Por que o carbono é tão importante?

O carbono é o elemento da vida. Não existem outros elementos que tenham exatamente as propriedades certas para essa função. O carbono pode se ligar a muitos outros elementos, como hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, fósforo e muitos outros. Isso significa que o carbono pode ajudar a construir uma grande variedade de moléculas, todas com propriedades muito diferentes. Alguns exemplos são estruturas duras e rígidas, como os carbonatos, que compõem muitos corais e conchas; fibras flexíveis em plantas, que podemos transformar em tecido ou corda; e açúcares, como aqueles que dão ao mel e aos refrigerantes o sabor doce. Olhe ao redor e você verá que o carbono está em toda parte, em sua casa e ao ar livre. O oceano cobre ¾

da superfície da Terra, então não é surpresa que ele também contenha uma grande quantidade de carbono. Vamos descobrir quais formas o carbono oceânico assume e por que precisamos pensar sobre elas.

Todo o carbono é igual?

Os átomos de carbono no oceano estão sempre ligados a outros átomos de carbono e a átomos de outros elementos, formando uma ampla gama de substâncias. Embora não saibamos quais são todas as substâncias que contêm carbono, ainda podemos descrevê-las com base em suas propriedades — por exemplo, se afundam ou flutuam e de quais outros elementos são compostas. Se forem grandes o suficiente para afundar, chamamos de partículas.

Algumas partículas são tão pequenas que precisamos de um microscópio para vê-las. As substâncias que são pequenas demais para afundar são chamadas de substâncias dissolvidas. Se uma substância é composta de átomos de carbono ligados a outros átomos de carbono ou átomos de hidrogênio, chamamos de substância orgânica (mesmo quando átomos de outros elementos estão presentes). As partes moles de todos os organismos (incluindo você), como pele, músculos e órgãos, são compostas de substâncias orgânicas. Todas as outras substâncias que contêm carbono são chamadas de inorgânicas. Rochas que contêm carbono, como as que compõem o mármore e o giz, são exemplos de substâncias inorgânicas de carbono, pois contêm carbono ligado a átomos de oxigênio e cálcio (carbonato de cálcio, CaCO3). O dióxido de carbono (CO2) na atmosfera é um exemplo de substância inorgânica de carbono que é um gás (Figura 1).

Usando essas duas propriedades, podemos agrupar o carbono em quatro categorias: particulado orgânico (refere-se a partículas em suspensão na água, incluindo substâncias vivas e não vivas que podem afundar),  particulado inorgânico, orgânico dissolvido e inorgânico dissolvido (Figura 2).

A maior parte do carbono no oceano é carbono inorgânico dissolvido. De fato, o oceano removeu grande parte do CO2 que liberamos na atmosfera, dissolvendo-o. Os organismos no oceano controlam o equilíbrio entre carbono orgânico e inorgânico, e entre carbono particulado e dissolvido. Todos os organismos, desde as menores bactérias até as maiores baleias, são compostos de carbono orgânico, portanto, classificamos todos os organismos como carbono orgânico particulado. Alguns organismos também possuem partes do corpo feitas de carbonatos e, portanto, contribuem para o carbono inorgânico particulado.

A última forma de carbono a ser considerada é o carbono orgânico dissolvido, que inclui todas as partículas orgânicas que se infiltram gradualmente na água do mar (inclusive do seu corpo quando você nada). Quando há concentrações muito altas de carbono orgânico dissolvido, a água geralmente apresenta uma coloração marrom/amarelada. Talvez você já tenha observado algo semelhante ao preparar uma xícara de chá. A água quente na xícara dissolve parte do carbono orgânico presente nas folhas de chá, e a água fica marrom.

O Oceano como Reciclador de Carbono

No oceano, o carbono está em constante movimento entre essas quatro formas, e esse movimento constitui o ciclo do carbono oceânico. É assim que os átomos de carbono viajam da atmosfera para os organismos no oceano e, em seguida, retornam à atmosfera, repetidamente (Figura 2). Um ciclo do carbono equilibrado é essencial para o controle do clima da Terra e para a diversidade de organismos no planeta. O ciclo do carbono oceânico consiste em um conjunto de processos que transformam o carbono de uma forma para outra. Os cientistas descobriram que todos esses processos são afetados por mudanças na concentração de CO2 no ar, que está aumentando devido às atividades humanas. Assim, o equilíbrio entre as várias formas de carbono está se alterando. O CO2 pode ser dissolvido ou liberado da água do mar, dependendo das concentrações de CO2 na água e no ar. Se a concentração no ar for maior do que na água do mar, o carbono se dissolve no oceano. No entanto, o CO2 pode ser liberado do oceano para o ar se a concentração no mar for maior. Como a concentração de CO2 no ar aumentou nos últimos 100 anos, o oceano tem dissolvido cada vez mais CO2.

Por meio da fotossíntese, as algas e as plantas aquáticas utilizam a energia solar para produzir substâncias orgânicas de carbono a partir do carbono inorgânico dissolvido (veja este artigo da Young Minds para alguns exemplos). A partir daí, o carbono pode seguir quatro caminhos:

1) Quando algas e plantas aquáticas são consumidas por herbívoros (predadores que se alimentam de plantas e algas), parte do carbono orgânico particulado é transformado em novas células (assim como crescemos quando comemos), permanecendo como partículas orgânicas, mas frequentemente se tornando maiores, iniciando uma cadeia alimentar.

2) Respiração: o processo de obtenção de energia pela quebra de moléculas de açúcar utilizando oxigênio. É realizado por todos os organismos vivos e produz CO2 e água como resíduos. A respiração transforma parte do carbono orgânico particulado de volta em carbono inorgânico dissolvido. A energia armazenada nas substâncias orgânicas é utilizada pelos organismos e o carbono é liberado como CO2, que é o que acontece quando expiramos.

