3.2: Біогеохімічні цикли

Енергія тече спрямовано через екосистеми, потрапляючи як сонячне світло (або неорганічні молекули для хемоавтотрофів) і залишаючи як тепло під час перетворення енергії між трофічними рівнями. Замість того, щоб протікати через екосистему, речовина, що складається з 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 цих процесів, переробку неорганічної речовини між живими організмами та їх неживим середовищем називають біогеохімічними циклами.

Шість вищезгаданих елементів використовуються організмами різними способами. Водень і кисень містяться у воді та органічних молекулах, обидва вони мають важливе значення для життя. Вуглець міститься у всіх органічних молекулах, тоді як азот є важливим компонентом нуклеїнових кислот і білків. Фосфор використовується для отримання нуклеїнових кислот та фосфоліпідів, що входять до складу біологічних мембран. Нарешті, сірка має вирішальне значення для тривимірної форми білків.

Циклювання цих елементів взаємопов'язане між собою. Наприклад, рух води має вирішальне значення для вимивання сірки та фосфору в річки, озера та океани. Мінерали циркулюють через біосферу між біотичними та абіотичними компонентами і від одного організму до іншого.

Кругообіг води

Гідросфера - це область Землі, де відбувається рух і зберігання води: як рідка вода на поверхні (річки, озера, океани) і під поверхнею (грунтові води) або лід, (полярні крижані шапки та льодовики), і як водяна пара в атмосфері.Людський організм становить близько 60 відсотків води та людини клітини складають більше 70 відсотків води. З запасів води на Землі 97,5 відсотка становить солона вода (див. Малюнок\(\PageIndex{1}\) нижче). З решти води більше 99 відсотків складають грунтові води або лід. Таким чином, менше одного відсотка прісної води присутній в озерах і річках. Багато організмів залежать від цього невеликого відсотка, недолік якого може мати негативний вплив на екосистеми. 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\(\PageIndex{2}\) нижче. Процеси включають в себе наступне:

• випаровування і сублімація
• конденсація і опади
• підповерхневий потік води
• поверхневий стік і танення снігу
• потік потоку

Малюнок\(\PageIndex{1}\). Тільки 2,5 відсотка води на Землі - це прісна вода, а менше 1 відсотка прісної води легко доступні для живих істот.

Кругообіг води керується енергією Сонця, оскільки вона зігріває океани та інші поверхневі води. Це призводить до випаровування (рідка вода 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 (дощ, сніг, град), 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: потік прісної води над сушею або від дощу, або від танення льоду. Сток може пробиватися через струмки і озера до 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. Воду в грунті можуть забирати коріння рослин. Рослина буде використовувати частину цієї води для власного обміну речовин, а деякі з них знайдуть свій шлях до тварин, які їдять рослини, але більша частина її буде втрачена назад в атмосферу через процес, відомий як транспірація: вода потрапляє в судинну систему рослин через коріння і випаровується, або відбувається через продихи (невеликі отвори для мікроскопа) листя. Екологи поєднують транспірацію і випаровування в єдиний термін, який описує воду, повернуту в атмосферу: випаровування. Вода в грунті, яка не забирається рослиною і яка не випаровується, здатна просочуватися в надра та основу, де вона утворює грунтові води.

Грунтові води є значним, підземним резервуаром прісної води. Він існує в порах між частинками бруду, піску та гравію або в тріщинами в гірських порід. Грунтові води можуть повільно протікати через ці пори і тріщини і врешті-решт знаходить свій шлях до потоку або озера, де він знову стає частиною поверхневих вод. Багато потоки течуть не тому, що вони поповнюються з дощової води безпосередньо, а тому, що отримують постійний приплив від грунтових вод нижче. Деякі грунтові води знаходяться дуже глибоко в корені 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 фосфор і сірку, циркулюються від землі до води. Про вплив стоку на навколишнє середовище буде розглянуто пізніше, як описані ці цикли.

Малюнок\(\PageIndex{2}\). Вода з суші та океанів потрапляє в атмосферу шляхом випаровування або сублімації, де конденсується в хмари і падає як дощ або сніг. Осаджена вода може потрапляти в прісноводні водойми або проникати в грунт. Цикл завершений, коли поверхневі або грунтові води знову потрапляють в океан. (кредит: модифікація роботи Джона М. Еванса та Говарда Перлмана, USGS)

Вуглецевий цикл

Вуглець є другим за поширеністю елементом в організмах, за масою. Вуглець присутній у всіх органічних молекулах (і деяких молекулах, які не є органічними, наприклад СО ₂), і його роль у структурі біомолекул має першорядне значення. Вуглецеві сполуки містять енергію, і багато з цих сполук з мертвих рослин і водоростей скам'яніли протягом мільйонів років і відомі як викопне паливо. Починаючи з 1800-х років, використання викопного палива прискорилося. З початку промислової революції попит на обмежені запаси викопного палива Землі зріс, внаслідок чого кількість вуглекислого газу в нашій атмосфері різко зросла. Це збільшення вуглекислого газу 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\(\PageIndex{3}\) нижче.

