دورة الكربون في الطبيعة: شرح مفصل بالصور

يعتبر الكربون عنصرًا أساسيًا في أجسام الكائنات الحية. كما أنه مهم من الناحية الاقتصادية كوقود أحفوري للإنسان الحديث. ويُستهلك ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي عن طريق الكائنات الحية التي تعتمد على البناء الضوئي والتي تستخدمه لتكوين الجزيئات العضوية التي تنتقل عبر سلاسل الغذاء لينطلق ثاني أكسيد الكربون في النهاية بالزفير خلال عملية التنفس، وهي جزء من دورة الكربون في الطبيعة.

تساهم العمليات الجيولوجية البطيئة مثل عمليات تكوين الصخور الرسوبية والوقود الأحفوري في دورة الكربون على فترات زمنية طويلة.

بعض الأنشطة البشرية مثل حرق الوقود الأحفوري وإزالة الغابات تعمل على زيادة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ما يؤثر على المناخ والمحيطات في كوكب الأرض.

الكربون: البنية الأساسية ومصدر الوقود

تشكل ذرات الكربون حوالي 18 ٪ من كتلة جسمك، وتعتبر هذه الذرات هي أساس وجودك! من دون الكربون لن تحتوي خلايا جسمك على أغشية البلازما، أو جزيئات السكر التي تستخدمها كوقود، أو حتى الحمض النووي الذي يحمل معلومات بناء جسمك.

كما أن الكربون جزء من أجسامنا، فهو أيضًا جزء من صناعاتنا الحديثة. منذ زمن بعيد تشكلت من النباتات والطحالب مركبات الكربون على هيئة وقود أحفوري -مثل الفحم والغاز الطبيعي- نستخدمه اليوم كمصادر للطاقة. وينتج عن احتراق هذه المصادر غاز ثاني أكسيد الكربون ما يؤدي لارتفاع نسبة ثاني أُكسيد الكَربون في الغلاف الجوي. وهذه الزيادة تؤثر بشكل واضح على المناخ وتعتبر مصدر قلق بيئي كبير في جميع أنحاء العالم.

الآن هيا بنا نلقي نظرة على دورة الكربون ونرى كيف يتناسب استخدام الكائنات الحية للكربون وثاني أكسيد الكربون مع الصورة الأكبر لدورة الكربون.

دورة الكربون

تتم دراسة دورة الكربون بشكل أسهل عند اعتبارها دورتين فرعيتين مترابطتين:

الأولى تتعامل مع التبادل السريع للكربون بين الكائنات الحية.
والأخرى تتعامل مع تدوير الكربون على المدى الطويل خلال العمليات الجيولوجية.

سنتعمق بهما بشكل منفصل، إلا أنه من المهم إدراك أن هاتين الدورتين مرتبطتان ببعضهما. على سبيل المثال: ثاني أكسيد الكربون المُستهلك والمُنتج بواسطة الكائنات الحية هو نفسه الذي يدخل في العمليات الجيولوجية.

باختصار، يتواجد الكربون بشكل عام في الغلاف الجوي على صورة ثاني أكسيد الكَربون الذي يذوب في الماء مكونًا مجموعة البيكربونات HCO3-. تعمل عملية البناء الضوئي التي تتم بواسطة النباتات الأرضية، والبكتريا، والطحالب على تحويل ثاني أكسيد الكَربون والبيكربونات إلى جزيئات عضوية، والتي بدورها تنتقل خلال سلاسل الغذاء فيتحول الكربون العضوي إلى غاز ثاني أكسيد الكربون مرة أخرى من خلال الزفير في عملية التنفس الخلوي بالكائنات الحية.

يحدث التخزين طويل الأمد للكربون العضوي عندما يتم دفن الكائنات الحية في أعماق الأرض أو عند غرقها في قاع المحيط حيث تتشكل على هيئة صخور رسوبية. النشاط البركاني -وفي الآونة الأخيرة- حرق الإنسان للوقود الأحفوري يعيد هذا الكربون المُخزَّن إلى دورة الكربون. يحدث تكوين الوقود الحفري على نطاق زمني جيولوجي بطيء، إلا أن إطلاق البشر للكربون المحتوي على ثاني أكسيد الكربون يتم على مقياس زمني سريع للغاية.

