Część C: Budowa związków węgla

×

Geosfera i biosfera to dwa składniki Systemu Ziemskiego; geosfera to zbiorcza nazwa litosfery, hydrosfery, kriosfery i atmosfery. Wszystkie części Systemu Ziemskiego oddziałują na siebie i są wzajemnie powiązane poprzez procesy klimatyczne oraz poprzez obieg wody i cykle biogeochemiczne. Słońce jest dominującym źródłem całej zewnętrznej energii dla Systemu Ziemskiego. Diagram zaprojektowany przez Jamesa A. Tomberlina, USGS.

W cyklu węglowym, atomy węgla są w ciągłym ruchu, krążąc do i z różnych składników biosfery i geosfery. Atomy węgla nie są w obiegu jako pojedyncze atomy, ale zamiast tego poruszają się jako część związków węgla, niektóre małe i proste, a inne duże i bardzo złożone. Cykl węglowy jest ściśle powiązany z innymi cyklami biogeochemicznymi cyklami innych pierwiastków chemicznych, takich jak azot, fosfor, siarka i żelazo, które przemieszczają się do i z różnych składników geosfery i biosfery. . Na przykład wiele związków węgla wytwarzanych przez organizmy żywe zawiera atomy azotu i fosforu.

×

Globalny cykl węglowy przedstawiający drogi (strzałki) atomów węgla z jednej części cyklu węglowego do drugiej. Fioletowe litery odnoszą się do miejsc występowania związków węgla, a pomarańczowe do procesów, które powodują przemieszczanie się węgla wzdłuż ścieżek.

Rozważmy obraz globalnego cyklu węglowego przedstawiony po prawej stronie, (kliknij aby powiększyć obraz). Każda strzałka reprezentuje ścieżkę, którą atomy węgla pokonują podczas przemieszczania się przez geosferę i biosferę. Niektóre z tych związków węgla przemieszczają się szybko z jednej części cyklu węglowego do drugiej, podczas gdy inne są przechowywane przez miliony i miliony lat. Gdy związki węgla przemieszczają się w Geosferze i Biosferze, przechodzą wiele różnych zmian chemicznych. Te zmiany chemiczne (transformacje) wymagają zerwania i zbudowania wiązań chemicznych pomiędzy atomami. Niektóre z tych zmian chemicznych wydają się dość niewielkie, ale mogą mieć duży wpływ na cykl węglowy, klimat i środowisko. Na przykład, kiedy rośliny przekształcają nieorganiczny CO2 w organiczne cukry (C6H12C6), dostarczają pożywienia dla zwierząt i innych organizmów heterotroficznych, które nie mogą wytwarzać własnego pożywienia i zamiast tego uzyskują pożywienie i energię poprzez pobieranie substancji organicznych, zazwyczaj roślinnych lub zwierzęcych; zwierzęta, pierwotniaki, grzyby i większość bakterii to heterotrofy. Kiedy bakterie glebowe rozkładają zawarte w glebie związki węgla, uwalniają dwutlenek węgla (CO2) lub metan (CO4). Oba te gazy są gazami cieplarnianymi i zostały powiązane ze zmianami klimatycznymi.

Naukowcy przewidują, że obecnie na Ziemi istnieje ponad dziesięć milionów różnych związków węgla. W tym rozdziale przeprowadzisz cztery krótkie badania, aby dowiedzieć się, w jaki sposób atomy węgla mogą łączyć się z innymi typami atomów, tworząc miliony różnych typów związków węgla, które można znaleźć w geosferze i biosferze. Aby zacząć myśleć o zdolności węgla do tworzenia tak wielu różnych typów związków węgla, obejrzyj ten krótki klip wideo NPR, It’s All About Carbon: Episode 1.

UWAGA: Jeśli film się nie załaduje, możesz obejrzeć go tutaj: Episode 1: Global Warming, It’s All About Carbon – YouTube Możesz również skorzystać z tego linku, gdzie możesz obejrzeć inne odcinki tej serii NPR.

Badanie laboratoryjne 1: Dowody na zmianę chemiczną

×

Koralowce i inne organizmy budujące skorupy, takie jak małże, ostrygi i homary, zależą od węglanu wapnia do budowy swoich muszli i szkieletów.

W filmie, który właśnie obejrzałeś, dowiedziałeś się, że atomy węgla wiążą się łatwo i silnie z innymi atomami tworząc wiele różnych typów związków węgla. W tym badaniu poszukamy dowodów na powstawanie nowych związków węgla, gdy połączymy ze sobą dwa związki węgla: CO2 z własnego oddechu i roztwór wodorotlenku wapnia Ca(OH)2.

