Teil C: Aufbau von Kohlenstoffverbindungen

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Die Geosphäre und die Biosphäre sind die beiden Bestandteile des Systems Erde; die Geosphäre ist die Sammelbezeichnung für die Lithosphäre, die Hydrosphäre, die Kryosphäre und die Atmosphäre. Alle Teile des Erdsystems interagieren und sind durch klimatische Prozesse, den Wasserkreislauf und biogeochemische Kreisläufe miteinander verbunden. Die Sonne ist die wichtigste Quelle aller externen Energie für das Erdsystem. Das Diagramm wurde von James A. Tomberlin, USGS, entworfen.

Im Kohlenstoffkreislauf sind die Kohlenstoffatome ständig in Bewegung und gehen in die verschiedenen Komponenten der Biosphäre und Geosphäre ein und aus. Die Kohlenstoffatome bewegen sich nicht als einzelne Atome, sondern als Teil von Kohlenstoffverbindungen, von denen einige klein und einfach und andere groß und hochkomplex sind. Der Kohlenstoffkreislauf ist eng mit anderen biogeochemischen Kreisläufen gekoppelt – den Kreisläufen anderer chemischer Elemente wie Stickstoff, Phosphor, Schwefel und Eisen, die in verschiedene Komponenten der Geo- und Biosphäre ein- und auswandern. . Zum Beispiel enthalten viele von lebenden Organismen produzierte Kohlenstoffverbindungen Stickstoff- und Phosphoratome.

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Der globale Kohlenstoffkreislauf zeigt die Wege (Pfeile) der Kohlenstoffatome von einem Teil des Kohlenstoffkreislaufs zu einem anderen. Lila Buchstaben bezeichnen die Orte, an denen Kohlenstoffverbindungen existieren, und orangefarbene Buchstaben bezeichnen die Prozesse, die den Kohlenstoff entlang der Pfade bewegen.

Betrachten Sie die Abbildung des globalen Kohlenstoffkreislaufs auf der rechten Seite (klicken Sie auf das Bild, um es zu vergrößern). Jeder Pfeil steht für einen Weg, den die Kohlenstoffatome auf ihrem Weg durch die Geo- und Biosphäre nehmen. Einige dieser Kohlenstoffverbindungen bewegen sich schnell von einem Teil des Kohlenstoffkreislaufs zu einem anderen, während andere über Millionen von Jahren gespeichert werden. Während sich Kohlenstoffverbindungen durch die Geo- und Biosphäre bewegen, machen sie viele verschiedene chemische Veränderungen durch. Diese chemischen Veränderungen (Transformationen) erfordern das Aufbrechen und den Aufbau von chemischen Bindungen zwischen den Atomen. Einige dieser chemischen Veränderungen erscheinen recht unbedeutend, können aber große Auswirkungen auf den Kohlenstoffkreislauf, das Klima und die Umwelt haben. Wenn Pflanzen beispielsweise anorganisches CO2 in organische Zucker (C6H12C6) umwandeln, liefern sie Nahrung für Tiere und andere heterotrophe Organismen, die ihre Nahrung nicht selbst herstellen können und stattdessen ihre Nahrung und Energie durch die Aufnahme organischer Substanzen, in der Regel pflanzlicher oder tierischer Stoffe, gewinnen; Tiere, Protozoen, Pilze und die meisten Bakterien sind heterotroph. Wenn Bodenbakterien Kohlenstoffverbindungen im Boden abbauen, setzen sie Kohlendioxid (CO2) oder Methan (CO4) frei. Diese beiden Gase sind Treibhausgase und werden mit dem Klimawandel in Verbindung gebracht.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass es heute mehr als zehn Millionen verschiedene Kohlenstoffverbindungen auf der Erde gibt. In diesem Abschnitt wirst du vier kurze Untersuchungen durchführen, um herauszufinden, wie sich Kohlenstoffatome mit anderen Atomen verbinden können, um die Millionen von verschiedenen Arten von Kohlenstoffverbindungen zu bilden, die in der Geo- und Biosphäre zu finden sind. Als Einstieg in das Nachdenken über die Fähigkeit von Kohlenstoff, so viele verschiedene Arten von Kohlenstoffverbindungen zu bilden, sehen Sie sich diesen kurzen NPR-Videoclip an: It’s All About Carbon: Episode 1.

