما يزيد قليلاً عن 10 مليارات دولار من المنتجات الكيميائية التي يتم استخراجها حاليًا إما من الكربون القديم ، والذي يطلق ثاني أكسيد الكربون القديم المحبوس2، أو من خلال تقنيات التوليف التي تستهلك قدرًا أكبر من الطاقة. وبالتالي فإنها تولد المزيد من البصمة الكربونية أيضًا.

بن - من أين تأتي القاعدة التي تتفاعل معها؟ هل يجب أن يتم تعدين ذلك؟ هل هي عملية مكلفة لإنتاجه في المقام الأول؟

جو - حسنًا ، للأسف لا توجد مناجم أساسية متوفرة ، لذا يمكنك تصنيعها من الملح والماء نفسه. إذا كنت تأخذ المياه المالحة والطاقة ، إما في شكل كهرباء للتحليل الكهربائي أو باستخدام الطاقة الحرارية ، يمكنك إجبار الملح المحايد على تقسيم نفسه إلى حمض الهيدروكلوريك وقاعدة قابلة للاستخدام للغاية.

بن - من الواضح أن هناك تكلفة طاقة لإجراء التحليل الكهربائي في المقام الأول ، لكنني أعتقد أن هناك تكلفة طاقة لجميع آليات احتجاز الكربون المختلفة التي لدينا. على الأقل ، تحتاج إلى زيادة إنتاج محطة الطاقة الخاصة بك بنسبة 20٪ ، وأعتقد أن بعضها يصل إلى 90٪ - أنت تقريبًا تضاعف كمية الطاقة التي تحتاجها في المقام الأول ، فقط لاستعادة الكربون! ما مدى كفاءة SkyMine؟ ما مقدار الطاقة الإضافية التي تحتاجها؟

Joe - The SkyMine لديه نفوذ هندسي إيجابي بحيث يقوم باحتجاز ثاني أكسيد الكربون أكثر مما يولده تشغيله. هذا شيء مهم ليقوم به نظام احتجاز الكربون. حاليًا ، يتم اقتباس وعزل الكربون ، كما ذكرت ، في اقتباسات 20٪ لجزء CC من التقاط الكربون وعزله. ومع ذلك ، بالنسبة لجزء الحجز ، يمكنهم الحصول على أكثر من 45 ٪. تم تصميم مصنعنا الأول الذي يتم بناؤه في سان أنطونيو بولاية تكساس لتحقيق 40٪ من عقوبة الطاقة ، وفقًا لتقنية CCS-amine المنافسة. مع التحسينات الأساسية ، والمزيد من الأبحاث التي نجريها ، أثبتنا في المختبر أننا قادرون على دفع ذلك إلى أقل من 20٪.

بن - مع تقنية الأمين ، تُركت بالفعل مع بعض المواد الكيميائية السامة السامة ومن الواضح أنه يتعين عليك تنقية الأمينات في المقام الأول. أعتقد أن إحدى المزايا الحقيقية لذلك هي أن المنتجات التي تركتها معك ، ليست فقط سوقًا لها ، ولكنها أيضًا حميدة تمامًا.

جو - حميدة بالفعل. منذ حوالي 4 مليارات سنة ، تم تكوين كمية هائلة من الحجر الجيري والمعادن الأخرى مما كان في ذلك الوقت ، الغلاف الجوي الذي كان يغلب عليه ثاني أكسيد الكربون. كما ذكرت بالمثل ، فإن عزل المعادن يحدث حولنا في كل مكان. هنا في مقاطعة ترافيس بولاية تكساس ، يوجد حوالي 450 طنًا من الحجر الجيري الذي كان يومًا ما جزءًا من الغلاف الجوي للأرض.

بن - بنتيليون - هذا لا يمكن تصوره!

جو - إنها كلمة لا يمكنك استخدامها في المحادثة العادية.

بن - هذا يقودني إلى - ما مدى قابلية هذا التوسع؟ هل هذا شيء يمكنك وضعه في أي محطة طاقة تعمل بالفحم في العالم في الوقت الحالي؟ أم أننا ما زلنا ننظر إلى نطاق ضيق إلى حد ما؟

جو - المصنع الذي نبنيه في سان أنطونيو ، مصنع Capitol SkyMine ، سوف ينتج 75000 طن متري من ثاني أكسيد الكربون2. المقياس مهم لأنه في الولايات المتحدة ، نصدر حوالي 2.6 مليار طن متري من ثاني أكسيد الكربون سنويًا. من الناحية النظرية ، يمكن تحجيم النباتات بشكل فعال إلى ما لا نهاية. يوجد الكثير من الملح والماء ومساحة للمعادن أكثر بكثير من الكربون الموجود في الأرض لتحرقه.

بن - إحدى الشكاوى حول التقنيات الخضراء ، حول التقنيات التي تلتقط الكربون ، هي أنها ليست مجدية اقتصاديًا. من الواضح أنك وجدت طريقة ممتازة للتغلب على ذلك. لكن في المستقبل ، لنفترض أن لدينا SkyMine في كل محطة طاقة وننتج كميات كبيرة من هذه المنتجات ، ماذا يحدث إذا غمر السوق بالكامل؟

جو - حسنًا ، بالنظر إلى حجم انبعاثات الكربون التي لدينا ، فإن هذا سيحدث بالفعل. في هذه المرحلة ، ستتمكن بعد ذلك من تشغيل المصنع لغرض عزل ثاني أكسيد الكربون2 ووضع المعادن جانبا. أو في حالة المثال المأخوذ من مقابلتك السابقة ، يمكننا إعادة المعادن إلى أسفل داخل طبقة فحم مجردة بغرض عزلها هناك. لكن في هذه المرحلة ، ستنتقل بعد ذلك إلى التكلفة. في الوقت الحالي ، تقدر وزارة الطاقة الأمريكية أن تكاليف عزل الأمين تتراوح بين 100 دولار و 300 دولار للطن للحصول على هذه الطريقة. نحن نقدر أنه يمكننا الوصول إلى نطاق يتراوح بين 25 دولارًا و 50 دولارًا لتلك التكلفة الإضافية التي تجاوزت الأسواق.

بن - هذا هو الاختلاف الملحوظ وهذا يبدو وكأنه تقنية رائعة. ما هو نوع النطاق الزمني الذي ننظر إليه قبل أن نرى هذا يظهر في محطات توليد الطاقة المختلفة؟

جو - أول مصنع تجاري كبير لدينا ، كنا نشغل مصانع تجريبية هنا في تكساس منذ 6 سنوات ، وسوف يبدأ العمل على الإنترنت في عام 2013. وبعد ذلك يمكن تكراره في جميع أنحاء العالم. حوالي عامين من وقت البناء ، وعمر النبات 25 عامًا ، ويمكننا أن نحقق انخفاضًا في الكربون بالتأكيد خلال السنوات العشر القادمة.

بن - حسنًا ، هذه أخبار جيدة جدًا. أنا سعيد لأن لدينا هذه التقنيات للتفاؤل بشأنها. شكرا جزيلا لانضمامك إلينا. هذا جو جونز. إنه الرئيس والمدير التنفيذي لشركة Skyonic في ولاية تكساس.


المعادن الطبيعية تحبس ثاني أكسيد الكربون

يمكن للمعدن الشائع أن يزيل ثاني أكسيد الكربون من غازات الاحتراق ، لكنه في حالته الطبيعية يكون بطيئًا بشكل جليدي. الآن ، يقوم فريق من باحثي ولاية بنسلفانيا بتغيير مادة السربنتين بحيث يتم عزل ثاني أكسيد الكربون من احتراق الوقود الأحفوري في غضون ساعات ، وليس دهورًا.

يقول الدكتور إم. مرسيدس ماروتو فالير ، الأستاذ المساعد في هندسة الطاقة والهندسة البيئية ومنسق برنامج الطاقة المستدامة ، معهد الطاقة: "يعزل السربنتين بشكل طبيعي ثاني أكسيد الكربون على مدار الزمن الجيولوجي ، ولكنه بطيء جدًا لمساعدتنا".

يتكون السربنتين المعدني المتحول - أو هيدروكسيد سيليكات المغنيسيوم - من المغنيسيوم والسيليكون والأكسجين وهو متوفر بكثرة. استخدم الباحثون مادة من مقلع سيدار هيلز على حدود بنسلفانيا / ماريلاند لهذه الدراسة ، لكن المعدن متوفر بكميات كبيرة في العديد من الأماكن. الرواسب الأمريكية من المعادن التي يمكن استخدامها لهذه العملية & ndash serpentine و ovivine & ndash يمكنها عزل جميع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن الوقود الأحفوري.

يقول ماروتو فالير: "قام الباحثون السابقون الذين درسوا السربنتين لاستخدامه في عزل ثاني أكسيد الكربون بسحق السربنتين بدقة شديدة ، إلى أحجام أصغر من رمال الشاطئ ، ولكن حتى في هذه الأحجام الصغيرة ، يتطلب الأمر درجات حرارة عالية لتسريع التفاعل". "باستخدام طريقتنا ، لا نحتاج إلى سحقها بهذه النعومة ولا نحتاج إلى درجات حرارة عالية. في الواقع ، ينتج عن التفاعل حرارة. طريقتنا أقل تكلفة بكثير من حيث الطاقة."

الباحثون ، ومن بينهم أيضًا جون إم أندرسن ، مدير اتحاد المنتجات الكربونية الممتازة من الفحم (CPC) ، ومعهد الطاقة Yinzhi Zhang ، وزميل ما بعد الدكتوراه ، بمعهد الطاقة Matthew E. Kuchta ، طالب دراسات عليا في الهندسة الجيولوجية البيئية جميعهم في ولاية بنسلفانيا ودان ج. فوث ، مختبر الطاقة الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية في بيتسبرغ ، أذابت السربنتين المسحوق في حامض الكبريتيك.

عندما يذوب السربنتين في حامض الكبريتيك ، يتحول السيليكون الموجود في المعدن إلى ثاني أكسيد السيليكون ، أو الرمل ، ويسقط إلى القاع ، بينما يتحول المغنيسيوم إلى كبريتات المغنيسيوم. كما أن معالجة بعض كبريتات المغنيسيوم بهيدروكسيد الصوديوم ينتج أيضًا بعض هيدروكسيد المغنيسيوم. تمكن الباحثون من تحويل كميات كبيرة من المغنيسيوم السربنتين إلى هذه المواد الكيميائية ، مما وفر مساحات كبيرة للتفاعلات لتحدث في محلول في درجة حرارة الغرفة.

يمر ثاني أكسيد الكربون عبر محلول كبريتات المغنيسيوم ويتحول هيدروكسيد المغنيسيوم إلى كربونات المغنيسيوم أو المغنسيت ، والذي يصبح صلبًا ويسقط في القاع. يمكن استخدام هذه المادة الصلبة لتصنيع كتل البناء وهناك أيضًا سوق صغير لكربونات المغنيسيوم المائي في صناعة مستحضرات التجميل. يمكن استخدام ثاني أكسيد السيليكون لإزالة ثاني أكسيد الكبريت من غازات المداخن ، والذي يمكن تحويله لاحقًا إلى حمض الكبريتيك لاستخدامه في الجزء الأول من العملية.

"مساحة السطح العالية لثاني أكسيد السيليكون تجعله مادة ماصة طبيعية لالتقاط المزيد من ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت" ، كما تقول ماروتو فالير.

لم يختبر الباحثون العملية بعد على غلاية ثابتة تعمل بحرق الفحم ، لكنهم يعملون على تطوير مفاعل في المختبر يمكنه معالجة غاز المداخن باستمرار. في نفس الوقت يرغبون في تجديد حامض الكبريتيك لتقليل التكاليف.

نظرًا لأن ثاني أكسيد الكربون سيكون الغاز الأخير في تيار الانبعاث المعالج ، فهناك خياران للتنفيذ التجاري. يمكن لمحطات حرق الوقود الأحفوري ببساطة أن تضع مفاعل سربنتين كعنصر أخير في تنقية انبعاثاتها وعزل الكربون في الموقع. أو ، إذا كانت المنطقة مليئة بمحطات حرق الوقود الأحفوري ، يمكن لكل مصنع ضخ ثاني أكسيد الكربون إلى محطة معالجة مركزية.

دعمت وزارة الطاقة الأمريكية هذا البحث. تقدم الباحثون بطلب للحصول على براءة اختراع أمريكية لهذه العملية.

مصدر القصة:

المواد المقدمة من ولاية بنسلفانيا. ملاحظة: يمكن تعديل المحتوى حسب النمط والطول.


إرسال ثاني أكسيد الكربون إلى البحر

نظرًا لأن مناقشة الاحتباس الحراري أصبحت أكثر جدية ، فهناك المزيد من الحديث حول خيارات التعامل مع ثاني أكسيد الكربون الموجود بالفعل في الغلاف الجوي.

يقول بعض الناس أنه يمكننا تخزين ملايين الأطنان من الكربون في المحيط إذا شجعنا نمو النباتات البحرية المجهرية عن طريق & ldquofertilizing & rdquo الماء بالحديد المذاب.

ينص منظور في مجلة Science على أن الفكرة مثيرة للفضول ، لكنها تتطلب تحققًا قويًا قبل دخولها السوق للحصول على أرصدة الكربون. يقول المؤلفون إن بحث التحقق يجب أن يُظهر أن الآلية فعالة وآمنة بيئيًا وأن أي آثار سلبية تمت موازنتها من خلال التأثير الإيجابي لتقليل غازات الدفيئة في الغلاف الجوي.

قال أنتوني مايكلز ، مدير كلية USC College & rsquos Wrigley Institute للدراسات البيئية ، إن الهدف من الورقة ليس أن تخصيب المحيط بالحديد فكرة سيئة ، بل إنها تتطلب مزيدًا من الإثبات ، سواء كفكرة عامة أو في كل مرة يتم تجربتها. في التجارب.

مايكلز هو واحد من 16 مؤلفًا في المقال ، والذي ظهر في منتدى السياسة لقضية العلوم المنشورة في 11 يناير. وقال إن الورقة تعكس إجماعًا بين العلماء من العديد من وجهات النظر المختلفة حول البحث الذي يجب القيام به لإثبات ذلك يخزن تسميد المحيط بالحديد الكربون بأمان.

يجذب هذا المفهوم بعض رواد الأعمال لأنه قد يكون هناك سوق كبير للشركات التي يمكن أن تظهر أنها تزيل ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وتخزنه في الماء.قد تكون الشركات التي فعلت ذلك قادرة على إنشاء & ldquocarbon ائتمانات & rdquo يمكن بيعها في الولايات والبلدان التي تستخدم أسواق الحد الأقصى والتجارة للحد من صافي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الإجمالية.

وقال مايكلز إن مثل هذا السوق لأرصدة الكربون سيتطلب توثيقًا علميًا لمقدار الكربون المحتجز في الماء ومدة بقائه هناك.

