6.2: Біогеохімічні цикли
- Page ID
- 30093
Енергія тече спрямовано через екосистеми, потрапляючи як сонячне світло (або неорганічні молекули для хемоавтотрофів) і залишаючи як тепло під час перенесення між трофічними рівнями. Замість того, щоб протікати через екосистему, речовина, що складається з живих організмів, зберігається та переробляється. Шість найпоширеніших елементів, пов'язаних з органічними молекулами - вуглець, азот, водень, кисень, фосфор та сірка - приймають різноманітні хімічні форми і можуть існувати протягом тривалого часу в атмосфері, на суші, у воді або під поверхнею Землі. Геологічні процеси, такі як вивітрювання, ерозія, відведення води та субдукція континентальних плит, відіграють певну роль у циклічності елементів на Землі. Оскільки геологія та хімія відіграють головну роль у вивченні цього процесу, рециркуляція неорганічної речовини між живими організмами та їх неживим середовищем називається біогеохімічним циклом.
Вода, яка містить водень і кисень, необхідна для всіх живих процесів. Гідросфера - це область Землі, де відбувається рух і зберігання води: як рідка вода на поверхні (річки, озера, океани) і під поверхнею (грунтові води) або льоду, (полярні крижані шапки і льодовики), і як водяна пара в атмосфері. Вуглець міститься у всіх органічних макромолекулах і є важливою складовою викопного палива. Азот є основним компонентом наших нуклеїнових кислот і білків і має вирішальне значення для сільського господарства людини. Фосфор, основний компонент нуклеїнових кислот, є одним з основних інгредієнтів (поряд з азотом) штучних добрив, що використовуються в сільському господарстві, які впливають на навколишнє середовище на наші поверхневі води. Сірка, критична для тривимірного згортання білків (як при дисульфідному зв'язуванні), виділяється в атмосферу при спалюванні викопного палива.
Циклювання цих елементів взаємопов'язане між собою. Наприклад, рух води має вирішальне значення для вимивання азоту та фосфатів у річки, озера та океани. Океан також є головним резервуаром для вуглецю. Таким чином, мінеральні поживні речовини циркулюються, швидко або повільно, через всю біосферу між біотичним і абіотичним світом і від одного живого організму до іншого.
Кругообіг води
Вода необхідна для всіх живих процесів. Людський організм - це більше половини води, а клітини людини - це більше 70 відсотків води. Таким чином, більшість наземних тварин потребують запасу прісної води, щоб вижити. З запасів води на Землі 97,5 відсотка становить солона вода (рис.\(\PageIndex{1}\)). З води, що залишилася 99 відсотків замкнені як підземна вода або лід. Таким чином, менше одного відсотка прісної води присутній в озерах і річках. Багато живих істот залежать від цієї невеликої кількості поверхневого прісного водопостачання, недолік якого може мати важливий вплив на динаміку екосистем. Люди, звичайно, розробили технології для підвищення доступності води, такі як копання свердловин для збору підземних вод, зберігання дощової води та використання опріснення для отримання питної води з океану. Хоча це прагнення до питної води тривало протягом усієї людської історії, постачання прісної води продовжує залишатися головною проблемою в сучасний час.
Різні процеси, що відбуваються під час кругообігу води, проілюстровані на малюнку нижче. Процеси включають в себе наступне:
- випаровування і сублімація
- конденсація і опади
- підповерхневий потік води
- поверхневий стік і танення снігу
- потік потоку
Кругообіг води керується енергією Сонця, оскільки вона зігріває океани та інші поверхневі води. Це призводить до випаровування (від води до водяної пари) рідкої поверхневої води і сублімації (від льоду до водяної пари) замороженої води, таким чином переміщаючи велику кількість води в атмосферу у вигляді водяної пари. Згодом ця водяна пара конденсується в хмари у вигляді рідини або замерзлих крапель і в кінцевому підсумку призводить до опадів (дощу або снігу), які повертають воду на поверхню Землі. Дощ, що досягає поверхні Землі, може знову випаровуватися, текти над поверхнею або просочитися в землю. Найлегше спостерігається поверхневий стік: стік прісної води або від дощу, або від танення льоду. Стік може пробиратися через струмки та озера до океанів або стікати безпосередньо до самих океанів.
