Synopsis: Fytoplankton, kulstofkredsløb og klima side 1 af 6

Transkript

1 FYTOPLANKTONS INDFLYDELSE PÅ DET GLOBALE KULSTOFKREDSLØB Marin fytoplankton spiller en vigtig rolle i reguleringen af Jordens klima. Kan de også udnyttes til bekæmpelse af global opvarmning? Med leksikale noter af Niels Roholt Synopsis: Den marine fytoplanktons 1 hurtige livscyklus 2 overfører drivhusgassen CO 2 fra atmosfæren og de øvre vandmasser i oceanerne til dybhavet, hvor gassen forbliver isoleret indtil opvældende havstrømme returnerer den til overfladen flere hundrede år senere. Hvis alverdens marine fytoplankton døde her og nu ville koncentrationen af CO 2 i atmosfæren stige 200 ppm - eller med 35% - i løbet af få århundreder. Ved at tilsætte udvalgte næringssalte, specielt jern 3, til overfladevandet i havet øges væksten af fytoplankton og dermed deres optag af CO 2 via fotosyntese 3, men om denne kunstgødning øger oplagringen af CO 2 er ikke sandsynliggjort. Kunstig forøgelse af fytoplanktons tilvækst vil have uomgængelige, men også uforudsigelige konsekvenser for de naturlige marine økosystemer. side 1 af 6

2 Jordens kulstofkredsløb kan på dramatisk måde påvirke det globale klima 5 afhængig af den relative mængde af drivhusgassen 6 CO 2 der, som gul-grønne pile i figuren antyder, "vandrer" ind og ud af henholdsvis atmosfæren og de øverste vandmasser i havet. Et kredsløb der fuldendes på omkring 6 år. Plantelignende organismer, der kaldes fytoplankton spiller 4 vigtige roller i denne cyklus. Fytoplankton indbygger årligt omkring 50 milliarder tons carbon 7 ved deres fotosyntese (1), som ofte fremmes af jern som tilføres med vindbåret jernholdigt støv (rust-rød pil på figuren). Fytoplankton oplagrer også midlertidigt CO 2 i oceanernes dyb via den biologiske pumpe (2): ca. 15% af den carbon de assimilerer 8 aflejres i dybhavet, hvor det frigøres som CO 2 efterhånden som de døde celler forrådner og nedbrydes. I løbet af flere hundreder år transporterer opvæld 9 den opløste gas og andre næringsstoffer tilbage fra dybhavet til det solbelyste overfladevand. En lille del af de døde celler undslipper cyklus og bliver i stedet til potentielle olieaflejringer eller sedimentære bjergarter 11 i havbunden. Noget af den CO 2, der er bundet i bjergarterne, undslipper som gas og vender tilbage til atmosfæren under vulkanisme (3). Det sker efter år-millioners ophold i en subduktionszone 10 og metamorfose 12 dybt i Jordens indre. I modsætning hertil bringer afbrænding af fossile brændsler 13 CO 2 tilbage til atmosfæren omkring en million gange hurtigere (4). Den marine fytoplankton og skovene på land kan ikke hurtigt nok indbygge CO 2 for at imødegå den stigende mængde. En konsekvens heraf ser ud til at være, at den globale carbon-cyklus er kommet ud af balance. Mængden af CO 2 i atmosfæren øges drastisk i disse år, med eventuelle konsekvenser for det globale klima. Nogle forskere arbejder seriøst med at gribe ind i den ødelagte carbon-cyklus. Deres hypotese er, at man ved kunstigt at tilføre store mængder jern til oceanerne vil kunne øge fytoplanktons fotosyntese og dermed den biologiske pumpe. Noter: 1 Fytoplankton Plankton, svæv, organismer, der lever i havets, søers og floders frie vandmasser og føres mere eller mindre passivt omkring af vandstrømme. De fleste planktonorganismer er så små, at man ikke kan se dem med det blotte øje. Planteplankton (fytoplankton) er alger, der lever i de øverste vandlag, hvor de udnytter sollyset til fotosyntese. De har klorofyl og andre stoffer, der indfanger sollysets energi, som bruges til at opbygge organisk stof. Planktonalgerne er det første led i de frie vandmassers fødekæder. De danner det organiske stof, som dyreplankton og andre heterotrofe organismer bruger til deres stofskifte og vækst. Planktonalger er meget følsomme for ændringer i fx sollys, temperatur og mængden af næringssalte, og den ene algeart afløser den anden i årets løb. I roligt vejr i sensommeren kan blågrønalgerne vha. deres luftblærer stige op mod overfladen og danne grønne, malinglignende tæpper, vandblomst. Også i havet kan planktonalger under gunstige forhold udvikle masseforekomster. Det er især dinoflagellater, der kan optræde i så store mængder, at vandet farves rødbrunt (red tide). side 2 af 6