& ldquo ورقتنا تقدم بيانًا بسيطًا: يجب أن تبيع أرصدة الكربون حتى تعرف مقدار الكربون المخزن ، & rdquo قال مايكلز. & ldquoThat & rsquos النقطة الرئيسية. يمكنك & rsquot بيع هذه الاعتمادات فقط لأنك تعتقد أنه سيتم تخزين الكربون. في رأينا ، يجب أن تثبت بالفعل أنه قد حدث بالفعل. ومع ذلك ، إذا أمكن إثبات أن هذه الممارسة تخزن الكربون بشكل متوقع ، فقد تكون أداة مهمة لإدارة غازات الاحتباس الحراري في المستقبل.

يمكن أن تؤدي إضافة الحديد إلى المحيط إلى تشجيع العديد من العمليات البيولوجية التي تحبس ثاني أكسيد الكربون. يحفز الحديد نمو النباتات والبكتيريا المجهرية: تزيل هذه الكائنات ثاني أكسيد الكربون من الماء أثناء عملية التمثيل الضوئي ، عن طريق النمو على العناصر الغذائية الموجودة أو عن طريق تحويل غاز النيتروجين إلى نيتروجين عضوي. ومع ذلك ، فهذه ليست سوى خطوة واحدة نحو عزل الكربون. لن يحدث التخزين طويل الأجل إلا إذا استقر الكربون الذي يمتص في هذه المادة العضوية على السطح في المياه العميقة أو يسقط على طول الطريق إلى قاع المحيط.

قال مايكلز إن هذه النقطة الأخيرة مهمة لإثبات كفاءة إخصاب المحيط بالحديد. المحيطات بالفعل & ldquobreathe & rdquo مليارات الأطنان من ثاني أكسيد الكربون داخل وخارج كل عام. قال مايكلز الكثير من ذلك CO2 يتم امتصاصه فقط في المياه السطحية ، وبالتالي يتم إطلاقه بسهولة مرة أخرى في الغلاف الجوي.

وقال مايكلز إنه سيكون من السهل جدًا تخزين كميات هائلة من الكربون في المحيطات لفترات زمنية قصيرة جدًا. & ldquoIt & rsquos أكثر صعوبة لتخزين كميات كبيرة من الكربون لفترات طويلة من الزمن. يمكن للمحيطات أن تأخذ جيجا طن من الكربون من الغلاف الجوي كل عام إذا لم نهتم إذا عاد في غضون بضع سنوات أو عقد. إزالة الكربون وتخزينه في المحيط لمدة تزيد عن 100 عام - وهو الرقم & lsquocanonical & rsquo لتسويق أرصدة الكربون وتعويضاته & ndash هو أمر أصعب. السؤال عن كيفية القيام بذلك هو شيء يجب على العلم معالجته لإنشاء سوق مسؤول. & rdquo


محتويات

تم وصف دورة الكربون لأول مرة من قبل أنطوان لافوازييه وجوزيف بريستلي ، ونشرها همفري ديفي. [11] تنقسم دورة الكربون العالمية الآن عادة إلى الخزانات الرئيسية التالية للكربون المترابطة بواسطة مسارات التبادل: [12]: 5-6

  • الجو
  • المحيط الحيوي الأرضي
  • المحيط ، بما في ذلك الكربون غير العضوي المذاب والكائنات الحية البحرية الحية وغير الحية
  • الرواسب ، بما في ذلك الوقود الأحفوري وأنظمة المياه العذبة والمواد العضوية غير الحية.
  • باطن الأرض (الوشاح والقشرة). تتفاعل مخازن الكربون هذه مع المكونات الأخرى من خلال العمليات الجيولوجية.

تحدث عمليات تبادل الكربون بين الخزانات نتيجة للعديد من العمليات الكيميائية والفيزيائية والجيولوجية والبيولوجية. يحتوي المحيط على أكبر تجمع نشط للكربون بالقرب من سطح الأرض. [13] التدفقات الطبيعية للكربون بين الغلاف الجوي والمحيطات والنظم البيئية الأرضية والرواسب متوازنة إلى حد ما ، لذا فإن مستويات الكربون ستكون مستقرة تقريبًا بدون تأثير بشري. [3] [14]

تحرير الغلاف الجوي

يوجد الكربون في الغلاف الجوي للأرض في شكلين رئيسيين: ثاني أكسيد الكربون والميثان. كلا هذين الغازين يمتصان ويحتفظان بالحرارة في الغلاف الجوي وهما مسؤولان جزئيًا عن تأثير الاحتباس الحراري. [13] ينتج الميثان تأثيرًا أكبر للاحتباس الحراري بالنسبة للحجم مقارنةً بثاني أكسيد الكربون ، ولكنه موجود بتركيزات أقل بكثير وهو قصير العمر أكثر من ثاني أكسيد الكربون ، مما يجعل ثاني أكسيد الكربون غاز الدفيئة الأكثر أهمية بين الاثنين. [15]

تتم إزالة ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي بشكل أساسي من خلال عملية التمثيل الضوئي ويدخل في الغلاف الجوي الأرضي والمحيط الحيوي. يتحلل ثاني أكسيد الكربون أيضًا مباشرة من الغلاف الجوي إلى المسطحات المائية (المحيطات والبحيرات وما إلى ذلك) ، بالإضافة إلى الذوبان في هطول الأمطار حيث تتساقط قطرات المطر في الغلاف الجوي. عندما يذوب في الماء ، يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع جزيئات الماء ويشكل حمض الكربونيك ، الذي يساهم في حموضة المحيطات. يمكن بعد ذلك أن تمتصه الصخور من خلال التجوية. كما يمكنها تحمض الأسطح الأخرى التي تلامسها أو تغسلها في المحيط. [16]

أدت الأنشطة البشرية على مدى القرنين الماضيين إلى زيادة كمية الكربون في الغلاف الجوي بنسبة 50٪ تقريبًا اعتبارًا من عام 2020 ، وبشكل أساسي في شكل ثاني أكسيد الكربون ، وذلك عن طريق تعديل قدرة النظم البيئية على استخراج ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وعن طريق انبعاثه. مباشرة ، على سبيل المثال ، عن طريق حرق الوقود الأحفوري وتصنيع الخرسانة. [4] [13]

في المستقبل البعيد للغاية (على سبيل المثال 2-3 مليار سنة) ، من المرجح أن يزداد معدل امتصاص التربة لثاني أكسيد الكربون عبر دورة الكربونات والسيليكات بسبب التغيرات المتوقعة في الشمس مع تقدم العمر. من المرجح أن تسرع زيادة سطوع الشمس المتوقعة من معدل التجوية السطحية. [17] سيؤدي هذا في النهاية إلى سحق معظم ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي في قشرة الأرض على شكل كربونات. [18] [19] بمجرد أن ينخفض ​​تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى أقل من 50 جزءًا في المليون تقريبًا (تختلف التفاوتات باختلاف الأنواع) ، سي3 لن يكون التمثيل الضوئي ممكنًا بعد الآن. [19] من المتوقع أن يحدث هذا بعد 600 مليون سنة من الوقت الحاضر ، على الرغم من اختلاف النماذج. [20]

بمجرد أن تتبخر المحيطات على الأرض في حوالي 1.1 مليار سنة من الآن ، [17] من المحتمل جدًا أن تتوقف الصفائح التكتونية بسبب نقص المياه لتليينها. سيؤدي نقص البراكين التي تضخ ثاني أكسيد الكربون إلى انتهاء دورة الكربون بين مليار و 2 مليار سنة في المستقبل. [21] [ مطلوب الاقتباس الكامل ]

تحرير المحيط الحيوي الأرضي

يشمل المحيط الحيوي الأرضي الكربون العضوي في جميع الكائنات الحية على الأرض ، الحية منها والميتة ، وكذلك الكربون المخزن في التربة. يتم تخزين حوالي 500 جيجا طن من الكربون فوق الأرض في النباتات والكائنات الحية الأخرى ، [3] بينما تحتوي التربة على ما يقرب من 1500 جيجا طن من الكربون. [23] معظم الكربون الموجود في الغلاف الحيوي الأرضي عبارة عن كربون عضوي ، [24] بينما يتم تخزين حوالي ثلث كربون التربة في أشكال غير عضوية ، مثل كربونات الكالسيوم. [٢٥] يعتبر الكربون العضوي مكونًا رئيسيًا لجميع الكائنات الحية التي تعيش على الأرض. تستخرجه ذاتية التغذية من الهواء على شكل ثاني أكسيد الكربون ، وتحولها إلى كربون عضوي ، بينما تستقبل الكائنات غيرية التغذية الكربون عن طريق استهلاك الكائنات الحية الأخرى.

نظرًا لأن امتصاص الكربون في الغلاف الحيوي الأرضي يعتمد على العوامل الحيوية ، فإنه يتبع دورة نهارية وموسمية. في CO
قياسات 2 ، هذه الميزة واضحة في منحنى Keeling. إنه الأقوى في نصف الكرة الشمالي لأن هذا النصف من الكرة الأرضية له كتلة أرضية أكبر من نصف الكرة الجنوبي وبالتالي مساحة أكبر للأنظمة البيئية لامتصاص الكربون وانبعاثه.

يترك الكربون المحيط الحيوي الأرضي بعدة طرق وعلى نطاقات زمنية مختلفة. يؤدي احتراق أو تنفس الكربون العضوي إلى إطلاقه بسرعة في الغلاف الجوي. ويمكن أيضًا تصديره إلى المحيط عبر الأنهار أو الاحتفاظ به في التربة على شكل كربون خامل. [26] يمكن أن يظل الكربون المخزن في التربة هناك لمدة تصل إلى آلاف السنين قبل أن تنجرف في الأنهار عن طريق التعرية أو تنطلق في الغلاف الجوي من خلال تنفس التربة. بين عامي 1989 و 2008 زاد تنفس التربة بنحو 0.1٪ سنويًا. [27] في عام 2008 ، بلغ الإجمالي العالمي لثاني أكسيد الكربون
2 تم إطلاقه من خلال تنفس التربة كان حوالي 98 مليار طن ، أي حوالي 10 أضعاف الكربون الذي يضعه البشر الآن في الغلاف الجوي كل عام عن طريق حرق الوقود الأحفوري (هذا لا يمثل انتقالًا صافياً للكربون من التربة إلى الغلاف الجوي ، حيث يتم التنفس إلى حد كبير يقابلها مدخلات لكربون التربة). هناك عدد قليل من التفسيرات المعقولة لهذا الاتجاه ، ولكن التفسير الأكثر ترجيحًا هو أن ارتفاع درجات الحرارة أدى إلى زيادة معدلات تحلل المواد العضوية في التربة ، مما أدى إلى زيادة تدفق ثاني أكسيد الكربون.
2. يعتمد طول فترة حبس الكربون في التربة على الظروف المناخية المحلية وبالتالي التغيرات في مسار تغير المناخ. [28]

حجم مجمعات الكربون الرئيسية على الأرض (تقديرات عام 2000) [13]
حمام سباحة كمية
(جيجا طن)
الغلاف الجوي 720
المحيط (المجموع) 38,400
مجموع غير عضوي 37,400
مجموع عضوي 1,000
طبقة سطحية 670
طبقة عميقة 36,730
ليثوسفير
كربونات رسوبية و GT 60،000،000
Kerogens 15,000,000
المحيط الحيوي الأرضي (الإجمالي) 2,000
الكتلة الحيوية الحية 600 – 1,000
الكتلة الحيوية الميتة 1,200
المحيط الحيوي المائي 1 – 2
الوقود الأحفوري (الإجمالي) 4,130
فحم 3,510
بترول 230
غاز 140
أخرى (الجفت) 250

تحرير المحيط

يمكن تقسيم المحيط من الناحية المفاهيمية إلى طبقة سطحية تجعل المياه داخلها تلامسًا متكررًا (يوميًا إلى سنويًا) مع الغلاف الجوي ، وطبقة عميقة أسفل عمق الطبقة المختلطة النموذجي لبضع مئات من الأمتار أو أقل ، والتي يكون خلالها الوقت بين جهات الاتصال المتتالية قد تكون قرون. يتم تبادل الكربون غير العضوي المذاب في الطبقة السطحية بسرعة مع الغلاف الجوي ، مما يحافظ على التوازن. ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن تركيز مدينة دبي للإنترنت أعلى بحوالي 15٪ [29] ولكن نظرًا لحجمه الأكبر بشكل أساسي ، يحتوي أعماق المحيطات على قدر أكبر بكثير من الكربون - وهو أكبر تجمع للكربون المدور بنشاط في العالم ، ويحتوي على 50 مرة أكثر من الغلاف الجوي [13] - لكن النطاق الزمني للوصول إلى التوازن مع الغلاف الجوي هو مئات السنين: تبادل الكربون بين الطبقتين ، مدفوعًا بالدورة الملحية الحرارية ، يكون بطيئًا. [13]

يدخل الكربون المحيط بشكل أساسي من خلال انحلال ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي ، والذي يتم تحويل جزء صغير منه إلى كربونات. يمكن أن يدخل المحيط أيضًا من خلال الأنهار ككربون عضوي مذاب. يتم تحويله بواسطة الكائنات الحية إلى كربون عضوي من خلال عملية التمثيل الضوئي ويمكن إما تبادله عبر السلسلة الغذائية أو ترسيبه في طبقات المحيطات الأعمق والأكثر غنى بالكربون مثل الأنسجة الرخوة الميتة أو في الأصداف مثل كربونات الكالسيوم. يدور في هذه الطبقة لفترات طويلة من الزمن قبل أن يترسب على شكل رواسب أو ، في النهاية ، يعود إلى المياه السطحية من خلال الدوران الحراري الملحي. [3] المحيطات أساسية (

الرقم الهيدروجيني 8.2) ، ومن ثم CO
2 التحمض يغير الرقم الهيدروجيني للمحيطات نحو متعادل.