У більшості природних наземних середовищ дощ стикається з рослинністю, перш ніж вона досягне поверхні грунту. Значний відсоток води випаровується відразу з поверхонь рослин. Те, що залишилося, досягає грунту і починає рухатися вниз. Поверхневий стік відбудеться тільки в тому випадку, якщо грунт насититься водою в рясні опади. Найбільше води в грунті будуть забирати коріння рослин. Рослина буде використовувати частину цієї води для власного обміну речовин, і деякі з них знайдуть свій шлях до тварин, які їдять рослини, але більша частина її буде втрачена назад в атмосферу через процес, відомий як випаровування. Вода потрапляє в судинну систему рослини через коріння і випаровується, або виходить, через продихи листя. Вода в грунті, яка не забирається рослиною і яка не випаровується, здатна просочуватися в надра та корінні породи. Тут він утворює грунтові води.
Грунтові води є значним резервуаром прісної води. Він існує в порах між частинками в піску і гравії, або в тріщинами в гірських породах. Неглибокі грунтові води повільно протікають через ці пори і тріщини і врешті-решт знаходять свій шлях до струмка або озера, де він знову стає частиною поверхневих вод. Потоки не течуть, тому що вони поповнюються безпосередньо з дощової води; вони течуть через постійний приплив з підземних вод нижче. Деякі грунтові води знаходяться дуже глибоко в корінній скелі і можуть зберігатися там тисячоліттями. Більшість водойм підземних вод, або водоносних горизонтів, є джерелом питної або зрошувальної води, що набирається через свердловини. У багатьох випадках ці водоносні горизонти виснажуються швидше, ніж поповнюються водою, що просочується зверху.
Дощ і поверхневий стік є основними способами, за допомогою яких мінерали, включаючи вуглець, азот, фосфор та сірку, циркулюються від землі до води. Про вплив стоку на навколишнє середовище буде розглянуто пізніше, як описані ці цикли.
Вуглецевий цикл
Вуглець є четвертим за поширеністю елементом в живих організмах. Вуглець присутній у всіх органічних молекулах, і його роль в будові макромолекул має першорядне значення для живих організмів. Вуглецеві сполуки містять енергію, і багато з цих сполук рослин і водоростей залишилися збережені як скам'янілий вуглець, який люди використовують як паливо. Починаючи з 1800-х років, використання викопного палива прискорилося. Оскільки глобальний попит на обмежені запаси викопного палива Землі зріс з початку промислової революції, кількість вуглекислого газу в нашій атмосфері збільшилася в міру спалювання палива. Це збільшення вуглекислого газу було пов'язане зі зміною клімату і є головним екологічним занепокоєнням у всьому світі.
Вуглецевий цикл найлегше вивчається як два взаємопов'язані підцикли: один стосується швидкого обміну вуглецю між живими організмами, а інший - з довгостроковим циклічним циклом вуглецю через геологічні процеси. Весь вуглецевий цикл показаний на малюнку нижче.
Біологічний вуглецевий цикл
Живі організми пов'язані різними способами, навіть між екосистемами. Хорошим прикладом цього зв'язку є обмін вуглецю між гетеротрофами та автотрофами всередині та між екосистемами за допомогою атмосферного вуглекислого газу. Вуглекислий газ є основним будівельним блоком, який автотрофи використовують для створення багатовуглецевих високоенергетичних сполук, таких як глюкоза. Енергія, використана від Сонця, використовується цими організмами для формування ковалентних зв'язків, які пов'язують атоми вуглецю разом. Ці хімічні зв'язки зберігають цю енергію для подальшого використання в процесі дихання. Більшість наземних автотрофів отримують свій вуглекислий газ безпосередньо з атмосфери, в той час як морські автотрофи набувають його в розчиненому вигляді (вугільна кислота,\(\ce{HCO3^-}\)). Однак вуглекислий газ придбаний, побічним продуктом фіксації вуглецю в органічних сполуках є кисень. Фотосинтезуючі організми відповідають за підтримку приблизно 21 відсотка вмісту кисню в атмосфері, яку ми спостерігаємо сьогодні.
Партнерами в біологічному вуглецевому обміні є гетеротрофи (особливо первинні споживачі, в основному травоїдні). Гетеротрофи набувають високоенергетичні вуглецеві сполуки з автотрофів, споживаючи їх і руйнуючи їх диханням для отримання клітинної енергії, наприклад АТФ. Найефективніший вид дихання, аеробне дихання, вимагає кисню, отриманого з атмосфери або розчиненого у воді. Таким чином, відбувається постійний обмін киснем і вуглекислим газом між автотрофами (яким потрібен вуглець) і гетеротрофами (яким потрібен кисень). Автотрофи також дихають і споживають органічні молекули, які вони утворюють: використовуючи кисень і виділяючи вуглекислий газ. Вони виділяють більше газу кисню як відпрацьованого продукту фотосинтезу, ніж використовують для власного дихання; отже, існує надлишок, доступний для дихання інших аеробних організмів. Газообмін через атмосферу і воду - це один із способів, яким вуглецевий цикл з'єднує всі живі організми на Землі.
