L'anidride carbonica: ciclo, solubilità e relazione con il calcio

e CAMPUS UNIVERSITÀ

Corso di Laurea e Insegnamento

Corso di Laurea: Insegnamento: Numero lezione: Titolo: Psicologia L' anidride carbonica

L'ultimo dei fattori abiotici che prenderemo in considerazione e che riveste un'enorme importanza per la vita sulla Terra è l'anidride carbonica. L'anidride carbonica è la principale fonte di carbonio per gli organismi (si trasforma in zuccheri attraverso il processo fotosintetico). Gli zuccheri serviranno per la produzione di tutti gli altri composti biologici (grassi, acidi nucleici e proteine) che includono il carbonio come componente principale. L'anidride carbonica viene restituita dalla serie di processi metabolici che vanno sotto il nome di respirazione. Questi processi servono per utilizzare l'energia contenuta nei legami chimici e restituirla ai processi biologici, come CO2 come molecola di rifiuto. L'anidride carbonica è presente in atmosfera in concentrazione molto più bassa dell'ossigeno (1/700 dell'O2), ma la concentrazione di CO2 sta aumentando vertiginosamente a seguito delle attività umane.

La CO2 è estremamente solubile in acqua perché ad essa si lega chimicamente, dunque, non rappresenta un fattore limitante per gli organismi che abitano gli ambienti acquatici. Come tutti gli elementi che entrano nella costituzione dei viventi, il carbonio ha un ciclo sulla Terra, quello che viene chiamato ciclo biogeochimico del carbonio. In questo ciclo la CO2 entra negli organismi viventi attraverso il processo fotosintetico, viene trasformato in zuccheri, viene trasferito dagli organismi fotosintetici agli altri organismi come cibo; viene continuamento respirato sia dagli organismi fotosintetici e sia dagli organismi non fotosintetici. Il ciclo naturale è quello di acquisizione all'interno della materia vivente e restituzione in atmosfera. Un tempo questo ciclo era assolutamente bilanciato, cioè quello che veniva acquisito, veniva restituito. Adesso, come si vede bene dalla diapositiva 3, quello che viene restituito non è solo quello acquisito dagli organismi fotosintetici, ma viene utilizzato come combustibile fossile per la produzione di elettricità, riscaldamento, mobilità e così via. restituita anche a causa degli incendi delle foreste, combustione del legno e dei rifiuti organici. L'anidride carbonica entra negli organismi con il processo fotosintetico; viene restituito con la respirazione e la decomposizione di organismi morti (o parti di essi); viene in parte sottratto alla circolazione in casi eccezionali, come quando è stato se trasformato in carbone/petrolio. La produzione del carbonio e del petrolio è stata possibile perchè in tempi lontani enormi foreste sono rimaste sotterrate per via di eventi geologici. Viene sottratto alla circolazione anche quando precipita sotto forma di carbonato di calcio, come avviene nella produzione delle rocce calcaree/dolomie. Viene rimobilitato dalle rocce per il ruscellamento delle acque e movimenti della crosta terrestre. Viene immesso in circolo anche dalle attività vulcaniche. La slide 5 mostra le dimensioni del ciclo del carbonio, la quantità della CO2 gassosa è una quantità molto grande, ma relativamente bassa rispetto le altre frazioni: 2,41x1018 grammi di carbonio, mentre nella litosfera 67000 x1018 grammi e nelle rocce o nelle rocce ce ne sono 25000. L'idrosfera rappresenta una quantità di carbonio più alta di quella gassosa, ma sempre relativamente piccola. La biosfera rappresenta una frazione piccolissima di quello che è il carbonio a disposizione sulla Terra, sia gli organismi terrestri, sia quelli marini, sia il detrito che viene dalla 1 C 2007 - 2016 Università degli Studi eCampus - Via Isimbardi 10 - 22060 Novedrate (Co) - C.F. 9002752130 - Tel: 031.79421 - Fax: 031.7942501 - Mail: info@uniecampus.ite CAMPUS UNIVERSITÀ Corso di Laurea: Insegnamento: Numero lezione: Titolo: Psicologia degradazione degli organismi terrestri rappresentano una quota molto piccola del carbonio.

