Name: carbon movement in living systems
Uploaded: 2019-03-11T09:21:40.000Z
Duration: 1 min 14 s
Channel: JoVE

K12 Standards

north-carolina-k-12-science-standard-course-of-study

NC K-12 Science Standard Course of Study

9-12

Biology

ecosystems-interactions-energy-and-dynamics

Ecosystems- Interactions, Energy, and Dynamics

LS.Bio.4.1

The Carbon Cycle

في دورة الكربون تسافر ذرات الكربون خلال النظام البيئي. بدايةًمن التركيب الضوئي،تحوّل ذاتيات التغذية مثل النباتات الكربون الموجود في الجو على هيئة ثاني أكسد الكربون إلى طاقة يمكن استهلاكها تهضمها غيريات التغذية. تستطيع هذه الكائنات حينها أن تعيد الكربون إلى الجو من خلال التنفس أو إلى التربة خلال عمليه التفكك.ثاني أكسيد الكربون في الجو ذوّاب شديد بالماء لذلك تكوّن المحيطات مخزوناًرئيساًمن الكربون. يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الماء ليشّكل حمض الكربونيك ثم أيونات الكربونات. تُستخدم كربونات الكالسيوم في مياه المحيطات لبناء الهياكل المرجانية وأصداف الرخويات.يمكن أن يتخزن الكربون أيضاًلفترت قصيرة في جذوع الأشجار المعمرة،أو في التربة،أو لفترات أطول بكثير على هيئة وقود أحفوري،وهي البقايا العضوية لأحياء كانت حية فيما مضى. وفي النهاية،يمكن أن يُذاب الكربون المُخزن في الرواسب وطبقات التربة لقشرة الأرض ليشكل الصُهارة ويُطلق للجو خلال الانفجارات البركانية،وهي عملية تسمى تحرير الغاز.

Brüggemann، N.، A. Gessler، Z. Kayler، S.G. Keel، F. Badeck، M. Barthel، P. Boeckx، et al. "تخصيص الكربون وتدفقات نظائر الكربون في استمرارية النبات والتربة والغلاف الجوي: مراجعة". علوم الأرض الحيوية 8 ، العدد 11 (28 نوفمبر 2011): 3457-89. [<a href = "https://doi.org/10.5194/bg-8-3457-2011" target = "__blank" >المصدر</a>]

بالدوتشي ، دينيس ، يونجريل ريو ، وتريفور كينان. "تقلب دورة الكربون الأرضية." F1000Research 5 (26 سبتمبر 2016): 2371. [<a href = "https://doi.org/10.12688/f1000research.8962.1" target = "__blank" >مصدر</a>]

دورة الكربون

الكربون هو أساس كل المواد العضوية على الأرض ، ويتم إعادة تدويره من خلال النظام البيئي في عمليتين أساسيتين: واحدة يتم فيها تبادل الكربون بين الكائنات الحية ، والأخرى يتم فيها تدوير الكربون على مدى فترات طويلة من الزمن من خلال البقايا العضوية المتحجرة ، وعوامل التجوية للصخور والنشاط البركاني. أثرت الأنشطة البشرية ، بما في ذلك الممارسات الزراعية المتزايدة وحرق الوقود الأحفوري ، بشكل كبير على توازن دورة الكربون الطبيعية.

<h4>دورة الكربون البيولوجي</h4>

تتكون جميع الكائنات الحية من جزيئات عضوية تحتوي على ذرات عنصر الكربون. يوجد الكربون في الغلاف الجوي كغاز ثاني أكسيد الكربون ، والذي يتفاعل مع الماء لتكوين البيكربونات. أثناء عملية التمثيل الضوئي ، يقوم المنتجون الأوليون (أو ذاتيي التغذية) بتحويل ثاني أكسيد الكربون والبيكربونات إلى مركبات عضوية تحتوي على الكربون ، مثل الجلوكوز ، لتوفير الطاقة للنمو والصيانة والعمليات الأخرى.

تتلقى الكائنات غيرية التغذية الكربون العضوي للنمو والصيانة عن طريق استهلاك ذاتيي التغذية. من خلال عملية التنفس الخلوي ، يتم تكسير هذه الجزيئات العضوية لتحرير الطاقة المخزنة داخلها. المنتجات الثانوية لهذه العملية هي الماء وثاني أكسيد الكربون ، والذي يتم إطلاقه في الغلاف الجوي من خلال التنفس ، واستمرار الدورة.

يمكن أن يعود الكربون أيضاً إلى البيئة كنفايات حيوانية أو كمواد متحللة من كائنات حية ميتة. تحلل المُحلِّلات ، مثل البكتيريا والفطريات ، هذه المواد إلى ثاني أكسيد الكربون والمركبات العضوية.

