Osa C: Hiiliyhdisteiden rakentaminen

×

Geosfääri ja biosfääri ovat maapallon järjestelmän kaksi osaa; geosfääri on yhteisnimitys litosfäärille, hydrosfäärille, kryosfäärille ja ilmakehälle. Kaikki maapallojärjestelmän osat ovat vuorovaikutuksessa keskenään ja liittyvät toisiinsa ilmastoprosessien, vedenkierron ja biogeokemiallisten kiertojen kautta. Aurinko on maapallojärjestelmän kaiken ulkoisen energian pääasiallinen lähde. Kaavion on suunnitellut James A. Tomberlin, USGS.

Hiilen kiertokulussa hiiliatomit ovat jatkuvasti liikkeellä ja kiertävät biosfäärin ja geosfäärin eri osiin ja niistä pois. Hiiliatomit eivät kierrä yksittäisinä atomeina, vaan ne liikkuvat osana hiiliyhdisteitä, joista toiset ovat pieniä ja yksinkertaisia ja toiset suuria ja erittäin monimutkaisia. Hiilen kiertokulku on tiiviisti kytköksissä muihin biogeokemiallisiin kiertokulkuihin muiden kemiallisten alkuaineiden, kuten typen, fosforin, rikin ja raudan, kiertokulkuihin, jotka liikkuvat geosfäärin ja biosfäärin eri osiin ja niistä pois. . Esimerkiksi monet elävien organismien tuottamat hiiliyhdisteet sisältävät typpi- ja fosforiatomeja.

×

Globaalinen hiilenkierto, jossa näkyvät hiiliatomien kulkureitit (nuolet) hiilen kiertokulun yhdestä osasta toiseen. Violetit kirjaimet viittaavat siihen, missä hiiliyhdisteitä esiintyy, ja oranssit kirjaimet viittaavat prosesseihin, jotka saavat hiilen liikkumaan polkuja pitkin.

Tarkastellaan oikealla olevaa kuvaa globaalista hiilenkierrosta, (klikkaa kuvaa suurentaaksesi). Kukin nuoli edustaa reittiä, jota hiiliatomit kulkevat liikkuessaan geosfäärissä ja biosfäärissä. Jotkut näistä hiiliyhdisteistä liikkuvat nopeasti hiilen kierron yhdestä osasta toiseen, kun taas toiset varastoituvat miljooniksi ja taas miljooniksi vuosiksi. Kun hiiliyhdisteet liikkuvat geosfäärissä ja biosfäärissä, ne kokevat monia erilaisia kemiallisia muutoksia. Nämä kemialliset muutokset (transformaatiot) edellyttävät atomien välisten kemiallisten sidosten katkaisemista ja rakentamista. Jotkin näistä kemiallisista muutoksista vaikuttavat melko vähäisiltä, mutta niillä voi olla suuri vaikutus hiilenkiertoon, ilmastoon ja ympäristöön. Esimerkiksi kun kasvit muuttavat epäorgaanista hiilidioksidia orgaanisiksi sokereiksi (C6H12C6), ne tuottavat ravintoa eläimille ja muille heterotrofisille eliöille, jotka eivät pysty valmistamaan omaa ruokaansa vaan saavat ravintonsa ja energiansa ottamalla vastaan orgaanisia aineita, tavallisesti kasvi- tai eläinperäistä ainesta; eläimet, alkueläimet, sienet ja useimmat bakteerit ovat heterotrofisia. Kun maaperän bakteerit hajottavat maaperän hiiliyhdisteitä, ne vapauttavat hiilidioksidia (CO2) tai metaania (CO4). Molemmat kaasut ovat kasvihuonekaasuja, ja ne on yhdistetty ilmastonmuutokseen.

Tutkijat ennustavat, että maapallolla on nykyään yli kymmenen miljoonaa erilaista hiiliyhdistettä. Tässä osiossa teet neljä lyhyttä tutkimusta tutkiaksesi, miten hiiliatomit voivat liittyä muuntyyppisiin atomeihin muodostaakseen miljoonia erilaisia hiiliyhdisteitä, joita esiintyy geosfäärissä ja biosfäärissä. Jotta pääset alkuun pohtimaan hiilen kykyä muodostaa niin monia erilaisia hiiliyhdisteitä, katso tämä lyhyt NPR:n videopätkä It’s All About Carbon: Episode 1.

