8 НАЙВАЖЛИВІШИХ БІОГЕОХІМІЧНИХ ЦИКЛІВ (ОПИС) - БІОЛОГІЯ - 2025

В біогеохімічних циклах містять шлях слідував різних поживних речовин або елементи , які є частиною органічних істот. Цей транзит відбувається в біологічних спільнотах, як у біотичних, так і в абіотичних утвореннях, які його складають.

Поживні речовини - це будівельні блоки, що складають макромолекули, і їх класифікують відповідно до кількості, яка потрібна живій істоті в макропоживних та мікроелементах.

Джерело: pixabay.com

Життя на планеті Земля починається приблизно з 3 мільярдів років, де той самий пул поживних речовин перероблявся знову і знову. Запас поживних речовин знаходиться в абіотичних компонентах екосистеми, таких як атмосфера, каміння, викопне паливо, океан, серед інших. Цикли описують шляхи поживних речовин з цих водойм, через живі істоти та назад до водойм.

Вплив людини не залишився непоміченим при транзиті поживних речовин, оскільки антропогенна діяльність - особливо індустріалізація та сільськогосподарські культури - змінила концентрацію, а отже, і рівновагу циклів. Ці порушення мають важливі екологічні наслідки.

Далі ми опишемо проходження та переробку найвидатніших мікро- та макроелементів на планеті, а саме: води, вуглецю, кисню, фосфору, сірки, азоту, кальцію, натрію, калію, сірки.

Що таке біогеохімічний цикл?

Потік енергії та поживних речовин

Періодична таблиця складається з 111 елементів, з яких лише 20 мають важливе значення для життя, і через їх біологічну роль вони називаються біогенетичними елементами. Таким чином організми потребують цих елементів, а також енергії, щоб підтримувати себе.

Існує потік цих двох компонентів (поживних речовин та енергії), який поступово передається через усі рівні харчового ланцюга.

Однак між двома потоками є вирішальна різниця: енергія тече лише в одному напрямку і невичерпно надходить до екосистеми; в той час як поживні речовини знаходяться в обмежених кількостях і рухаються циклами - які крім живих організмів беруть участь абіотичні джерела. Ці цикли є біогеохімічними речовинами.

Загальна схема біогеохімічного циклу

Термін біогеохімічний утворений об'єднанням грецьких коренів біо, що означає життя, а гео, що означає земля. Тому біогеохімічні цикли описують траєкторії цих елементів, що входять до життя, між біотичним та абіотичним компонентами екосистем.

Оскільки ці цикли є надзвичайно складними, біологи зазвичай описують їх найважливіші стадії, які можна узагальнити як: розташування або резервуар розглянутого елемента, його потрапляння в живі організми - як правило, первинні виробники з подальшим його безперервністю через ланцюг трофічна і, нарешті, реінтеграція стихії у водоймі завдяки організмам, що розкладаються.

Ця схема буде використовуватися для опису маршруту кожного елемента для кожного згаданого етапу. За своєю природою ці кроки потребують відповідних модифікацій залежно від кожного елемента та трофічної структури системи.

Мікроорганізми відіграють життєво важливу роль

Важливо виділити роль мікроорганізмів у цих процесах, оскільки завдяки реакціям відновлення та окислення вони дозволяють поживним речовинам знову входити в цикли.

Вивчення та застосування

Вивчення циклу є проблемою для екологів. Хоча це екосистема, периметр якої обмежений (як, наприклад, озеро), існує постійний потік матеріального обміну з оточенням, яке їх оточує. Тобто, крім того, що вони складні, ці цикли пов'язані між собою.

Однією з методологій є маркування радіоактивних ізотопів та відстеження елементів за допомогою абіотичних та біотичних компонентів системи дослідження.

Вивчення того, як працює переробка поживних речовин і в якому стані це маркер екологічної актуальності, який говорить нам про продуктивність системи.

Класифікації біогеохімічних циклів

Не існує єдиного способу класифікації біогеохімічних циклів. Кожен автор пропонує відповідну класифікацію за різними критеріями. Нижче ми представимо три використані класи:

Мікро- та макроелементи

Цикл можна класифікувати за елементом, який мобілізується. Макроелементи - це елементи, що використовуються у значних кількостях органічними істотами, а саме: вуглець, азот, кисень, фосфор, сірка та вода.