الامتصاص المحيطي لثاني أكسيد الكربون
2 من أهم أشكال عزل الكربون التي تحد من ارتفاع ثاني أكسيد الكربون الذي يسببه الإنسان في الغلاف الجوي. ومع ذلك ، فإن هذه العملية محدودة بعدد من العوامل. كو
2 ـ الامتصاص يجعل الماء أكثر حمضية مما يؤثر على النظم الحيوية للمحيطات. يمكن أن يؤدي المعدل المتوقع لزيادة حموضة المحيطات إلى إبطاء الترسيب البيولوجي لكربونات الكالسيوم ، وبالتالي تقليل قدرة المحيط على امتصاص ثاني أكسيد الكربون.
2 . [30] [31]

تحرير الغلاف الجوي

يعمل المكون الجيولوجي لدورة الكربون ببطء مقارنة بالأجزاء الأخرى من دورة الكربون العالمية. إنه أحد أهم محددات كمية الكربون في الغلاف الجوي ، وبالتالي لدرجات الحرارة العالمية. [32]

يتم تخزين معظم كربون الأرض بشكل خامل في الغلاف الصخري للأرض. [13] تم تخزين الكثير من الكربون المخزن في وشاح الأرض هناك عندما تشكلت الأرض. [33] تم ترسيب بعضها في شكل كربون عضوي من المحيط الحيوي. [34] من الكربون المخزن في الغلاف الأرضي ، حوالي 80٪ من الحجر الجيري ومشتقاته ، والتي تتكون من ترسيب كربونات الكالسيوم المخزنة في أصداف الكائنات البحرية. يتم تخزين الـ 20٪ المتبقية على هيئة مواد كيميائية تتشكل من خلال ترسيب ودفن الكائنات الأرضية تحت حرارة وضغط مرتفعين. يمكن أن يبقى الكربون العضوي المخزن في الغلاف الأرضي هناك لملايين السنين. [32]

يمكن أن يترك الكربون الغلاف الأرضي بعدة طرق. ينطلق ثاني أكسيد الكربون أثناء تحول صخور الكربونات عندما تنغمس في وشاح الأرض. يمكن إطلاق ثاني أكسيد الكربون هذا في الغلاف الجوي والمحيطات من خلال البراكين والبقع الساخنة. [33] يمكن أيضًا إزالته بواسطة البشر من خلال الاستخراج المباشر للكيروجينات في شكل وقود أحفوري. بعد الاستخراج ، يتم حرق الوقود الأحفوري لإطلاق الطاقة وانبعاث الكربون الذي يخزنه في الغلاف الجوي.

في الرسم البياني على اليمين: [35]

  1. تعمل جزيئات الغلاف الجوي كنواة تكثيف السحب ، مما يعزز تكوين السحب. [36] [37]
  2. تمتص قطرات المطر الكربون العضوي وغير العضوي من خلال كسح الجسيمات وامتصاص الأبخرة العضوية أثناء السقوط نحو الأرض. [38] [39]
  3. ينتج عن الاحتراق والانفجارات البركانية جزيئات عطرية متعددة الحلقات شديدة التكثيف (أي الكربون الأسود) والتي تعود إلى الغلاف الجوي جنبًا إلى جنب مع غازات الدفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون2. [40][41]
  4. تقوم النباتات الأرضية بإصلاح ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي2 من خلال عملية التمثيل الضوئي ، وإعادة جزء بسيط إلى الغلاف الجوي من خلال التنفس. [42] يمثل اللجنين والسليلوز ما يصل إلى 80٪ من الكربون العضوي في الغابات و 60٪ في المراعي. [43] [44] ويخلط الكربون العضوي الجذري مع المواد الرسوبية لتكوين تربة عضوية حيث يتم تخزين الكربون العضوي المشتق من النبات والبتروجيني وتحويله عن طريق النشاط الميكروبي والفطري. [45] [46] [47]
  5. يمتص الماء الكربون العضوي المذاب الناتج عن الهباء الجوي والنباتي (DOC) والكربون غير العضوي المذاب (DIC) أثناء مروره فوق مظلات الغابات (أي الانهيار) وعلى طول جذوع / سيقان النباتات (أي تدفق الساق). [48] ​​تحدث التحولات البيوجيوكيميائية عندما تتسرب المياه إلى محلول التربة وخزانات المياه الجوفية [49] [50] ويحدث التدفق البري عندما تكون التربة مشبعة تمامًا ، [51] أو يحدث هطول الأمطار بسرعة أكبر من التشبع في التربة. [52]
  6. الكربون العضوي المشتق من المحيط الحيوي الأرضي و فى الموقعيتحلل الإنتاج الأولي عن طريق المجتمعات الميكروبية في الأنهار والجداول جنبًا إلى جنب مع التحلل الفيزيائي (أي الأكسدة الضوئية) ، مما يؤدي إلى تدفق ثاني أكسيد الكربون.2 من الأنهار إلى الغلاف الجوي بنفس حجم كمية الكربون المحتجزة سنويًا بواسطة الغلاف الحيوي الأرضي. [53] [54] [55] الجزيئات الكبيرة المشتقة من الأرض مثل اللجنين [56] والكربون الأسود [57] تتحلل إلى مكونات ومونومرات أصغر ، ويتم تحويلها في النهاية إلى ثاني أكسيد الكربون2، وسيطة التمثيل الغذائي ، أو الكتلة الحيوية.
  7. عادةً ما تخزن البحيرات والخزانات والسهول الفيضية كميات كبيرة من الكربون العضوي والرواسب ، ولكنها تعاني أيضًا من عدم تغاير التغذية في عمود الماء ، مما يؤدي إلى صافي تدفق ثاني أكسيد الكربون2 إلى الغلاف الجوي الذي يقل بمقدار درجة واحدة تقريبًا عن الأنهار. [58] [55] يكون إنتاج الميثان مرتفعًا أيضًا في رواسب نقص الأكسجين في السهول الفيضية والبحيرات والخزانات. [59]
  8. عادة ما يتم تحسين الإنتاج الأولي في أعمدة الأنهار بسبب تصدير المغذيات النهرية. [60] [61] ومع ذلك ، تعتبر مياه مصبات الأنهار مصدرًا لثاني أكسيد الكربون2 إلى الغلاف الجوي عالميًا. [62] تخزين وتصدير الكربون الأزرق. [63] [64] [65] يُقترح أن يكون للأهوار والأراضي الرطبة تدفق مكافئ لثاني أكسيد الكربون2 إلى الغلاف الجوي كالأنهار ، على مستوى العالم. [66] وعادة ما تمتص المحيطات المفتوحة ثاني أكسيد الكربون2 من الجو. [62]
  9. تحبس المضخة البيولوجية البحرية جزءًا صغيرًا ولكن مهمًا من ثاني أكسيد الكربون الممتص2 ككربون عضوي في الرواسب البحرية (انظر القسم التالي). [67] [35]

المضخة البيولوجية البحرية هي عملية عزل المحيط الحيوي للكربون من الغلاف الجوي والجريان السطحي للأرض إلى أعماق المحيطات الداخلية ورواسب قاع البحر. [68] المضخة البيولوجية ليست نتيجة عملية واحدة ، بل هي مجموع عدد من العمليات التي يمكن لكل منها أن تؤثر على الضخ البيولوجي. تنقل المضخة حوالي 11 مليار طن من الكربون كل عام إلى باطن المحيط. المحيط بدون المضخة البيولوجية من شأنه أن ينتج عنه ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي2 مستويات أعلى بحوالي 400 جزء في المليون من اليوم. [69] [70] [71]

يتكون معظم الكربون الموجود في المواد البيولوجية العضوية وغير العضوية على سطح البحر حيث يمكن أن يبدأ بعد ذلك في الغرق في قاع المحيط. يحصل أعماق المحيطات على معظم العناصر الغذائية من عمود الماء الأعلى عندما تغرق في شكل ثلج بحري. يتكون هذا من حيوانات وميكروبات ميتة أو محتضرة ، ومواد برازية ، ورمل ومواد غير عضوية أخرى. [72]

المضخة البيولوجية هي المسؤولة عن تحويل الكربون غير العضوي المذاب (DIC) إلى كتلة حيوية عضوية وضخها في شكل جسيمات أو ذائبة في أعماق المحيط. يتم إصلاح المغذيات غير العضوية وثاني أكسيد الكربون أثناء عملية التمثيل الضوئي بواسطة العوالق النباتية ، التي تطلق مواد عضوية مذابة (DOM) وتستهلكها العوالق الحيوانية العاشبة. العوالق الحيوانية الأكبر حجمًا - مثل مجدافيات الأرجل ، وكريات البراز - التي يمكن إعادة تزاوجها ، وتغرق أو تتجمع مع المخلفات العضوية الأخرى في مجاميع أكبر حجماً وتغرق بسرعة أكبر. تستهلك البكتيريا مادة DOM جزئيًا وتُنصح باستخدام مادة DOM المقاومة للحرارة المتبقية وخلطها في أعماق البحار. يتم استهلاك المواد الصلبة والركام التي يتم تصديرها إلى المياه العميقة وتنفسها ، وبالتالي إعادة الكربون العضوي إلى الخزان الهائل لأعماق المحيطات في مدينة دبي للإنترنت. [73]

خلية واحدة من العوالق النباتية لها معدل غرق حوالي متر واحد في اليوم. بالنظر إلى أن متوسط ​​عمق المحيط يبلغ حوالي أربعة كيلومترات ، فقد تستغرق هذه الخلايا أكثر من عشر سنوات للوصول إلى قاع المحيط. ومع ذلك ، من خلال عمليات مثل التخثر والطرد في كريات برازية المفترس ، تشكل هذه الخلايا مجاميع. هذه المجاميع لها معدلات غرق أكبر من الخلايا الفردية وتكمل رحلتها إلى العمق في غضون أيام. [74]

حوالي 1 ٪ من الجسيمات التي تغادر سطح المحيط تصل إلى قاع البحر ويتم استهلاكها أو تنفسها أو دفنها في الرواسب. يتمثل التأثير الصافي لهذه العمليات في إزالة الكربون في شكل عضوي من السطح وإعادته إلى مدينة دبي للإنترنت على أعماق أكبر ، مع الحفاظ على انحدار سطح البحر إلى أعماق المحيط في مدينة دبي للإنترنت. يعيد الدوران الحراري الملحي مدينة دبي للإنترنت في أعماق المحيطات إلى الغلاف الجوي على فترات زمنية الألفية. يمكن أن ينغمس الكربون المدفون في الرواسب في غلاف الأرض وتخزينه لملايين السنين كجزء من دورة الكربون البطيئة (انظر القسم التالي). [73]

هناك دورة كربون سريعة وبطيئة. تعمل الدورة السريعة في المحيط الحيوي وتعمل الدورة البطيئة في الصخور. يمكن أن تكتمل الدورة السريعة أو البيولوجية في غضون سنوات ، حيث تنقل الكربون من الغلاف الجوي إلى المحيط الحيوي ، ثم تعود إلى الغلاف الجوي. يمكن أن تستغرق الدورة البطيئة أو الجيولوجية ملايين السنين لتكتمل ، حيث تنقل الكربون عبر القشرة الأرضية بين الصخور والتربة والمحيطات والغلاف الجوي. [75]

تتضمن دورة الكربون السريعة عمليات بيوجيوكيميائية قصيرة المدى نسبيًا بين البيئة والكائنات الحية في المحيط الحيوي (انظر الرسم البياني في بداية المقالة). ويشمل تحركات الكربون بين الغلاف الجوي والنظم البيئية الأرضية والبحرية ، وكذلك التربة ورواسب قاع البحر. تتضمن الدورة السريعة دورات سنوية تتضمن التمثيل الضوئي والدورات العقدية التي تتضمن النمو الخضري والتحلل. ستحدد ردود أفعال دورة الكربون السريعة للأنشطة البشرية العديد من التأثيرات الفورية لتغير المناخ. [76] [77] [78]

تتضمن دورة الكربون البطيئة عمليات جيوكيميائية متوسطة إلى طويلة المدى تنتمي إلى دورة الصخور (انظر الرسم البياني على اليمين). يمكن أن يستغرق التبادل بين المحيط والغلاف الجوي قرونًا ، وقد تستغرق عملية تجوية الصخور ملايين السنين.يترسب الكربون الموجود في المحيط إلى قاع المحيط حيث يمكن أن يشكل صخورًا رسوبية وينغمس في وشاح الأرض. تؤدي عمليات بناء الجبال إلى عودة هذا الكربون الجيولوجي إلى سطح الأرض. هناك تتعطل الصخور ويعاد الكربون إلى الغلاف الجوي عن طريق إزالة الغازات وإلى المحيط عن طريق الأنهار. يعود الكربون الجيولوجي الآخر إلى المحيط من خلال الانبعاث الحراري المائي لأيونات الكالسيوم. في سنة معينة ، يتحرك ما بين 10 و 100 مليون طن من الكربون حول هذه الدورة البطيئة. ويشمل ذلك البراكين التي تعيد الكربون الجيولوجي مباشرة إلى الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك ، فإن هذا يمثل أقل من واحد في المائة من ثاني أكسيد الكربون الذي يتم ضخه في الغلاف الجوي عن طريق حرق الوقود الأحفوري. [75] [76]

على الرغم من أن دورة الكربون العميقة ليست مفهومة جيدًا مثل حركة الكربون عبر الغلاف الجوي والمحيط الحيوي الأرضي والمحيط والغلاف الأرضي ، إلا أنها مع ذلك عملية مهمة. [79] ترتبط دورة الكربون العميقة ارتباطًا وثيقًا بحركة الكربون في سطح الأرض والغلاف الجوي. إذا لم تكن العملية موجودة ، فسيظل الكربون في الغلاف الجوي ، حيث سيتراكم إلى مستويات عالية للغاية على مدى فترات طويلة من الزمن. [80] لذلك ، من خلال السماح للكربون بالعودة إلى الأرض ، تلعب دورة الكربون العميقة دورًا مهمًا في الحفاظ على الظروف الأرضية اللازمة لوجود الحياة.

علاوة على ذلك ، فإن العملية مهمة أيضًا بسبب الكميات الهائلة من الكربون التي تنقلها عبر الكوكب. في الواقع ، تكشف دراسة تكوين الصهارة البازلتية وقياس تدفق ثاني أكسيد الكربون من البراكين أن كمية الكربون في الوشاح أكبر من تلك الموجودة على سطح الأرض بمعامل ألف. [81] من الواضح أن التنقيب عن عمليات الكربون في أعماق الأرض ومراقبتها فعليًا أمر صعب للغاية ، حيث يمتد الوشاح السفلي واللب من 660 إلى 2891 كم و 2891 إلى 6371 كم في عمق الأرض على التوالي. وفقًا لذلك ، لا يُعرف الكثير بشكل قاطع فيما يتعلق بدور الكربون في أعماق الأرض. ومع ذلك ، فإن العديد من الأدلة - وكثير منها يأتي من المحاكاة المختبرية لظروف الأرض العميقة - أشارت إلى آليات لتحرك العنصر إلى أسفل في الوشاح السفلي ، بالإضافة إلى الأشكال التي يتخذها الكربون في درجات الحرارة القصوى والضغط للطبقة المذكورة. علاوة على ذلك ، أدت تقنيات مثل علم الزلازل إلى فهم أكبر للوجود المحتمل للكربون في قلب الأرض.

