Fotosíntesi

La vegetazione terrestre e i terreni contengono 3 volte piú carbonio che l´aria. Ogni anno, con il processo fotosintetico, piú di 100 PgC che esistono nell´atmosfera in forma di CO2 sono catturati dalla biovita terrestre e piú di 40 PgC dalla biovita marina. In questo modo in pochi anni tutta la CO2 atmosferica puó essere riciclata dalla attivitá vegetativa.
In maniera semplice la fotosintesi o reazione clorofilliana, puó scriversi nella seguente forma: CO2 + H2O = CH2O + O2  dove CH2O rappresenta la combinazione molecolare base dello zucchero (per esempio la formula del glucosio é C6H12O6 ).
Ogni molecola di CO2 dell´aria viene convertita in un atomo di carbonio organico (Corg) che passa a formare parte di uno zucchero, e una molecola residua di ossigeno (O2) che passa nel serbatoio dell´atmosfera. Per questo anche se in forma piú schematica, la reazione della fotosintesi puó scriversi cosí:

CO2 + acqua + luce solare = Corg + O2

Ossidazione

La fotosíntesi ha la sua contropartita nella respirazione metabolica della maggior parte dei batteri, delle piante e degli animali. La respirazione consiste chimicamente nella ossidazione del carbonio organico, reazione in cui rilascia CO2 e calore:
Corg + O2 = CO2 + acqua + calore

Concretamente la reazione completa di ossidazione di una parte di glucosio é:
C6H12O6 + 6O2 = 6 CO2 + 6 H2O + 2874 kJ .

In questo modo la maggior parte del Corg creato dalla fotosintesi si consuma velocemente e si ossida tornando a formare Co2, sia nella respirazione metabolica degli stessi organismi fotosintetici autotrofi che lo hanno creato (batteri, alghe, piante) o per la respirazione degli animali eterotrofi che si alimentano di questi. L´animale uomo ogni giorno per una persona che segua una dieta media di 2.800 kcal/giorno produce piú di 1 Kg. di CO2. Un´altra piccola parte, il carbonio contenuto nei resti e cadaveri di batteri, piante e animali, é anche ossidato, in una reazione di decomposizione simile alla respirazione.
Se queste due reazioni biochimiche opposte, fotosintesi e ossidazione, fossero state sempre con la stessa intensitá, non ci sarebbero in questo ciclo ne perdite ne guadagni di CO2 atmosferico. Né si sarebbe accumulato ossigeno nell´atmosfera. Il carbonio contenuto nella materia organica, creata nella fotosintesi, vegetale e trasmessa dalla catena alimentare alla vita animale, sarebbe restituito all´atmosfera in forma di CO2 con la ossidazione derivata dalla respirazione metabolica e dalla putrefazione della materia morta. Ma non tutto il carbonio formato nella fotosintesi é consumato perché una certa quantitá contenuta nei resti fossili di piante e animali, resta interrato nelle rocce senza possibilitá di essere ossidato e convertito di nuovo in CO2.

Interramento del carbonio organico.

