8-ТЕ НАЙ-ВАЖНИ БИОГЕОХИМИЧНИ ЦИКЪЛА (ОПИСАНИЕ) - БИОЛОГИЯ - 2025

На биогеохимичните цикли включват пътя последвано различните вещества или елементи, които са част от органични същества. Този транзит се осъществява в биологичните общности, както в биотични, така и в абиотични образувания, които го съставят.

Хранителните вещества са градивните елементи, които изграждат макромолекули и се класифицират според количеството, от което се нуждае живото същество от макро хранителни вещества и микроелементи.

Източник: pixabay.com

Животът на планетата Земя датира от около 3 милиарда години, където един и същ басейн с хранителни вещества се рециклира отново и отново. Резервът на хранителни вещества се намира в абиотичните компоненти на екосистемата, като атмосферата, камъните, изкопаемите горива, океаните и други. Циклите описват пътищата на хранителни вещества от тези резервоари, през живи същества и обратно към резервоарите.

Влиянието на хората не е останало незабелязано при транзита на хранителни вещества, тъй като антропогенните дейности - особено индустриализацията и културите - са променили концентрациите и следователно баланса на циклите. Тези смущения имат важни екологични последици.

По-нататък ще опишем преминаването и рециклирането на най-забележителните микро и макронутриенти на планетата, а именно: вода, въглерод, кислород, фосфор, сяра, азот, калций, натрий, калий, сяра.

Какво е биогеохимичен цикъл?

Поток от енергия и хранителни вещества

Периодичната таблица е съставена от 111 елемента, от които само 20 са от съществено значение за живота и поради биологичната си роля се наричат ​​биогенетични елементи. По този начин организмите се нуждаят от тези елементи, а също и енергия, за да се издържат.

Има поток от тези два компонента (хранителни вещества и енергия), който се прехвърля постепенно през всички нива на хранителната верига.

Съществува обаче съществена разлика между двата потока: енергията тече само в една посока и навлиза в екосистемата неизчерпаемо; докато хранителните вещества се намират в ограничаващи количества и се движат в цикли - които освен живи организми включват и абиотични източници. Тези цикли са биогеохимичните вещества.

Обща схема на биогеохимичен цикъл

Терминът биогеохимичен се формира от съединението на гръцките корени био, което означава живот и гео, което означава земя. Поради тази причина биогеохимичните цикли описват траекториите на тези елементи, които са част от живота, между биотичните и абиотичните компоненти на екосистемите.

Тъй като тези цикли са изключително сложни, биолозите обикновено описват най-важните им етапи, които могат да бъдат обобщени като: местоположението или резервоара на въпросния елемент, влизането му в живи организми - обикновено първични производители, последвано от неговата непрекъснатост през веригата трофична и накрая реинтеграцията на елемента в резервоара благодарение на разлагащите се организми.

Тази схема ще се използва за описание на маршрута на всеки елемент за всеки споменат етап. По своята същност тези стъпки изискват съответните модификации в зависимост от всеки елемент и трофичната структура на системата.

Микроорганизмите играят жизненоважна роля

Важно е да се подчертае ролята на микроорганизмите в тези процеси, тъй като благодарение на реакциите на редукция и окисляване те позволяват на хранителните вещества да влязат отново в циклите.

Проучване и приложения

Изучаването на цикъл е предизвикателство за еколозите. Въпреки че е екосистема, чийто периметър е ограничен (като езеро, например), има постоянен поток на обмен на материали с околната среда, която ги заобикаля. Тоест, освен че са сложни, тези цикли са свързани помежду си.

Една използвана методология е етикетиране на радиоактивен изотоп и проследяване на елементи чрез абиотични и биотични компоненти на системата за изследване.

Проучването как работи рециклирането на хранителни вещества и в какво състояние е маркер за екологично значение, което ни говори за производителността на системата.

Класификации на биогеохимични цикли

Няма единствен начин за класифициране на биогеохимичните цикли. Всеки автор предлага подходяща класификация, следвайки различни критерии. По-долу ще представим три от използваните обяви:

Микро и макронутриенти

Цикълът може да бъде класифициран според елемента, който е мобилизиран. Макронутриентите са елементи, използвани в значителни количества от органичните същества, а именно: въглерод, азот, кислород, фосфор, сяра и вода.

Други елементи са необходими само в малки количества, като фосфор, сяра, калий и др. В допълнение, микроелементите се характеризират с това, че имат доста ниска мобилност в системите.