3 2 Livscyklus Den serie af faser der forløber fra dannelsen af kønsceller eller datterceller i én generation til det samme stadium i den efterfølgende. 3 Jern - hvorfor? I 1980'erne gjorde havbiologerne en overraskende opdagelse. I det sydlige Stillehav og havet omkring Antarktis var der høje niveauer af næringssalte, men lave niveauer af klorofyl i fytoplankton. Hvad var årsagen? Hvad manglede? Det viste sig at være grundstoffet jern, der manglede! Fra tid til anden blæser støvstorme jernholdigt støv ud over oceanerne og - vupti - så blomstrede fytoplankton op. Jern er altså den begrænsende faktor for fytoplanktons vækst. Forsøg i laboratorier, har siden bekræftet denne sammenhæng. Hertil kommer, at analyser af gamle luftbobler, fanget i indlandsisen, har afsløret en sammenhæng mellem jernstøvniveauerne, atmosfærens indhold af CO 2 og det globale klima. 4 Fotosyntese Kompliceret række af biokemiske processer, som sætter planter, alger og cyanobakterier (blågrønalger) i stand til vha. sollys at omdanne atmosfærens kuldioxid (CO 2, carbondioxid) til organiske forbindelser og ilt (oxygen). Fotosyntese forløber efter følgende bruttoformel: Ved fotosyntesen omdannes lysenergi således til kemisk energi oplagret i form af organiske forbindelser. Planter binder normalt 2-5% af den solenergi, der rammer dem i organisk stof. Resten går tabt. 5 Globale klima - Havene modvirker drivhuseffekten Oceanerne optager mere CO 2 end de afgiver til atmosfæren. De store, dybe verdenshave modarbejder den globale opvarmning ved at optage mere CO 2, end de afgiver. Det mener to tyske forskere, der i otte år hver for sig har deltaget i systematiske undersøgelser af verdenshavenes indhold af luftarten. - Hvis vi er i stand til at nedbringe vores afgivelse af CO 2 til atmosfæren, vil havet over århundreder være i stand til at afhjælpe drivhuseffekten, siger dr. Arne Körtzinger fra universitetet i Kiel. - Havet kan ikke optage menneskehedens store udslip nu og her. Men set i et større perspektiv er det positivt for kloden, at der er en naturlig måde at lagre CO 2 på, siger han og understreger, at det er en langsommelig proces. En af hans tyske kolleger, professor Bernd Schneider fra Instituttet for Østersøforskning i Warnemünde, bakker ham op: - Det er selvfølgelig interessant set i forhold til, at i-landene gennem de sidste 150 år har produceret mere og mere CO 2 til atmosfæren uden at tænke på, hvad der bliver af den. De er begge to blandt de mange udenlandske videnskabsfolk, der siden 1990 har interesseret sig for, hvor meget CO 2 havet afgiver og modtager. - Der er på nuværende tidspunkt god grund til at tro, at hvad der bliver frigivet til atmosfæren efterfølgende kan optages i et kæmpestort reservoir som havet, fortæller Arne Körtzinger. I slutningen af 80erne blev den internationale sammenslutning JGOFS (Joint Global Ocean Flux Study) dannet. I dag deltager 21 lande i samarbejdet. Udtalelserne er således baseret på otte års internationalt samarbejde, hvor der systematisk er taget prøver fra verdenshavene. 