Малюнок\(\PageIndex{3}\). Газ вуглекислого газу існує в атмосфері і розчиняється у воді. Фотосинтез перетворює газ вуглекислого газу в органічний вуглець, а дихання циклічно перетворює органічний вуглець назад у вуглекислий газ. Тривале зберігання органічного вуглецю відбувається, коли речовина живих організмів закопується глибоко під землею і стає скам'янілою. Вулканічна активність і, останнім часом, викиди людини повертають цей накопичений вуглець у вуглецевий цикл. (кредит: модифікація роботи Джона М. Еванса та Говарда Перлмана, USGS)

Біологічний вуглецевий цикл

Організми пов'язані різними способами, навіть серед різних екосистем. Хорошим прикладом цього зв'язку є обмін вуглецю між гетеротрофами та автотрофами за допомогою атмосферного вуглекислого газу. Вуглекислий газ (CO ₂) є основним будівельним блоком, який автотрофи використовують для створення 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, тоді як морські автотрофи набувають його в розчиненому вигляді (бікарбонат, HCO ₃ ^—).

Вуглець передається від виробників до більш високих трофічних рівнів через споживання. Наприклад, коли корова (основний споживач) їсть траву (виробник), вона отримує частину органічних молекул, спочатку вироблених фотосинтезом рослини. Ці органічні сполуки потім можуть бути передані на більш високі трофічні рівні, наприклад, люди, коли ми їмо корову. Однак на кожному рівні організми виконують дихання - процес, в якому органічні молекули розщеплюються, щоб вивільнити енергію. Коли ці органічні молекули розщеплюються, вуглець видаляється з молекул їжі, _{утворюючи CO 2}, газ, який потрапляє в атмосферу. Таким чином, СО ₂ є побічним продуктом дихання. Нагадаємо, що CO ₂ споживається виробниками під час фотосинтезу для отримання органічних молекул. Оскільки ці молекули розщеплюються під час дихання, вуглець знову потрапляє в атмосферу як СО ₂. Обмін вуглецю, подібний до цього, потенційно пов'язує всі організми на Землі. Подумайте про це: вуглець у вашій ДНК колись був частиною рослини; мільйони років тому, можливо, він був частиною динозавра.

Біогеохімічний вуглецевий цикл

Рух вуглецю по суші, воді, повітрю є складним, і, в багатьох випадках, відбувається набагато повільніше, ніж рух між організмами. Вуглець зберігається протягом тривалого періоду в так званих вуглецевих резервуарах, які включають атмосферу, водойми рідкої води (переважно океани), осад океану, ґрунт, 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 і водоймами впливає на те, скільки вуглецю міститься в кожному. Вуглекислий газ (CO ₂) з атмосфери розчиняється у воді і вступає в реакцію з молекулами води з утворенням іонних сполук. Деякі з цих іонів поєднуються з іонами кальцію в морській воді, утворюючи карбонат кальцію (CaCo ₃), основний компонент оболонок морських організмів. Ці організми з часом гинуть, а їх оболонки 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 організмів або від вивітрювання земних порід і мінералів (ґрунти світу містять значно більше вуглецю, ніж атмосфера, для порівняння). Глибше під землею знаходяться викопне паливо, анаеробно розкладені залишки рослин і водоростей, які жили мільйони років тому. 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.

Цикл азоту

Потрапляння азоту в живі організми важко. Рослини та фітопланктон не обладнані для включення азоту з атмосфери (там, де він існує як щільно зв'язаний, потрійний ковалентний N ₂), хоча ця молекула містить приблизно 78 відсотків атмосфери. Азот потрапляє в живий світ через вільно живі та симбіотичні бактерії, які включають азот у свої органічні молекули за допомогою спеціалізованих біохімічних процесів. Певні види бактерій здатні виконувати азотфіксацію, процес перетворення азотного газу в аміак (NH ₃), який мимовільно стає амонієм (NH ₄ ⁺). Амоній перетворюється бактеріями в нітрити (NO ₂ ⁻), а потім нітрати (NO ₃ ⁻). У цей момент азотовмісні молекули використовуються рослинами та іншими виробниками для створення органічних молекул, таких як ДНК та білки. Цей азот тепер доступний споживачам.