Інші елементи потрібні лише в невеликих кількостях, таких як фосфор, сірка, калій серед інших. Крім того, мікроелементи характеризуються досить низькою мобільністю в системах.

Хоча ці елементи використовуються в невеликій кількості, вони все ще життєво важливі для організмів. Якщо поживної речовини бракує, це обмежить ріст живих істот, які населяють відповідну екосистему. Тому біологічні компоненти середовища існування є хорошим маркером для визначення ефективності руху елементів.

Осадові та атмосферні

Не всі поживні речовини містяться в однаковій кількості або легко доступні організмам. І це залежить - головним чином - від того, яке його джерело чи абіотичне водоймище.

Деякі автори класифікують їх на дві категорії, залежно від рухливості елемента та резервуара за: осадовим та атмосферним циклами.

У першому елемент не може просуватися в атмосферу і накопичується в ґрунті (фосфор, кальцій, калій); при цьому останні складають газові цикли (вуглець, азот тощо)

В атмосферних циклах елементи розміщуються в нижньому шарі тропосфери і є доступними для людей, що складають біосферу. У разі осадових циклів вивільнення елемента зі свого водойми вимагає дії факторів навколишнього середовища, таких як сонячна радіація, дія коренів рослин, дощ тощо.

У конкретних випадках, одна екосистема може не мати всіх необхідних елементів для повного циклу. У цих випадках інша сусідня екосистема може бути постачальником відсутнього елемента, таким чином з'єднуючи кілька регіонів.

Локальні та глобальні

Третя класифікація, що використовується, - це масштаб, в якому вивчається ділянка, яка може знаходитися в місцевому середовищі існування або в усьому світі.

Ця класифікація тісно пов'язана з попередньою, оскільки елементи з атмосферними запасами мають широке розповсюдження і їх можна зрозуміти глобально, тоді як елементи є осадовими запасами і мають обмежену здатність до руху.

Водний цикл

Роль води

Вода є життєво важливим компонентом для життя на землі. Органічні істоти складаються з високих пропорцій води.

Ця речовина є особливо стійкою, що дає можливість підтримувати відповідну температуру всередині організмів. Крім того, це середовище, де всередині організмів відбувається величезна кількість хімічних реакцій.

Нарешті, це майже універсальний розчинник (аполярні молекули не розчиняються у воді), що дозволяє утворювати нескінченності розчинів з полярними розчинниками.

Водосховище

За логікою, найбільшим водоймою на Землі є океани, де ми знаходимо майже 97% всієї планети і охоплюємо понад три чверті планети, на якій ми живемо. Решта відсотків представлена ​​річками, озерами та ожеледицею.

Двигуни гідрологічного циклу

Існує низка фізичних сил, які приводять рух життєвої рідини через планету і дозволяють їй здійснювати гідрологічний цикл. До цих сил належать: сонячна енергія, яка дозволяє воді переходити з рідкого стану в газоподібний стан, і сила тяжіння, яка рухає молекули води назад на землю у вигляді дощу, снігу або роси.

Далі ми опишемо кожен із зазначених нижче кроків:

(i) Випаровування: зміна стану води визначається енергією від сонця і відбувається переважно в океані.

(ii) Опади: вода повертається у водойми завдяки опадам у різних формах (сніг, дощ тощо) та різними маршрутами - до океанів, до озер, до ґрунту, до підземних відкладів, серед інших.

В океанічній складовій циклу процес випаровування перевищує кількість опадів, що призводить до чистого надходження води, що надходить в атмосферу. Замикання циклу відбувається з переміщенням води через підземні маршрути.

Включення води в живі істоти

Значний відсоток тіла живих істот складається з води. У нас, людей, ця величина становить близько 70%. З цієї причини частина водного циклу відбувається всередині організмів.

Рослини використовують своє коріння для отримання води шляхом поглинання, тоді як гетеротрофні та активні організми можуть споживати її безпосередньо з екосистеми або в їжу.

На відміну від водного циклу, кругообіг інших поживних речовин включає важливі модифікації молекул по їх траєкторіях, тоді як вода залишається практично незмінною (відбуваються лише зміни стану).