6 Drivhusgasser er luftarter, der bidrager til drivhuseffekten. De største bidragydere er vanddamp og kuldioxid (CO 2 ), der til sammen øger atmosfærens temperatur med 27,3 C. Uden drivhusgasser ville Jordens gennemsnitstemperatur, der er 15 C være 18 C, dvs 32 C lavere end i dag. Gas = luftart Vanddamp H 2 O Andel i den naturlige drivhuseffekt 20,1 C Levetid i atmosfæren side 3 af 6 Specifikke drivhuspotentiale Kuldioxid CO 2 7,2 C 6-10 år 1 Ozon O 3 2,4 C dage Kvælstofoxid N 2 O 1,4 C år 230 Methan CH 4 0,8 C 4-7 år 32 CFC-gasser 0,03 C år Kuldioxid dannes naturligt (levende organismers respiration og vulkanudbrud) samt i stigende omfang ved forbrænding af fossile brændstoffer. Indtil nu er atmosfærens koncentration af CO 2 herved øget med 20% siden den industrielle revolution begyndte. Andre drivhusgasser er methan CH 4, som bl.a. kommer fra husdyr, oversvømmede rismarker og andre steder, hvor

4 organiske materialer nedbrydes af mikroorganismer under iltfri (anaerobe) forhold, En drivhusgas er også kvælstofoxid ("lattergas") N 2 O, der bl.a. kommer fra bakterier i jord og i sø- og havbund samt som udledningsprodukt fra visse industrielle fremstillinger, afbrændinger af organiske materiale og landbrugets brug af kvælstofgødning. Derudover kan nævnes ozon O 3 i atmosfæren og CFC (freon). 7 Kulstof Carbon Carbon, (afledn. af lat. carbo, gen. carbonis 'kul', dvs. opr. 'trækul'), kulstof, grundstof nr. 6, placeret i det periodiske systems 14. gruppe; atomtegn C. Carbon kendes i naturen i to veldefinerede former: diamant og grafit. Isotoper. I naturen findes de stabile isotoper 12 C (99%) og 13 C (1%) samt vekslende små mængder af den radioaktive isotop 14 C. Isotopen 12 C benyttes som standard, idet man internationalt har fastsat enheden mol for stofmængde, n. En stofmængde på 1 mol indeholder lige så mange elementære dele, som der er atomer i 12 g af isotopen 12 C. Isotopen 14 C benyttes ved aldersbestemmelser; Biokemi og biologi. Carbon hører (ligesom brint, nitrogen, ilt, fosfor og svovl) til de grundstoffer, vi antager er essentielle for udfoldelse af enhver form for biologisk liv. Disse grundstoffer (C, H, N, O, P, S) er udgangspunkt i store dele af den eksisterende kemi. Man kender til tusinder af carbonforbindelser, som er så forskelligartede, komplicerede og vigtige, at studiet af dem er en særlig gren af kemien. Den blev i 1800-t. benævnt organisk kemi, fordi man mente, at alle den slags forbindelser måtte stamme fra levende organismer og kun kunne dannes i livsprocesserne. I starten af 1840'erne, da J. von Liebig og andre kemikere i laboratoriet syntetiserede carbonforbindelser, som var analoge med de forbindelser, man fandt i organismer, indså man, at "organisk kemi" ikke var "livets kemi", men "carbonforbindelsernes kemi", og at ingen skjulte, vitale principper adskilte organisk fra uorganisk kemi. Således gælder der grundlæggende de samme lovmæssigheder for kunstige og naturlige carbonforbindelser på molekylært niveau. Alligevel kan de i forbindelse med levende celler opføre sig forskelligt. Eksempelvis vil nogle af de kunstigt fremstillede carbonforbindelser, man kender i dag, f.eks. plaststoffer som PVC, ikke eller kun meget langsomt kunne nedbrydes af mikroorganismer i økosystemet. De carbonforbindelser, der naturligt (ved biosyntese) opbygges i levende organismers celler, studeres i biokemien, som også undersøger nedbrydningen af forbindelserne, der sker enten ved spontane processer i cellerne, ved forbrænding (respiration) eller i kraft af de mikroorganismer, der spiller en særlig rolle i de økologiske kredsløb ved at frigive kuldioxid og andre mindre carbonforbindelser. Discipliner som geokemi, fysiologi, biokemi og økologi bidrager til forståelsen af carbonomsætningen på Jorden, både i levende organismer og i deres fysisk-kemiske omgivelser. To processer i levende organismer, autotrofi og respiration, er afgørende for hhv. opbygning og nedbrydning af carbonforbindelser. De autotrofe organismer kan enten som grønne planter være fotoautotrofe og udnytte solens