2 C 2007 - 2016 Università degli Studi eCampus - Via Isimbardi 10 - 22060 Novedrate (Co)- C.F. 9002752130 - Tel: 031.79421 - Fax: 031.7942501 - Mail: info@uniecampus.ite CAMPUS UNIVERSITÀ Corso di Laurea: Insegnamento: Numero lezione: Titolo: Psicologia L'anidride carbonica

CO2 nell'ambiente acquatico

In questa sessione ci occuperemo della CO2 nell'ambiente acquatico e delle variazioni ed effetti biologici della CO2. L'anidride carbonica nell'ambiente acquatico entra con la respirazione degli organismi, per la decomposizione di sostanza organica, grazie ai fenomeni vulcanici e per dissoluzione della CO2 atmosferica. Il passaggio della CO2 atmosferica all'acqua è un passaggio molto efficiente. Il passaggio varia con la temperatura e con i ritmi nictemerali, cioè giornalieri , dell'attività fotosintetica. Il passaggio è tanto efficiente che in mare ci sono 30-60 ml/l di CO2 e soltanto 8-9 ml/l di O2. La tabella della slide 3 mostra l'efficienza della solubilità della CO2, a differenti pressioni parziali di CO2 corrispondono differenti percentuali di immissioni in acqua; all'aumentare della pressione parziale in atmosfera, c'è un aumento nell'acqua. Si vede anche che questo processo è tanto meno efficiente tanto maggiore è la temperatura dell'acqua. Per esempio a parità della pressione parziale 0,03 a 0 gradi la solubità dell'acqua pura è uno, scende a 0,85 a 5 gradi, 0,7 a 10 gradi e così via, fino a diventare 0,51 a 20 gradi ed addirittura 0,38 a 30 gradi. Ma cosa succede quando l'anidride carbonica entra nell'ambiente acquatico per dissoluzione? CO2 + H2O -> H2CO3 (acido carbonico) ma in realtà la forma chimica presente nel mezzo acquatico dipende dal pH del mezzo stesso. La CO2 che si dissolve in acqua a pH piuttosto acido (4-5) rimane sotto forma di acido carbonico, se il pH è intorno alla neutralità (7-8) si forma HCO3- cioè sotto forma di bicarbonato; addirittura se il pH dell'acqua è molto basico (11-12) la forma p CO3 " cioè carbonato. Tutto questo è molto importante per gli organismi acquatici perché il carbonato nella sua forma più comune è il carbonato di calcio che è uno dei componenti principali di moltissimi organismi, viene utilizzato come struttura di sostegno. La forma carbonato di calcio dipende dal pH e dipende anche dalla temperatura e salinità. Il bicarbonato è contenuto a valori di pH più bassi, da basse temperature e bassa salinità;, mentre a valori elevati di pH, alta temperatura ed alta salinità, la forma principale in cui la CO2 si trova nell'acqua è quella del carbonato (carbonato di calcio). Queste sono le condizioni dei mari tropicali, della barriere coralline. I coralli sono organismi che hanno una struttura di carbonato di calcio. Il passaggio continuo dell'acido carbonico che entra in dissoluzione verso il carbonato di calcio permette la crescita molto rapida e molto efficiente degli organismi di barriera, questa è la ragione della ricchezza degli ambienti della barriera corallina. La slide 6 spiega la concentrazione di CO2 varia durante il giorno (ritmi nictemerali) negli ambienti acquatici, nel grafico viene riportata la Variazione della temperatura, del tasso di ossigeno, di anidride carbonica e del pH nelle acque superficiali di un lago americano (Buckeye Lake, Ohio) in un giorno d'estate. In ascissa sono gli riportati gli orari, 18, 24, 6,12,17, mentre in ordinata sono riportate tutte le variazioni. Dobbiamo considerare che la temperatura si abbassa nelle ore notturne, raggiungo un minimo nelle prime ore della giornata; l'ossigeno disciolto scende durante la notte per via dell'assenza della fotosintesi degli organismi autotrofi e di conseguenza all'abbassamento del pH me per la stessa ragione, nelle prime ore del mattino, la concentrazione di CO2 è la più alta e poi ridiscende.