Зміни у водному циклі завдяки присутності людини

Вода є одним з найцінніших ресурсів для людського населення. Сьогодні дефіцит життєво важливої ​​рідини зростає в експоненціальному масштабі і представляє проблему, що викликає глобальний інтерес. Хоча є велика кількість води, лише невеликій порції відповідає прісна вода.

Одним з недоліків є зниження доступності води для зрошення. Наявність асфальтобетонних поверхонь зменшує поверхню, на яку могла проникнути вода.

Великі поля обробітку також представляють зменшення кореневої системи, яка підтримує достатню кількість води. Крім того, зрошувальні системи видаляють величезну кількість води.

З іншого боку, обробка солі до прісної води - це процедура, яка проводиться на спеціалізованих підприємствах. Однак лікування є дорогим і являє собою збільшення загального рівня забруднення.

Нарешті, споживання забрудненої води є головною проблемою для країн, що розвиваються.

Вуглецевий цикл

Роль вуглецю

Життя складається з вуглецю. Цей атом є структурною основою всіх органічних молекул, що входять до складу живих істот.

Вуглець дозволяє утворювати дуже мінливі і дуже стійкі структури, завдяки своїй властивості утворювати одинарні, подвійні та потрійні ковалентні зв’язки з та іншими атомами.

Завдяки цьому він може утворювати майже нескінченну кількість молекул. Сьогодні відомо майже 7 мільйонів хімічних сполук. З цієї великої кількості приблизно 90% складають органічні речовини, структурною основою яких є атом вуглецю. Велика молекулярна універсальність елемента, здається, є причиною його достатку.

Водойми

У вуглецевому циклі задіяно декілька екосистем, а саме: сухопутні регіони, водойми та атмосфера. З цих трьох резервуарів вуглецю той, який виділяється як найважливіший, - океан. Атмосфера також є важливим резервуаром, хоча він порівняно менший.

Таким же чином вся біомаса живих організмів є важливим резервуаром цієї поживної речовини.

Фотосинтез та дихання: центральні процеси

Як у водному, так і в наземному регіонах центральною точкою переробки вуглецю є фотосинтез. Цей процес здійснюється як рослинами, так і низкою водоростей, які мають необхідну для процесу ферментативну техніку.

Тобто вуглець потрапляє до живих істот, коли вони захоплюють його у вигляді вуглекислого газу і використовують його як субстрат для фотосинтезу.

Що стосується фотосинтетичних водних організмів, поглинання вуглекислого газу відбувається безпосередньо за рахунок інтеграції розчиненого в організм води елемента - який знаходиться в набагато більшій кількості, ніж в атмосфері.

Під час фотосинтезу вуглець із навколишнього середовища включається в тканини організму. Навпаки, реакції, за допомогою яких відбувається клітинне дихання, здійснюють протилежний процес: вивільнення вуглецю, який був включений в живі істоти з атмосфери.

Включення вуглецю в живі істоти

Первинні споживачі або травоїдні тварини харчуються виробниками і придатні вуглецю, що зберігається в їх тканинах. У цей момент вуглець проходить двома шляхами: він зберігається в тканинах цих тварин, а інша частина виділяється в атмосферу за допомогою дихання, у вигляді вуглекислого газу.

Таким чином, вуглець продовжує свій хід по всьому харчовому ланцюгу спірної громади. У якийсь момент тварина загине і її організм буде розкладатися мікроорганізмами. Таким чином, вуглекислий газ повертається в атмосферу і цикл може продовжуватися.

Альтернативні маршрути циклу

У всіх екосистемах - і залежно від організмів, які там мешкають - ритм циклу змінюється. Наприклад, молюски та інші мікроскопічні організми, які створюють життя в морі, мають здатність добувати розчинений у воді вуглекислий газ і поєднувати його з кальцієм, щоб отримати молекулу, яку називають карбонатом кальцію.

Ця сполука буде частиною оболонок організмів. Після відмирання цих організмів їх оболонки поступово накопичуються в покладах, які з часом перетворюються на вапняки.

Залежно від геологічного контексту, якому піддається водойма, вапняк може піддаватися впливу і починати розчинятися, що призводить до виходу вуглекислого газу.

Ще один довгостроковий шлях у циклі вуглецю пов'язаний з виробництвом викопних палив. У наступному розділі ми побачимо, як спалювання цих ресурсів впливає на нормальний або природний хід циклу.