دورة الكربون الحيوية

يدخل الكربون في جميع شبكات الغذاء -الأرضية منها والمائية– عن طريق الكائنات ذاتية التغذية التي تعتمد كلها تقريبًا على عملية البناء الضوئي، من هذه الكائنات النباتات والطحالب.

تلتقط الكائنات ذاتية التغذية ثاني أكسيد الكربون من الهواء أو أيونات البيكربونات من الماء وتستخدمها في صنع مركبات عضوية مثل الجلوكوز. تستهلك الكائنات غير ذاتية التغذية -مثل البشر- هذه المركبات العضوية، ويتم تمرير الكربون العضوي من خلال سلاسل وشبكات الغذاء.

كيف يعود الكربون إلى الغلاف الجوي أو المحيط؟ لتحرير الطاقة المخزّنة في الجزيئات المحتوية على الكربون مثل السكريات، تعمل الكائنات ذاتية التغذية والكائنات غير ذاتية التغذية على تفكيك هذه الجزيئات في عملية تسمى التنفس الخلوي.

في هذه العملية، يتم إطلاق الكربون الموجود في الجزيئات العضوية على صورة ثاني أكسيد الكربون. كما تعمل الكائنات المحللة أيضًا على تحليل المركبات العضوية وإنتاج الكربون العضوي وثاني أكسيد الكربون عند تحلل الكائنات الميتة والنفايات العضوية.

يمكن أن ينتقل الكربون بسرعة خلال هذه الدورة الحيوية، وخاصة في النظم المائية، إذ ينتقل في المجمل ما يتراوح بين 1000 إلى 100000 مليون طن متري من الكربون خلال الدورة الحيوية كل عام. يمكن تمثيل الطن المتري بوزن فيل أو سيارة صغيرة!

دورة الكربون الجيولوجية

تستغرق الدورة الجيولوجية للكربون وقتًا أطول بكثير من الدورة الحيوية السابق شرحها. في الواقع، يستغرق الكربون عادة ملايين السنين للتنقل خلال الدورة الجيولوجية. قد يتم تخزين الكربون لفترات طويلة من الزمن في الهواء والمسطحات المائية – في الغالب مسطحات المحيطات- ورواسب المحيطات والتربة والصخور والوقود الأحفوري وداخل الأرض.

يتأثر مستوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بالكربون المختزن في المحيطات والعكس صحيح. يذوب ثاني أكسيد الكربون من الهواء في الماء ويتفاعل مع جزيئات الماء في التفاعلات التالية:

CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ HCO3- + H+↔ CO32- + 2H+

تتفاعل مجموعة الكربونات CO32- المنطلقة من هذا التفاعل مع أيونات الكالسيوم Ca2+ لتتكون كربونات الكالسيوم CaCO3 وهي المكون الرئيسي لأصداف الكائنات البحرية. عندما تموت هذه الكائنات تغرق بقاياها وتصبح في النهاية جزءًا من الرواسب في قاع المحيط. بمرور الوقت الجيولوجي، تتحول هذه الرواسب إلى الحجر الجيري، وهو أكبر مخزن للكربون على الأرض.

يتم تخزين الكربون في التربة ككربون عضوي من تحلل الكائنات الحية أو ككربون غير عضوي من تفكك الصخور الأرضية والمعادن نتيجة العوامل الجوية. ويوجد في أعماق الأرض أنواع الوقود الأحفوري مثل النفط والفحم والغاز الطبيعي التي هي بقايا النباتات المتحللة في غياب الأكسجين. يستغرق الوقود الأحفوري ملايين السنين، وعندما يحرقه البشر، يتم إطلاق الكربون في الجو على هيئة ثاني أكسيد الكربون.

هناك طريقة أخرى لدخول الكربون إلى الغلاف الجوي عن طريق ثوران البراكين. تؤخذ الرواسب المحتوية على الكربون في قاع المحيط إلى عمق الأرض في عملية تسمى الانزلاق التكتوني، حيث تتحرك صفيحة تكتونية تحت أخرى. تُنتج هذه العملية ثاني أكسيد الكربون، والذي يمكن إطلاقه في الغلاف الجوي عن طريق الانفجارات البركانية أو المخارج الحرارية المائية.