Въпреки че тези елементи се използват в малки количества, те все още са жизненоважни за организмите. Ако липсва хранително вещество, това ще ограничи растежа на живите същества, които обитават въпросната екосистема. Следователно биологичните компоненти на местообитанието са добър маркер за определяне на ефективността на движението на елементите.

Седиментарни и атмосферни

Не всички хранителни вещества са в едно и също количество или са лесно достъпни за организмите. И това зависи - главно - от това какъв е неговият източник или абиотичен резервоар.

Някои автори ги класифицират в две категории, в зависимост от капацитета на движение на елемента и резервоара в: утаечен и атмосферен цикъл.

В първия елемент елементът не може да се премести в атмосферата и се натрупва в почвата (фосфор, калций, калий); докато последните включват газовите цикли (въглерод, азот и др.)

В атмосферните цикли елементите се помещават в долния слой на тропосферата и са на разположение на индивидите, които изграждат биосферата. В случай на утаечни цикли, освобождаването на елемента от резервоара му изисква действието на фактори на околната среда, като слънчева радиация, действие на корените на растенията, дъжд и др.

В специфични случаи една единствена екосистема може да няма всички необходими елементи, за да се осъществи пълният цикъл. В тези случаи друга съседна екосистема може да бъде доставчик на липсващия елемент, като по този начин свързва множество региони.

Местни и глобални

Трета класификация, използвана е скалата, в която се изследва обектът, който може да бъде в местно местообитание или в световен мащаб.

Тази класификация е тясно свързана с предишната, тъй като елементите с атмосферни резерви имат широко разпространение и могат да бъдат разбрани в световен мащаб, докато елементите са седиментни резерви и имат ограничен капацитет за движение.

Воден цикъл

Роля на водата

Водата е жизненоважен компонент за живота на земята. Органичните същества са съставени от високи пропорции на водата.

Това вещество е особено стабилно, което прави възможно поддържането на подходяща температура вътре в организмите. В допълнение, това е средата, в която се осъществяват огромното количество химични реакции вътре в организмите.

И накрая, това е почти универсален разтворител (аполарните молекули не се разтварят във вода), което позволява да се образуват безкрайности на разтвори с полярни разтворители.

Резервоар

Логично, най-големият резервоар на вода на земята са океаните, където откриваме почти 97% от общата планета и покриваме повече от три четвърти от планетата, на която живеем. Оставащият процент е представен от реки, езера и лед.

Двигатели на хидрологичния цикъл

Има поредица от физически сили, които задвижват движението на жизненоважната течност през планетата и й позволяват да извърши хидрологичния цикъл. Тези сили включват: слънчева енергия, която позволява на водата да премине от течно състояние в газообразно състояние и гравитация, която задвижва водните молекули обратно на земята под формата на дъжд, сняг или роса.

По-нататък ще опишем всяка от стъпките, споменати по-долу:

i) Изпарение: промяната на състоянието на водата се задвижва от енергия от слънцето и се осъществява главно в океана.

(ii) Валежи: водата се връща в резервоарите благодарение на валежите под различни форми (сняг, дъжд и др.) и по различни маршрути - до океаните, езерата, земята, подземните отлагания, наред с други.

В океанския компонент на цикъла процесът на изпаряване надвишава валежите, което води до нетен печалба на вода, която отива в атмосферата. Затварянето на цикъла става с движението на водата през подземните пътища.

Включване на вода в живи същества

Значителен процент от тялото на живите същества е съставен от вода. При нас хората тази стойност е около 70%. Поради тази причина част от водния цикъл се случва вътре в организмите.

Растенията използват корените си за получаване на вода чрез абсорбция, докато хетеротрофните и активни организми могат да я консумират директно от екосистемата или в храната.

За разлика от водния цикъл, цикълът на останалите хранителни вещества включва важни модификации в молекулите по техните траектории, докато водата остава практически непроменена (настъпват само промени в състоянието.)

Промени във водния цикъл благодарение на човешкото присъствие

Водата е един от най-ценните ресурси за човешкото население. Днес недостигът на жизненоважна течност нараства експоненциално и представлява проблем от глобално значение. Въпреки че има голямо количество вода, само малка част съответства на прясна вода.

Един от недостатъците е намаляването на наличността на вода за напояване. Наличието на асфалтови и бетонни повърхности намалява повърхността, през която би могла да проникне водата.