1. (demonstracja klasowa) Kreda jest zrobiona z węglanu wapnia (CaCO3). Po dodaniu octu do kredy pojawia się musowanie wskazujące, że kreda jest zbudowana z węglanu wapnia. Użyjesz testu z octem do wskazania obecności węglanu wapnia.
2. Zbadaj wodę wapienną i opisz jej wygląd. Woda wapienna to potoczna nazwa nasyconego roztworu wodorotlenku wapnia, Ca(OH)2 (aq).
3. Włóż jedną ze słomek do picia do wody wapiennej i dmuchaj delikatnie w ciecz. NIE WDYCHAĆ ANI NIE DMUCHAĆ ZBYT MOCNO. Kontynuuj wydychanie przez słomkę, aż utworzy się biały osad (ciało stałe). Roztwór powinien wyglądać bardzo mlecznie z małymi cząsteczkami.
4. Umieść filtr do kawy nad pustą filiżanką. Ostrożnie wlej wodę wapienną do filiżanki przez filtr, aby oddzielić osad od cieczy.
5. Odłóż filtr z białym osadem na bok i pozwól mu wyschnąć i zestalić się.
6. Włóż słomkę do filiżanki ze zwykłą wodą (zamiast wody wapiennej) i delikatnie dmuchnij. Obserwuj, co się dzieje. Służy to jako kontrola eksperymentu.

Sprawdzenie W

Opisz, jak woda wapienna i zwykła woda reagują inaczej, gdy do każdej z nich doda się gazowy dwutlenek węgla.

Po dodaniu CO2 do wody wapiennej, staje się ona mleczna z powodu wytworzenia się osadu węglanu wapnia (CaCO3). Węglan wapnia jest nierozpuszczalny i wytrąca się (osiada z roztworu): Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g) → CaCO3(s) + H2O (l) Zwykła woda bulgocze w miarę dodawania CO2, ale nie tworzy się osad.
7. Aby udowodnić, że substancja, którą odfiltrowałeś z wody wapiennej jest rzeczywiście węglanem wapnia, użyj kroplomierza, aby dodać niewielką ilość białego octu do osadu.

Dwutlenek węgla i cząsteczki wody.

Badanie laboratoryjne 2: Modelowanie fotosyntezy i oddychania komórkowego

W tym badaniu, użyjesz zestawu do modelowania molekularnego “kuli i patyka” aby zbadać jak dwa kluczowe procesy biosfery fotosynteza i oddychanie komórkowe tworzą nowe związki węgla. Zbierz materiały i postępuj zgodnie z instrukcjami modelowania fotosyntezy i oddychania komórkowego poniżej:

×

Cząsteczki CO2 dostają się do roślin przez liście. Cząsteczki H2O dostają się do roślin z korzeni roślin.

Użyj sześciu cząsteczek dwutlenku węgla i sześciu cząsteczek wody do modelowania fotosyntezy. Oto równanie chemiczne dla fotosyntezy.

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

×

Cząsteczka cukru glukozy wytwarzana przez rośliny i algi w procesie fotosyntezy.

1. Zacznij od rozdzielenia cząsteczek dwutlenku węgla i wody.

2. Zbuduj cząsteczkę glukozy, korzystając z obrazka cząsteczki glukozy przedstawionego po prawej stronie. Jeśli klikniesz, aby powiększyć obrazek, łatwo zobaczysz, jak atomy węgla, wodoru i tlenu są ze sobą połączone. UWAGA: Nie rozbieraj cząsteczki glukozy, dopóki nie rozpoczniesz dochodzenia 3:

3. Użyj pozostałych atomów tlenu i wiązań, aby zbudować sześć cząsteczek O2 (O=O). Te cząsteczki tlenu są uwalniane do powietrza i dostarczają część tlenu niezbędnego do życia na Ziemi.

×

Proces oddychania rozbija wiązania chemiczne w cząsteczce glukozy, dzięki czemu energia jest dostępna dla funkcji komórki. Atomy z cząsteczki glukozy są również wykorzystywane do budowy biomasy. Cząsteczki CO2 i O2 powstające w tej reakcji wydostają się z liścia do otaczającego go powietrza.

4. Przeanalizuj równanie oddychania komórkowego przedstawione po prawej stronie. Równanie chemiczne oddychania komórkowego to:

C6H12O6 + 6O2==> 6CO2 + 6H2O + energia dla funkcji komórki

Następnie odpowiedz na poniższe pytania sprawdzające:

Laboratory Investigation 3: Biosynthesizing New Biomolecules From Glucose

1. Zabierzcie swoją cząsteczkę glukozy i połączcie się z co najmniej jednym innym zespołem.
2. Rozdzielcie cząsteczki glukozy. UWAGA: Nie musisz odłączać wszystkich wiązań od atomów.
3. Użyj atomów i wiązań z obu zespołów do zbudowania nowej biomolekuły organiczne związki węgla produkowane w żywych organizmach; przykłady obejmują węglowodany, lipidy (tłuszcze, gleby, woski) i DNA. Twoja biomolekuła może przybrać dowolny kształt. Jedną zasadą, której musisz przestrzegać, jest to, że żaden z “elektronowych wtyków wiązania” nie może pozostać niepołączony z innym atomem. Możliwe jest, że po zbudowaniu biomolekuły pozostanie kilka atomów i wiązań. UWAGA: Twój nauczyciel może zdecydować, że będziesz miał do dyspozycji atomy azotu. Użycie tych atomów pozwoli wam zbudować cząsteczki białka.
4. Kiedy skończycie budować swoje nowe biomolekuły, porównajcie je z innymi biomolekułami wykonanymi przez inne zespoły.