الكربون في الوشاح السفلي تحرير

يدخل الكربون أساسًا الوشاح على شكل رواسب غنية بالكربونات على الصفائح التكتونية لقشرة المحيط ، والتي تسحب الكربون إلى الوشاح عند خضوعه للاندساس. لا يُعرف الكثير عن دوران الكربون في الوشاح ، خاصة في أعماق الأرض ، لكن العديد من الدراسات حاولت زيادة فهمنا لحركة العنصر وأشكاله داخل المنطقة. على سبيل المثال ، أظهرت دراسة أجريت عام 2011 أن دورة الكربون تمتد على طول الطريق إلى الوشاح السفلي. حللت الدراسة الألماس النادر فائق العمق في موقع في جوينا بالبرازيل ، محددًا أن التركيب الأكبر لبعض شوائب الماس تطابق النتيجة المتوقعة لذوبان البازلت والتجميد تحت درجات حرارة وضغوط منخفضة للوشاح. [83] وهكذا ، تشير نتائج التحقيق إلى أن قطع الغلاف الصخري المحيطي البازلتية تعمل كآلية نقل رئيسية للكربون إلى باطن الأرض. يمكن أن تتفاعل هذه الكربونات المندمجة مع سيليكات الوشاح السفلي ، مما يؤدي في النهاية إلى تشكيل الماس فائق العمق مثل الماس الموجود. [84]

ومع ذلك ، فإن الكربونات التي تهبط إلى الوشاح السفلي تواجه مصائر أخرى بالإضافة إلى تشكيل الماس. في عام 2011 ، تعرضت الكربونات لبيئة مشابهة لبيئة عمقها 1800 كيلومتر داخل الأرض ، داخل الوشاح السفلي. أدى القيام بذلك إلى تكوينات المغنسيت والسيدريت وأنواع عديدة من الجرافيت. [85] تجارب أخرى - بالإضافة إلى الملاحظات الصخرية - تدعم هذا الادعاء ، مشيرة إلى أن المغنسيت هو في الواقع أكثر مراحل الكربونات استقرارًا في معظم أجزاء الوشاح. هذا إلى حد كبير نتيجة لارتفاع درجة حرارة انصهارها. [86] ونتيجة لذلك ، خلص العلماء إلى أن الكربونات تخضع للاختزال أثناء نزولها إلى الوشاح قبل استقرارها في العمق من خلال بيئات تسارع الأكسجين المنخفضة. يعمل المغنيسيوم والحديد والمركبات المعدنية الأخرى كمواد عازلة طوال العملية. [87] يشير وجود الأشكال الأولية للكربون مثل الجرافيت إلى أن مركبات الكربون تقل عندما تنزل إلى الوشاح.

يغير تعدد الأشكال استقرار مركبات الكربونات في أعماق مختلفة داخل الأرض. للتوضيح ، تقترح عمليات المحاكاة المختبرية وحسابات النظرية الوظيفية للكثافة أن الكربونات المنسقة رباعي السطوح تكون أكثر استقرارًا عند الأعماق التي تقترب من حدود اللب-الوشاح. [88] [85] تشير دراسة عام 2015 إلى أن الضغط المرتفع للوشاح السفلي يتسبب في انتقال روابط الكربون من sp2 ل sp3 المدارات المهجنة ، مما يؤدي إلى ارتباط الكربون رباعي السطوح بالأكسجين. [89] CO3 لا يمكن للمجموعات المثلثية تشكيل شبكات قابلة للبلمرة ، بينما رباعي السطوح CO4 يمكن ، مما يدل على زيادة في رقم تنسيق الكربون ، وبالتالي تغييرات جذرية في خصائص مركبات الكربونات في الوشاح السفلي. على سبيل المثال ، تشير الدراسات النظرية الأولية إلى أن الضغط المرتفع يتسبب في زيادة لزوجة ذوبان الكربونات لزيادة قابلية الذوبان المنخفضة للحركة نتيجة لزيادة اللزوجة مما يؤدي إلى ترسبات كبيرة من الكربون في عمق الوشاح. [90]

وفقًا لذلك ، يمكن أن يبقى الكربون في الوشاح السفلي لفترات طويلة من الزمن ، ولكن غالبًا ما تجد التركيزات الكبيرة من الكربون طريقها إلى الغلاف الصخري. هذه العملية ، التي تسمى إطلاق غازات الكربون ، هي نتيجة ذوبان الوشاح الكربوني الذي يخضع للذوبان ، وكذلك أعمدة الوشاح التي تحمل مركبات الكربون نحو القشرة. [91] يتأكسد الكربون عند صعوده نحو النقاط الساخنة البركانية ، حيث يتم إطلاقه بعد ذلك على شكل ثاني أكسيد الكربون2. يحدث هذا بحيث تتطابق ذرة الكربون مع حالة أكسدة البازلت التي تنفجر في مثل هذه المناطق. [92]

تحرير الكربون في القلب

على الرغم من أن وجود الكربون في قلب الأرض مقيد بشكل جيد ، إلا أن الدراسات الحديثة تشير إلى إمكانية تخزين مخزونات كبيرة من الكربون في هذه المنطقة. [ التوضيح المطلوب ] موجات القص (S) تتحرك خلال اللب الداخلي بحوالي خمسين بالمائة من السرعة المتوقعة لمعظم السبائك الغنية بالحديد. [93] نظرًا لأنه يُعتقد أن تكوين اللب عبارة عن سبيكة من الحديد البلوري وكمية صغيرة من النيكل ، فإن هذا الشذوذ الزلزالي يشير إلى وجود عناصر ضوئية ، بما في ذلك الكربون ، في اللب. في الواقع ، تشير الدراسات التي تستخدم خلايا سندان الماس لتكرار الظروف في لب الأرض إلى أن كربيد الحديد (Fe7ج3) يطابق سرعة وكثافة النواة الداخلية. لذلك ، يمكن أن يكون نموذج كربيد الحديد بمثابة دليل على أن اللب يحتوي على ما يصل إلى 67٪ من كربون الأرض. [94] علاوة على ذلك ، وجدت دراسة أخرى أنه في حالة الضغط ودرجة الحرارة في اللب الداخلي للأرض ، يذوب الكربون في الحديد ويشكل مرحلة مستقرة مع نفس الحديد7ج3 التكوين - وإن كان بهيكل مختلف عن الهيكل المذكور سابقًا. [95] باختصار ، على الرغم من أن كمية الكربون المحتمل تخزينها في قلب الأرض غير معروفة ، تشير الدراسات الحديثة إلى أن وجود كربيدات الحديد يمكن أن يفسر بعض الملاحظات الجيوفيزيائية.

منذ الثورة الصناعية ، وخاصة منذ نهاية الحرب العالمية الثانية ، تسبب النشاط البشري بشكل كبير في اضطراب دورة الكربون العالمية من خلال إعادة توزيع كميات هائلة من الكربون من الغلاف الأرضي. [1] استمر البشر أيضًا في تحويل وظائف المكونات الطبيعية للغلاف الحيوي الأرضي مع تغييرات في الغطاء النباتي واستخدامات الأراضي الأخرى. [13] تم تصميم مركبات الكربون الاصطناعية (الاصطناعية) وتصنيعها بكميات كبيرة والتي ستستمر لعقود إلى آلاف السنين في الهواء والماء والرواسب كملوثات. [96] [97] يؤدي تغير المناخ إلى تضخيم وإجبار المزيد من التغييرات البشرية غير المباشرة على دورة الكربون نتيجة لردود فعل إيجابية وسلبية مختلفة. [28]

تعديل تغييرات استخدامات الأراضي

منذ اختراع الزراعة ، أثر البشر بشكل مباشر وتدريجي على دورة الكربون على مدى قرن من الزمان من خلال تعديل مزيج الغطاء النباتي في المحيط الحيوي الأرضي. [98] على مدى القرون العديدة الماضية ، أدى استخدام الأراضي وتغير الغطاء الأرضي المباشر وغير المباشر من قبل الإنسان (LUCC) إلى فقدان التنوع البيولوجي ، مما يقلل من مقاومة النظم البيئية للضغوط البيئية ويقلل من قدرتها على إزالة الكربون من الغلاف الجوي . وبشكل مباشر ، غالبًا ما يؤدي ذلك إلى إطلاق الكربون من النظم البيئية الأرضية في الغلاف الجوي.

إزالة الغابات للأغراض الزراعية تزيل الغابات التي تحتوي على كميات كبيرة من الكربون ، وتستبدلها بشكل عام بمناطق زراعية أو حضرية. يخزن كلا النوعين البديل للغطاء الأرضي كميات صغيرة نسبيًا من الكربون بحيث تكون النتيجة الصافية للانتقال هي بقاء المزيد من الكربون في الغلاف الجوي. ومع ذلك ، يمكن عكس التأثيرات على الغلاف الجوي ودورة الكربون الكلية عن قصد و / أو بشكل طبيعي مع إعادة التحريج.

تحرير استخراج الكربون الأحفوري

أكبر وأسرع التأثيرات البشرية نموًا على دورة الكربون والمحيط الحيوي هو استخراج وحرق الوقود الأحفوري ، الذي ينقل الكربون مباشرة من الغلاف الجوي إلى الغلاف الجوي. كما يتم إنتاج ثاني أكسيد الكربون وإطلاقه أثناء تكليس الحجر الجيري لإنتاج الكلنكر. [99] الكلنكر هو سلائف صناعية للأسمنت.

اعتبارًا من عام 2020 [تحديث] ، تم استخراج ما يقرب من 450 جيجا طن من الكربون الأحفوري في إجمالي كمية تقترب من الكربون الموجود في كل الكتلة الحيوية الأرضية الحية على الأرض. [2] المعدلات الأخيرة للانبعاثات العالمية مباشرة في الغلاف الجوي قد تجاوزت امتصاصها من قبل الغطاء النباتي والمحيطات. [100] [101] [102] [103] من المتوقع أن تزيل هذه الأحواض ما يقرب من نصف الكربون الجوي المضاف في غضون قرن تقريبًا. [2] [98] [104] ومع ذلك ، فإن الأحواض مثل المحيط لها خصائص تشبع متطورة ، ومن المتوقع أن يظل جزء كبير (20-35٪ ، بناءً على نماذج مقترنة) من الكربون المضاف في الغلاف الجوي لعدة قرون إلى آلاف السنين. [105] [106] استخلاص الكربون الأحفوري الذي يزيد من غازات الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي يوصف من قبل الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ وعلماء الغلاف الجوي والمحيطات بأنه التزام طويل الأجل من قبل المجتمع للعيش في مناخ متغير ، وفي نهاية المطاف ، عالم أكثر دفئًا. [4] [107]

المواد الكيميائية من صنع الإنسان تحرير

يمكن أن يكون للكميات الصغيرة من البتروكيماويات التي يصنعها الإنسان ، والتي تحتوي على الكربون الأحفوري ، تأثيرات غير متوقعة وضخمة على دورة الكربون البيولوجية. يحدث هذا جزئيًا لأنه تم إنشاؤها عن قصد من قبل البشر لتتحلل ببطء ، مما يتيح ثباتها وتراكمها غير الطبيعي في جميع أنحاء المحيط الحيوي. في كثير من الحالات ، لم يتم بعد وصف مساراتها عبر دورة الكربون الأوسع أو فهمها جيدًا.

تحرير البلاستيك

تم تصنيع ما يقرب من 400 مليون طن من البلاستيك على مستوى العالم خلال عام 2018 بمعدلات نمو سنوية تقترب من 10٪ ، وتم إنتاج أكثر من 6 جيجا طن إجمالاً منذ عام 1950. [97] يخضع البلاستيك في النهاية للتفتت كخطوة أولى نموذجية في تحللها ، وهذا يتيح توزيعها على نطاق واسع عن طريق التيارات الهوائية والمائية. تستوعب الحيوانات بسهولة المواد البلاستيكية الدقيقة والبلاستيك النانوي من خلال الابتلاع والاستنشاق ، مصحوبًا بمخاطر التراكم الحيوي. تولد المواد البلاستيكية القابلة للتحلل التي توضع في مدافن النفايات غاز الميثان وثاني أكسيد الكربون الذي يدور عبر الغلاف الجوي ما لم يتم التقاطه. [108] لم تحدد مراجعة رئيسية للأدلة العلمية اعتبارًا من عام 2019 عواقب وخيمة على المجتمع البشري بالمستويات الحالية ، ولكنها تتوقع ظهور مخاطر كبيرة خلال القرن المقبل. [109] أشارت دراسة أجريت عام 2019 إلى أن تحلل المواد البلاستيكية من خلال التعرض لأشعة الشمس ، يؤدي إلى إطلاق كل من ثاني أكسيد الكربون وغازات الاحتباس الحراري الأخرى. [110] تم تطوير البلاستيك الحيوي مع دورة كربون طبيعية وسريعة أكثر كبديل للمواد البلاستيكية الأخرى ذات الاستخدام الفردي القائم على البترول. [111]

تحرير Halocarbons

الهالوكربونات هي مركبات أقل إنتاجية تم تطويرها للاستخدامات المتنوعة في جميع أنحاء الصناعة على سبيل المثال مثل المذيبات والمبردات. ومع ذلك ، فإن تراكم تركيزات صغيرة نسبيًا (أجزاء لكل تريليون) من مركبات الكربون الكلورية فلورية ، ومركبات الكربون الهيدروفلورية ، وغازات الكربون المشبع بالفلور في الغلاف الجوي مسؤول عن حوالي 10٪ من إجمالي التأثير الإشعاعي المباشر من جميع غازات الدفيئة طويلة العمر (عام 2019) والتي تشمل التأثير من تركيزات أكبر بكثير من ثاني أكسيد الكربون والميثان. [112] تسبب مركبات الكربون الكلورية فلورية أيضًا استنفاد طبقة الأوزون في الستراتوسفير. الجهود الدولية جارية بموجب بروتوكول مونتريال وبروتوكول كيوتو للسيطرة على النمو السريع في التصنيع والاستخدام الصناعي لهذه الغازات القوية بيئيًا. بالنسبة لبعض التطبيقات ، تم تطوير بدائل أكثر اعتدالًا مثل الهيدروفلور أوليفينات ويتم إدخالها تدريجياً. [113]

ردود الفعل تغير المناخ تحرير

الاتجاهات الحالية في تغير المناخ تؤدي إلى ارتفاع درجات حرارة المحيطات والحموضة ، وبالتالي تعديل النظم الإيكولوجية البحرية. [115] كما أن الأمطار الحمضية والجريان السطحي الملوث من الزراعة والصناعة يغيران التركيب الكيميائي للمحيطات. يمكن أن يكون لمثل هذه التغييرات تأثيرات كبيرة على النظم البيئية شديدة الحساسية مثل الشعاب المرجانية ، [116] وبالتالي تحد من قدرة المحيطات على امتصاص الكربون من الغلاف الجوي على نطاق إقليمي وتقليل التنوع البيولوجي المحيطي عالميًا.

