Kemi-biologiavsnittet Kretslopp OBS Det här är ett utkast och inte en färdig text. En slutgiltig version kommer senare! Alla atomer tyngre än väte härstammar från för länge sedan slocknade stjärnor. De atomer vi och allt annat på jorden består av rör sig i ett ständigt kretslopp: atomerna slås ihop till molekyler som reagerar, förändras eller sönderfaller till atomer igen. En del molekyler är stabila, andra förändras lätt. I det här avsnittet kommer vi att arbeta med en del av de kemiska och biologiska processer som orsakar det här kretsloppet av atomer från döda material som sten till levande material som guldhamstrar eller julgranar. Det som ligger bakom alla kemiska reaktioner är hur elektronerna runt atomkärnorna påverkas av alla atomer i närheten och den energi som de utsätts för. De elektroner som ligger långt borta från en liten atomkärna kan lätt lossna ur kärnans grepp. Man kan se det lite som hur mycket svagare solens gravitation kan verka på t ex Pluto i ytterkanten av vårt solsystem jämfört med hur starkt den verkar på den inre planeten Merkurius. Elektronerna delar upp sig i lager runt kärnan, som skalen i en lök. Varje lager rymmer ett visst antal elektroner innan det blir fullt. Hos de atomer där ett av lagren är nästan helt fullt med elektroner så finns det ett sug efter att fylla skalet. Dessa atomer tar därför gärna till sig en eller två elektroner till. De atomer som saknar många elektroner i sina yttre skal kan ganska lätt släppa ifrån sig en eller flera. Om en atom blir av med en eller flera elektroner så kallas det för oxidation. Atomen bildar då en positiv (+) jon. Ordet oxidation anknyter till det vetenskapliga (latinska) namnet på syre, oxigenium. Det beror på att syre som ofta stjäl elektroner från andra grundämnen och bildar föreningar med dem och därför ofta finns med i oxidationsreaktioner. Exempel: När järn oxiderar så blir järnatomen av med en, två eller tre elektroner till syre. Järnet, syret och vatten bildar då en kemisk förening som vi kallar rost. Bild på rostig skruv Det är inte så att syre måste finnas med för att det ska ske en oxidation. När metallen natrium löses i saltsyra bildas natriumklorid, d v s koksalt. Natriumatomen oxiderar, blir till en positivt laddad jon och binder då till den negativt (-) laddade kloridjonen. Elektronerna är mer som ett stort moln runt atomkärnan än som de partiklar de oftast illustreras med. I bildserien visas hur väteatomens elektron dras till den större kloratomen. Kvar blir vätets positivt laddade kärna (vätejonen) och den negativt laddade kloridjonen. 1 JW utkast 1
Eftersom det alltid finns en balans i kemiska reaktioner så måste det ske en motsatt reaktion när ett ämne oxiderar. Ett annat ämne i reaktionen måste alltså ta till sig elektronerna som det oxiderande ämnet släpper ifrån sig. Det kallas för reduktion. När natrium reagerar med saltsyra så tar vätejonerna i saltsyran upp elektronerna som blivit över och blir hela väteatomer. De klumpar ihop sig två och två och lämnar reaktionen som vätgas, H 2. Reaktioner visas i reaktionsformler. Det måste alltid finnas lika många atomer på båda sidor om reaktionspilarna (reaktionspilen påminner en del om =-tecknet i matematiken). Na + HCl NaCl + H Reaktionen ovan är balanserad (lika många atomer av varje slag på båda sidorna om pilen) men den stämmer inte riktigt eftersom vi borde få vätgas som produkt. Det ordnar vi enkelt genom att: 2 Na + 2 HCl 2 NaCl + H 2 I reaktionen går en elektron från varje natriumatom till varje väteatom. Natrium oxiderar, vätejonerna reduceras. Oxidation är det som händer när vi talar om förbränning, alltså när något brinner. En vedklabbe består till största delen av kol. När vi sätter en tändsticka till träet tillför vi energi för att en kemisk reaktion ska starta. Kolet förenar sig med syret i luften och bildar koldioxid: C + O 2 CO 2 I den här reaktionen sker frigörs energi: i det här fallet mest värme. Vi var tvungna att tillföra lite energi för att starta reaktionen, men sedan driver den sig själv och vi får ett energiöverskott i form av värme och ljus. I våra kroppar sker samma förbränning fast mycket långsammare än i brasan. Syret vi andas in binds till järnet (de bildar en järnoxid) i våra röda blodkroppar. Syret lämnas av vid cellerna som i sin tur lämnar över restprodukterna av sin förbränning, CO 2, till blodkropparna. Koldioxiden transporteras på så vis till lungorna där vi släpper ut den med utandningsluften. Förbränningen av kol (socker) i cellerna värmer oss och energin används också till alla de andra kemiska och biologiska processerna i kroppen. Klicka på länken för att se hur gasutbytet sker i kroppen http://youtu.be/w20bay2wxdu I växter sker samma sak, men också det helt motsatta. Växterna får det kol som bygger upp dem från koldioxiden i luften. Kol till koldioxid ger ett energiöverskott så då borde koldioxid till kol ge ett energiunderskott. Det borde alltså behövas energi för att driva reaktionen CO 2 C + O 2 Och just så är det. Växterna tar den energi de behöver från solen genom fotosyntesen. I kloroplasterna tar klorofyllet upp energin från solljuset. 2 JW utkast 1