Зміни в циклі вуглецю завдяки присутності людини

Люди впливають на природний хід вуглецевого циклу вже тисячі років. Вся наша діяльність - наприклад, промислова та вирубка лісів - впливає на вивільнення та джерела цього життєво важливого елемента.

Зокрема, використання викопного палива вплинуло на цикл. Коли ми спалюємо паливо, ми переміщуємо величезну кількість вуглецю, який знаходився в неактивному геологічному резервуарі, в атмосферу, яка є активним резервуаром. З минулого століття збільшення викидів вуглецю було драматичним.

Викид вуглекислого газу в атмосферу - це факт, який впливає на нас безпосередньо, оскільки підвищує температуру планети і є одним із газів, відомих як парникові гази.

Цикл азоту

Цикл азоту. Перероблено YanLebrel із зображення з Агенції з охорони навколишнього середовища: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, через Wikimedia Commons

Роль азоту

У органічних істот ми знаходимо азот у двох його основних макромолекул: білках та нуклеїнових кислотах.

Перші відповідають за найрізноманітніші функції, від структурних до транспортних; в той час як останні є молекулами, відповідальними за зберігання генетичної інформації та переклад її на білки.

Крім того, це компонент деяких вітамінів, які є життєво важливими елементами для обмінних шляхів.

Водойми

Основний запас азоту - атмосфера. У цьому просторі ми знаходимо, що 78% газів, що знаходяться у повітрі, - це газ азоту (N _2. )

Хоча це важливий елемент для живих істот, ні рослини, ні тварини не мають здатності витягати цей газ безпосередньо з атмосфери - як це відбувається, наприклад, з вуглекислого газу.

Засвоювані джерела азоту

З цієї причини азот повинен бути представлений як засвоювана молекула. Тобто, що це у зменшеному чи «фіксованому» вигляді. Прикладом цього є нітрати (NO ₃ ^- ) або аміак (NH ₃ )

Є бактерії, які встановлюють симбіотичний зв’язок з деякими рослинами (наприклад, бобовими), і в обмін на захист та їжу вони поділяють ці сполуки азоту.

Інші види бактерій також виробляють аміак, використовуючи амінокислоти та інші азотисті сполуки, які зберігаються в трупах та біологічних відходах як субстрати.

Азотфіксуючі організми

Існує дві основні групи фіксаторів. Деякі бактерії, синьо-зелені водорості та актиноміцети можуть приймати молекулу азотного газу та включати її безпосередньо до складу своїх білків, вивільняючи надлишки у вигляді аміаку. Цей процес називається амоніфікацією.

Інша група бактерій, що мешкають у ґрунті, здатна переносити аміак або іон амонію в нітрити. Цей другий процес називається нітрифікацією.

Небіологічні процеси азотфіксації

Існують також небіологічні процеси, здатні утворювати оксиди азоту, такі як електричні бурі чи пожежі. У цих випадках азот поєднується з киснем, даючи засвоювану сполуку.

Процес фіксації азоту характеризується повільним, є обмежуючим кроком для продуктивності екосистем, як наземних, так і водних.

Включення азоту в живі істоти

Як тільки рослини знайшли резервуар азоту в засвоюваній формі (аміак і нітрати), вони включають їх у різні біологічні молекули, а саме: амінокислоти, будівельні блоки білків; нуклеїнові кислоти; вітаміни; тощо.

Коли нітрати включаються в рослинні клітини, відбувається реакція, і вона зменшується до амонієвої форми.

Молекули азоту кружляють, коли первинний споживач харчується рослинами і включає азот у власні тканини. Їх також можна вживати в їжу сміттям або організмами, що розкладаються.

Таким чином, азот рухається по всьому харчовому ланцюгу. Значна частина азоту виділяється разом із трупами, що розкладаються та розкладаються.

Бактерії, що створюють життя в ґрунті та водоймах, здатні приймати цей азот і перетворювати його назад у засвоювані речовини.

Це не замкнутий цикл

Після цього опису здається, що цикл азоту замкнутий і продовжує себе. Однак це лише на перший погляд. Існують різні процеси, що викликають втрати азоту, такі як посіви, ерозія, наявність вогню, інфільтрація води тощо.