energi eller som visse bakterier være kemoautotrofe og udnytte kemisk energi fra uorganiske forbindelser. I begge tilfælde bruges energi til biosyntesen af carbonforbindelser. Ved respiration ("ånding") udnyttes den kemiske energi, som er bundet i carbonforbindelser, til cellernes vigtigste livsfunktioner. Groft sagt er fotosyntese og respiration hinandens omvendte. Fotosyntese: Respiration: Sukkerstoffet C 6 H 12 O 6 er grundlaget for videre syntese af mere komplekse carbonforbindelser. De biokemisk vigtige carbonforbindelser i vores krop omfatter især fire store familier af makromolekyler, der bl.a. fungerer som byggesten og energitransportører i de levende celler: proteiner (inkl. enzymer), nukleinsyrer (bl.a. DNA), kulhydrater og lipider. Carbonatomet, som danner fire covalente bindinger, spiller den centrale rolle som rygrad i disse molekyler pga. dets særlige evne til at danne lange, fleksible kæder. For hvert led i kæden bruger carbonatomet to af sine fire covalente bindinger til forbindelsen til de to naboatomer; de to andre er frie til at binde enten ilt, brint eller andre atomer eller til at lave sidekæder af carbonforbindelser. Variationsmulighederne er (næsten) uendelige. Der kan også forekomme dobbeltbindinger (som f.eks. i umættede fedtsyrer) mellem to C-atomer, hvilket giver carbonrygraden i molekylet større stivhed. Carbon udgør (i atom-pct.) 11% af den menneskelige organisme, mens ilt udgør 25% og brint 60%. I Universet er forekomsten af disse grundstoffer 0,9% for carbon, 0,06% for ilt og 91% for brint. I den vandige, gel-agtige opløsning (cytoplasma) inde i cellerne foregår de biokemiske omsætninger af carbonforbindelser ofte som cyklusser af mange trin, der hver involverer reaktioner mellem specifikke molekyler. De er specifikke, idet deres atomer er sammenknyttet på ganske bestemte måder (beskrevet ved deres strukturformel). Deres tredimensionale struktur er forholdsvis stabil, veldefineret og bestemmende for makromolekylernes evne til indbyrdes at "genkende" hinanden, hvilket er afgørende for disse cyklussers præcise forløb. Genkendelsesproceduren mellem to molekyler sammenlignes ofte med en nøgle, som skal finde en lås, der passer. f.eks. består et enzym af en lang kæde af aminosyrer, der er foldet op på en ganske bestemt måde, som fastlægger enzymets overordnede form. Formen har side 4 af 6

5 betydning for enzymets funktion: Det enkelte carbonatom spiller ikke nogen isoleret rolle i forbindelse med et enzyms genkendelse af sit substrat (f.eks. et andet protein eller et kulhydrat); det er selve måden, som enzymmolekylet er foldet op på, der bestemmer dets stabile form. Kan liv tænkes realiseret uden brug af carbon? Silicium (Si) er det grundstof, som kemisk ligner carbon mest. Det kunne måske have carbons rolle og være basis for andre livsformer. Men silicium danner ikke dobbeltbindinger. Skønt siliciumilt bindinger blot er lidt mere stabile end carbon-ilt bindinger, danner de som regel silikater, hvor samme enhed gentages igen og igen, snarere end komplekse molekyler med sidekæder og en aperiodisk struktur med potentiel rolle som opbevarer af information. DNA-molekylet udfylder en sådan rolle og er det organiske makromolekyle, som direkte eller indirekte rummer opskriften på de mange tusinde forskellige carbonforbindelser, enhver levende celle danner. Geokemi og mineraler. Carbon udgør kun 0,02 vægtpct. af den kontinentale jordskorpe og 0,003 vægtpct. af havvandet. Alligevel spiller det en meget vigtig geokemisk, biokemisk og biologisk rolle. Det findes frit i naturen i mineralerne diamant og grafit, der begge består af rent carbon. Det er desuden hovedbestanddelen af et stort antal mineraler, først og fremmest carbonatmineraler som f.eks. calcit, aragonit og malakit. Carbonat findes