Det gör att elektroner frigörs och kan delta i reaktionen där först vatten delas upp i vätejoner och syrgas. Energin går sedan vidare i systemet och används när koldioxiden sönderdelas till syre och kol som i sin tur används till att bygga upp socker. Väldigt kort sammanfattat så ser den kemiska reaktionen ut så här: 6H 2 O + 6CO 2 + solljus C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Kloroplasterna är de gröna bollarna inne i växtcellen. Energin i solljuset kan alltså föras vidare genom att den hoppar bock via elektronerna och utför arbete på vägen. Energin tar aldrig slut utan binds in i de olika reaktionerna. De kolföreningar som vi kallar socker innehåller till exempel mycket energi som kan användas i levande organismer. En förenklad bild av vad som händer i kloroplasterna hos en växt. Vatten, koldioxid och solljus tas in och ut kommer syrgas och olika enkla sockerarter. Bild Svante Åberg. Så länge växten får energi från solljuset tillverkas alltså socker med syre som biprodukt (avgas...). På natten kommer den däremot behöva utvinna energin ur sockret för att cellerna ska fungera. Det sker genom att reaktionen går åt andra hållet: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6H 2 O + 6CO 2 + energi Växten använder då syre för förbränningen (oxidationen) av sockret precis som våra celler gör. Det kallas ofta för mörkerreaktionen efter som det sker på natten för växternas del; våra celler gör ju så dag som natt. Sockret är ett sätt för växten att spara solenergin. Det påminner om hur vi kan lagra elektrisk energi i kemisk form i ett vanligt batteri. Växterna använder också sockret som byggstenar för att bygga upp sig själva, men det ska vi titta mer på om en liten stund. Ett annat exempel på att reaktioner kan gå åt båda hållen är när väte brinner i syre. Energi frigörs enormt snabbt och kvar blir vatten: 2H 2 + O 2 2 H 2 O + värme (energi) 3 JW utkast 1
Genom att tillföra den energi som lämnar reaktionen kan vi få den att gå att andra hållet: 2 H 2 O + energi 2H 2 + O 2 På en av förevisningslabbarna förra terminen delade jag upp vatten i syrgas och vätgas genom att tillföra elektrisk energi. Kommer du ihåg? Energin går runt i systemet, den tar aldrig slut utan byter bara form! Tänk så här: Du bär med dig din skateboard uppför rampen. Det är lite jobbigt för du lyfter din egen vikt plus skateboarden ett par meter uppåt. När du ställer dig på brädan och åker ner omvandlas den energi du la ner på att klättra upp till rörelseenergi. Du får fart neråt. När du kommer till botten av rampen och börjar åka uppåt så avtar hastigheten. Rörelseenergin omvandlas till lägesenergi. Du kommer nätt och jämt nå motsatta kanten på andra sidan, inte för att energin du hade från början har försvunnit utan för att den omvandlats även till annan energi. Friktionen (kraften som bromsar mellan hjulen och rampen, i kullagren och mot luften) har blivit till värme. Det gör att all energi inte längre finns där som rörelseenergi för att knuffa dig precis lika högt upp som din starthöjd. Men sammantaget så har ingen energi försvunnit! Energin du behövde för att ta dig upp på rampen kommer från den mat du ätit. Köttbullarna och potatismoset innehåller den energi växterna lagrat från solen, så egentligen har du använt solenergi för att ta dig upp på rampen. I växten används kolet i form av socker för att spara solenergin och för att bygga upp cellerna. De långa fibrer (trådar) som gör växtcellerna så starka är uppbyggda av cellulosa. Cellulosan är en lång kolkedja som vi till exempel använder för att göra papper av. Getingarna kom på att använda cellulosafibrer för att papper bara så där 140 miljoner år innan oss... Växterna kan också använda sockret för att bygga upp stärkelse, som består av kolkedjor som är längre än socker men kortare än cellulosan. Stärkelsen fungerar som långtidslagring av energi för växterna på samma sätt som vi sparar energi i fettvävnaden. Potatis består nästan bara av stärkelse, som vi ganska lätt kan bryta ner till socker. Efter som vi inte kan bryta ner cellulosa så kan vi inte använda den direkt som föda. Vi måste låta den solenergi vi vill åt (som finns bunden i cellulosans kolbindningar) gå ett steg till. Kon kan med hjälp av bakterier i sitt tarmsystem omvandla kolet och energin till muskler, men eftersom kor ju faktiskt rör sig används mycket av energin som växterna tagit upp och bundit. Den omvandlas från kemisk energi till rörelseenergi och värme. Därför når bara en mycket