تشكل عمليات تبادل الكربون بين الغلاف الجوي والمكونات الأخرى لنظام الأرض ، والمعروفة مجتمعة باسم دورة الكربون ، حاليًا ردود فعل سلبية (مثبطة) على تأثير انبعاثات الكربون البشرية المنشأ على تغير المناخ. تستهلك أحواض الكربون في الأرض والمحيط حاليًا حوالي ربع انبعاثات الكربون البشرية المنشأ كل عام. [117] [114]

من المتوقع أن تضعف هذه التغذية المرتدة في المستقبل ، مما يضخم تأثير انبعاثات الكربون البشرية المنشأ على تغير المناخ. [118] ومع ذلك ، فإن الدرجة التي ستضعف عندها غير مؤكدة إلى حد كبير ، حيث تتنبأ نماذج نظام الأرض بمجموعة واسعة من امتصاص الكربون على اليابسة والمحيطات حتى في ظل تركيز مماثل في الغلاف الجوي أو سيناريوهات الانبعاثات. [119] [114] تؤثر انبعاثات الميثان في القطب الشمالي الناتجة بشكل غير مباشر عن الاحتباس الحراري العالمي المنشأ أيضًا على دورة الكربون وتساهم في زيادة الاحترار.

المشابك على الأسلاك الكهربائية. يأخذ هذا النوع من النبات كلا من ثاني أكسيد الكربون
2ـ والماء من الجو للعيش والنمو.

لقد غير النشاط البشري منذ العصر الصناعي التوازن في دورة الكربون الطبيعية. الوحدات بالجيغاتون. [3]


4.1 الطاقة والتمثيل الغذائي

  • اشرح ما هي مسارات التمثيل الغذائي
  • اذكر القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية
  • اشرح الفرق بين الطاقة الحركية والطاقة الكامنة
  • وصف التفاعلات المفعمة بالطاقة والحيوية
  • ناقش كيف تعمل الإنزيمات كمحفزات جزيئية

يستخدم العلماء المصطلح الطاقة الحيوية لوصف مفهوم تدفق الطاقة (الشكل 4.2) عبر الأنظمة الحية ، مثل الخلايا. تحدث العمليات الخلوية مثل بناء وتحطيم الجزيئات المعقدة من خلال تفاعلات كيميائية متدرجة. بعض هذه التفاعلات الكيميائية عفوية وتطلق الطاقة ، في حين أن البعض الآخر يحتاج إلى طاقة للمضي قدمًا. تمامًا كما يجب أن تستهلك الكائنات الحية الطعام باستمرار لتجديد مواردها من الطاقة ، يجب أن تنتج الخلايا باستمرار المزيد من الطاقة لتجديد تلك المستخدمة في العديد من التفاعلات الكيميائية التي تتطلب الطاقة والتي تحدث باستمرار. معًا ، يشار إلى جميع التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الخلايا ، بما في ذلك تلك التي تستهلك أو تولد الطاقة ، باسم الخلية الأيض .

المسارات الأيضية

ضع في اعتبارك عملية التمثيل الغذائي للسكر. هذا مثال كلاسيكي لواحدة من العديد من العمليات الخلوية التي تستخدم وتنتج الطاقة. تستهلك الكائنات الحية السكريات كمصدر رئيسي للطاقة ، لأن جزيئات السكر تحتوي على قدر كبير من الطاقة المخزنة في روابطها. بالنسبة للجزء الأكبر ، تنتج الكائنات الحية مثل النباتات هذه السكريات. أثناء عملية التمثيل الضوئي ، تستخدم النباتات الطاقة (في الأصل من ضوء الشمس) لتحويل غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) في جزيئات السكر (مثل الجلوكوز: ج6ح12ا6). يستهلكون ثاني أكسيد الكربون وينتجون الأكسجين كمنتج نفايات. يتم تلخيص رد الفعل هذا على النحو التالي:

نظرًا لأن هذه العملية تنطوي على توليف جزيء لتخزين الطاقة ، فإنها تتطلب إدخال طاقة للمضي قدمًا. أثناء التفاعلات الخفيفة لعملية التمثيل الضوئي ، يتم توفير الطاقة بواسطة جزيء يسمى أدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، وهو عملة الطاقة الأولية لجميع الخلايا. مثلما يتم استخدام الدولار كعملة لشراء السلع ، تستخدم الخلايا جزيئات ATP كعملة للطاقة لأداء عمل فوري. في المقابل ، يتم استهلاك جزيئات تخزين الطاقة مثل الجلوكوز فقط ليتم تفتيتها لاستخدام طاقتها. يمكن تلخيص التفاعل الذي يحصد طاقة جزيء السكر في الخلايا التي تتطلب الأكسجين للبقاء على قيد الحياة من خلال رد الفعل العكسي لعملية التمثيل الضوئي. في هذا التفاعل ، يتم استهلاك الأكسجين ويتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون كمنتج نفايات. يتم تلخيص رد الفعل على النحو التالي:

كلا من ردود الفعل هذه تنطوي على العديد من الخطوات.

توضح عمليات صنع وتحطيم جزيئات السكر مثالين على مسارات التمثيل الغذائي. المسار الأيضي عبارة عن سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي تأخذ جزيء البدء وتعديله ، خطوة بخطوة ، من خلال سلسلة من الوسائط الأيضية ، مما ينتج عنه في النهاية منتج نهائي. في مثال استقلاب السكر ، أول مسار استقلابي يصنع السكر من جزيئات أصغر ، والمسار الآخر يقسم السكر إلى جزيئات أصغر. يشار إلى هاتين العمليتين المتعارضتين - الأولى تتطلب طاقة والثانية تنتج طاقة - باسم الابتنائية

المسارات (بناء البوليمرات) و الهدم المسارات (تحطيم البوليمرات إلى مونومراتها) ، على التوالي. وبالتالي ، يتكون التمثيل الغذائي من التوليف (الابتنائية) والتدهور (الهدم) (الشكل 4.3).

من المهم معرفة أن التفاعلات الكيميائية لمسارات التمثيل الغذائي لا تحدث من تلقاء نفسها. يتم تسهيل أو تحفيز كل خطوة من خطوات التفاعل بواسطة بروتين يسمى الإنزيم. الإنزيمات مهمة لتحفيز جميع أنواع التفاعلات البيولوجية - تلك التي تتطلب طاقة بالإضافة إلى تلك التي تطلق الطاقة.

طاقة

الديناميكا الحرارية يشير إلى دراسة الطاقة ونقل الطاقة التي تنطوي على مادة فيزيائية. تسمى المسألة ذات الصلة بحالة معينة من نقل الطاقة بالنظام ، ويطلق على كل شيء خارج هذه المادة اسم البيئة المحيطة. على سبيل المثال ، عند تسخين قدر من الماء على الموقد ، يشتمل النظام على الموقد والوعاء والماء. يتم نقل الطاقة داخل النظام (بين الموقد والوعاء والماء). هناك نوعان من الأنظمة: مفتوحة ومغلقة. في النظام المفتوح ، يمكن تبادل الطاقة مع محيطها. نظام الموقد مفتوح لأن الحرارة يمكن أن تضيع في الهواء. لا يمكن للنظام المغلق تبادل الطاقة مع محيطه.

الكائنات البيولوجية هي أنظمة مفتوحة. يتم تبادل الطاقة بينهم وبين محيطهم حيث يستخدمون الطاقة من الشمس لإجراء عملية التمثيل الضوئي أو استهلاك جزيئات تخزين الطاقة وإطلاق الطاقة إلى البيئة عن طريق القيام بالعمل وإطلاق الحرارة.مثل كل الأشياء في العالم المادي ، تخضع الطاقة للقوانين الفيزيائية. تتحكم قوانين الديناميكا الحرارية في نقل الطاقة بين جميع الأنظمة في الكون.

بشكل عام ، تُعرَّف الطاقة بأنها القدرة على القيام بالعمل ، أو إحداث نوع من التغيير. الطاقة موجودة في أشكال مختلفة. على سبيل المثال ، تعد الطاقة الكهربائية والطاقة الضوئية والطاقة الحرارية أنواعًا مختلفة من الطاقة. لتقدير الطريقة التي تتدفق بها الطاقة داخل وخارج الأنظمة البيولوجية ، من المهم أن نفهم اثنين من القوانين الفيزيائية التي تحكم الطاقة.

الديناميكا الحرارية

ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أن الكمية الإجمالية للطاقة في الكون ثابتة ومحفوظة. بعبارة أخرى ، كان هناك دائمًا وسيظل دائمًا نفس القدر من الطاقة في الكون. توجد الطاقة في العديد من الأشكال المختلفة. وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية ، يمكن نقل الطاقة من مكان إلى آخر أو تحويلها إلى أشكال مختلفة ، ولكن لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها. تحدث عمليات نقل وتحولات الطاقة من حولنا طوال الوقت. تحول المصابيح الكهربائية الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية وطاقة حرارية. تعمل مواقد الغاز على تحويل الطاقة الكيميائية من الغاز الطبيعي إلى طاقة حرارية. تقوم النباتات بأحد أكثر تحولات الطاقة المفيدة بيولوجيًا على الأرض: تحويل طاقة ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية مخزنة داخل الجزيئات العضوية (الشكل 4.2). تظهر بعض الأمثلة على تحولات الطاقة في الشكل 4.4.

التحدي الذي يواجه جميع الكائنات الحية هو الحصول على الطاقة من محيطها في أشكال يمكنها نقلها أو تحويلها إلى طاقة قابلة للاستخدام للقيام بالعمل. تطورت الخلايا الحية لمواجهة هذا التحدي. يتم نقل الطاقة الكيميائية المخزنة داخل الجزيئات العضوية مثل السكريات والدهون وتحويلها من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية الخلوية إلى طاقة داخل جزيئات ATP. يمكن الوصول بسهولة إلى الطاقة في جزيئات ATP للقيام بالعمل. تتضمن أمثلة أنواع العمل الذي تحتاجه الخلايا القيام به بناء جزيئات معقدة ، ونقل المواد ، وتشغيل حركة الأهداب أو الأسواط ، وتقلص ألياف العضلات لخلق الحركة.

قد تبدو المهام الأساسية للخلية الحية المتمثلة في الحصول على الطاقة وتحويلها واستخدامها لأداء العمل بسيطة. ومع ذلك ، يشرح القانون الثاني للديناميكا الحرارية سبب كون هذه المهام أصعب مما تبدو عليه. جميع عمليات نقل الطاقة وتحولاتها لا تكون أبدًا فعالة تمامًا. في كل عملية نقل للطاقة ، يتم فقد قدر من الطاقة بشكل غير صالح للاستعمال. في معظم الحالات ، هذا النموذج هو الطاقة الحرارية. ديناميكا حرارية طاقة حرارية تُعرَّف بأنها الطاقة المنقولة من نظام إلى آخر لا تعمل. على سبيل المثال ، عند تشغيل المصباح الكهربائي ، يتم فقدان بعض الطاقة التي يتم تحويلها من الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية كطاقة حرارية. وبالمثل ، يتم فقدان بعض الطاقة كطاقة حرارية أثناء تفاعلات التمثيل الغذائي الخلوي.

مفهوم مهم في النظم الفيزيائية هو مفهوم النظام والفوضى. كلما زادت الطاقة التي يفقدها النظام إلى المناطق المحيطة به ، كلما كان النظام أقل ترتيبًا وأكثر عشوائية. يشير العلماء إلى مقياس العشوائية أو الاضطراب داخل نظام ما على أنه إنتروبيا. الانتروبيا العالية تعني الفوضى العالية والطاقة المنخفضة. الجزيئات والتفاعلات الكيميائية لها إنتروبيا متفاوتة أيضًا. على سبيل المثال ، تزداد الإنتروبيا عندما تنتشر الجزيئات ذات التركيز العالي في مكان واحد وتنتشر. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن الطاقة ستُفقد دائمًا عند نقل الحرارة أو تحويلها.

يتم ترتيب الكائنات الحية بدرجة عالية ، وتتطلب مدخلات طاقة ثابتة يتم الحفاظ عليها في حالة انخفاض الانتروبيا.

الطاقة الكامنة والحركية

عندما يتحرك جسم ما ، توجد طاقة مرتبطة بذلك الجسم. فكر في كرة محطمة. حتى كرة التدمير البطيئة يمكن أن تسبب قدرًا كبيرًا من الضرر للأشياء الأخرى. تسمى الطاقة المرتبطة بالأجسام المتحركة الطاقة الحركية (الشكل 4.5). الرصاصة المسرعة ، والشخص الذي يمشي ، والحركة السريعة للجزيئات في الهواء (التي تنتج الحرارة) كلها لها طاقة حركية.

الآن ماذا لو رفعت كرة التحطيم نفسها طابقين فوق الأرض برافعة؟ إذا كانت كرة التحطيم المعلقة ثابتة ، فهل هناك طاقة مرتبطة بها؟ الجواب نعم. الطاقة المطلوبة لرفع الكرة المدمرة لم تختف ، لكنها مخزنة الآن في كرة التحطيم بحكم موقعها وقوة الجاذبية المؤثرة عليها. هذا النوع من الطاقة يسمى الطاقة الكامنة (الشكل 4.5). إذا سقطت الكرة ، فإن الطاقة الكامنة ستتحول إلى طاقة حركية حتى يتم استنفاد كل الطاقة الكامنة عندما تستقر الكرة على الأرض. تتأرجح الكرات المدمرة أيضًا مثل البندول من خلال التأرجح ، فهناك تغير مستمر في الطاقة الكامنة (الأعلى في الجزء العلوي من التأرجح) إلى الطاقة الحركية (الأعلى في الجزء السفلي من التأرجح). تشمل الأمثلة الأخرى للطاقة الكامنة طاقة الماء الموجودة خلف السد أو شخص على وشك القفز بالمظلة من طائرة.

لا ترتبط الطاقة الكامنة بموقع المادة فحسب ، بل ترتبط أيضًا ببنية المادة. حتى الزنبرك الموجود على الأرض لديه طاقة كامنة إذا تم ضغطه ، وكذلك الشريط المطاطي المشدود. على المستوى الجزيئي ، توجد الروابط التي تربط ذرات الجزيئات معًا في بنية معينة لها طاقة كامنة. تذكر أن المسارات الخلوية الابتنائية تتطلب طاقة لتصنيع جزيئات معقدة من جزيئات أبسط ، وأن المسارات التقويضية تطلق الطاقة عند تكسير الجزيئات المعقدة. حقيقة أن الطاقة يمكن إطلاقها من خلال انهيار روابط كيميائية معينة تعني أن هذه الروابط لديها طاقة كامنة. في الواقع ، هناك طاقة كامنة مخزنة داخل روابط جميع جزيئات الطعام التي نأكلها ، والتي يتم تسخيرها في النهاية للاستخدام. هذا لأن هذه الروابط يمكن أن تطلق الطاقة عند كسرها. يُطلق على نوع الطاقة الكامنة الموجودة داخل الروابط الكيميائية ، والتي يتم إطلاقها عندما تنكسر تلك الروابط ، اسم الطاقة الكيميائية. الطاقة الكيميائية هي المسؤولة عن تزويد الخلايا الحية بالطاقة من الغذاء. يحدث إطلاق الطاقة عندما تنكسر الروابط الجزيئية داخل جزيئات الطعام.

قم بزيارة الموقع وحدد "بندول" من قائمة "العمل والطاقة" لمشاهدة الطاقة الحركية المتغيرة والطاقة الكامنة للبندول أثناء الحركة.