desuden i nogle fosfat- og silikatmineraler. Carbider som f.eks. cohenit findes i meteoritter. Meteorittypen kulchondritter indeholder organisk-kemiske carbonforbindelser og har op til 5 vægtpct. carbon. Selvom der kendes et meget stort antal organisk-kemiske forbindelser, findes disse kun sjældent som mineraler i naturen, eksempler er rav og oxalatet whewellit. Bjergarterne i Jordens kappe indeholder carbon, hvilket bl.a. ses af forekomsten af diamanter i magmabjergarter, der stammer fra dybder mere end 120 km nede i kappen, og af gasindeslutninger med carbondioxid under stort tryk i f.eks. mineralet olivin i basaltiske magmabjergarter. Gennem jordklodens historie er carbon, hovedsagelig i form af carbondioxid, bragt ud i atmosfæren af vulkanudbrud og er derfra indgået i kulstofkredsløbet. Det meste af carbondioxiden opløses i havvandet i form af bicarbonat- og carbonationer. I havet udfældes carbonationerne af kemiske og biologiske processer under dannelse af sedimentære carbonatbjergarter dels som kalk og kridt i varme, lavvandede havområder, dels som f.eks. foraminifer-slam på oceanbunden. Carbonatbjergarter udgør det største reservoir af carbon ved Jordens overflade. En anden del af atmosfærens carbondioxid omsættes i fotosyntesen til plantemateriale og danner dermed grundlag for liv. Når organismer respirerer eller dør, frigøres carbondioxid, der igen indgår i kredsløbet. Men en mindre del af organismeresterne indlejres i sedimenter og kan under de rette betingelser blive omdannet til kul og kerogen; sidstnævnte kan omdannes til olie og naturgas. De to stabile carbonisotoper, 13 C og 12 C, fraktioneres af biologiske og geokemiske processer, således at f.eks. 12 C koncentreres i det plantemateriale, som dannes af fotosyntesen, mens 13 C koncentreres i carbon i sedimentære carbonatbjergarter. En bestemmelse af forholdet mellem de to isotoper kan derfor anvendes til at spore oprindelsen af en bjergarts indhold af carbon. Carbonisotopen 14 C dannes i den øvre atmosfære, når kosmiske partikler rammer atomer af nitrogenisotopen 14 N. 8 Planternes kuldioxidassimilation Opbygningen af kuldioxid og vand til plantetørstof, kaldes kuldioxidassimilation. Når processen, som i dette tilfælde, foregår ved hjælp af lysenergi, kaldes den fotosyntetisk kuldioxidassimilation eller oftest blot fotosyntese, som kan udtrykkes med ligningen: Kuldioxidassimilationen hos de autotrofe organismer, først og fremmest de grønne planter, er af grundlæggende betydning for alle andre væsner på Jorden. Kun ved denne virksomhed dannes der organisk stof af uorganisk. Af kuldioxid og vand dannes kulhydrat og heraf igen lipider ("fedt"). Af de samme råstoffer plus nitrogen (N), fosfor (P) og svovl (S) dannes der proteiner. Disse stofgrupper er af afgørende betydning for Jordens øvrige beboere. Derfor er alle heterotrofe organismer afhængige af de autotrofe. Uden disse ville i løbet af nogle få år alt organisk stof være forsvundet fra Jordens overflade, nedbrudt til kuldioxid, vand og andre uorganiske stoffer. Omvendt bidrager de heterotrofe organismer, som vist i figuren, meget væsentligt til dannelsen af nyt kuldioxid, som igen kan assimileres af de autotrofe. Kredsløbet holdes i gang. I bredere forstand er assimilation i biologien den del af en organismes energi- og næringsstofoptagelse, der udnyttes til at opretholde livsprocesserne og til vævsopbygning, vækst og formering. 9 Opvæld Strømme af koldt næringsrigt vand fra dybhavet, der vælder op mod oceanernes overflade. Det rige indhold af næringssalte er årsagen til, at der ofte forekommer en enorm primærproduktion de steder, opvældet finder sted. 10 Sedimentære bjergarter Sedimenter er aflejringer bestående af løse, usammenkittede partikler. De tilsvarende sammenkittede aflejringer betegnes sedimentære bjergarter. Sedimenter og sedimentære bjergarter dækker f.eks. næsten hele Danmark; kun på det nordøstlige Bornholm når grundfjeldet op til overfladen. side 5 af 6

