La geosfera e la biosfera sono i due componenti del Sistema Terra; la geosfera è il nome collettivo per la litosfera, l’idrosfera, la criosfera e l’atmosfera. Tutte le parti del Sistema Terra interagiscono e sono interrelate attraverso i processi climatici e attraverso il ciclo dell’acqua e i cicli biogeochimici. Il Sole è la fonte dominante di tutta l’energia esterna al Sistema Terra. Diagramma disegnato da James A. Tomberlin, USGS.

Nel ciclo del carbonio, gli atomi di carbonio sono costantemente in movimento, entrando ed uscendo da diversi componenti della biosfera e della geosfera. Gli atomi di carbonio non si muovono come atomi singoli, ma come parte di composti di carbonio, alcuni piccoli e semplici e altri grandi e molto complessi. Il ciclo del carbonio è strettamente accoppiato con altri cicli biogeochimici di altri elementi chimici come l’azoto, il fosforo, lo zolfo e il ferro che si muovono dentro e fuori i diversi componenti della geosfera e della biosfera. . Per esempio, molti composti del carbonio prodotti dagli organismi viventi contengono atomi di azoto e fosforo.

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Il ciclo globale del carbonio che mostra i percorsi (frecce) degli atomi di carbonio da una parte all’altra del ciclo del carbonio. Le lettere viola si riferiscono a dove esistono i composti di carbonio e le lettere arancioni si riferiscono ai processi che fanno muovere il carbonio lungo i percorsi.

Considera l’immagine del ciclo globale del carbonio raffigurata sulla destra, (clicca per ingrandire l’immagine). Ogni freccia rappresenta un percorso che gli atomi di carbonio prendono mentre si muovono nella geosfera e nella biosfera. Alcuni di questi composti di carbonio si muovono rapidamente da una parte all’altra del ciclo del carbonio, mentre altri vengono conservati per milioni e milioni di anni. Mentre i composti del carbonio si muovono nella geosfera e nella biosfera, subiscono molti cambiamenti chimici diversi. Questi cambiamenti chimici (trasformazioni) richiedono la rottura e la costruzione di legami chimici tra gli atomi. Alcuni di questi cambiamenti chimici sembrano abbastanza minori, ma possono avere grandi influenze sul ciclo del carbonio, sul clima e sull’ambiente. Per esempio, quando le piante convertono la CO2 inorganica in zuccheri organici (C6H12C6), forniscono cibo agli animali e ad altri organismi eterotrofi che non possono produrre il proprio cibo e ottengono invece il loro cibo e la loro energia assumendo sostanze organiche, di solito materia vegetale o animale; animali, protozoi, funghi e la maggior parte dei batteri sono eterotrofi. Quando i batteri del suolo scompongono i composti di carbonio nel suolo, rilasciano anidride carbonica (CO2) o metano (CO4). Entrambi questi gas sono gas serra e sono stati collegati al cambiamento climatico.

Gli scienziati prevedono che oggi sulla Terra esistano più di dieci milioni di diversi composti del carbonio. In questa sezione, svolgerai quattro brevi indagini per esplorare come gli atomi di carbonio possono unirsi ad altri tipi di atomi per formare i milioni di diversi tipi di composti di carbonio che si possono trovare nella geosfera e nella biosfera. Per iniziare a pensare alla capacità del carbonio di formare così tanti tipi diversi di composti del carbonio, guarda questo breve video clip della NPR, It’s All About Carbon: Episode 1.

NOTA: Se il video non si carica, puoi guardare il video qui: Episodio 1: Global Warming, It’s All About Carbon – YouTube Puoi anche seguire questo link dove puoi guardare altri episodi di questa serie NPR.

Indagine di laboratorio 1: Prove di un cambiamento chimico

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I coralli e altri organismi che costruiscono le conchiglie come vongole, ostriche e aragoste dipendono dal carbonato di calcio per costruire i loro gusci e scheletri.

Nel video che hai appena visto, hai imparato che gli atomi di carbonio si legano facilmente e fortemente con altri atomi per formare molti diversi tipi di composti di carbonio. In questa indagine, cercherai le prove della formazione di un nuovo composto del carbonio quando due composti del carbonio vengono messi insieme: il CO2 del tuo stesso respiro e una soluzione di idrossido di calcio Ca(OH)2.