3) Os organismos morrem e afundam até o fundo do mar, sendo lentamente soterrados. Eles formam rochas e petróleo, e esse carbono fica armazenado no subsolo por milhões de anos.

4) O carbono orgânico particulado libera carbono orgânico dissolvido à medida que as células dos organismos vazam ou se desintegram, derramando seu conteúdo na água do mar.

Algumas das substâncias de carbono orgânico dissolvidas provenientes de células mortas servem de alimento para bactérias que vivem na água do mar (Figura 3). Isso recicla parte do carbono, seja de volta para carbono inorgânico dissolvido ou para carbono orgânico particulado, onde contribui mais uma vez para a cadeia alimentar. Esse ciclo do carbono entre orgânico e inorgânico, e entre particulado e dissolvido, é realizado principalmente por organismos microscópicos, como bactérias, fitoplâncton (algas minúsculas que podem produzir seu próprio alimento usando CO2, água e luz solar) e pequenos herbívoros, sendo, portanto, chamado de ciclo microbiano. É assim que o carbono e outros nutrientes são processados ​​pelos menores organismos (como bactérias e fitoplâncton) no oceano. (Veja este artigo da Young Minds para alguns exemplos) [1]. Quando você pensa na vida no oceano, sua primeira imagem pode ser a de peixes, tubarões e baleias. Mesmo sendo grandes, esses animais representam apenas uma pequena porção do carbono no oceano. A maior parte dele está “circulando” no ciclo microbiano.

As bactérias são campeãs na reciclagem de carbono, mas não conseguem utilizar todo o carbono orgânico dissolvido no mar. Tal como nós, também podem ser exigentes na alimentação, selecionando as substâncias orgânicas de que mais gostam [2]. Eventualmente, as substâncias restantes podem acumular-se como “sobras” do banquete oceânico. Se isto for verdade, poderá ser uma nova forma de o ecossistema oceânico ajudar a reduzir a quantidade de CO2 no ar e armazená-lo como carbono orgânico dissolvido [3].

Um Ciclo de Carbono em Transformação

É importante entender quanto carbono existe no oceano, em que forma ele se encontra e quais processos o transformam. Uma vez que saibamos disso, podemos tentar prever como o mundo poderá mudar no futuro.

O que acontece quando o CO2 aumenta? O carbono mostrado nas quatro caixas da Figura 2 também aumentará? A resposta é… depende! Mais CO2 no oceano pode afetar não apenas o tamanho, mas também o conteúdo de cada caixa. Para a caixa de carbono orgânico particulado, mais CO2 influenciará o número de organismos (o tamanho da caixa) e quais tipos de organismos estão presentes. Isso acontece porque alguns organismos preferem mais CO2 do que outros, então eles prosperam nessas novas condições. Uma mudança semelhante pode ocorrer se as temperaturas mudarem. Alguns organismos gostam de calor, e outros não. Isso é importante porque a presença de diferentes tipos de organismos altera a cadeia alimentar e afeta como o carbono se move dentro do ciclo do carbono.

Um dos desafios é que o carbono orgânico particulado existe em diversas formas de vida, e o carbono orgânico dissolvido está presente em tantos tipos de substâncias que não conseguimos identificá-las todas. Sem essas informações básicas, fica mais difícil compreender os processos do ciclo do carbono e como eles se relacionam com outros fatores, como as mudanças de temperatura.

Glossário

Dissolvido: Quando uma substância se decompõe em unidades menores, que não afundam, e é incorporada a um líquido, formando uma solução.

Substância Orgânica: É um tipo de substância química que contém átomos de carbono ligados a outros átomos de carbono ou hidrogênio.

Particulado: Refere-se a partículas em suspensão na água, incluindo substâncias vivas e não vivas que podem afundar.

Ciclo do Carbono Oceânico: É o processo pelo qual os átomos de carbono viajam da atmosfera para os organismos no oceano e retornam à atmosfera, repetidamente.

Pastoreadores: Predadores que consomem plantas e algas.

Respiração: O processo de obtenção de energia pela quebra de moléculas de açúcar utilizando oxigênio. É realizado por todos os organismos vivos e produz CO2 e água como resíduos.

Fitoplâncton: Algas minúsculas que podem produzir seu próprio alimento utilizando CO2, água e luz solar.

Ciclo Microbiano: É como o carbono e outros nutrientes são processados ​​pelos menores organismos (como bactérias e fitoplâncton) no oceano.

Referências

[1] Azam, F., Frenzel, T., Field, J. G., Gray, J. S., Meyer-Rell, L. A., e Thingstand, F. 1983. The ecological role of water-column microbes in the sea. Marine Ecol. Prog. Ser. 10:257–63. doi: 10.3354/meps010257

[2] Hansell, D. A. 2013. Recalcitrant dissolved organic carbon fractions. Ann. Rev. Mari. Sci. 5:421–45. doi: 10.1146/annurev-marine-120710-100757

[3] Jiao, N., Herndl, G. J., Hansell, D. A., Benner, R., Kattner, G., Wilhelm, S. W., et al. 2010. Microbial production of recalcitrant dissolved organic matter: long-term carbon storage in the global ocean. Nat. Rev. Microbiol. 8:593–9. doi: 10.1038/nrmicro2386

 

Citação

Haraguchi L, Gonçalves-Araujo R e Stedmon CA (2024) A Sea of Carbon. Front. Young Minds. 12:1150384. doi: 10.3389/frym.2023.1150384

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