Біогеохімічний вуглецевий цикл
Рух вуглецю по суші, воді, повітрю є складним, і, в багатьох випадках, відбувається набагато повільніше геологічно, ніж рух між живими організмами. Вуглець зберігається протягом тривалого періоду в так званих вуглецевих резервуарах, які включають атмосферу, водойми рідкої води (переважно океани), осад океану, грунт, гірські породи (включаючи викопне паливо) та надр Землі.
Як зазначено, атмосфера є основним резервуаром вуглецю у вигляді вуглекислого газу, що має важливе значення для процесу фотосинтезу. На рівень вуглекислого газу в атмосфері великий вплив робить резервуар вуглецю в океанах. Обмін вуглецю між атмосферою та водоймами впливає на те, скільки вуглецю міститься в кожному, і кожен впливає на інший взаємно. Вуглекислий газ (\(\ce{CO2}\)) з атмосфери розчиняється у воді і, на відміну від кисню і газу азоту, вступає в реакцію з молекулами води з утворенням іонних сполук. Деякі з цих іонів поєднуються з іонами кальцію в морській воді, утворюючи карбонат кальцію (\(\ce{CaCO3}\)), основний компонент оболонок морських організмів. Ці організми з часом утворюють відкладення на дні океану. Протягом геологічного часу карбонат кальцію утворює вапняк, який складається з найбільшого вуглецевого резервуара на Землі.
На суші вуглець зберігається в грунті як органічний вуглець в результаті розкладання живих організмів або від вивітрювання наземних порід і мінералів. Глибше під землею, на суші та в морі знаходяться викопне паливо, анаеробно розкладені залишки рослин, які утворюються мільйони років. Викопне паливо вважається невідновлюваним ресурсом, оскільки їх використання значно перевищує темпи їх утворення. Невідновлюваний ресурс або регенерується дуже повільно, або зовсім не відновлюється. Інший спосіб потрапляння вуглецю в атмосферу - з суші (включаючи землю під поверхнею океану) шляхом виверження вулканів та інших геотермальних систем. Вуглецеві відкладення з дна океану забираються глибоко всередині Землі процесом субдукції: рухом однієї тектонічної плити під іншою. Вуглець виділяється у вигляді вуглекислого газу при виверженні вулкана або з вулканічних гідротермальних отворів.
Вуглекислий газ також додається в атмосферу тваринницькими практиками людини. Велика кількість наземних тварин, вирощених для харчування зростаючої людської популяції Землі, призводить до підвищення рівня вуглекислого газу в атмосфері, спричиненого їх диханням. Це ще один приклад того, як діяльність людини опосередковано впливає на біогеохімічні цикли значним чином. Хоча значна частина суперечок про майбутні наслідки збільшення атмосферного вуглецю на зміну клімату зосереджена на викопному паливі, вчені враховують природні процеси, такі як вулкани, ріст рослин, рівень вуглецю в ґрунті та дихання, коли вони моделюють та прогнозують майбутній вплив цього збільшення.
Цикл азоту
Потрапляння азоту в живі організми важко. Рослини та фітопланктон не обладнані для включення азоту з атмосфери (там, де він існує як щільно пов'язаний, потрійний ковалентний\(\ce{N2}\)), хоча ця молекула містить приблизно 78 відсотків атмосфери. Азот потрапляє в живий світ через вільно живі та симбіотичні бактерії, які включають азот у свої макромолекули спеціалізованими біохімічними шляхами, що ведуть до фіксації азоту. Ціанобактерії живуть у більшості водних екосистем, де присутній сонячне світло; вони відіграють ключову роль у фіксації азоту. Ціанобактерії здатні «закріплювати» азот (з азотного газу) в аміак (\(\ce{NH3}\)), який може бути включений в макромолекули організму. Бактерії ризобію також фіксують азот і симбіотично живуть у кореневих бульбочках бобових культур (таких як горох, квасоля та арахіс) та забезпечують їх необхідним органічним азотом. Вільноживі бактерії, такі як Azotobacter, також здатні фіксувати азот.