الطاقة المجانية والتفعيل

بعد معرفة أن التفاعلات الكيميائية تطلق الطاقة عندما تنكسر روابط تخزين الطاقة ، فإن السؤال التالي المهم هو ما يلي: كيف يتم قياس الطاقة المرتبطة بهذه التفاعلات الكيميائية والتعبير عنها؟ كيف يمكن مقارنة الطاقة المنبعثة من تفاعل واحد بتفاعل آخر؟ يتم استخدام قياس الطاقة الحرة لتحديد عمليات نقل الطاقة هذه. تذكر أنه وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، تتضمن جميع عمليات نقل الطاقة فقدان قدر من الطاقة في صورة غير قابلة للاستخدام مثل الحرارة. تشير الطاقة الحرة على وجه التحديد إلى الطاقة المرتبطة بتفاعل كيميائي متاح بعد حساب الخسائر. بمعنى آخر ، الطاقة الحرة هي طاقة قابلة للاستخدام ، أو طاقة متوفرة للقيام بالعمل.

إذا تم إطلاق الطاقة أثناء تفاعل كيميائي ، فإن التغيير في الطاقة الحرة ، والمشار إليه بـ ∆G (دلتا G) سيكون رقمًا سالبًا. يعني التغيير السلبي في الطاقة الحرة أيضًا أن منتجات التفاعل لها طاقة حرة أقل من المواد المتفاعلة ، لأنها تطلق بعض الطاقة الحرة أثناء التفاعل. ردود الفعل التي لها تغير سلبي في الطاقة الحرة وبالتالي إطلاق الطاقة الحرة تسمى ردود فعل مفرطة . يفكر: السابق ergonic تعني الطاقة السابق iting النظام. يشار إلى هذه التفاعلات أيضًا على أنها تفاعلات عفوية ، وتحتوي منتجاتها على طاقة مخزنة أقل من المواد المتفاعلة. يجب التمييز بين المصطلح تلقائي وفكرة حدوث تفاعل كيميائي على الفور. على عكس الاستخدام اليومي للمصطلح ، فإن التفاعل التلقائي ليس رد فعل يحدث فجأة أو بسرعة. صدأ الحديد هو مثال على التفاعل التلقائي الذي يحدث ببطء ، شيئًا فشيئًا ، بمرور الوقت.

إذا كان التفاعل الكيميائي يمتص الطاقة بدلاً من إطلاق الطاقة بالتوازن ، فإن ∆G لهذا التفاعل سيكون قيمة موجبة. في هذه الحالة ، المنتجات لديها طاقة حرة أكثر من المواد المتفاعلة. وبالتالي ، يمكن اعتبار منتجات هذه التفاعلات بمثابة جزيئات لتخزين الطاقة. تسمى هذه التفاعلات الكيميائية تفاعلات إندرجونيك وهم غير عفويين. لن يحدث تفاعل مائي من تلقاء نفسه بدون إضافة طاقة حرة.

انظر إلى كل من العمليات الموضحة وقرر ما إذا كانت مفعمة بالطاقة أو مفرطة الطاقة.

هناك مفهوم آخر مهم يجب مراعاته فيما يتعلق بردود الفعل المبطنة للطاقة. تتطلب التفاعلات المفرطة قدرًا صغيرًا من مدخلات الطاقة للبدء ، قبل أن يتمكنوا من المضي قدمًا في خطوات إطلاق الطاقة. هذه التفاعلات لها إطلاق صافٍ للطاقة ، لكنها لا تزال تتطلب بعض مدخلات الطاقة في البداية. هذه الكمية الصغيرة من مدخلات الطاقة اللازمة لجميع التفاعلات الكيميائية لتحدث تسمى طاقة التفعيل .

شاهد رسمًا متحركًا للانتقال من الطاقة الحرة إلى حالة رد الفعل الانتقالية.

الانزيمات

تسمى المادة التي تساعد في حدوث تفاعل كيميائي محفزًا ، وتسمى الجزيئات التي تحفز التفاعلات الكيميائية الحيوية الانزيمات . معظم الإنزيمات عبارة عن بروتينات وتؤدي المهمة الحاسمة المتمثلة في خفض طاقات التنشيط للتفاعلات الكيميائية داخل الخلية. تحدث معظم التفاعلات الحرجة للخلية الحية ببطء شديد في درجات الحرارة العادية بحيث لا تكون ذات فائدة للخلية. بدون إنزيمات لتسريع ردود الفعل هذه ، لا يمكن للحياة أن تستمر. تقوم الإنزيمات بذلك عن طريق الارتباط بجزيئات المتفاعلة والاحتفاظ بها بطريقة تجعل عمليات تكسير وتشكيل الروابط الكيميائية تتم بسهولة أكبر. من المهم أن تتذكر أن الإنزيمات لا تتغير سواء كان التفاعل طاردًا للطاقة (عفويًا) أو مسببًا للطاقة. هذا لأنها لا تغير الطاقة الحرة للمواد المتفاعلة أو المنتجات. إنها تقلل فقط من طاقة التنشيط المطلوبة للتفاعل للمضي قدمًا (الشكل 4.7). بالإضافة إلى ذلك ، فإن الإنزيم نفسه لا يتغير بالتفاعل الذي يحفزه. بمجرد تحفيز تفاعل واحد ، يكون الإنزيم قادرًا على المشاركة في تفاعلات أخرى.

تسمى المتفاعلات الكيميائية التي يرتبط بها الإنزيم بـ الإنزيم ركائز . قد يكون هناك ركيزة واحدة أو أكثر ، اعتمادًا على تفاعل كيميائي معين. في بعض التفاعلات ، يتم تقسيم الركيزة المتفاعلة الواحدة إلى منتجات متعددة. في حالات أخرى ، قد تتحد ركيزتان لتكوين جزيء أكبر. قد يدخل مفاعلان متفاعلان أيضًا في التفاعل ويتم تعديل كلاهما ، لكنهما يتركان التفاعل كمنتجين. يُطلق على الموقع داخل الإنزيم حيث ترتبط الركيزة اسم الإنزيم موقع نشط . الموقع النشط هو المكان الذي يحدث فيه "الإجراء". نظرًا لأن الإنزيمات عبارة عن بروتينات ، فهناك مزيج فريد من سلاسل الأحماض الأمينية الجانبية داخل الموقع النشط. تتميز كل سلسلة جانبية بخصائص مختلفة. يمكن أن تكون كبيرة أو صغيرة ، حمضية أو قاعدية ضعيفة ، محبة للماء أو كارهة للماء ، موجبة أو سالبة الشحنة ، أو محايدة. يخلق المزيج الفريد من السلاسل الجانبية بيئة كيميائية محددة للغاية داخل الموقع النشط. هذه البيئة المحددة مناسبة للارتباط بركيزة كيميائية محددة (أو ركائز).

المواقع النشطة تخضع لتأثيرات البيئة المحلية. تؤدي زيادة درجة حرارة البيئة بشكل عام إلى زيادة معدلات التفاعل ، المحفز بالإنزيم أو غير ذلك. ومع ذلك ، فإن درجات الحرارة خارج النطاق الأمثل تقلل من المعدل الذي يحفز به الإنزيم التفاعل. ستؤدي درجات الحرارة الساخنة في النهاية إلى تغيير طبيعة الإنزيمات ، وهو تغيير لا رجعة فيه في الشكل ثلاثي الأبعاد وبالتالي وظيفة الإنزيم. الأنزيمات مناسبة أيضًا للعمل بشكل أفضل ضمن نطاق تركيز درجة حموضة وملح معين ، وكما هو الحال مع درجة الحرارة ، يمكن أن تتسبب تركيزات الأس الهيدروجيني والملح في تغيير طبيعة الإنزيمات.

لسنوات عديدة ، اعتقد العلماء أن ارتباط الركيزة الإنزيمية يحدث بطريقة "القفل والمفتاح" البسيطة. أكد هذا النموذج أن الإنزيم والركيزة يتناسبان معًا تمامًا في خطوة لحظية واحدة. ومع ذلك ، يدعم البحث الحالي نموذجًا يسمى الملاءمة المستحثة (الشكل 4.8). يتوسع نموذج الملاءمة المستحثة في نموذج القفل والمفتاح من خلال وصف ارتباط أكثر ديناميكية بين الإنزيم والركيزة. عندما يجتمع الإنزيم والركيزة معًا ، يتسبب تفاعلهما في حدوث تحول طفيف في بنية الإنزيم التي تشكل ترتيبًا مثاليًا للربط بين الإنزيم والركيزة.

عندما يربط الإنزيم ركائزه ، يتم تكوين مركب ركيزة إنزيم. يقلل هذا المركب من طاقة تنشيط التفاعل ويعزز تقدمه السريع بإحدى الطرق المتعددة الممكنة. على المستوى الأساسي ، تعزز الإنزيمات التفاعلات الكيميائية التي تنطوي على أكثر من ركيزة واحدة عن طريق تجميع الركائز معًا في الاتجاه الأمثل للتفاعل. الطريقة الأخرى التي تعزز بها الإنزيمات تفاعل ركائزها هي خلق بيئة مثالية داخل الموقع النشط لحدوث التفاعل. تخلق الخواص الكيميائية التي تظهر من الترتيب الخاص لمجموعات الأحماض الأمينية R داخل موقع نشط بيئة مثالية لتفاعل ركائز معينة للإنزيم.

يمكن لمركب الركيزة الإنزيمية أيضًا خفض طاقة التنشيط عن طريق الإضرار ببنية الرابطة بحيث يسهل كسرها. أخيرًا ، يمكن للإنزيمات أيضًا تقليل طاقات التنشيط من خلال المشاركة في التفاعل الكيميائي نفسه. في هذه الحالات ، من المهم أن تتذكر أن الإنزيم سيعود دائمًا إلى حالته الأصلية عند اكتمال التفاعل. إحدى السمات المميزة للإنزيمات هي أنها تظل في النهاية دون تغيير من خلال التفاعلات التي تحفزها. بعد أن يحفز الإنزيم التفاعل ، فإنه يطلق منتجه (منتجاته) ويمكن أن يحفز تفاعلًا جديدًا.

قد يبدو من المثالي أن يكون لديك سيناريو تتواجد فيه جميع إنزيمات الكائن الحي في إمداد وفير وتعمل على النحو الأمثل في جميع الظروف الخلوية ، في جميع الخلايا ، في جميع الأوقات. ومع ذلك ، هناك مجموعة متنوعة من الآليات التي تضمن عدم حدوث ذلك. تختلف الاحتياجات والظروف الخلوية باستمرار من خلية إلى أخرى ، وتتغير داخل الخلايا الفردية بمرور الوقت. تختلف الإنزيمات المطلوبة لخلايا المعدة عن تلك الموجودة في خلايا تخزين الدهون وخلايا الجلد وخلايا الدم والخلايا العصبية. علاوة على ذلك ، تعمل خلية الجهاز الهضمي بشكل أكثر صعوبة في معالجة العناصر الغذائية وتفكيكها خلال الوقت الذي يلي الوجبة عن كثب مقارنة بساعات عديدة بعد الوجبة. نظرًا لاختلاف هذه المتطلبات والظروف الخلوية ، يجب أن تختلف كميات ووظائف الإنزيمات المختلفة.

نظرًا لأن معدلات التفاعلات الكيميائية الحيوية يتم التحكم فيها بواسطة طاقة التنشيط ، وتنخفض الإنزيمات وتحدد طاقات التنشيط للتفاعلات الكيميائية ، فإن الكميات النسبية وعمل مجموعة متنوعة من الإنزيمات داخل الخلية تحدد في النهاية التفاعلات التي ستستمر وبأي معدلات. يتم التحكم في هذا التحديد بإحكام في الخلايا. في بعض البيئات الخلوية ، يتم التحكم في نشاط الإنزيم جزئيًا بواسطة عوامل بيئية مثل الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة وتركيز الملح ، وفي بعض الحالات ، العوامل المساعدة أو الإنزيمات المساعدة.

يمكن أيضًا تنظيم الإنزيمات بطرق تعزز أو تقلل من نشاط الإنزيم. هناك العديد من أنواع الجزيئات التي تثبط أو تعزز وظيفة الإنزيم ، والآليات المختلفة التي تقوم بذلك من خلالها. في بعض حالات تثبيط الإنزيم ، يكون جزيء المثبط مشابهًا بدرجة كافية للركيزة التي يمكنها الارتباط بالموقع النشط ومنع الركيزة ببساطة من الارتباط. عندما يحدث هذا ، يتم تثبيط الإنزيم تثبيط المنافسة ، لأن جزيء المثبط يتنافس مع الركيزة للارتباط بالموقع النشط.

من ناحية أخرى ، في تثبيط غير تنافسي ، جزيء المثبط يرتبط بالإنزيم في مكان آخر غير الموقع النشط ، يسمى موقع خيفي ، لكنه لا يزال قادرًا على منع ارتباط الركيزة بالموقع النشط. ترتبط بعض جزيئات المثبط بالأنزيمات في مكان يؤدي فيه ارتباطها إلى تغيير توافقي يقلل من تقارب الإنزيم مع ركائزه. يسمى هذا النوع من التثبيط تثبيط خيفي (الشكل 4.9). تتكون معظم الإنزيمات الخاضعة للتنظيم الخيفي من أكثر من عديد ببتيد واحد ، مما يعني أن لديهم أكثر من وحدة بروتينية فرعية. عندما يرتبط مثبط خيفي بمنطقة على إنزيم ، يتم تغيير جميع المواقع النشطة في الوحدات الفرعية للبروتين بشكل طفيف بحيث تربط ركائزها بكفاءة أقل. هناك منشطات خيفي وكذلك مثبطات. ترتبط المنشطات الخيفية بالمواقع الموجودة على إنزيم بعيدًا عن الموقع النشط ، مما يؤدي إلى تغيير توافقي يزيد من تقارب الموقع (المواقع) النشطة للإنزيم مع الركيزة (الركيزة) (الشكل 4.9).

الإنزيمات هي المكونات الرئيسية لمسارات التمثيل الغذائي. يعد فهم كيفية عمل الإنزيمات وكيفية تنظيمها من المبادئ الأساسية وراء تطوير العديد من الأدوية الصيدلانية في السوق اليوم. يتعاون علماء الأحياء العاملون في هذا المجال مع علماء آخرين لتصميم الأدوية (الشكل 4.10).

ضع في اعتبارك العقاقير المخفضة للكوليسترول على سبيل المثال - الستاتين هو الاسم الذي يطلق على فئة واحدة من الأدوية التي يمكن أن تقلل مستويات الكوليسترول في الدم. هذه المركبات هي مثبطات لإنزيم اختزال HMG-CoA ، وهو الإنزيم الذي يصنع الكوليسترول من الدهون في الجسم. عن طريق تثبيط هذا الإنزيم ، يمكن خفض مستوى الكوليسترول المركب في الجسم. وبالمثل ، فإن عقار الأسيتامينوفين ، الذي يتم تسويقه بشكل شائع تحت الاسم التجاري تايلينول ، هو مثبط لإنزيم إنزيم الأكسدة الحلقية. في حين أنه يستخدم للتخفيف من الحمى والالتهابات (الألم) ، إلا أن آلية عمله لا تزال غير مفهومة تمامًا.