1. (dimostrazione di classe) Il gesso è fatto di carbonato di calcio (CaCO3). Quando l’aceto viene aggiunto al gesso, si verifica un’effervescenza che indica che il gesso è fatto di carbonato di calcio. Userai il test dell’aceto per indicare la presenza di carbonato di calcio.
2. Esamina la soluzione acquosa e descrivi il suo aspetto. L’acqua calcarea è il nome comune della soluzione satura di idrossido di calcio, Ca(OH)2 (aq).
3. Metti una delle cannucce nell’acqua calcarea e soffia delicatamente nel liquido. NON INALARE O SOFFIARE TROPPO FORTE. Continuare ad espirare attraverso la cannuccia finché non si forma un precipitato bianco (solido). La soluzione dovrebbe apparire molto lattiginosa con piccole particelle.
4. Posiziona il filtro del caffè sulla tazza vuota. Versa con attenzione l’acqua calcarea nella tazza attraverso il filtro per separare il precipitato dal liquido.
5. Metti da parte il filtro con il precipitato bianco e lascialo asciugare e solidificare.
6. Metti una cannuccia in una tazza di acqua normale (invece di acqua calcarea) e soffia delicatamente. Osserva cosa succede. Questo serve come controllo sperimentale.

Checking In

Descrivi come l’acqua calcarea e l’acqua normale reagiscono diversamente quando viene aggiunta anidride carbonica.

Quando si aggiunge CO2 all’acqua calcarea, questa diventa lattiginosa a causa della produzione di un precipitato di carbonato di calcio (CaCO3). Il carbonato di calcio è insolubile e precipita (si deposita fuori dalla soluzione): Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g) &acirca;†’ CaCO3(s) + H2O (l) L’acqua normale bolle quando viene aggiunta la CO2, ma non si forma alcun precipitato.
7. Per provare che la sostanza che hai filtrato dall’acqua di calce è effettivamente carbonato di calcio, usa il contagocce per aggiungere una piccola quantità di aceto bianco al precipitato.

Molecole di anidride carbonica e acqua.

Indagine di laboratorio 2: Modellare la fotosintesi e la respirazione cellulare

In questa indagine, userai un kit di modelli molecolari “palla e bastone” per studiare come i due processi chiave della biosfera della fotosintesi e della respirazione cellulare creano nuovi composti del carbonio. Raccogliete i vostri materiali e seguite le istruzioni per modellare la fotosintesi e la respirazione cellulare qui sotto:

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Le molecole di CO2 entrano nelle piante attraverso le foglie. Le molecole di H2O entrano nelle piante dalle radici.

Usa le sei molecole di anidride carbonica e le sei molecole di acqua per modellare la fotosintesi. Ecco l’equazione chimica per la fotosintesi.

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

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Una molecola di zucchero glucosio prodotta da piante e alghe attraverso il processo di fotosintesi.

1. Comincia separando le molecole di anidride carbonica e di acqua.

2. Costruisci la tua molecola di glucosio usando l’immagine di una molecola di glucosio raffigurata sulla destra come guida. Se clicchi per ingrandire l’immagine, vedrai facilmente come gli atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno sono legati tra loro. NOTA: Non smontare la molecola di glucosio fino a quando non inizi l’indagine 3:

3. Usa gli atomi di ossigeno rimanenti e i legami per costruire sei molecole di O2 (O=O). Queste molecole di ossigeno vengono rilasciate nell’aria e forniscono parte dell’ossigeno necessario per la vita sulla terra.

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Il processo di respirazione rompe i legami chimici nella molecola del glucosio, rendendo l’energia disponibile per le funzioni cellulari. Gli atomi della molecola di glucosio sono anche usati per costruire la biomassa. Le molecole di CO2 e O2 prodotte in questa reazione si spostano dalla foglia nell’aria circostante.

4. Esaminate l’equazione della respirazione cellulare illustrata a destra. L’equazione chimica per la respirazione cellulare è:

C6H12O6 + 6O2==> 6CO2 + 6H2O + energia per le funzioni cellulari

Poi, rispondi alle domande Checking In che seguono:

Laboratory Investigation 3: Biosynthesizing New Biomolecules From Glucose

1. Prendi la tua molecola di glucosio e unisciti ad almeno un’altra squadra. NOTA: Non è necessario scollegare tutti i legami dagli atomi.
2. Utilizza gli atomi e i legami di entrambe le squadre per costruire una nuova biomolecola Composti organici di carbonio prodotti negli esseri viventi; esempi includono carboidrati, lipidi (grassi, terre, cere), e DNA. La tua biomolecola può assumere qualsiasi forma tu voglia. L’unica regola da seguire è che nessun “polo di legame elettronico” sia lasciato slegato da un altro atomo. È possibile avere alcuni atomi e legami rimasti quando costruisci la tua biomolecola. NOTA: Il vostro insegnante potrebbe decidere di produrvi con atomi di azoto. Usare questi atomi ti permetterà di costruire molecole proteiche.
3. Quando hai finito di costruire le tue nuove biomolecole, confrontale con altre biomolecole fatte da altre squadre.