Органічний азот особливо важливий для вивчення динаміки екосистем, оскільки багато екосистемних процесів, таких як первинне виробництво та розкладання, обмежені наявним запасом азоту. Як показано на малюнку нижче, азот, який потрапляє в живі системи шляхом фіксації азоту, в кінцевому підсумку перетворюється з органічного азоту назад в азотний газ бактеріями. Цей процес відбувається в три етапи в наземних системах: амоніфікація, нітрифікація та денітрифікація. По-перше, процес амоніфікації перетворює азотисті відходи живих тварин або з залишків мертвих тварин в амоній (\(\ce{NH4^+}\)) певними бактеріями і грибами. По-друге, цей амоній потім перетворюється на нітрити (\(\ce{NO2^-}\)) шляхом нітрифікації бактерій, таких як Nitrosomonas, шляхом нітрифікації. Згодом нітрити перетворюються в нітрати (\(\ce{NO3^-}\)) подібними організмами. Нарешті, відбувається процес денітрифікації, за допомогою якого бактерії, такі як Pseudomonas і Clostridium, перетворюють нітрати в газ азоту, тим самим дозволяючи йому знову потрапляти в атмосферу.
Мистецтво З'єднання
Азот потрапляє в живий світ з атмосфери через азотфіксуючі бактерії. Ці азотні та азотисті відходи тварин потім переробляються назад у газоподібний азот ґрунтовими бактеріями, які також постачають наземні харчові мережі необхідним їм органічним азотом. (кредит: модифікація роботи Джона М. Еванса та Говарда Перлмана, USGS)
Яке з наведених нижче тверджень про цикл азоту є помилковим?
- Амоніфікація перетворює органічні азотисті речовини з живих організмів в амоній (\(\ce{NH4^+}\)).
- Денітрифікація бактеріями перетворює нітрати (\(\ce{NO3^-}\)) в газ азоту (\(\ce{N2}\)).
- Нітрифікація бактеріями перетворює нітрати (\(\ce{NO3^-}\)) в нітрити (\(\ce{NO2^-}\))
- Бактерії, що фіксують азоту, перетворюють газ азоту (\(\ce{N2}\)) в органічні сполуки
Діяльність людини може виділяти азот у навколишнє середовище двома основними способами: спалюванням викопного палива, яке виділяє різні оксиди азоту, і за допомогою використання штучних добрив (які містять сполуки азоту і фосфору) в сільському господарстві, які потім змиваються в озера, струмки та річки по поверхневому стоку. Атмосферний азот (крім\(\ce{N2}\)) пов'язаний з декількома впливами на екосистеми Землі, включаючи виробництво кислотних дощів (як азотна кислота\(\ce{HNO3}\)) та ефекти парникових газів (як закис азоту\(\ce{N2O}\)), потенційно спричиняючи зміни клімату. Основним ефектом стоку добрив є евтрофікація морської води та прісної води, процес, за допомогою якого стік поживних речовин викликає заростання водоростей, виснаження кисню та загибель водної фауни.
Подібний процес відбувається в морському циклі азоту, де процеси амоніфікації, нітрифікації та денітрифікації здійснюються морськими бактеріями та археями. Частина цього азоту падає на дно океану як осад, який потім може бути переміщений на сушу в геологічний час шляхом підняття поверхні Землі і тим самим включений в земну породу. Хоча рух азоту з гірської породи безпосередньо в живі системи традиційно розглядається як незначне порівняно з азотом, закріпленим з атмосфери, недавнє дослідження показало, що цей процес дійсно може бути значним і повинен бути включений в будь-яке дослідження глобального циклу азоту.
Фосфорний цикл
Фосфор є необхідною поживною речовиною для життєвих процесів; він є основним компонентом нуклеїнових кислот і фосфоліпідів, і, як фосфат кальцію, становить підтримуючі компоненти наших кісток. Фосфор часто є обмежуючою поживною речовиною (необхідною для росту) у водних, особливо прісноводних, екосистемах.
Фосфор зустрічається в природі як фосфатний іон (\(\ce{PO4^3-}\)). Крім фосфатного стоку в результаті діяльності людини відбувається природний поверхневий стік, коли його вилуговують з фосфатсодержащих гірських порід шляхом вивітрювання, тим самим відправляючи фосфати в річки, озера та океан. Ця скеля бере свій початок в океані. Фосфатсодержащие океанічні відкладення утворюються переважно з тіл океанічних організмів і з їх виділень. Однак вулканічний попіл, аерозолі та мінеральний пил також можуть бути значними джерелами фосфатів. Потім цей осад переміщується на землю протягом геологічного часу шляхом підняття поверхні Землі. (Малюнок нижче)
Фосфор також взаємно обмінюється між фосфатом, розчиненим в океані, і морськими організмами. Рух фосфатів з океану до суші та через ґрунт надзвичайно повільний, при цьому середній фосфатний іон має час перебування в океанічному середовищі від 20 000 до 100 000 років.