liten del av den solenergi växterna bundit fram till oss när vi till slut äter kon eller dricker mjölken. En ko behöver i runda slängar äta 100 kg växter för att öka 1 kg i kroppsvikt och vi behöver äta 10 kg kött för att öka 1 kg. Det betyder att det går åt ett ton (1000 kg) växter för att du ska kunna öka din kroppsvikt med ett kilogram om du bara åt nötkött... Lite försiktigare brukar ekologerna säga att det förloras 90% av energin mellan varje steg i näringskedjan (till exempel från växt till gräsätare till rovdjur). I en sådan kort kedja skulle alltså bara 1% av den ursprungliga energin som växterna samlat in nå oss när den tar vägen över kon. Den förlorade energin går åt till att hålla kon vid liv och ge den energi till alla de andra saker en ko gör förutom att växa. Fundera på det här: Vilken typ av föda skulle vi behöva äta om vi ville utnyttja solenergin effektivare? Allt levande på jorden - djur, växter, svampar och bakterier, består till största delen av kol om vi undantar det vatten vi innehåller. Kol kan i förening med väte och syre bilda från små sockermolekyler ända till enorma cellulosafibrer i växterna. Muskler och annan mjukvävnad hos djuren består även de mest av kol. Se bara vad som händer med fläskfilén som någon glömt kvar på grillen lite för länge... Kolet i våra kroppar kommer från atmosfärens koldioxid. Växterna fångar upp den och förvandlar den genom fotosyntesen till först socker och sedan till andra större 4 JW utkast 1
kolföreningar. Kon betar av växtligheten och omvandlar med hjälp av bakterier i sitt matsmältningssystem cellulosan till andra former av kol som bygger upp dess kons kropp och ger den energi att skutta omkring på ängen. Sedan äter vi kon... En del av kolet vi får i oss andas vi ut som koldioxid som på nytt kan tas upp av växterna. När vi till sist dör bryts våra kroppar ner och kolet och de andra ämnen vi är byggda av läcker ut i systemet igen som koldioxid. De kol som finns i våra kroppar har alltså gått runt genom otroliga mängder med organismer sedan livet uppstod på jorden för mer än 3500 miljoner år sedan. Delar av dig befann sig för trettio år sedan i en maskros, och för 65 miljoner år sedan i en Tyrannosaurus rex... Titta på den här länken för att se en illustration av kolets kretslopp: http://youtu.be/eezyc6_nfe8 De fossila bränslen vi till stor del är beroende av idag, olja och stenkol, är även de resultatet av liv. Hundratals miljoner år sedan så slank stora delar av det kol som fanns i kretsloppet undan. Växtlighet och djurliv som skulle brytas ner till bland annat koldioxid, pressades istället ihop under sediment och omvandlades sakta till olja eller stenkol. När vi nu pumpar upp oljan från underjorden och bränner den som till exempel bensin i våra bilar, så släpper vi ut koldioxid som varit försvunnet ur kretsloppet. Den totala mängden kol på jorden förändras inte, men mängden kol i atmosfären ökar. Vår atmosfär har innehållit högre mängder koldioxid i förhistorisk tid, då jorden såg helt annorlunda ut än idag. Eftersom koldioxid är en ganska kraftig så kallad växthusgas hölls mer av solens värme kvar kring jorden. Det blir som att dra på sig ännu ett täcke fastän man redan tycker att det är lite för varmt där man ligger i sin säng. De senaste åren har de ökande koldioxidutsläppen oroat framförallt klimatforskarna eftersom det verkar som om jordens medeltemperatur kan öka ganska kraftigt om vi fortsätter släppa ut mer CO 2. Även om det fanns mer växter som kunde ta upp den ökande nivån av koldioxid skulle den släppas tillbaka ut i atmosfären när växterna dör och bryts ner. Haven kan också ta upp stora mängder av koldioxiden, men det finns studier som tyder på att mängden som tas upp minskar. En annan ny studie verkar visa att mycket koldioxid tas upp när isar bildas. Om nu temperaturen ökar, så bildas det mindre is. Då tar havet upp mindre koldioxid ur atmosfären och temperaturen höjs ännu mer... Med den ökande medeltemperaturen kommer att följa större klimatförändringar: isar och glaciärer smälter bort och ovädren innehåller mer energi. Den energin kan omvandlas från värme till rörelseenergi d v s högre vindstyrkor och fler oväder. Förut regnrika områden blir torrare, några områden blir mycket varmare och andra kanske mycket kallare. De internationella klimatmöten som hållits de senaste åren har blivit ganska heta. Flera av de industriellt utvecklade länderna har gått med på att sänka sina CO 2 -utsläpp genom bättre rening och genom minskad användning av fossila bränslen. Andra industriländer som USA, Kina och Indien, är mer tveksamma, men av lite olika skäl. USA vågar inte förlora den industri de nu har, medan de nyare industriländerna menar att de inte får samma möjlighet som till exempel Europa att nå en hög tillväxt och ekonomisk styrka. 5 JW utkast 1