La biomassa di tutti gli organismi è composta principalmente da proteine, carboidrati, acidi nucleici (DNA, RNA), e lipidi (grassi, oli e cere). Il glucosio e altri carboidrati contengono atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno. Tuttavia, gli organismi della biosfera costruiscono milioni di biomolecole diverse che contengono azoto, fosforo e zolfo. Di fatto, il 97% di un organismo vivente è fatto di soli sei elementi: carbonio, idrogeno, azoto, ossigeno, fosforo e zolfo, o CHNOPS. Anche altri elementi come il magnesio e il ferro sono importanti, ma in quantità molto piccole. La mancanza di uno di questi nutrienti del suolo è essenziale per la crescita delle piante; i nutrienti del suolo più importanti includono azoto, fosforo, magnesio e zolfo. limiterà la crescita delle piante e lo stoccaggio del carbonio. In questa indagine, esaminerete diverse immagini Jmol di biomolecole e identificherete i tipi di elementi (atomi) in ciascuna.

1. Fai un grafico a tre colonne nel tuo quaderno di laboratorio o su un pezzo di carta separato. Dai al tuo grafico le seguenti intestazioni:

• Colonna A = Nome della biomolecola (es. DNA, fruttosio ecc.);
• Colonna B = Tipo di biomolecola (es. carboidrati, proteine ecc.);
• Colonna C = Tipi di atomi (elementi). Usa le prime lettere (C H N O P S Mg I);

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Fruttosio, un carboidrato zucchero della frutta. Quando si mangia frutta come mele e arance, si mangia fruttosio.

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DNA, un acido nucleico. Il DNA è spesso chiamato il progetto della vita perché contiene le istruzioni genetiche che permettono agli organismi di costruirsi e di svolgere tutte le attività della vita. Senza DNA, un organismo non viene costruito. Questa visualizzazione del DNA rappresenta solo un segmento molto piccolo di un’intera molecola di DNA.

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Cellulosa, un carboidrato. Le parti fibrose e legnose delle piante sono fatte di molecole di cellulosa unite in lunghe catene. La natura fibrosa della cellulosa fornisce la struttura che permette alle piante di stare in piedi. Gli alberi sono costituiti da circa il 50% al 53% di cellulosa, a seconda della specie dell’albero.

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Clorofilla, una molecola di pigmento verde. Le piante usano questo pigmento per assorbire energia dal sole per la fotosintesi. La clorofilla è un esempio di biomolecola che non appartiene a nessun gruppo specifico (cioè carboidrati, acidi nucleici, proteine, lipidi) Puoi trovare l’atomo di magnesio?

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Citocromo C, una proteina vegetale. Le proteine sono macromolecole biosintetizzate da tutti gli organismi viventi e hanno diverse funzioni critiche per la vita. Per esempio, il citocromo C è una proteina necessaria alle piante e ad altri organismi per effettuare la respirazione cellulare. Puoi trovare gli atomi di zolfo e i due atomi di ferro in questa molecola di proteina citocromo?

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Un aminoacido – parte di una proteina. Gli organismi costruiscono proteine complete da centinaia di aminoacidi. La molecola del citocromo c raffigurata sulla destra è una proteina completa fatta di molti amminoacidi.

Estensioni opzionali

Vuoi saperne di più sui composti del carbonio, biomolecole, CHNOPS, nutrienti del suolo e altro? Controlla queste risorse.

• Ricerca le ultime ricerche! Nuove ricerche sul ciclo del carbonio, il clima e l’ambiente sono in corso. Puoi usare ScienceDaily e Phys.org per fare ricerche recenti sulla relazione tra il ciclo del carbonio e altri cicli biochimici usando combinazioni dei seguenti tag: ciclo del carbonio, stoccaggio/sequestro del carbonio, fertilizzazione di CO2, alberi, foreste, nutrienti del suolo. Ecco un esempio: I nutrienti del suolo limitano la capacità delle piante di rallentare il cambiamento climatico
• Utilizza MolView per esplorare le biomolecole Jmol fatte da molti diversi tipi di organismi.