Huomautus: Jos video ei lataudu, voit katsoa videon täältä: Episode 1: Global Warming, It’s All About Carbon – YouTube Voit myös seurata tätä linkkiä, josta voit katsoa tämän NPR-sarjan muita jaksoja.

Laboratoriotutkimus 1: Todisteet kemiallisesta muutoksesta

×

Korallit ja muut kuorta rakentavat eliöt, kuten simpukat, osterit ja hummerit, ovat riippuvaisia kalsiumkarbonaatista, jotta ne pystyvät rakentamaan kuorensa ja luurankonsa.

Äsken katsomassasi videossa opit, että hiiliatomit sitoutuvat helposti ja voimakkaasti toisiin atomeihin muodostaen monia erilaisia hiiliyhdisteitä. Tässä tutkimuksessa etsit todisteita uuden hiiliyhdisteen muodostumisesta, kun kaksi hiiliyhdistettä yhdistetään: oman hengityksesi hiilidioksidi ja kalsiumhydroksidiliuos Ca(OH)2.

1. (luokkademo) Liitu on valmistettu kalsiumkarbonaatista (CaCO3). Kun liidun joukkoon lisätään etikkaa, tapahtuu poreilua, mikä osoittaa, että liitu on tehty kalsiumkarbonaatista. Käytät etikkatestiä osoittaaksesi kalsiumkarbonaatin esiintymisen.
2. Tutki kalkkivesi ja kuvaile sen ulkonäköä. Kalkkivesi on yleisnimitys kyllästetylle kalsiumhydroksidiliuokselle, Ca(OH)2 (aq).
3. Aseta yksi juomapilli kalkkiveden sisään ja puhalla varovasti nesteeseen. ÄLÄ HENGITÄ TAI PUHALLA LIIAN KOVAA. Jatka uloshengittämistä pillin läpi, kunnes muodostuu valkoinen sakka (kiinteä aine). Liuoksen pitäisi näyttää hyvin maitomaiselta ja siinä pitäisi olla pieniä hiukkasia.
4. Aseta kahvisuodatin tyhjän kupin päälle. Kaada kalkkivesi varovasti kuppiin suodattimen läpi, jotta sakka erottuu nesteestä.
5. Pane suodatin, jossa on valkoinen sakka, sivuun ja anna sen kuivua ja jähmettyä.
6. Aseta juomapilli kuppiin, jossa on tavallista vettä (kalkkiveden sijasta) ja puhalla varovasti. Tarkkaile mitä tapahtuu. Tämä toimii kokeellisena kontrollina.

Tarkistus

Kuvaile, miten kalkkivesi ja tavallinen vesi reagoivat eri tavoin, kun niihin lisätään hiilidioksidikaasua.

Kun kalkkiveteen lisätään hiilidioksidia, se muuttuu maitomaiseksi kalsiumkarbonaattisakan (CaCO3) muodostumisen vuoksi. Kalsiumkarbonaatti on liukenematon ja saostuu (laskeutuu pois liuoksesta): Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g) → CaCO3(s) + H2O (l) Tavallinen vesi kuplii, kun CO2 lisätään, mutta sakkaa ei muodostu.
7. Todistaaksesi, että kalkkivedestä suodattamasi aine on todellakin kalsiumkarbonaattia, lisää pipetillä pieni määrä valkoista etikkaa saostuman joukkoon.

Hiilidioksidi- ja vesimolekyylit.

Laboratoriotutkimus 2: Fotosynteesin ja soluhengityksen mallintaminen

Tässä tutkimuksessa käytät “pallo ja keppi” -molekyylimallipakkausta tutkiaksesi, miten kahdessa keskeisessä biosfäärin prosessissa eli fotosynteesissä ja soluhengityksessä syntyy uusia hiiliyhdisteitä. Kerää materiaalit ja noudata alla olevia ohjeita fotosynteesin ja soluhengityksen mallintamiseen:

×

Hiilidioksidimolekyylit kulkeutuvat kasveihin lehtien kautta. H2O-molekyylit siirtyvät kasveihin kasvien juurista.

Käytä kuutta hiilidioksidi- ja kuutta vesimolekyyliä fotosynteesin mallintamiseen. Tässä on fotosynteesin kemiallinen yhtälö.

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

×

Kasvien ja levien fotosynteesin avulla tuottama glukoosisokerimolekyyli.