Органічний азот особливо важливий для вивчення динаміки екосистем, оскільки багато екосистемних процесів, таких як первинне виробництво, обмежені наявним запасом азоту. Як показано на малюнку\(\PageIndex{4}\) нижче, азот, який потрапляє в живі системи, в кінцевому підсумку перетворюється з органічного азоту назад в газ азоту бактеріями (рис.\(\PageIndex{4}\)). Процес денітрифікації - це коли бактерії перетворюють нітрати в азотний газ, тим самим дозволяючи йому знову потрапляти в атмосферу.

Малюнок\(\PageIndex{4}\). 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: «Цикл азоту» Йоганна Дрео та Раекі ліцензується відповідно до CC BY-SA 3.0)

Діяльність людини може змінити цикл азоту двома основними способами: спалюванням викопного палива, яке виділяє різні оксиди азоту, і за допомогою штучних добрив (які містять сполуки азоту та фосфору) у сільському господарстві, які потім змиваються поверхневими озерами, струмками та річками стік. Атмосферний азот (крім N ₂) пов'язаний з декількома впливами на екосистеми Землі, включаючи виробництво кислотних дощів (як азотна кислота, HNO ₃) та ефекти парникових газів (як закис азоту, N ₂ O), 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.

У морських екосистемах сполуки азоту, створені бактеріями, або шляхом розкладання, збираються в відкладах океанського дна. Потім його можна перенести на землю в геологічний час шляхом підняття земної кори і тим самим включити до земної породи. 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. Це основний компонент нуклеїнових кислот і фосфоліпідів, і, як фосфат кальцію, він 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 (PO ₄ ^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.

Малюнок\(\PageIndex{5}\). У природі фосфор існує як фосфатний іон (PO43-). Вивітрювання гірських порід і вулканічна активність виділяє фосфат у ґрунт, воду та повітря, де він стає доступним для наземних харчових мереж. Фосфат потрапляє в океани в поверхневому стоці, підземних водах та річковому потоці. Фосфат, розчинений у воді океану, циклів у морських харчових павутині. Деяка кількість фосфатів з морських харчових павутин потрапляє на дно океану, де утворює осад. (кредит: модифікація роботи Джона М. Еванса та Говарда Перлмана, USGS)

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 таких водних організмів, як молюски і риба. 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\(\PageIndex{6}\) 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 прибережних районах з високою щільністю населення. (кредит: 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 викликані евтрофікацією в поєднанні з іншими факторами, включаючи розливи нафти, скидання токсичних хімічних речовин та іншу діяльність людини. 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.

Сірчаний цикл

Сірка є необхідним елементом для молекул живих істот. У складі амінокислоти цистеїн бере участь в утворенні білків. Як показано на малюнку\(\PageIndex{7}\) нижче, сірчані цикли між океанами, сушею та атмосферою. Атмосферна сірка міститься у вигляді діоксиду сірки (SO ₂), 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.

Малюнок\(\PageIndex{7}\). Діоксид сірки з атмосфери стає доступним для наземних і морських екосистем, коли він розчиняється в опадах як слабка сірчана кислота або коли він потрапляє безпосередньо на Землю як випадання. Вивітрювання гірських порід також робить сульфати доступними для наземних екосистем. Розпад живих організмів повертає сульфати в океан, грунт і атмосферу. (кредит: модифікація роботи Джона М. Еванса та Говарда Перлмана, USGS)

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 (SO ₂), а в міру потрапляння дощу через атмосферу сірка розчиняється у вигляді слабкої сірчаної кислоти (H ₂ SO ₄). 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 (SO ₄ ^2-), які потрапляють у харчову павутину, захоплюючись корінням рослин. Коли ці рослини розкладаються і гинуть, сірка виділяється назад в атмосферу у вигляді сірководню (H ₂ S) газу.

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.

Пропоноване додаткове читання

Брукнер, М. 2018. Мертва зона Мексиканської затоки. [Веб-сайт] < https://serc.carleton.edu/microbelif...one/index.html >

Дописувачі та атрибуція

• Біогеохімічні цикли OpenSTAX ліцензовані відповідно до CC BY 4.0. Модифікований з оригіналу Метью Р. Фішер.