HINWEIS: Wenn das Video nicht geladen wird, können Sie es hier ansehen: Episode 1: Global Warming, It’s All About Carbon – YouTube Sie können auch diesem Link folgen, unter dem Sie weitere Episoden dieser NPR-Serie ansehen können.

Laboruntersuchung 1: Beweise für eine chemische Veränderung

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Korallen und andere schalenbildende Organismen wie Muscheln, Austern und Hummer sind auf Kalziumkarbonat angewiesen, um ihre Schalen und Skelette aufzubauen.

In dem Video, das du gerade gesehen hast, hast du gelernt, dass sich Kohlenstoffatome leicht und stark mit anderen Atomen verbinden und viele verschiedene Arten von Kohlenstoffverbindungen bilden. In dieser Untersuchung wirst du nach Beweisen für die Bildung einer neuen Kohlenstoffverbindung suchen, wenn zwei Kohlenstoffverbindungen zusammengebracht werden: das CO2 aus deinem eigenen Atem und eine Lösung von Kalziumhydroxid Ca(OH)2.

1. (Klassendemo) Kreide besteht aus Calciumcarbonat (CaCO3). Wenn man Kreide mit Essig versetzt, zischt es, was darauf hindeutet, dass die Kreide aus Kalziumkarbonat besteht. Du wirst den Essigtest verwenden, um das Vorhandensein von Kalziumkarbonat nachzuweisen.
2. Untersuche das Kalkwasser und beschreibe sein Aussehen. Kalkwasser ist der gebräuchliche Name für gesättigte Calciumhydroxidlösung, Ca(OH)2 (aq).
3. Setzen Sie einen der Trinkhalme in das Kalkwasser und blasen Sie vorsichtig in die Flüssigkeit. ATME NICHT EIN UND BLASE NICHT ZU KRÄFTIG. Atme weiter durch den Strohhalm aus, bis sich ein weißer Niederschlag (Feststoff) bildet. Die Lösung sollte sehr milchig mit kleinen Partikeln aussehen.
4. Stülpe den Kaffeefilter über die leere Tasse. Gieße das Kalkwasser vorsichtig durch den Filter in die Tasse, um den Niederschlag von der Flüssigkeit zu trennen.
5. Stellt den Filter mit dem weißen Niederschlag beiseite und lasst ihn trocknen und fest werden.
6. Stellt einen Trinkhalm in eine Tasse mit normalem Wasser (anstelle des Kalkwassers) und pustet leicht hinein. Beobachte, was passiert. Dies dient als Versuchskontrolle.

Kontrolle

Beschreibe, wie Kalkwasser und normales Wasser unterschiedlich reagieren, wenn ihnen Kohlendioxidgas zugesetzt wird.

Wenn CO2 zu Kalkwasser hinzugefügt wird, wird es milchig, weil sich ein Calciumcarbonat (CaCO3) ausfällt. Calciumcarbonat ist unlöslich und fällt aus (setzt sich aus der Lösung ab): Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g) → CaCO3(s) + H2O (l) Das normale Wasser blubbert bei der Zugabe des CO2, es bildet sich aber kein Niederschlag.
7. Um zu beweisen, dass es sich bei der Substanz, die du aus dem Kalkwasser herausgefiltert hast, tatsächlich um Kalziumkarbonat handelt, füge mit der Pipette eine kleine Menge weißen Essigs zu dem Niederschlag hinzu.

Kohlendioxid und Wassermoleküle.

Laboruntersuchung 2: Modellierung von Photosynthese und Zellatmung

In dieser Untersuchung wirst du ein “Ball- und Stock”-Molekülmodell verwenden, um zu untersuchen, wie die beiden Schlüsselprozesse der Biosphäre – Photosynthese und Zellatmung – neue Kohlenstoffverbindungen erzeugen. Sammle deine Materialien und befolge die Anweisungen für die Modellierung der Fotosynthese und der Zellatmung unten:

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CO2-Moleküle gelangen durch die Blätter in die Pflanzen. H2O-Moleküle gelangen über die Wurzeln in die Pflanzen.