Інша причина називається денітрифікацією, і вона викликається бактеріями, які ведуть процес. Знаходячись у безкисневому середовищі, ці бактерії поглинають нітрати та зменшують їх, вивільняючи їх назад в атмосферу як газ. Ця подія поширена на ґрунтах, дренаж яких не є ефективним.

Зміни азотного циклу завдяки присутності людини

Азотні сполуки, якими користується людина, домінують в азотному циклі. До цих сполук належать синтетичні добрива, багаті аміаком та нітратами.

Цей надлишок азоту спричинив дисбаланс у нормальному шляху сполуки, особливо у зміні рослинних спільнот, оскільки вони зараз зазнають надмірного запліднення. Це явище називається евтрофікацією. Одним із повідомлень цієї події є те, що збільшення поживних речовин не завжди є позитивним.

Одним із найсерйозніших наслідків цього факту є знищення громад лісів, озер та річок. Оскільки немає належного балансу, деякі види, які називають домінуючими видами, заростають і домінують в екосистемі, зменшуючи різноманітність.

Цикл фосфору

Роль фосфору

У біологічних системах фосфор присутній в молекулах, званих енергетичними "монетами" клітини, таких як АТФ, та в інших молекулах, що передають енергію, такі як НАДФ. Він також присутній у молекулах спадковості як в ДНК і РНК, так і в молекулах, що складають ліпідні мембрани.

Він також відіграє структурну роль, оскільки присутній в кісткових структурах лінії хребетних, включаючи як кістки, так і зуби.

Водойми

На відміну від азоту та вуглецю фосфор не зустрічається як вільний газ в атмосфері. Його основний резервуар - гірські породи, пов'язані з киснем у вигляді молекул, званих фосфатами.

Як можна очікувати, цей процес виливання відбувається повільно. Тому фосфор вважається рідкісним поживним речовиною в природі.

Включення фосфору в живих істот

Коли географічні та кліматичні умови підходять, гірські породи починають процес ерозії або зносу. Завдяки дощу фосфати починають розбавлятись і можуть поглинатися корінням рослин або іншою серією первинних організмів, що виробляють.

Ця серія фотосинтетичних організмів відповідає за включення фосфору в свої тканини. Починаючи з цих базальних організмів, фосфор починає свій транзит через трофічні рівні.

У кожній ланці ланцюга частина фосфору виводиться особинами, які його складають. Коли тварини гинуть, цілий ряд спеціальних бактерій поглинає фосфор і вносить його назад у грунт як фосфати.

Фосфати можуть проходити двома шляхами: бути поглиненими автотрофами або розпочати накопичення їх у відкладах, щоб повернутися до свого скелястого стану.

Фосфор, присутній в екосистемах океану, також потрапляє в осади цих водойм, і частина його може бути поглинена його мешканцями.

Зміни в циклі фосфору внаслідок присутності людини

Присутність людини та їх сільськогосподарських методик впливає на цикл фосфору майже так само, як і на цикл азоту. Застосування добрив призводить до непропорційного збільшення поживних речовин, що призводить до евтрофікації району, викликаючи дисбаланс у різноманітності їхніх спільнот.

За оцінками, за останні 75 років промисловість добрив спричинила підвищення концентрації фосфору майже вчетверо.

Цикл сірки

Роль сірки

Деякі амінокислоти, аміни, НАДФН та кофермент А - це біологічні молекули, які виконують різні функції в обміні речовин. Всі вони містять сірку у своїй структурі.

Водойми

Сірчані водойми дуже різноманітні, включаючи водойми (прісні та солі), наземні середовища, атмосферу, гірські породи та осади. Він зустрічається в основному як діоксид сірки (SO ₂ )

Включення сірки в живі істоти

З водойм сульфат починає розчинятися і перші ланки харчового ланцюга можуть захоплювати його як іон. Після реакцій відновлення сірка готова до включення в білки.

Після включення елемент може продовжувати своє проходження через харчовий ланцюг, аж до загибелі організмів. Бактерії відповідають за вивільнення сірки, що потрапила в трупи і відходи, повернення її в навколишнє середовище.

Кисневий цикл

Кисневий цикл. Еме Чікано, із Вікісховища

Роль кисню

Для організмів з аеробним та факультативним диханням кисень являє собою акцептор електронів у метаболічних реакціях, що беруть участь у цьому процесі. Тому важливо підтримувати отримання енергії.