1. Aloita ottamalla hiilidioksidi- ja vesimolekyylit erilleen.

2. Rakenna glukoosimolekyyli käyttäen apuna oikealla olevaa kuvaa glukoosimolekyylistä. Jos suurennat kuvaa klikkaamalla, näet helposti, miten hiili-, vety- ja happiatomit ovat sitoutuneet toisiinsa. HUOMAUTUS: Älä pura glukoosimolekyyliä ennen kuin aloitat tutkimuksen 3:

3. Rakenna lopuista happiatomeista ja sidoksista kuusi O2-molekyyliä (O=O). Nämä happikaasumolekyylit vapautuvat ilmaan ja tuottavat osan maapallon elämälle välttämättömästä hapesta.

×

Hengitysprosessi hajottaa glukoosimolekyylin kemialliset sidokset, jolloin energiaa saadaan solujen toimintoihin. Glukoosimolekyylin atomeja käytetään myös biomassan rakentamiseen. Tässä reaktiossa syntyvät CO2- ja O2-molekyylit siirtyvät lehdestä ympäröivään ilmaan.

4. Tutki oikealla kuvattua soluhengityksen yhtälöä. Soluhengityksen kemiallinen yhtälö on:

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

Vasta sitten alla oleviin tarkistuskysymyksiin:

Checking In

Laboratoriotutkimus 3: Uusien biomolekyylien biosyntetisointi glukoosista

1. Kerää glukoosimolekyylisi ja yhdistäydy vähintään yhden muun ryhmän kanssa.
2. Kerää glukoosimolekyylit erilleen. HUOMAUTUS: Teidän ei tarvitse irrottaa kaikkia sidoksia atomeista.
3. Käyttäkää molempien joukkueiden atomeja ja sidoksia rakentaaksenne uuden biomolekyylin Orgaaniset hiiliyhdisteet, joita syntyy elollisissa olentoissa; esimerkkejä ovat hiilihydraatit, lipidit(rasva, rasvat, öljyt, vahat) ja DNA. . Biomolekyylisi voi olla minkä muotoinen tahansa. Yksi sääntö, jota teidän on noudatettava, on se, että yksikään “elektronisidoksen piikki” ei saa olla kytkemättä toiseen atomiin. On mahdollista, että biomolekyyliä rakentaessasi jää jäljelle muutamia atomeja ja sidoksia. HUOMAUTUS: Opettajasi voi päättää tuottaa sinulle typpiatomeja. Käyttämällä näitä atomeja voit rakentaa proteiinimolekyylejä.
4. Kun olette rakentaneet uudet biomolekyylinne, verratkaa niitä muiden ryhmien tekemiin biomolekyyleihin.

Keskustelkaa

Katsokaa muita biomolekyylejä, joita luokka on valmistanut alkuperäisistä glukoosibiomolekyyleistä.

• Miten ne muistuttavat toisiaan? Miten ne eroavat toisistaan?
• Jos sinulla olisi tuhat glukoosin biomolekyyliä, kuinka monta erilaista biomolekyyliä voisit tehdä? Miksi?
• Kuvittele, että hiili voisi muodostaa vain yhden elektronisidoksen neljän sijaan. Mikä vaikutus tällä voisi olla niiden molekyylien kokoon ja monimuotoisuuteen, joita olet tähän mennessä pystynyt rakentamaan?

Kaikkien eliöiden biomassa koostuu enimmäkseen proteiineista, hiilihydraateista, nukleiinihapoista (DNA, RNA) ja lipideistä (rasvat öljyt ja vahat). Glukoosi ja muut hiilihydraatit sisältävät hiili-, vety- ja happiatomeja. Biosfäärin eliöt rakentavat kuitenkin miljoonia erilaisia biomolekyylejä, jotka sisältävät typpeä, fosforia ja rikkiä. Itse asiassa 97 prosenttia elävästä organismista koostuu vain kuudesta alkuaineesta: hiilestä, vedystä, typestä, hapesta, fosforista ja rikistä eli lyhyesti CHNOPSista. Muut alkuaineet, kuten magnesium ja rauta, ovat myös tärkeitä, mutta hyvin pieniä määriä. Minkä tahansa näistä maaperän ravinteista puuttuminen rajoittaa kasvien kasvua ja hiilen varastoitumista. tärkeimpiä maaperän ravinteita ovat typpi, fosfori, magnesium ja rikki. kasvien kasvua ja hiilen varastoitumista. Tässä tutkimuksessa tarkastelet useita Jmol-kuvia biomolekyyleistä ja tunnistat, minkä tyyppisiä alkuaineita(atomeja) kussakin on.