Verwenden Sie die sechs Kohlendioxid- und sechs Wassermoleküle, um die Photosynthese zu modellieren. Hier ist die chemische Gleichung für die Photosynthese.

6CO2 + 6H2O ==> C6H12O6 + 6O2

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Ein Glukosezuckermolekül, das von Pflanzen und Algen durch den Prozess der Photosynthese hergestellt wird.

1. Nimm zunächst die Kohlendioxid- und Wassermoleküle auseinander.

2. Baue dein Glukosemolekül auf, indem du die Abbildung eines Glukosemoleküls auf der rechten Seite zur Hilfe nimmst. Wenn du das Bild anklickst, um es zu vergrößern, kannst du leicht erkennen, wie die Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatome miteinander verbunden sind. HINWEIS: Nehmen Sie das Glukosemolekül erst auseinander, wenn Sie mit der Untersuchung 3 beginnen:

3. Verwenden Sie die verbleibenden Sauerstoffatome und Bindungen, um sechs O2-Moleküle (O=O) zu bilden. Diese Sauerstoffgasmoleküle werden an die Luft abgegeben und liefern einen Teil des für das Leben auf der Erde notwendigen Sauerstoffs.

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Bei der Atmung werden die chemischen Bindungen im Glukosemolekül aufgebrochen, wodurch Energie für die Zellfunktionen verfügbar wird. Die Atome des Glukosemoleküls werden auch zum Aufbau von Biomasse verwendet. Die bei dieser Reaktion entstehenden CO2- und O2-Moleküle gelangen aus dem Blatt in die Umgebungsluft.

4. Untersuche die rechts abgebildete Gleichung für die Zellatmung. Die chemische Gleichung für die Zellatmung lautet:

C6H12O6 + 6O2==> 6CO2 + 6H2O + Energie für die Zellfunktionen

Beantworten Sie anschließend die nachstehenden Kontrollfragen:

Laboruntersuchung 3: Biosynthese neuer Biomoleküle aus Glucose

1. Nehmt euer Glucosemolekül und schließt euch mit mindestens einem anderen Team zusammen.
2. Trennt die Glucosemoleküle. HINWEIS: Ihr müsst nicht alle Bindungen von den Atomen lösen.
3. Verwendet die Atome und Bindungen beider Teams, um ein neues Biomolekül zu bauen, das aus organischen Kohlenstoffverbindungen besteht, die in Lebewesen produziert werden; Beispiele sind Kohlenhydrate, Lipide (Fette, Öle, Wachse) und DNA. Dein Biomolekül kann jede beliebige Form annehmen. Die einzige Regel, die Sie beachten müssen, ist, dass kein “Elektronenbindungszapfen” ohne Verbindung zu einem anderen Atom bleiben darf. Es ist möglich, dass einige Atome und Bindungen übrig bleiben, wenn du dein Biomolekül aufbaust. HINWEIS: Ihre Lehrkraft kann Ihnen Stickstoffatome vorgeben. Mit diesen Atomen könnt ihr Proteinmoleküle bauen.
4. Wenn ihr mit dem Bau eurer neuen Biomoleküle fertig seid, vergleicht sie mit anderen Biomolekülen, die von anderen Teams hergestellt wurden.

Die Biomasse aller Organismen besteht hauptsächlich aus Proteinen, Kohlenhydraten, Nukleinsäuren (DNA, RNA) und Lipiden (Fette, Öle und Wachse). Glukose und andere Kohlenhydrate enthalten Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatome. Die Organismen in der Biosphäre bauen jedoch Millionen verschiedener Biomoleküle auf, die Stickstoff, Phosphor und Schwefel enthalten. Tatsächlich bestehen 97 % eines lebenden Organismus aus nur sechs Elementen: Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel, kurz CHNOPS. Andere Elemente wie Magnesium und Eisen sind ebenfalls wichtig, aber in sehr geringen Mengen. Fehlt einer dieser Bodennährstoffe, die für das Pflanzenwachstum unerlässlich sind – die wichtigsten Bodennährstoffe sind Stickstoff, Phosphor, Magnesium und Schwefel – werden das Pflanzenwachstum und die Kohlenstoffspeicherung eingeschränkt. In dieser Untersuchung werden Sie mehrere Jmol-Bilder von Biomolekülen untersuchen und die Arten von Elementen (Atomen) in jedem identifizieren.