1 C 2007 - 2016 Università degli Studi eCampus - Via Isimbardi 10 - 22060 Novedrate (Co)- C.F. 9002752130 - Tel: 031.79421 - Fax: 031.7942501 - Mail: info@uniecampus.ite CAMPUS UNIVERSITÀ Corso di Laurea: Insegnamento: Numero lezione: Titolo: Psicologia L'anidride carbonica

Effetti biologici della CO2

Questa ultima sessione sull'anidride carbonica ci mostrerà gli effetti biologici della CO2. L'anidride carbonica è un gas e per questo interferisce con tutte quelle attività che hanno a che vedere con il suo scambio. Per esempio la riduzione della concentrazione di CO2 in atmosfera è uno dei meccanismi che vengono immediatamente rilevati dalle piante che bloccano il processo fotosintetico. Questo non è il caso dei nostri tempi in cui parliamo di eccesso di CO2 e dei suoi effetti. Alcuni autori sostengono che un eccesso di CO2 induca un aumento della fotosintesi, questa sarebbe un'ottima risposta delle piante perché l'anidride carbonica è un gas ad elevato EFFETTO SERRA ed è tra i principali responsabili del Global Warming (Riscaldamento globale). Tra gli altri effetti dell'anidride carbonica c'è la perdita dell'orientamento nei pesci anadromi che nel corso della loro vita risalgono le sorgenti dei fiumi dove vanno a riprodursi. I pesci risalgono le masse di acqua andando verso aree con maggiore quantità di ossigeno, più il carattere è torrentizio, più veloce è il corso dell'acqua e più ossigeno sarà presente nelle masse di acqua. Un incremento di anidride carbonica nell'acqua, nella prima parte dei corsi/ fiumi, non fa altro che far perdere l'orientamento ai pesci che non hanno più questo segnale diretto per continuare a risalire nel corso del fiume per raggiungere il sito di riproduzione.

La concentrazione elevata di anidride carbonica non è compatibile con la vita degli organismi che respirano ossigeno, infatti l'aumento della CO2 porta prima ad uno stato di narcosi e poi morte. Gli organismi acquatici sono più sensibili alla CO2 di quelli terrestri. L'elevata concentrazione di CO2 è in grado di uccidere la carpa (slide4) in relazione anche alla temperatura. Mettere in relazione temperatura e concentrazione di CO2 vuol dire che, nel corso delle variazioni stagionali per esempio nella stagione calda, la concentrazione di CO2 è possibile che sia più elevata e sarà sicuramente più bassa quando la temperatura è bassa. Questo andamento fa sì che i pesci siano adattati a sopravvivere anche a concentrazioni elevate di CO2 quando la temperatura è bassa (evento raro e sporadico), mentre quando la temperatura è più alta gli organismi sono sensibili a concentrazione parecchio più bassa. L'effetto Bohr è quell'effetto per cui i pigmenti respiratori ( es. emoglobina) sono in grado di rilasciare (perde l'affinità) l'ossigeno nei distretti dove la CO2 è parecchio elevata . Tutto ciò ci permette di vivere, cioè quando il sangue ben ossigenato arriva nei distretti periferici dove ci sono elevate quantità di CO2, c'è un scambio immediato: l'ossigeno viene rilasciato e la CO2 viene intrappolata nel pigmento respiratorio (questo lo fanno le emoglobine e le emocianine).

La diminuzione di affinità può essere provocata anche da un aumento di acidità e temperatura, per questo il tipo di ambiente condiziona la risposta dell'effetto Bohr. Anche all'interno dello stesso gruppo tassonomico, specie tra gli eterotermi, l'effetto Bohr cambia a seconda delle condizioni di vita. La slide 6 mostra la curva di dissociazione dell'ossigeno dall'emoglobina in Rana catesbeiana. La rana ha una fase di vita giovanile che si chiama girino, fase acquatica; mentre l'adulto è anfibio. Nei girini, a prescindere dal pH (6-9), la curva di saturazione dell'ossigeno è sempre molto ripida, cioè lo scambio avviene anche a pressioni di ossigeno abbastanza basse. Negli adulti, la pressione di 1 C 2007 - 2016 Università degli Studi eCampus - Via Isimbardi 10 - 22060 Novedrate (Co) - C.F. 9002752130 - Tel: 031.79421 - Fax: 031.7942501 - Mail: info@uniecampus.it