تأثير الإنسان على دورة الكربون

ارتفع الطلب العالمي على احتياطي الوقود الأحفوري المحدود على الأرض منذ بداية الثورة الصناعية. يعتبر الوقود الحفري من المصادر غير المتجددة؛ لأنه يتم استخدامه بشكل أسرع بكثير من إنتاجه خلال العمليات الجيولوجية.

عند احتراق الوقود الأحفوري، ينطلق ثاني أكسيد الكَربون إلى الهواء الجوي. أدت زيادة استخدام الوقود الأحفوري إلى ارتفاع نسبة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. وتعتبر إزالة الغابات –قطع الأشجار– من العوامل المؤدية إلى ارتفاع نسبة ثاني أكسيد الكَربون في الغلاف الجوي؛ فالأشجار والغابات تساعد على امتصاص ثاني أكسيد الكَربون من الهواء الجوي ويؤدي إزالتها إلى ارتفاع نسبة ثاني أكسيد الكربون.

بعض ثاني أكسيد الكَربون الناتج عن أنشطة الإنسان يتم امتصاصه عن طريق النباتات أو يُمتص عن طريق ماء المحيطات، ولكن هذه العمليات لا تفي بتقليل زيادة نسبته في الهواء الجوي. وبالتالي، ارتفعت نسبة ثاني أكسيد الكَربون ومازالت مستمرة في الزيادة.

ترتفع مستويات ثاني أكسيد الكربون وتهبط بشكل طبيعي خلال الدورات على مدار فترات زمنية طويلة، لكنها أعلى الآن مما كانت عليه في الـ 400000 سنة الماضية، كما هو موضح في الرسم البياني أدناه:

لماذا نهتم بزيادة نسبة ثاني أكسيد الكَربون في الهواء الجوي؟ لأن ثاني أكسيد الكَربون يعتبر من الغازات الدفيئة. عندما يتواجد في الغلاف الجوي فإنه يحبس الحرارة ويمنع الأشعة من المرور خلال الغلاف الجوي إلى الفضاء.

وطبقًا للأدلة يرى العلماء أن ارتفاع نسبة ثاني أكسيد الكربون والغازات الدفيئة الأخرى يؤدي إلى تغيرات مناخية واضحة بكوكب الأرض. من دون التدخل الحاسم لخفض هذه النسبة، من المتوقع أن ترتفع درجة حرارة الأرض بمقدار 1 إلى 5 درجة سليزية بعام 2100.

أيضًا، على الرغم من أن امتصاص المحيطات لثاني أكسيد الكربون الزائد قد يبدو جيدًا من منظور الغازات الدفيئة، فهو لا يبدو جيدًا على الإطلاق من منظور الحياة البحرية. فكما رأينا سابقًا أن ثاني أكسيد الكَربون يذوب في ماء المحيطات ويتفاعل مع جزيئات الماء مكونًا أيونات الهيدروجين H+.

وبالتالي، امتصاص نسبة أكبر من ثاني أكسيد الكربون تؤدي إلى تكوين أيونات هيدروجين أكثر ما يزيد من حامضية الماء. زيادة حامضية الماء تقلل بدورها من تركيز أيونات الكربونات CO32- ما يصعّب على الكائنات البحرية الحفاظ على أصدافها لقلة نسبة كربونات الكالسيوم.

كل من ارتفاع درجات الحرارة والحامضية يضران بالحياة البحرية كما أنهما مرتبطان بظاهرة تبييض الشعب المرجانية.

يركز نقاش الآثار المستقبلية لزيادة الكربون في الغلاف الجوي على تغير المناخ على الوقود الحفري فقط. ومع ذلك، يجب على العلماء أن يأخذوا العمليات الطبيعية مثل البراكين ونمو النبات ومستويات الكربون في التربة والتنفس في عين الاعتبار عند قيامهم بتوقع التأثير المستقبلي لهذه الزيادة.