6 11 Subduktionszon = destruktiv pladerand Meget dyb og seismisk aktiv pladetektonisk struktur, knyttet til konvergerende pladegrænser, hvor oceanisk lithosfære fra en dybhavsgrav eller et oceandyb føres skråt ned under den øvre plade. Oceanbundspladen, som bevæger sig 1-10 cm nedefter pr. år, danner en hældende og stiv flap, der gennembryder asthenosfæren og fortsætter ned i mesosfæren til km dybde. Flappens indsynkning lettes af metamorfe processer forårsaget af det øgede tryk. Samtidig frigives vand, som stiger opefter fra flappen og fremmer opsmeltningen af asthenosfæren under den øvre plade. Afhængigt af om den øvre plade fra begyndelsen har oceanisk eller kontinental skorpe, udvikles der i den øvre plade en vulkansk øbue eller et Andestype- orogen, som i ovenstående figur. 12 Metamorfose Omdannelse. Inden for geologi den proces, hvorved eksisterende bjergarter ved deformation og/eller omkrystallisation omformes til metamorfe bjergarter, de mest udbredte bjergartstyper i jordskorpen. Ved metamorfose omdannes ikke alene sedimentære og magmatiske, men også tidligere metamorfoserede bjergarter. Omdannelserne kan være så omfattende, at den oprindelige bjergart ikke med sikkerhed kan identificeres. De metamorfe omdannelser er specielt knyttet til den termale og dynamiske aktivitet i områderne langs lithosfærepladernes grænser, idet stigning i tryk og/eller temperatur samt deformation er de fysiske årsager, som betinger metamorfose. De dynamiske processer i Jorden, konvektionsstrømme i kappen og lithosfærepladernes bevægelser bidrager til, at der specielt langs pladegrænserne ophobes spændinger. Disse udløses i den øvre, sprøde del af kontinentskorpen ved forkastninger og bruddannelser, langs hvilke bjergarterne uden omkrystallisation knuses til såkaldte kataklastiske bjergarter. 13 Fossile brændsler Hjørnerne i trekantdiagrammet repræsenterer 100% af hver af de tre grundstoffer: kulstof (C), Ilt (O) og brint (H). Et punkt inde i diagrammet viser blandingen af de tre grundstoffer. F.eks. er træ en blanding af 35% C, 25% O og 40% H. Efterhånden som træ omdannes til tørv, brunkul og stenkul, sker der en opkoncentration af kulstof i forhold til brint og ilt. Hel rent kul - glanskul (antracit) - består af 100% kulstof. Fossile brændsler Samlende betegnelse for kul, råolie og naturgas; opstået ved geokemisk og geologisk omdannelse af organisk materiale. Kul er opstået ved omdannelse af landbaserede planter, hvis indhold af kulhydrater (især cellulose) o.l. nedbrydes anaerobt, når dødt plantemateriale overlejres af andre geologiske lag. Processen indledes med omdannelse af lignin til humussyrer og omdannelse af cellulose til aromatiske forbindelser og fører efterhånden til faldende indhold af hydrogen og oxygen i materialet. Kul af lav geologisk alder (tørv og brunkul) er karakteriseret ved relativt højt indhold af hydrogen, oxygen og flygtige forbindelser, mens det modsatte er tilfældet for kul af høj geologisk alder (stenkul og antracit). Olie er som beskrevet opstået ved omdannelse af marine organismer, især fytoplankton, som aflejres på havbunden og efterhånden indlejres i sedimentbjergarter. Organismernes indhold af fedtstof, kulhydrater og protein omdannes her under højt tryk og relativt høj temperatur til overvejende alifatiske og cykloalifatiske carbonhydrider, dvs. hovedbestanddelene i mineralolie. Carbonhydriderne er oprindelig fint dispergeret (spredt) i moderbjergarten, men diffunderer gennem denne, indtil videre bevægelse standses af lag af uigennemtrængelige bjergarter; ved denne proces dannes de olieførende lag i undergrunden. side 6 af 6