<h4>التدوير الجيولوجي طويل الأمد</h4>

يتم تخزين الكربون لفترات طويلة من الزمن في الغلاف الجوي ، و أجسام المياة الكبيرة ، و رواسب المحيطات ، و التربة ، و بقايا الحيوانات المتحجرة ، و داخل الأرض. ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي يصبح مذابا في ماء المحيط ، و يتفاعل مع جزيئات الماء و يتم تحويله إلى كربونات. و تشكل هذه الكربونات ، إلى جانب أيونات الكالسيوم ، أصداف كربونات الكالسيوم للعديد من الكائنات البحرية ، مثل المرجان و المحار. و عندما تموت هذه الكائنات ، تتفكك بقاياها و قد تغرق في قاع المحيط و تصبح تدريجيا جزءا من الرواسب. و تشكل هذه الرواسب في نهاية المطاف الحجر الجيري ، الذي يشكل أكبر خزان للكربون على وجه الأرض.

يمكن للأشجار الكبيرة طويلة العمر تخزين الكربون في أجسامها لعدة قرون. كبالوعة طويلة المدى (خزان الكربون) ، تخزن بقايا الكائنات الحية الكربون في شكل وقود أحفوري _ مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي _ في أعماق الأرض على مدى ملايين السنين. يمكن أن يعود الكربون المخزن في أعماق سطح الأرض إلى السطح والغلاف الجوي أثناء الانفجارات البركانية.

<h4>التأثيرات البشرية على دورة الكربون</h4>

يؤدي حرق الوقود الأحفوري والخشب إلى إطلاق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، مما يؤدي إلى تغيير المناخ العالمي. بالإضافة إلى ذلك ، تؤثر إزالة الغابات وزيادة الممارسات الزراعية على دورة الكربون الطبيعية عن طريق تقليل كمية المواد العضوية في التربة ، وتقليل تخزين الكربون ، وزيادة مستويات غازات الاحتباس الحراري ، مثل الميثان ، في الغلاف الجوي.

الكربون هو أساس جميع المواد العضوية على الأرض ، ويتم إعادة تدويره من خلال النظام البيئي في عمليتين أساسيتين: واحدة يتم فيها تبادل الكربون بين ...

Education

JoVE Core

علم الأحياء

Ecology

علم البيئة

Ecosystems

النظم البيئية

KEY TERMS AND CONCEPTS

المصطلحات والمفاهيم الأساسية

carbon movement in living systems

Carbon moves through living systems and Earth over short and long time scales. It is the basis of all organic matter on Earth, and it cycles through ecosystems by passing between organisms and by moving through rocks, oceans, and the atmosphere. Human activities, including farming and burning fossil fuels, have changed this balance.

In the biological carbon cycle, carbon dioxide in the atmosphere reacts with water to form bicarbonate. Primary producers, or autotrophs, use carbon dioxide and bicarbonate during photosynthesis to make organic compounds such as glucose. These carbon-containing molecules support growth, maintenance, and other life processes.

Heterotrophs get organic carbon by eating autotrophs. They break down these molecules during cellular respiration to release stored energy. Water and carbon dioxide are the main byproducts, and the carbon returns to the atmosphere through respiration. Carbon can also leave organisms as waste or as dead matter. Decomposers, such as bacteria and fungi, break this material down and release carbon dioxide and organic compounds back into the environment.

Carbon also moves through long-term geological storage. It can remain in the atmosphere, large water bodies, ocean sediment, soil, fossilized animal remains, and deep inside the Earth for long periods. In the ocean, dissolved carbon dioxide reacts with water and becomes carbonates. These carbonates combine with calcium ions to form calcium carbonate shells in marine organisms such as coral and oysters. When these organisms die, their remains can sink and become part of sediment, which may later form limestone, the largest carbon reservoir on Earth.

Large, long-lived trees can store carbon in their bodies for centuries. On much longer time scales, the remains of organisms become fossil fuels, including coal, petroleum, and natural gas, deep in the Earth. Carbon stored underground can return to the surface and atmosphere during volcanic eruptions. Burning fossil fuels and wood releases large amounts of carbon dioxide into the atmosphere, which affects global climate. Deforestation and increased agricultural practices also change the natural carbon cycle by reducing soil organic matter, lowering carbon storage, and raising greenhouse gases such as methane.

Carbon Movement in Living Systems

what is an ecosystem?

Ecosystem Zones and Climate

Ecosystems are shaped by living and nonliving parts of an environment, and they can be grouped as terrestrial or aquatic. Terrestrial ecosystems depend on climate. Aquatic ecosystems are divided into freshwater and marine systems, and depth affects water temperature and how much sunlight reaches the water. Terrestrial ecosystems are called biomes. A biome is defined by climate and by the organisms that live there. Near the equator, rainforests have high, aseasonal temperatures and high annual...

trophic levels

Food Chains and Energy Flow

Food chains show how energy and nutrients move through an ecosystem. Each organism holds a trophic level, or a specific place in that chain. The lowest level includes primary producers, which make their own food using energy from the sun or from chemicals. Organisms at the next levels are heterotrophs, which get energy from other organisms below them. Primary consumers are herbivores, and they feed on autotrophs, also called primary producers. Secondary and tertiary consumers are carnivores...