Nei continenti, questa discomposizione tra ossidazione e fotosintesi avviene quando la vegetazione morta é interrata nei fondi di laghi di paludi e pianure deltaiche. Cosí il carbonio organico viene isolato dall´ossigeno atmosferico e non si ossida e quindi fossilizza. Il carbonio resta lí senza potersi ossidare completamente ed essere restituito all´aria. In parte si trasforma in idrati di carbonio e idrocarburi.
L´interramento del carbonio organico é molto efficiente, solo lo 0,05 PgC/anno di un totale di 140 PgC/anno prodotto con la fotosintesi nei mari e continenti finisce nelle rocce sedimentarie. La produzione netta di ossigeno dovuta a questo processo e anche molto poca. Per ogni atomo di carbonio interrato, con peso atomico 12, é rilasciata una molecola di O2, con peso atomico 32, la fonte di ossigeno è 0,05 x (32/12) = 0,13 PgO2/anno, quantitá piccola se la compariamo con l´ossigeno esistente nell´atmosfera che é di: 1.100.000 PgO2.
Nelle epoche passate i ritmi di interramento possono essere stati superiori, il che si spiega perché alcuni giacimenti di carbone superano a volte i 5.000 Mt. di spessore. Le condizioni topografiche ideali per la formazione di questi depositi sono, oltre la vegetazione abbondante e di ciclo rapido, la esistenza di conche collettrici e di inondamento lento e progressivo, dove potevano accatastarsi grandi quantitá di materiale vegetale e dove penetra poco materiale erosivo che non sia organico. Cosí in un lungo e complesso processo biochimico di trasformazione, in cui intervengono anche i batteri, si forma acidi organici e carbone. Nel corso della carbonizzazione si rilasciano per via chimico-fisica, acqua, metano e gruppi idrossilici, e si formano dalla torba iniziale, un carbone via via sempre piú puro.

Pompe marine biologiche

Gran parte della fotosíntesi nella biosfera é effettuata dal fitoplancton marino: circa 40 PgC annui. Il fitoplancton vive nelle prime decine di metri della superficie oceanica, nella zona eufotica, lí dove arriva la luce del SOLE. Questi microscopici organismi trasformano i nutrienti in materia organica vegetale che continuamente sono raccolti e ingoiati dallo zooplancton. Lo zooplancton metabolizza l´alimento, respira e restituisce all´acqua parte della CO2, producendo peró anche residui organici che cadono nel fondo marino in forma di espulsioni fecali.
La massa dei residui fecali, della materia organica morta e degli scheletri e carapaci del plancton morto e che non é stata ossidata, rappresenta qualcosa come il 25% della biomassa prodotta. Questo fa che diminuisca la pressione del diossido di carbonio (pCO2) dell´acqua superficiale e che per pareggiarlo gli oceani assorbino la CO2 dell´aria, per cui la concentrazione di CO2 atmosferica diminuisce quando aumenta la produttivitá biologica marina.
Durante la caduta verso le profonditá, quasi tutta la materia organica che si calcola in circa 16 PgC annui é inghiottita e ossidata dai batteri e microbi eterotrofici che anche respirano ed esalano CO2 (Azam, 2001; Giorgio & Duarte, 2002). La concentrazione di CO2 all´interno degli oceani si moltiplica per 3 rispetto la superficie. Cosí dopo, l´esportazione del carbonio organico dalla zona eufotica verso le profonditá marine, che si suole chiamare “pompa biologica” seguita dalla remineralizzazione del carbonio organico (riconversione della Corg disciolto in forma di CO2) fa che esista nella verticale un gradiente nella concentrazione di CO2 disciolto nell´acqua (DIC dissolved inorganic carbon), che aumenta con la profonditá.
In ogni caso una piccola quantitá di materia organica riesce ad arrivare sul fondo e rimane interrata. è dell´ordine di circa 0,05 PgC/anno e passa a formare parte delle rocce sedimentarie. In stati concentrati puó formare depositi di idrocarburi gassosi (metano) o liquidi (petrolio) che riempiono i pori delle rocce spugnose come l´arenaria o possono impregnare di carbonio organico altri sedimenti minerali come le argille. Si chiama kerógeno questo carbonio organico che non sedimenta in forma compatta fino a che impregna di carbonio gli altri sedimenti. Il Kerogeno delle rocce nel suo complesso contiene piú carbonio che tutti i giacimenti di carbone e petrolio, peró si trova molto sparso, impregnando diverse tipi di rocce  ma il cui sfruttamento come combustibile é molto piú difficile.
Il “pompaggio biologico” dipende prima dalla attivitá del fitoplancton, e questa a sua volta, dipende dalla maggiore o minore abbondanza di nutrienti in superficie, specialmente di nitrati, fosfati e ferro. Si pensa che proprio il ferro sia il piú importante elemento per lo sviluppo del fitoplancton. Ció significa che con piú ferro anche le zone che ne contengono poco, come il centro-sud del pacifico, e che quindi producono poco fitoplancton, con la fertilizzazione di ferro un giorno anche queste zone e altre, potrebbero accelerare l´attivitá fitoplanctonica e sequestrare enormi quantitá di CO2 dall`atmosfera riducendo cosí “l´inquinamento da CO2”. Sono stati effettuati degli esperimenti in tal senso ma i risultati non sono stati cosí positivi come la teoria diceva in principio (Boyd, 2000; Dalton, 2002; Zeebe, 2005).