Biomasa wszystkich organizmów składa się głównie z białek, węglowodanów, kwasów nukleinowych (DNA, RNA) i lipidów (tłuszcze oleje i woski). Glukoza i inne węglowodany zawierają atomy węgla, wodoru i tlenu. Jednak organizmy w biosferze budują miliony różnych biomolekuł, które zawierają azot, fosfor i siarkę. W rzeczywistości 97% żywego organizmu składa się tylko z sześciu pierwiastków: węgla, wodoru, azotu, tlenu, fosforu i siarki, w skrócie CHNOPS. Inne pierwiastki, takie jak magnez i żelazo są również ważne, ale w bardzo małych ilościach. Brak któregokolwiek z tych składników odżywczych w glebie, które są niezbędne do wzrostu roślin; najważniejsze składniki odżywcze gleby to azot, fosfor, magnez i siarka. ograniczy wzrost roślin i magazynowanie węgla. W tym badaniu, zbadasz kilka obrazów Jmol biomolekuł i zidentyfikujesz typy pierwiastków (atomów) w każdym z nich.

1. Zrób trójkolumnową tabelę w swoim zeszycie laboratoryjnym lub na osobnej kartce papieru. Nadaj wykresowi następujące tytuły:

• Kolumna A = Nazwa biomolekuły (np. DNA, fruktoza itp.);
• Kolumna B = Rodzaj biomolekuły (np. węglowodany, białka itp.);
• Kolumna C = Rodzaje atomów (pierwiastków). Użyj pierwszych liter (C H N O P S Mg I);

×

Fruktoza, węglowodan – cukier owocowy. Kiedy jesz owoce, takie jak jabłka i pomarańcze, spożywasz fruktozę.

×

DNA, kwas nukleinowy. DNA jest często nazywane schematem życia, ponieważ zawiera instrukcje genetyczne, dzięki którym organizmy mogą się budować i wykonywać wszystkie czynności życiowe. Bez DNA organizm nie jest w stanie się zbudować. Ta wizualizacja DNA reprezentuje tylko bardzo mały segment całej cząsteczki DNA.

×

Celuloza, węglowodan. Włókniste i zdrewniałe części roślin zbudowane są z cząsteczek celulozy połączonych w długie łańcuchy. Włóknista natura celulozy zapewnia strukturę, dzięki której rośliny stoją pionowo. Drzewa składają się w około 50% do 53% z celulozy, w zależności od gatunku drzewa.

×

Chlorofil, cząsteczka zielonego pigmentu. Rośliny używają tego pigmentu do pochłaniania energii słonecznej w procesie fotosyntezy. Chlorofil jest przykładem biomolekuły, która nie należy do żadnej konkretnej grupy (np. węglowodany, kwasy nukleinowe, białka, lipidy) Czy potrafisz znaleźć atom magnezu?

×

Cytochrom C, białko roślinne. Białka są makrocząsteczkami biosyntetyzowanymi przez wszystkie żywe organizmy i pełnią różnorodne funkcje, które są krytyczne dla życia. Na przykład cytochrom c jest białkiem potrzebnym roślinom i innym organizmom do przeprowadzania procesu oddychania komórkowego. Czy potrafisz znaleźć atomy siarki i dwa atomy żelaza w tej cząsteczce białka cytochromu?

×

Aminokwas – część białka. Organizmy budują kompletne białka z setek aminokwasów. Cząsteczka cytochromu c przedstawiona na rysunku po prawej stronie jest kompletnym białkiem zbudowanym z wielu aminokwasów.

Opcjonalne rozszerzenia

Chcesz dowiedzieć się więcej o związkach węgla, biomolekułach, CHNOPS, składnikach odżywczych gleby i nie tylko? Sprawdź te zasoby.

• Badaj najnowsze badania! Nowe badania nad cyklem węglowym, klimatem i środowiskiem są w toku. Możesz użyć ScienceDaily i Phys.org do zbadania najnowszych badań na temat związku między cyklem węglowym i innymi cyklami biochemicznymi, używając kombinacji następujących tagów: cykl węglowy, magazynowanie węgla/sekwencjonowanie, nawożenie CO2, drzewa, lasy, składniki odżywcze gleby. Oto przykład: Soil nutrients limit ability of plants to slow climate change
• Use MolView to explore Jmol biomolecules made by many different types of organisms.

.