• Paperi tai laboratoriovihko
• Jmol-värikooditaulukko
• Vaihtoehtoinen: MolView-visualisointi-verkkosovelluksen avulla voit kiertää, zoomata ja etsiä taustatietoja biomolekyyleistä.

• Hiili (musta tai harmaa)
• Vety (valkoinen)
• Typpi (sininen)
• Happi (punainen)
• Fosfori (oranssi)
• Rikki (keltainen)
• Magnesium (vihreä)
• Rauta (pronssi/kupari)

1. Tee kolmen pylvään taulukko laboratoriopäiväkirjaan tai erilliselle paperille. Anna taulukollesi seuraavat otsikot:

• Sarake A = Biomolekyylin nimi (esim. DNA, fruktoosi jne.);
• Sarake B = Biomolekyylin tyyppi (esim. hiilihydraatti, proteiini jne.);
• Sarake C = Atomityypit (elementit). Käytä alkukirjaimia (C H N O P S Mg I);

Klikkaa suurentaaksesi ja tutki tarkemmin jokaista alla olevaa Jmol-biomolekyylikuvaa. Tunnista kussakin Jmol-biomolekyylissä kukin erilainen alkuaine(atomi)tyyppi.

Täydennä vaaditut tiedot 3-sarakkeiseen taulukkoon jokaisesta Jmol-kuvasta.

×

Fruktoosi, hedelmäsokeri, hiilihydraatti. Kun syöt hedelmiä, kuten omenoita ja appelsiineja, syöt fruktoosia.

×

DNA, nukleiinihappo. DNA:ta kutsutaan usein elämän pohjapiirustukseksi, koska se sisältää geneettiset ohjeet, joiden avulla eliöt rakentavat itsensä ja suorittavat kaikki elämänsä toiminnot. Ilman DNA:ta eliö ei rakennu. Tämä DNA:n visualisointi edustaa vain hyvin pientä osaa koko DNA-molekyylistä.

×

Selluloosa, hiilihydraatti. Kasvien kuitu- ja puumaiset osat koostuvat selluloosamolekyyleistä, jotka ovat liittyneet toisiinsa pitkiksi ketjuiksi. Selluloosan kuitumainen luonne antaa kasveille rakenteen, jonka avulla ne pystyvät seisomaan pystyssä. Puut koostuvat noin 50-53-prosenttisesti selluloosasta puulajista riippuen.

×

Klorofylli, vihreä pigmenttimolekyyli. Kasvit käyttävät tätä pigmenttiä imemään auringon energiaa fotosynteesiä varten. Klorofylli on esimerkki biomolekyylistä, joka ei kuulu mihinkään tiettyyn ryhmään (esim. hiilihydraatit, nukleiinihapot, proteiinit, lipidit) Löydätkö magnesiumatomin?

×

Sytokromi C, kasviproteiini. Proteiinit ovat kaikkien elävien organismien biosyntetisoimia makromolekyylejä, ja niillä on monenlaisia elämälle kriittisiä tehtäviä. Esimerkiksi sytokromi c on proteiini, jota kasvit ja muut organismit tarvitsevat soluhengitykseen. Löydätkö tämän sytokromiproteiinimolekyylin rikkiatomit ja kaksi rauta-atomia?

×

Aminohappo- proteiinin osa. Eliöt rakentavat kokonaisia proteiineja sadoista aminohapoista. Oikealla kuvassa oleva sytokromi c -molekyyli on kokonainen proteiini, joka koostuu monista aminohapoista.

Vaihtoehtoiset laajennukset

Haluatko oppia lisää hiiliyhdisteistä, biomolekyyleistä, CHNOPSista, maaperän ravinteista ja muusta? Tutustu näihin resursseihin.

• Tutustu uusimpaan tutkimukseen! Hiilen kiertoa, ilmastoa ja ympäristöä koskeva uusi tutkimus on käynnissä. Voit käyttää ScienceDaily- ja Phys.org-sivustoja tutkiaksesi viimeaikaista tutkimusta hiilenkierron ja muiden biokemiallisten kiertojen välisestä suhteesta käyttämällä seuraavien tunnisteiden yhdistelmiä: carbon cycle, carbon storage/sequestration, CO2 fertilization, trees, forests, soil nutrients. Tässä on esimerkki: Maaperän ravinteet rajoittavat kasvien kykyä hidastaa ilmastonmuutosta
• Käytä MolViewta tutkiaksesi Jmol-biomolekyylejä, joita monet erityyppiset organismit valmistavat.