Evoluzione della concentrazione di ossigeno

Si pensava che l´ossigeno era arrivato in relativamente poco tempo ai livelli che si mantengono anche attualmente: 21% della miscela di gas che compongono l´aria. (Sleep, 2001) ma adesso con le ultime ricerche si pensa che é stato un processo molto lento e che non arrivó a livelli importanti fino a 600 milioni di anni fa, alla fine del precambrico, come é provato dalla comparsa in quel periodo di essere viventi piú complessi che necessitano di piú ossigeno e che poterono svilupparsi solo grazie ad un volume adeguato di ossigeno. (Lenton, 2004).
Quando abbonda l´interramento di materia organica, la reazione CO2 + H2O = CH2O + O2 si sviluppa producendo ossigeno.
Ma l´ossigeno atmosferico non solo é controllato dal ciclo biochimico del carbonio ma anche dallo zolfo.
Succede che la materia organica del suolo aiuta la riduzione batterica dei solfati, la produzione di acido solfidrico e infine alla precipitazione della pirite (FeS2) e formazione di ossigeno con reazioni che possono scriversi semplificando molto, cosí:
2Fe2O3 + 8SO4 + 16H = 15O2 + 4FeS2 + 8H2O
Dalle analisi risulta che negli ultimi 540 milioni di anni il contenuto di ossigeno nella atmosfera é oscillato tra il 15% e il 35%. E il massimo si raggiunse durante il periodo detto Carbonifero finale all´inizio del periodo Permiano, circa 300 milioni di anni fa, poi scese bruscamente a 15% durante la transizione tra il Permiano e il Triassico circa 250 milioni di anni fa.
La ragione della forte salita nel finale del Carbonifero sembra essere legata ad un intenso e continuo interramento di materiale organico dovuto allo sviluppo intenso di piante legnose nei continenti (Berner, 1999; 2003).
La successiva diminuzione di concentrazione di O2 che arrivò anche ad un solo 10% all´inizio del Giurassico, (circa 200 milioni di anni) puó essere dovuta ad un raffreddamento e ad un aumento della siccità che diminuì lo sviluppo delle piante e quindi gli interramenti. Poi l´ossigeno aumentó fino alla concentrazione attuale aiutando lo sviluppo dei grandi mammiferi (Falkowski, 2005).
Oltre alle reazione dette, esistono vari meccanismi che tendono a stabilizzare la concentrazione di O2 nell´atmosfera e che da milioni di anni si mantiene intorno al 21%. Quando appare un processo che rompe l´equilibrio, ne appare un altro che lo ristabilisce. Per esempio se l´atmosfera guadagna ossigeno per una intensificazione della fotosintesi puó succedere: a) che si intensifichi anche l´ossidazione delle rocce con conseguente perdita di ossigeno, b) che avendo piú ossigeno prolificano nel suolo microorganismi eterotrofi che mangiano e ossidano la materia organica interrata e che fa diminuire anche l´ossigeno dell´aria, c) che con piú ossigeno aumenta la probabilitá di incendi giganteschi (come avvenne 400 milioni di anni fa) e con la combustione si riduce di nuovo l´ossigeno ristabilendo l´equilibrio. I processi contrari e altri avverrebbero se l´ossigeno diminuisse.

SAND-RIO