Надлишок фосфору та азоту, які потрапляють в ці екосистеми зі стоку добрив та з стічних вод, викликають надмірне зростання водоростей. Подальша загибель і гниття цих організмів виснажує розчинений кисень, що призводить до загибелі водних організмів, таких як молюски і риби. Цей процес відповідає за мертві зони в озерах і в гирлах багатьох великих річок і за масові вбивства риб, які часто відбуваються в літні місяці (див. Малюнок нижче).
Малюнок\(\PageIndex{6}\): Мертві зони виникають, коли фосфор і азот з добрив викликають надмірне зростання мікроорганізмів, що виснажує кисень і вбиває фауну. У всьому світі великі мертві зони зустрічаються в районах з високою щільністю населення. (кредит: Роберт Сіммон, Джессі Аллен, Обсерваторія Землі НАСА)Мертва зона - це територія в озерах і океанах біля гирла річок, де великі площі періодично виснажуються їх нормальною флорою і фауною; ці зони спричинені евтрофікацією в поєднанні з іншими факторами, включаючи розливи нафти, скидання токсичних хімічних речовин та інші людські діяльності. Кількість мертвих зон зросла протягом декількох років, і понад 400 з цих зон були присутні станом на 2008 рік. Одна з найгірших мертвих зон знаходиться біля узбережжя США в Мексиканській затоці: стік добрив з басейну річки Міссісіпі створив мертву зону площею понад 8,463 квадратних миль. Фосфатні та нітратні стоки добрив також негативно впливають на кілька екосистем озер та бухт, включаючи Чесапікський затоку на сході США.
Цикл сірки
Сірка є необхідним елементом для макромолекул живих істот. У складі амінокислоти цистеїн бере участь в утворенні білків. Як показано на малюнку нижче, сірчані цикли між океанами, сушею та атмосферою. Атмосферна сірка міститься у вигляді діоксиду сірки (\(\ce{SO2}\)), який потрапляє в атмосферу трьома шляхами: по-перше, від розкладання органічних молекул; по-друге, від вулканічної активності та геотермальних отворів; і, по-третє, від спалювання викопного палива людиною.
На суші сірка відкладається чотирма основними способами: опадами, прямими випаданнями з атмосфери, вивітрювання гірських порід та геотермальними вентиляційними отворами. Атмосферна сірка зустрічається у вигляді діоксиду сірки (\(\ce{SO2}\)), а в міру потрапляння дощу через атмосферу сірка розчиняється у вигляді слабкої сірчаної кислоти (\(\ce{H2SO4}\)). Сірка також може потрапляти безпосередньо з атмосфери в процесі, який називається випаданням. Також в міру погодних явищ сірковмісних порід сірка виділяється в грунт. Ці породи походять з океанських відкладень, які переміщуються на сушу шляхом геологічного підняття океанських відкладень. Потім наземні екосистеми можуть використовувати ці сульфати ґрунту (\(\ce{SO4^2-}\)), які потрапляють у харчову павутину, захоплюючись корінням рослин. Коли ці рослини розкладаються і гинуть, сірка виділяється назад в атмосферу як сірководень (\(\ce{H2S}\)) газ.
Сірка потрапляє в океан у стоці з суші, від атмосферних опадів та з підводних геотермальних отворів. Деякі екосистеми покладаються на хемоавтотрофи, що використовують сірку як біологічне джерело енергії. Потім ця сірка підтримує морські екосистеми у вигляді сульфатів.
Діяльність людини зіграла важливу роль у зміні балансу глобального циклу сірки. Спалювання великої кількості викопного палива, особливо з вугілля, виділяє більшу кількість сірководневого газу в атмосферу. Коли дощ падає через цей газ, він створює явище, відоме як кислотний дощ, який завдає шкоди природному середовищу, знижуючи рН озер, тим самим вбиваючи багатьох мешканців рослин та тварин. Кислотний дощ - це корозійний дощ, спричинений падінням дощової води на землю через газ діоксиду сірки, перетворюючи її на слабку сірчану кислоту, що завдає шкоди водним екосистемам. Кислотні дощі також впливають на техногенне середовище через хімічну деградацію будівель. Наприклад, багато мармурові пам'ятники, такі як Меморіал Лінкольна у Вашингтоні, округ Колумбія, зазнали значної шкоди від кислотних дощів протягом багатьох років. Ці приклади показують широкий вплив людської діяльності на навколишнє середовище та проблеми, які залишаються для нашого майбутнього.