كيف يتم اكتشاف الأدوية؟ أحد أكبر التحديات في اكتشاف الأدوية هو تحديد الهدف الدوائي. الهدف الدوائي هو الجزيء الذي هو حرفيًا هدف الدواء. في حالة الستاتينات ، فإن اختزال HMG-CoA هو الهدف الدوائي. يتم تحديد أهداف الأدوية من خلال البحث المضني في المختبر. تحديد الهدف وحده ليس كافيًا يحتاج العلماء أيضًا إلى معرفة كيفية عمل الهدف داخل الخلية والتفاعلات التي تنحرف في حالة المرض. بمجرد تحديد الهدف والمسار ، تبدأ العملية الفعلية لتصميم الدواء. في هذه المرحلة ، يعمل الكيميائيون وعلماء الأحياء معًا لتصميم وتوليف الجزيئات التي يمكنها منع أو تنشيط تفاعل معين. ومع ذلك ، فهذه ليست سوى البداية: إذا وعندما ينجح نموذج أولي للدواء في أداء وظيفته ، فإنه يخضع للعديد من الاختبارات من التجارب المخبرية إلى التجارب السريرية قبل أن يحصل على موافقة من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية ليتم تشغيله. السوق.

العديد من الإنزيمات لا تعمل على النحو الأمثل ، أو حتى على الإطلاق ، ما لم تكن مرتبطة بجزيئات مساعدة أخرى غير بروتينية. قد تترابط إما مؤقتًا من خلال روابط أيونية أو هيدروجينية ، أو بشكل دائم من خلال روابط تساهمية أقوى. يعزز الارتباط بهذه الجزيئات الشكل والوظيفة الأمثل للأنزيمات الخاصة بكل منها. مثالان على هذه الأنواع من الجزيئات المساعدة هما العوامل المساعدة والإنزيمات المساعدة. العوامل المساعدة هي أيونات غير عضوية مثل أيونات الحديد والمغنيسيوم.الإنزيمات المساعدة هي جزيئات عضوية مساعدة ، تلك التي لها بنية ذرية أساسية تتكون من الكربون والهيدروجين. مثل الإنزيمات ، تشارك هذه الجزيئات في التفاعلات دون أن تتغير بنفسها ويتم إعادة تدويرها وإعادة استخدامها في النهاية. الفيتامينات هي مصدر الإنزيمات المساعدة. بعض الفيتامينات هي سلائف الإنزيمات والبعض الآخر يعمل مباشرة مثل الإنزيمات المساعدة. فيتامين ج هو أنزيم مباشر للعديد من الإنزيمات التي تشارك في بناء النسيج الضام المهم ، وهو الكولاجين. لذلك ، يتم تنظيم وظيفة الإنزيم جزئيًا من خلال وفرة العديد من العوامل المساعدة والإنزيمات المساعدة ، والتي قد يتم توفيرها من خلال النظام الغذائي للكائن الحي أو ، في بعض الحالات ، التي ينتجها الكائن الحي.

تثبيط ردود الفعل في المسارات الأيضية

يمكن للجزيئات تنظيم وظيفة الإنزيم بعدة طرق. ومع ذلك ، يبقى السؤال الرئيسي: ما هي هذه الجزيئات ومن أين أتت؟ بعضها من العوامل المساعدة والإنزيمات المساعدة ، كما تعلمت. ما هي الجزيئات الأخرى في الخلية التي توفر تنظيمًا إنزيميًا مثل التعديل الخيفي والتثبيط التنافسي وغير التنافسي؟ ربما تكون أهم مصادر الجزيئات التنظيمية ، فيما يتعلق بالاستقلاب الخلوي الأنزيمي ، هي منتجات التفاعلات الأيضية الخلوية نفسها. وبطريقة أكثر فاعلية وأناقة ، تطورت الخلايا لتستخدم نواتج ردود أفعالها لتثبيط التغذية الراجعة لنشاط الإنزيم. منع ردود الفعل يتضمن استخدام منتج التفاعل لتنظيم إنتاجه الإضافي (الشكل 4.11). تستجيب الخلية لوفرة المنتجات عن طريق إبطاء الإنتاج أثناء التفاعلات الابتنائية أو التقويضية. قد تثبط منتجات التفاعل هذه الإنزيمات التي حفزت إنتاجها من خلال الآليات الموضحة أعلاه.

يتم التحكم في إنتاج كل من الأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات من خلال تثبيط التغذية الراجعة. بالإضافة إلى ذلك ، ATP هو منظم خيفي لبعض الإنزيمات المشاركة في انهيار تقويضي للسكر ، العملية التي تخلق ATP. بهذه الطريقة ، عندما يكون ATP متوفرًا بكثرة ، يمكن للخلية أن تمنع إنتاج ATP. من ناحية أخرى ، يعمل ADP كمنظم خيفي إيجابي (منشط خيفي) لبعض الإنزيمات نفسها التي تثبطها ATP. وبالتالي ، عندما تكون المستويات النسبية لـ ADP عالية مقارنة بـ ATP ، يتم تشغيل الخلية لإنتاج المزيد من ATP من خلال هدم السكر.


اخترع أول "سائل مسامي"

حقق العلماء في جامعة كوينز بلفاست تقدمًا كبيرًا من خلال صنع سائل مسامي - مع إمكانية وجود مجموعة هائلة من التقنيات الجديدة بما في ذلك "احتجاز الكربون".

ابتكر باحثون في كلية الكيمياء والهندسة الكيميائية في كوينز ، إلى جانب زملائهم في جامعة ليفربول وشركاء دوليين آخرين ، السائل الجديد ووجدوا أنه يمكنه إذابة كميات كبيرة بشكل غير عادي من الغاز ، والتي يتم امتصاصها في `` الثقوب ''. في السائل. يتم نشر نتائج أبحاثهم في المجلة طبيعة سجية.

يمكن أن يمهد المشروع البحثي الذي يمتد لثلاث سنوات الطريق للعديد من العمليات الكيميائية الأكثر كفاءة وصديقة للبيئة ، بما في ذلك الإجراء المعروف باسم احتجاز الكربون - محاصرة ثاني أكسيد الكربون من المصادر الرئيسية ، على سبيل المثال محطة لتوليد الطاقة بالوقود الأحفوري ، وتخزينه لمنع دخوله الغلاف الجوي.

قال البروفيسور ستيوارت جيمس من كلية كوينز للكيمياء والهندسة الكيميائية: "المواد التي تحتوي على ثقوب دائمة ، أو مسام ، مهمة من الناحية التكنولوجية. وهي تستخدم في تصنيع مجموعة من المنتجات من الزجاجات البلاستيكية إلى البنزين. ومع ذلك ، حتى وقت قريب ، هذه المواد المسامية كانت صلبة. ما فعلناه هو تصميم سائل خاص من "أسفل إلى أعلى" - صممنا أشكال الجزيئات التي يتكون منها السائل بحيث لا يمكن للسائل أن يملأ كل الفراغ. ثم وجدنا ثقوبًا فارغة في السائل ، ووجدنا أنه كان قادرًا على إذابة كميات كبيرة غير معتادة من الغاز. هذه التجارب الأولى هي ما نحتاجه لفهم هذا النوع الجديد من المواد ، وتشير النتائج إلى تطبيقات مثيرة للاهتمام على المدى الطويل والتي تعتمد عند إذابة الغازات.

"ستكون هناك حاجة إلى بضع سنوات من البحث ، ولكن إذا تمكنا من العثور على تطبيقات لهذه السوائل المسامية ، فقد ينتج عنها عمليات كيميائية جديدة أو محسنة. على أقل تقدير ، تمكنا من إثبات مبدأ جديد جدًا - وهو أنه من خلال إنشاء الثقوب في السوائل يمكننا زيادة كمية الغاز التي يمكن إذابتها بشكل كبير. تشير هذه الخصائص الرائعة إلى تطبيقات مثيرة للاهتمام على المدى الطويل. "


ما هو C6H12O6؟

C6H12O6 هي الصيغة الكيميائية للعديد من السكريات البسيطة ، وأبرزها الجلوكوز والفركتوز والجالاكتوز. السكريات الأخرى لها نفس الصيغة الكيميائية ولكنها نادرة أو غير موجودة في الطبيعة. بينما تحتوي هذه السكريات على نفس عدد الذرات ، يتم تكوين جزيئاتها بشكل مختلف.

الجلوكوز هو أهم مصدر للطاقة للكائنات الحية على الأرض. يتم حرقه لتحويل ثنائي فوسفات الأمونيوم إلى ثلاثي فوسفات الأمونيوم ، وهو مصدر طاقة حيوي للخلايا. يمكن للعديد من جزيئات الجلوكوز المرتبطة ببعضها البعض أن تأخذ شكل النشا أو السليلوز. يمتلك البشر إنزيمات تفصل جزيئات الجلوكوز في النشا ، لكن لا يمكن للبشر تحويل السليلوز إلى طاقة قابلة للاستخدام.

الفركتوز ، المعروف أيضًا باسم سكر الفاكهة ، هو أحلى أنواع السكريات ويوجد في العسل. عندما يرتبط الجلوكوز والفركتوز معًا ، فإنهما يشكلان السكروز ، أو سكر المائدة. يستخدم الفركتوز في صناعة الأغذية في صناعة شراب الذرة عالي الفركتوز ، والذي يحتوي على نسبة واحد إلى واحد تقريبًا من الجلوكوز والفركتوز. على عكس السكروز ، يمكن إذابة هذا الشراب في الأطعمة الحمضية دون أن يتلف.

يحتوي الجالاكتوز أيضًا على الصيغة C6H12O6. تقوم الثدييات بتحويل الجلوكوز إلى الجالاكتوز ، ثم تقوم بربط الجلاكتوز والجلوكوز معًا لتكوين اللاكتوز ، وهو السكر الموجود في الحليب.


112 التمثيل الغذائي بدائية النواة

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • حدد المغذيات الكبيرة المقدار التي تحتاجها بدائيات النوى ، واشرح أهميتها
  • صف الطرق التي تحصل بها بدائيات النوى على الطاقة والكربون لعمليات الحياة
  • وصف أدوار بدائيات النوى في دورات الكربون والنيتروجين

بدائيات النوى هي كائنات حية متنوعة التمثيل الغذائي. في كثير من الحالات ، يمكن وضع بدائيات النوى في نوع كليد من خلال خصائصها الأيضية المحددة: هل يمكنها استقلاب اللاكتوز؟ هل يمكن أن تنمو على سترات؟ هل ينتج H2س؟ هل تخمر الكربوهيدرات لتنتج حامض وغاز؟ هل يمكن أن تنمو في ظل ظروف لاهوائية؟ نظرًا لأن التمثيل الغذائي والمستقلبات هي نتاج مسارات الإنزيم ، ويتم ترميز الإنزيمات في الجينات ، فإن القدرات الأيضية لدائيات النوى هي انعكاس لجينومها. هناك العديد من البيئات المختلفة على الأرض ذات مصادر مختلفة للطاقة والكربون ، وظروف متغيرة قد تكون بدائيات النوى قادرة على التكيف معها. تمكنت بدائيات النوى من العيش في كل بيئة من الفتحات البركانية في المياه العميقة إلى جليد القطب الجنوبي باستخدام أي طاقة متاحة ومصادر الكربون. تملأ بدائيات النوى العديد من المنافذ على الأرض ، بما في ذلك المشاركة في دورات النيتروجين والكربون ، وإنتاج الأكسجين الضوئي ، وتحلل الكائنات الحية الميتة ، والازدهار ككائنات طفيلية ، متعايشة ، أو متبادلة داخل الكائنات متعددة الخلايا ، بما في ذلك البشر. إن النطاق الواسع جدًا من البيئات التي تشغلها بدائيات النوى ممكن لأن لديها عمليات أيضية متنوعة.

احتياجات بدائيات النوى

تتمتع البيئات والأنظمة البيئية المتنوعة على الأرض بمجموعة واسعة من الظروف من حيث درجة الحرارة ، والعناصر الغذائية المتاحة ، والحموضة ، والملوحة ، وتوافر الأكسجين ، ومصادر الطاقة. بدائيات النوى مجهزة تجهيزًا جيدًا لتكسب رزقها من مجموعة واسعة من العناصر الغذائية والظروف البيئية. للعيش ، تحتاج بدائيات النوى إلى مصدر للطاقة ومصدر للكربون وبعض العناصر الغذائية الإضافية.

المغذيات الكبيرة المقدار

الخلايا هي في الأساس تجميع جيد التنظيم من الجزيئات الكبيرة والماء. تذكر أن الجزيئات الكبيرة تنتج عن طريق بلمرة وحدات أصغر تسمى المونومرات. لكي تبني الخلايا جميع الجزيئات المطلوبة للحفاظ على الحياة ، فإنها تحتاج إلى مواد معينة تسمى مجتمعة العناصر الغذائية. عندما تنمو بدائيات النوى في الطبيعة ، يجب أن تحصل على العناصر الغذائية من البيئة. تسمى العناصر الغذائية المطلوبة بكميات كبيرة المغذيات الكبيرة، في حين يتم استدعاء تلك المطلوبة بكميات أصغر أو ضئيلة المغذيات الدقيقة. تعتبر مجرد حفنة من العناصر مغذيات كبيرة المقدار - الكربون ، والهيدروجين ، والأكسجين ، والنيتروجين ، والفوسفور ، والكبريت. (اختصار لتذكر هذه العناصر تشونس.)

لماذا هذه المغذيات الكبيرة مطلوبة بكميات كبيرة؟ إنها مكونات المركبات العضوية في الخلايا ، بما في ذلك الماء. الكربون هو العنصر الرئيسي في جميع الجزيئات الكبيرة: الكربوهيدرات والبروتينات والأحماض النووية والدهون والعديد من المركبات الأخرى. يمثل الكربون حوالي 50 بالمائة من تكوين الخلية. في المقابل ، يمثل النيتروجين 12 بالمائة فقط من إجمالي الوزن الجاف لخلية نموذجية. النيتروجين هو أحد مكونات البروتينات والأحماض النووية ومكونات الخلية الأخرى. معظم النيتروجين المتاح في الطبيعة هو إما نيتروجين في الغلاف الجوي (N2) أو أي شكل غير عضوي آخر. ثنائي الذرة (N.2) ومع ذلك ، لا يمكن تحويل النيتروجين إلى شكل عضوي إلا بواسطة كائنات دقيقة معينة ، تسمى الكائنات المثبتة للنيتروجين. يعتبر كل من الهيدروجين والأكسجين جزءًا من العديد من المركبات العضوية والماء. الفوسفور مطلوب من قبل جميع الكائنات الحية لتخليق النيوكليوتيدات والفوسفوليبيدات. الكبريت هو جزء من بنية بعض الأحماض الأمينية مثل السيستين والميثيونين ، وهو موجود أيضًا في العديد من الفيتامينات والإنزيمات المساعدة. المغذيات الكبيرة الأخرى الهامة هي البوتاسيوم (K) والمغنيسيوم (Mg) والكالسيوم (Ca) والصوديوم (Na). على الرغم من أن هذه العناصر مطلوبة بكميات أقل ، إلا أنها مهمة جدًا لبنية الخلية بدائية النواة ووظيفتها.