1. Erstelle eine dreispaltige Tabelle in deinem Labornotizbuch oder auf einem separaten Blatt Papier. Gib deinem Diagramm die folgenden Überschriften:

• Spalte A = Name des Biomoleküls (z.B. DNA, Fruktose usw.);
• Spalte B = Art des Biomoleküls (z.B. Kohlenhydrat, Protein usw.);
• Spalte C = Arten von Atomen (Elementen). Benutze die Anfangsbuchstaben (C H N O P S Mg I);

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Fructose, ein Kohlenhydrat-Fruchtzucker. Wenn du Obst wie Äpfel und Orangen isst, nimmst du Fruktose zu dir.

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DNA, eine Nukleinsäure. Die DNA wird oft als der Bauplan des Lebens bezeichnet, da sie die genetischen Anweisungen für den Aufbau der Organismen und die Ausführung aller ihrer Lebensaktivitäten enthält. Ohne DNA kann ein Organismus nicht aufgebaut werden. Diese Visualisierung der DNA stellt nur einen sehr kleinen Ausschnitt eines ganzen DNA-Moleküls dar.

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Zellulose, ein Kohlenhydrat. Die faserigen und holzigen Teile der Pflanzen bestehen aus Zellulosemolekülen, die in langen Ketten miteinander verbunden sind. Die faserige Natur der Zellulose gibt den Pflanzen die Struktur, um aufrecht zu stehen. Bäume bestehen je nach Baumart zu etwa 50 bis 53 % aus Zellulose.

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Chlorophyll, ein grünes Pigmentmolekül. Pflanzen nutzen dieses Pigment, um Sonnenenergie für die Photosynthese zu absorbieren. Chlorophyll ist ein Beispiel für ein Biomolekül, das keiner bestimmten Gruppe angehört (d.h. Kohlenhydrate, Nukleinsäuren, Proteine, Lipide). Kannst du das Magnesiumatom finden?

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Cytochrom C, ein Pflanzenprotein. Proteine sind Makromoleküle, die von allen lebenden Organismen biosynthetisiert werden und verschiedene Funktionen haben, die für das Leben entscheidend sind. Cytochrom c zum Beispiel ist ein Protein, das von Pflanzen und anderen Organismen für die Zellatmung benötigt wird. Kannst du die Schwefelatome und die beiden Eisenatome in diesem Cytochrom-Proteinmolekül finden?

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Eine Aminosäure – Teil eines Proteins. Organismen bauen komplette Proteine aus Hunderten von Aminosäuren auf. Das rechts abgebildete Cytochrom c-Molekül ist ein vollständiges Protein, das aus vielen Aminosäuren besteht.

Optional Extensions

Wollen Sie mehr über Kohlenstoffverbindungen, Biomoleküle, CHNOPS, Bodennährstoffe und mehr erfahren? Sehen Sie sich diese Ressourcen an.

• Recherchieren Sie die neueste Forschung! Es werden laufend neue Forschungsarbeiten zum Kohlenstoffkreislauf, zum Klima und zur Umwelt durchgeführt. Sie können ScienceDaily und Phys.org nutzen, um aktuelle Forschungsergebnisse über die Beziehung zwischen dem Kohlenstoffkreislauf und anderen biochemischen Kreisläufen zu recherchieren, indem Sie Kombinationen der folgenden Schlagwörter verwenden: Kohlenstoffkreislauf, Kohlenstoffspeicherung/-sequestrierung, CO2-Düngung, Bäume, Wälder, Bodennährstoffe. Hier ist ein Beispiel: Bodennährstoffe begrenzen die Fähigkeit von Pflanzen, den Klimawandel zu verlangsamen
• Verwenden Sie MolView, um Jmol-Biomoleküle zu erforschen, die von vielen verschiedenen Arten von Organismen hergestellt werden.