Il ciclo del carbonio è un ciclo biogeochimico che coinvolge l'atomo di carbonio presente in modo eterogeneo nelle molecole organiche ed inorganiche. In particolare, il carbonio è un costituente essenziale di tutte le forme di vita ed è l'atomo chiave, assieme all'ossigeno, dei processi di fotosintesi clorofilliana. La vista stessa è associata alla presenza e al ruolo attivo del carbonio.
Dal punto di vista della classificazione, è un tipo di ciclo biogeochimico a carattere gassoso poiché la maggior parte delle riserve carboniche sono presenti nell'atmosfera.
Il ciclo del carbonio può essere schematizzato e riassunto attraverso l'analisi degli scambi tra i sedimenti (geosfera), gli oceani (idrosfera), l'atmosfera e la biosfera. In ciascun passaggio, il carbonio può essere presente all'interno di differenti molecole. Nell'atmosfera, ad esempio, è presente sotto forma di anidride carbonica (CO2), mentre nella biomassa della geosfera o della biosfera è rilevabile all'interno di molecole organiche quali gli aminoacidi o le proteine.
Differenti molecole contenenti carbonio. A sinistra il
metano, al centro l'
alanina, a destra l'acido butirrico.
L'importanza delle molecole carboniose e del relativo ciclo è fondamentale per tutta la vita terrestre. La vita stessa è intimamente dipendente dal carbonio.
Schematizzazione e riassunto del ciclo del carbonio.
La quantità di carbonio presente sulla terra è stimabile in circa 100 milioni di miliardi di tonnellate. Il carbonio è distribuito prevalentemente nell'atmosfera, con circa 750 milioni di tonnellate e nei sedimenti, con oltre 1500 milioni di tonnellate.
Carbonio nella biosfera
L'attività dell'uomo e l'alterazione del ciclo del carbonio
L'uomo, specialmente attraverso le attività di tipo industriale, ha sensibilmente alterato il ciclo del carbonio. L'immissione in atmosfera di tonnellate di anidride carbonica, che derivano dagli scarti industriali oppure dalla combustione della biomassa, ha alterato il normale flusso di interscambio atmosferico. La deforestazione ha alterato la quantità di biomassa organica presente nelle foreste e, allo stesso tempo, ha ridotto la capacità fotosintetica di intere zone.
La biomassa rappresenta il principale serbatoio del carbonio nell'atmosfera. Il carbonio è l'atomo fondamentale delle molecole organiche. Nella biosfera, il carbonio è prelevato dall'atmosfera sotto forma di anidride carbonica e fissato, tramite gli organismi
produttori primari, in glucidi oppure in altre strutture biologicamente attive. Allo stesso modo, il carbonio è restituito all'atmosfera grazie alla respirazione. I passaggi di molecole carboniose avvengono a seguito dell'alimentazione, ad esempio durante l'assunzione di cibo.
Le piante accumulano il carbonio all'interno delle strutture lignificate. Per questo motivo, negli ecosistemi ricchi di luce e di acqua è facile trovare piante con struttura possente poiché né il carbonio né l'acqua rappresentano un fattore limitante alla crescita. Le piante che non riescono ad operare una stabile e veloce fotosintesi, invece, hanno uno sviluppo verticale molto limitato.
Carbonio nell'atmosfera
Il carbonio è presente nell'atmosfera sotto forma di anidride carbonica. La molecola deriva dall'attività di respirazione delle specie viventi, dalla liberazione dalla biomassa tramite incendi, dall'attività antropica e in misura diversa da altri eventi metabolici. L'attività antropica, negli ultimi decenni, ha progressivamente aumentato la quantità di anidride carbonica immessa nell'atmosfera. I processi industriali, le automobili e perfino l'intensificazione dell'agricoltura e degli allevamenti producono, come scarto, l'anidride carbonica che è immediatamente immessa in atmosfera.
La presenza di anidride carbonica ha un effetto importante sulla stabilità termica dell'intera geosfera. Il gas fa parte delle molecole che alimentano l'effetto serra. Per questa ragione, l'alterazione della concentrazione di anidride carbonica atmosferica coadiuva il fenomeno del riscaldamento globale.
L'aumento della concentrazione del gas atmosferico ha origine artificiale. In particolare, le emissioni gassose di CO2 delle industrie ed i gas di scarto delle automobili e dei mezzi di trasporto sono responsabili dell'accumulo atmosferico dell'anidride carbonica. Per questi motivi, la regolamentazione delle emissioni gassose, in particolar modo delle emissioni che alimentano l'effetto serra, è uno dei passi che può sensibilmente aiutare il controllo e il viraggio della temperatura globale verso valori inferiori.
Carbonio nella idrosfera
La maggior parte del carbonio presente nella idrosfera deriva direttamente dalla reazione di trasformazione dell'anidride carbonica in acido carbonico. La reazione è all'equilibrio e pertanto è graficamente rappresentata in questo modo:
CO2 + H2O ⇔ HCO3- + H+
La velocità di formazione delle ione carbonato deriva direttamente dalla temperatura e dalla pressione. A livello oceanico e marino la pressione può essere considerata costante, giacché le variazioni sono minime, mentra la temperatura gioca un ruolo più importante. Incrementi della temperatura aumentano la velocità di sintesi dello ione carbonato, spostando l'equilibrio a destra. In altre parole, la temperatura ha un ruolo importante nei processi di acidificazione degli oceani. La concentrazione maggiore di CO2, inoltre, porta ad una maggiore presenza di protoni disciolti in acqua.
Lo ione bicarbonato è incorporato nell'esoscheletro di molti animali e può essere, nuovamente, liberato alla morte dello stesso oppure essere - a sua volta - incorporato nei sedimenti.
Fossile di un porifero. L'esoscheletro contiene carbonio. La biomassa rappresenta un deposito naturale di carbonio.
Variazioni relative nella velocità di trasformazione
La velocità con la quale avvengono le trasformazioni, le inclusioni e la liberazione del carbonio dipende da numerosi fattori, tra i quali spicca la temperatura ed il tipo di ecosistema. Gli ecosistemi terrestri, ad alte temperature, ad esempio quelli tropicali, hanno velocità di interscambio del carbonio superiori rispetto agli ambienti più freddi. Questo avviene perché la produzione primaria, derivante essenzialmente dalla fotosintesi, ha una velocità maggiore rispetto agli ambienti a temperatura più rigida. Inoltre, il rilascio di carbonio attraverso la decomposizione avviene in modo altrettanto veloce.
L'attività metabolica legata al carbonio varia anche in base alle ore del giorno. In mattina, ad esempio, la fotosintesi riprende e la quantità di anidride carbonica disponibile nell'atmosfera diminuisce sensibilmente. Nel pomeriggio, invece, prevale la fase di respirazione ed aumenta la quantità disponibile di anidride carbonica.
Introduzione: Ecologia, ecosistema, biosfera, nicchia ecologica. Foresta pluviale, savana tropicale.
Flusso dell'energia: Produttore primario, consumatore
Cicli biogeochimici: Ciclo del carbonio, ciclo dell'azoto, ciclo del fosforo, ciclo dello zolfo.
Popolazione: Crescita della popolazione, fattore limitante, stress ecologico.
Rapporti tra specie: Neutralismo, commensalismo, competizione, mutalismo, amensalismo.
Dinamica delle popolazioni: Competizione intraspecifica, competizione interspecifica, coevoluzione. Equazioni di Lotka-Volterra.
Dinamica degli ecosistemi: Successione ecologica.
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