Водойми

Найважливіший резервуар кисню на планеті представлений атмосферою. Наявність цієї молекули надає цій області окислювальний характер.

Включення кисню в живі істоти

Як і в циклі вуглецю, клітинне дихання та фотосинтез - це два найважливіші метаболічні шляхи, які оркеструють траєкторію кисню на планеті Земля.

У процесі дихання тварини беруть кисень і виробляють вуглекислий газ як відходи. Кисень надходить з метаболізму рослин, який, в свою чергу, може включати вуглекислий газ і використовувати його як субстрати для майбутніх реакцій.

Кальцієвий цикл

Водойми

Кальцій міститься в літосфері, вбудований в осади і гірські породи. Ці породи можуть бути продуктом скам’янілення морських тварин, зовнішні структури яких були багатими кальцієм. Він також зустрічається в печерах.

Включення кальцію в живі істоти

Дощі та інші кліматичні події спричиняють ерозію каменів, які містять кальцій, спричиняючи його виділення і дозволяючи живим організмам засвоювати їх у будь-якій точці харчового ланцюга.

Ця поживна речовина буде включена в живу істоту, і в момент її загибелі бактерії здійснюватимуть відповідні реакції розкладання, які досягають вивільнення цього елемента та безперервності циклу.

Якщо кальцій потрапляє у водойму, він може утримуватися на дні і знову починається утворення гірських порід. Витіснення підземних вод також відіграє важливу роль у мобілізації кальцію.

Ця ж логіка стосується циклу іонів калію, який знаходиться в глинистих ґрунтах.

Цикл натрію

Роль натрію

Натрій - це іон, який виконує в організмі тварин безліч функцій, таких як нервовий імпульс і скорочення м’язів.

Водосховище

Найбільший резервуар натрію знаходиться в поганій воді, де він розчиняється у вигляді іона. Пам'ятайте, що звичайна сіль утворюється об'єднанням між натрієм і хлором.

Включення натрію в живі істоти

Натрій в основному засвоюється організмами, які створюють життя в морі, які поглинають його і можуть транспортувати на сушу, або через воду, або з їжею. Іон може подорожувати розчиненим у воді, слідуючи шляху, описаному в гідрологічному циклі.

Список літератури

1. Berg, JM, Stryer, L., & Tymoczko, JL (2007). Біохімія. Я перевернувся.
2. Кемпбелл, МК, і Фаррелл, SO (2011). Біохімія. Томсон. Брукс / Коул.
3. Церецо Гарсія, М. (2013). Основи базової біології. Публікації Universitat Jaume I.
4. Devlin, TM (2011). Підручник з біохімії. Джон Вілі та сини.
5. Фріман, С. (2017). Біологічна наука. Пірсон освіта.
6. Galan, R., & Torronteras, S. (2015). Фундаментальна та здоров’я біологія. Ельзев'є
7. Гама, М. (2007). Біологія: конструктивістський підхід. (Т. 1). Пірсон освіта.
8. Koolman, J., & Röhm, KH (2005). Біохімія: текст та атлас. Panamerican Medical Ed.
9. Macarulla, JM, & Goñi, FM (1994). Біохімія людини: основний курс. Я перевернувся.
10. Moldoveanu, SC (2005). Аналітичний піроліз синтетичних органічних полімерів (т. 25). Ельзев'є.
11. Moore, JT, & Langley, RH (2010). Біохімія для манекенів. Джон Вілі та сини.
12. Mougios, V. (2006). Вправа біохімія. Кінетика людини.
13. Müller-Esterl, W. (2008). Біохімія. Основи медицини та наук про життя. Я перевернувся.
14. Poortmans, JR (2004). Принципи біохімії вправ. 3 ^-е , перероблене видання. Каргер.
15. Teijón, JM (2006). Основи структурної біохімії. Редакція Тебар.
16. Urdiales, BAV, del Pilar Granillo, M., & Dominguez, MDSV (2000). Загальна біологія: живі системи. Grupo редакційна патрія.
17. Vallespí, RMC, Ramírez, PC, Santos, SE, Morales, AF, Torralba, MP, & Del Castillo, DS (2013). Основні хімічні сполуки. Редакція UNED.
18. Voet, D., & Voet, JG (2006). Біохімія. Panamerican Medical Ed.