primary production

GPP, NPP, and Ecosystem Energy

Gross primary production and net primary production describe how energy enters and moves through ecosystems. Primary producers, or autotrophs, make their own food. They can do this by photosynthesis or chemosynthesis, and they can also gain energy by consuming other organisms. The rate at which producers capture and store this energy is called gross primary production, or GPP. Not all of the energy in GPP stays available to the rest of the ecosystem. Primary producers use some energy for...

production efficiency

Energy Transfer as Biomass Efficiency

Net production efficiency shows how much energy organisms turn into biomass for the next trophic level. It focuses on the usable energy stored in body tissue, not the energy lost as heat or excreted wastes. This makes it a key idea for understanding energy flow through ecosystems. As energy moves from one organism to the next, only biomass can serve as food for the next trophic level. The rest of the energy is used in metabolism and is lost over time. Net production efficiency, or NPE, is the...

trophic efficiency

Energy Loss in Food Chains

Trophic level transfer efficiency describes how much energy moves from one level of a food chain to the next. It shows why energy drops sharply as organisms eat and are eaten. In most ecosystems, only about 10% of the energy passes on. This energy loss follows the second law of thermodynamics. In living systems, much of the energy is lost as metabolic heat during respiration. Trophic level transfer efficiency, or TLTE, measures this transfer by comparing the energy produced at one trophic...

what are biogeochemical cycles?

Nutrient Recycling in Ecosystems

Nutrient recycling in ecosystems keeps the elements needed for life moving through living and nonliving parts of the environment. Elements such as water, carbon, nitrogen, sulfur, and phosphorus are present in limited amounts, so they must be conserved and reused. These movements are called biogeochemical cycles. These nutrients can exist in several chemical forms. They may spend long periods in the atmosphere, on land, under the land, or in aquatic environments. Decomposition is a key part of...

the water cycle

Water Movement Through Earth Systems

Water movement through Earth systems connects the hydrosphere, the atmosphere, the land, and living things. The hydrosphere includes every place where water is stored or moves. Because water supports living processes, its movement is important for ecosystem dynamics. The cycle starts when the sun warms surface water on land and in the oceans. That water evaporates and enters the atmosphere as vapor. Water can also move into the air by sublimation, which is ice changing directly into vapor, and...

the carbon cycle

Carbon moves through living systems and Earth over short and long time scales. It is the basis of all organic matter on Earth, and it cycles through ecosystems by passing between organisms and by moving through rocks, oceans, and the atmosphere. Human activities, including farming and burning fossil fuels, have changed this balance. In the biological carbon cycle, carbon dioxide in the atmosphere reacts with water to form bicarbonate. Primary producers, or autotrophs, use carbon dioxide and...

the nitrogen cycle

Nitrogen in Soil and Living Things

Nitrogen in soil and living things moves through ecosystems in several forms. Nitrogen atoms are found in proteins and DNA. Most animals and plants cannot use nitrogen gas, which is the main form of nitrogen on Earth. Nitrogen must first be changed into a usable form by nitrogen-fixing bacteria before it can move through food webs. About 78% of the air we breathe is nitrogen gas, but few organisms can use it in that form. Nitrogen fixation changes nitrogen gas (N2) into ammonia (NH3).

the phosphorus cycle

Phosphorus Movement in Soil and Water

Phosphorus moves through ecosystems mostly as phosphate ions in soil, water, sediment, and rocks. Unlike carbon, water, and nitrogen, it is not found in the atmosphere as a gas. It is also often a limiting nutrient, which means it is in short supply in many environments. Phosphorus is important in DNA, cell membranes, bones, and teeth. It is found in minerals, sediment, volcanic ash, and aerosols. As rocks and sediment weather over time, they release inorganic phosphate. That phosphate then...

the sulfur cycle

Sulfur in Ecosystems and Acid Rain

Sulfur moves through ecosystems as part of the chemical cycle that supports life. It is an important element in proteins and in amino acids such as cysteine, which helps give proteins their structure. On land, sulfur reaches ecosystems in several ways. Weak sulfuric acid can fall with precipitation, sulfur can drop directly from the atmosphere, rocks can weather and release sulfur, and geothermal vents can add it as well. Plants and microorganisms take sulfur up from the soil and change it...

bioremediation

Bioremediation in Soil and Oil Cleanup

Bioremediation uses prokaryotes, fungi, or plants to remove pollutants from the environment. It is a practical way to reduce harmful chemicals in contaminated soil and water. In agriculture, fertilizers and pesticides can leach into groundwater, streams, and lakes. Microbes and bacteria can help break down these toxins. One example is atrazine, an environmental toxin found in many fertilizers, which can be removed from soils by the bacterial species Rhizobium and Tricoderma sp. Bioremediation...

key terms and concepts

Explore how carbon moves through photosynthesis, respiration, decomposition, oceans, rocks, and fossil fuels, and how human activity disrupts the cycle.

Carbon Movement in Living Systems | JoVE K12

JoVE Core series brings biology to life through over 300 concise and easy-to-understand animated video lessons that explain key concepts in biology, plus more than 150 scientist-in-action videos that show actual research experiments conducted in today’s laboratories.

Carbon Movement in Living Systems

Description

Transcript

More videos by Standards