المغذيات الدقيقة

بالإضافة إلى هذه المغذيات الكبيرة ، تتطلب بدائيات النوى عناصر معدنية مختلفة بكميات صغيرة. ويشار إلى هذه بالمغذيات الدقيقة أو العناصر النزرة. على سبيل المثال ، يعد الحديد ضروريًا لوظيفة السيتوكرومات المشاركة في تفاعلات نقل الإلكترون. تتطلب بعض بدائيات النوى عناصر أخرى - مثل البورون (B) والكروم (Cr) والمنغنيز (Mn) - في المقام الأول كعوامل مساعدة للإنزيم.

الطرق التي تكتسب فيها بدائيات النوى الطاقة

تُصنف بدائيات النوى من خلال طريقة حصولها على الطاقة ومصدر الكربون الذي تستخدمه لإنتاج الجزيئات العضوية. تم تلخيص هذه الفئات في (الشكل). يمكن أن تستخدم بدائيات النوى مصادر مختلفة للطاقة لتوليد ATP اللازم للتخليق الحيوي والأنشطة الخلوية الأخرى. تحصل الكائنات الضوئية (أو الكائنات الضوئية) على طاقتها من ضوء الشمس. تحبس الصور الضوئية طاقة الضوء باستخدام الكلوروفيل ، أو في حالات قليلة ، رودوبسين البكتيرية. (الغريب أن الصور الضوئية التي تستخدم رودوبسين هي ضوئية التغذية ، ولكنها ليست ضوئية ، لأنها لا تصلح الكربون.) تحصل المواد الكيميائية (أو كائنات التخليق الكيميائي) على طاقتها من المركبات الكيميائية. المواد الكيميائية التي يمكن أن تستخدم المركبات العضوية كمصادر للطاقة تسمى chemoorganotrophs. تلك التي يمكن أن تستخدم مركبات غير عضوية ، مثل مركبات الكبريت أو الحديد ، كمصادر للطاقة تسمى chemolithotrophs.

قد تكون المسارات المنتجة للطاقة إما هوائية ، باستخدام الأكسجين كمستقبل طرفي للإلكترون ، أو لاهوائية ، باستخدام إما مركبات غير عضوية بسيطة أو جزيئات عضوية مثل متقبل الإلكترون الطرفي. نظرًا لأن بدائيات النوى عاشت على الأرض لما يقرب من مليار سنة قبل أن ينتج التمثيل الضوئي كميات كبيرة من الأكسجين للتنفس الهوائي ، فإن العديد من أنواع البكتيريا والعتائق لا هوائية وأن أنشطتها الأيضية مهمة في دورات الكربون والنيتروجين الموضحة أدناه.

الطرق التي تحصل بها بدائيات النوى على الكربون

لا تستطيع بدائيات النوى فقط استخدام مصادر مختلفة للطاقة ، ولكن أيضًا مصادر مختلفة لمركبات الكربون. تقوم بدائيات النوى ذاتية التغذية بتوليف الجزيئات العضوية من ثاني أكسيد الكربون. في المقابل ، تحصل بدائيات النوى غير المتجانسة على الكربون من المركبات العضوية. لجعل الصورة أكثر تعقيدًا ، يمكن الجمع بين المصطلحات التي تصف كيفية حصول بدائيات النوى على الطاقة والكربون. وهكذا ، تستخدم الضوئية الطاقة من ضوء الشمس ، والكربون من ثاني أكسيد الكربون والماء ، في حين أن المواد المغايرة الكيميائية تحصل على الطاقة والكربون من مصدر كيميائي عضوي. تحصل المواد المغذية للكيمياء على طاقتها من المركبات غير العضوية ، وتقوم ببناء جزيئاتها المعقدة من ثاني أكسيد الكربون. أخيرًا ، بدائيات النوى التي تحصل على طاقتها من الضوء ، ولكن الكربون من المركبات العضوية ، هي ضوئية التغذية. يلخص الجدول أدناه ((الشكل)) الكربون ومصادر الطاقة في بدائيات النوى.

مصادر الكربون والطاقة في بدائيات النوى
مصادر الطاقة مصادر الكربون
ضوء مواد كيميائية نشبع مركبات العضوية
فوتوتروفس التغذية الكيميائية التغذية التلقائية مغاير التغذية
المواد الكيميائية العضوية كيماويات غير عضوية
التغذية العضوية الكيميائية كيميائيات

دور بدائيات النوى في النظم البيئية

بدائيات النوى موجودة في كل مكان: لا يوجد مكان مناسب أو نظام بيئي غير موجود فيه. تلعب بدائيات النوى العديد من الأدوار في البيئات التي تشغلها. تعتبر الأدوار التي يلعبونها في دورات الكربون والنيتروجين حيوية للحياة على الأرض. بالإضافة إلى ذلك ، يشير الإجماع العلمي الحالي إلى أن المجتمعات بدائية النواة التفاعلية الأيضية ربما كانت الأساس لظهور الخلايا حقيقية النواة.

بدائيات النوى ودورة الكربون

يعتبر الكربون أحد أهم المغذيات الكبيرة ، وتلعب بدائيات النوى دورًا مهمًا في دورة الكربون ((الشكل)). تتعقب دورة الكربون حركة الكربون من المركبات غير العضوية إلى المركبات العضوية والعودة مرة أخرى. يتم تدوير الكربون عبر خزانات الأرض الرئيسية: الأرض والغلاف الجوي والبيئات المائية والرواسب والصخور والكتلة الحيوية. بطريقة ما ، تعكس دورة الكربون دور "العناصر الأربعة" التي اقترحها الفيلسوف اليوناني القديم إمبيدوكليس: النار والماء والأرض والهواء. تتم إزالة ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي عن طريق النباتات البرية وبدائيات النوى البحرية ، ويتم إعادته إلى الغلاف الجوي عن طريق تنفس الكائنات العضوية الكيميائية ، بما في ذلك بدائيات النوى والفطريات والحيوانات. على الرغم من وجود أكبر خزان للكربون في النظم البيئية الأرضية في الصخور والرواسب ، إلا أن هذا الكربون ليس متاحًا بسهولة.

ينقسم المشاركون في دورة الكربون تقريبًا بين المنتجين والمستهلكين ومحللي مركبات الكربون العضوية. ال المنتجين الأساسيين من مركبات الكربون العضوية من أول أكسيد الكربون2 هي نباتات برية وبكتيريا التمثيل الضوئي. تم العثور على كمية كبيرة من الكربون المتاح في النباتات البرية الحية. مصدر مرتبط بمركبات الكربون هو الدبال، وهو خليط من المواد العضوية من النباتات الميتة وبدائيات النوى التي قاومت التحلل. (المصطلح & # 8220humus ، & # 8221 بالمناسبة ، هو أصل كلمة & # 8220human. & # 8221) يستخدم المستهلكون مثل الحيوانات وغيرها من الكائنات غيرية التغذية مركبات عضوية ينتجها المنتجون ويطلقون ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. البكتيريا والفطريات الأخرى ، تسمى مجتمعة المحللات ، إجراء تحلل (تحلل) النباتات والحيوانات ومركباتها العضوية. يُشتق معظم ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي من تنفس الكائنات الحية الدقيقة التي تحلل الحيوانات والنباتات والدبال الميتة.

في البيئات المائية ورواسبها الخالية من الأكسجين ، تحدث دورة كربون أخرى. في هذه الحالة ، تعتمد الدورة على مركبات أحادية الكربون. في رواسب نقص الأكسجين ، تنتج بدائيات النوى ، ومعظمها من العتائق ، الميثان (CH4). ينتقل هذا الميثان إلى المنطقة الموجودة فوق الرواسب ، والتي تكون أكثر ثراءً بالأكسجين وتدعم البكتيريا المسماة مؤكسدات الميثان الذي يؤكسد الميثان إلى ثاني أكسيد الكربون ، والذي يعود بعد ذلك إلى الغلاف الجوي.


بدائيات النوى ودورة النيتروجين

يعتبر النيتروجين عنصرًا مهمًا جدًا للحياة لأنه مكون رئيسي للبروتينات والأحماض النووية. وهي مادة مغذية كبيرة المقدار ، وفي الطبيعة ، يتم إعادة تدويرها من المركبات العضوية إلى الأمونيا وأيونات الأمونيوم والنترات والنتريت وغاز النيتروجين من خلال العديد من العمليات ، والتي يتم تنفيذ العديد منها فقط بواسطة بدائيات النوى. كما هو موضح في (الشكل) ، بدائيات النوى هي مفتاح دورة النيتروجين. أكبر تجمع للنيتروجين المتوفر في النظام البيئي الأرضي هو النيتروجين الغازي2) من الهواء ، ولكن هذا النيتروجين غير صالح للاستعمال من قبل النباتات التي تعتبر منتجة أساسية. يتم تحويل النيتروجين الغازي ، أو "تثبيته" إلى أشكال متاحة بسهولة ، مثل الأمونيا (NH3) ، من خلال عملية تثبيت النيتروجين. تشمل البكتيريا المثبتة للنيتروجين أزوتوباكتر في التربة والبكتيريا الزرقاء الضوئية المنتشرة في كل مكان. بعض البكتيريا المثبتة للنيتروجين ، مثل ريزوبيومتعيش في علاقات تكافلية في جذور البقوليات. مصدر آخر للأمونيا هو الأمونيا ، وهي العملية التي يتم من خلالها إطلاق الأمونيا أثناء تحلل المركبات العضوية المحتوية على النيتروجين. يتأكسد أيون الأمونيوم تدريجياً بواسطة أنواع مختلفة من البكتيريا في عملية تسمى النترجة. تبدأ عملية النترجة بتحويل الأمونيوم إلى نتريت (NO2 & # 8211) ، ويستمر في تحويل النتريت إلى نترات. تتم عملية النترجة في التربة بواسطة بكتيريا تنتمي إلى الأجناس نيتروسوما, نيتروباكتر، و
نيتروسبيرا
. يكون معظم النيتروجين في التربة على شكل أمونيوم (NH4 +) أو نترات (NO3 & # 8211). يمكن استخدام الأمونيا والنترات بواسطة النباتات أو تحويلها إلى أشكال أخرى.

ومع ذلك ، فإن الأمونيا المنبعثة في الغلاف الجوي تمثل 15 في المائة فقط من إجمالي النيتروجين المنطلق ، والباقي هو N2 ون2O (أكسيد النيتروز). يتم تقويض الأمونيا بشكل لا هوائي بواسطة بعض بدائيات النوى ، مما ينتج عنه N2 كمنتج نهائي. تعمل البكتيريا التي تعمل على إزالة النتروجين على عكس عملية النترجة ، مما يقلل من النترات من التربة إلى المركبات الغازية مثل N2O و NO و N2.


أي العبارات التالية خاطئة عن دورة النيتروجين؟

  1. توجد البكتيريا المثبتة للنيتروجين على عقيدات جذر البقوليات وفي التربة.
  2. تقوم بكتيريا نزع النتروجين بتحويل النترات (NO3 & # 8211) في غاز النيتروجين (N.2).
  3. Ammonification هي العملية التي يتم من خلالها أيون الأمونيوم (NH4 +) من المركبات العضوية المتحللة.
  4. النترجة هي العملية التي يتم من خلالها استخدام النتريت (NO2 & # 8211) إلى أيون الأمونيوم (NH4 + ).

ملخص القسم

نظرًا لكونها أقدم الكائنات الحية على الأرض ، فإن بدائيات النوى هي أيضًا الأكثر تنوعًا من حيث التمثيل الغذائي ، فهي تزدهر في العديد من البيئات المختلفة مع مصادر مختلفة للطاقة والكربون ، ودرجات حرارة متغيرة ، ودرجة الحموضة ، والضغط ، وتوافر الأكسجين والمياه. المغذيات المطلوبة بكميات كبيرة تسمى المغذيات الكبيرة ، في حين أن تلك المطلوبة بكميات ضئيلة تسمى المغذيات الدقيقة أو العناصر النزرة. تشمل المغذيات الكبيرة المقدار C و H و O و N و P و S و K و Mg و Ca و Na. بالإضافة إلى هذه المغذيات الكبيرة ، تتطلب بدائيات النوى عناصر معدنية مختلفة للنمو ووظيفة الإنزيم. تستخدم بدائيات النوى مصادر مختلفة للطاقة لتجميع الجزيئات الكبيرة من الجزيئات الأصغر. تحصل الكائنات الضوئية على طاقتها من ضوء الشمس ، بينما تحصل المواد الكيميائية على الطاقة من المركبات الكيميائية. قد تكون مسارات إنتاج الطاقة إما هوائية أو لاهوائية.

تلعب بدائيات النوى دورًا في دورات الكربون والنيتروجين. يلتقط المنتجون ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي ويحولونه إلى مركبات عضوية.يستخدم المستهلكون (الحيوانات والكائنات العضوية الكيميائية الأخرى) المركبات العضوية التي يولدها المنتجون ويطلقون ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي عن طريق التنفس. يعود ثاني أكسيد الكربون أيضًا إلى الغلاف الجوي بواسطة المُحلِّلات الميكروبية للكائنات الميتة. دورات النيتروجين أيضا داخل وخارج الكائنات الحية ، من المركبات العضوية إلى الأمونيا ، أيونات الأمونيوم ، النتريت ، والنترات ، وغاز النيتروجين. بدائيات النوى ضرورية لمعظم هذه التحويلات. يتم تحويل النيتروجين الغازي إلى أمونيا من خلال تثبيت النيتروجين. يتم تقويض الأمونيا اللاهوائي بواسطة بعض بدائيات النوى ، مما ينتج عنه N2 كمنتج نهائي. النترجة هي تحويل الأمونيوم إلى نتريت. تتم عملية النترجة في التربة بواسطة البكتيريا. يتم إجراء عملية نزع النتروجين أيضًا بواسطة البكتيريا وتحويل النترات من التربة إلى مركبات نيتروجين غازية ، مثل N2O و NO و N2.

أسئلة الاتصال المرئي

(شكل) أي العبارات التالية خاطئة عن دورة النيتروجين؟


شاهد الفيديو: ماذا يوجد بداخل طفاية الحريق!!!!!! (كانون الثاني 2022).