Обширните полета на отглеждане също представляват намаляване на кореновата система, което поддържа адекватно количество вода. В допълнение, напоителните системи премахват огромни количества вода.

От друга страна, обработката на сол към сладка вода е процедура, която се провежда в специализирани заводи. Лечението обаче е скъпо и представлява повишаване на общите нива на замърсяване.

И накрая, консумацията на замърсена вода е основен проблем за развиващите се страни.

Въглероден цикъл

Въглеродна роля

Животът е изграден от въглерод. Този атом е структурната рамка на всички органични молекули, които са част от живите същества.

Въглеродът позволява образуването на много променливи и много стабилни структури, благодарение на свойството си да образува единични, двойни и тройни ковалентни връзки с и с други атоми.

Благодарение на това той може да образува почти безкраен брой молекули. Днес са известни почти 7 милиона химически съединения. От този голям брой приблизително 90% са органични вещества, структурна основа на които е въглеродният атом. Голямата молекулярна гъвкавост на елемента изглежда е причината за неговото изобилие.

Резервоари

Въглеродният цикъл включва множество екосистеми, а именно: сухоземни региони, водни тела и атмосфера. От тези три резервоара за въглерод, този, който се откроява като най-важен, е океанът. Атмосферата също е важен резервоар, въпреки че е сравнително по-малка.

По същия начин цялата биомаса на живите организми представлява важен резервоар за това хранително вещество.

Фотосинтеза и дишане: централни процеси

Както във водните, така и в сухоземните райони, централната точка на рециклирането на въглерод е фотосинтезата. Този процес се осъществява както от растения, така и от серия водорасли, които имат ензимната машина, необходима за процеса.

Тоест, въглеродът навлиза в живите същества, когато го улавят под формата на въглероден диоксид и го използват като субстрат за фотосинтеза.

В случай на фотосинтетични водни организми поглъщането на въглероден диоксид става директно чрез интегрирането на разтворения елемент във водното тяло - което се намира в много по-голямо количество, отколкото в атмосферата.

По време на фотосинтезата въглеродът от околната среда се вгражда в тъканите на тялото. Напротив, реакциите, при които възниква клетъчното дишане, извършват обратния процес: освобождаването на въглерода, който е бил вложен в живите същества от атмосферата.

Включване на въглерод в живи същества

Първичните потребители или тревопасни животни се хранят с производителите и съответстват на въглерода, съхраняван в техните тъкани. В този момент въглеродът поема по два пътя: той се съхранява в тъканите на тези животни и друга част се отделя в атмосферата чрез дишане под формата на въглероден диоксид.

По този начин въглеродът продължава своя курс по цялата хранителна верига на въпросната общност. В един момент животното ще умре и тялото му ще бъде разложено от микроорганизмите. Така въглеродният двуокис се връща в атмосферата и цикълът може да продължи.

Алтернативни маршрути на цикъла

Във всички екосистеми - и в зависимост от организмите, които обитават там - ритъмът на цикъла варира. Например мекотелите и други микроскопични организми, които създават живот в морето, имат способността да извличат въглероден диоксид, разтворен във вода, и да го комбинират с калций, за да се получи молекула, наречена калциев карбонат.

Това съединение ще бъде част от черупките на организмите. След като тези организми умират, черупките им постепенно се натрупват в отлагания, които с течение на времето ще се трансформират във варовик.

В зависимост от геоложкия контекст, на който е изложено водното тяло, варовикът може да бъде изложен и да започне да се разтваря, което води до изтичане на въглероден диоксид.

Друг дългосрочен път в въглеродния цикъл е свързан с производството на изкопаеми горива. В следващия раздел ще видим как изгарянето на тези ресурси се отразява на нормалния или естествения ход на цикъла.

Промени в въглеродния цикъл благодарение на човешкото присъствие

Хората влияят на естествения ход на въглеродния цикъл от хиляди години. Всички наши дейности - като промишлени и обезлесяване - засягат освобождаването и източниците на този жизненоважен елемент.

По-специално използването на изкопаеми горива е повлияло на цикъла. Когато изгаряме гориво, ние преместваме огромни количества въглерод, който е бил в неактивен геоложки резервоар в атмосферата, който е активен резервоар. От миналия век увеличението на отделянето на въглерод е драматично.

Изпускането на въглероден диоксид в атмосферата е факт, който ни влияе пряко, тъй като повишава температурите на планетата и е един от газовете, известни като парникови газове.

Цикъл на азот

Цикъл на азот. Преработено от YanLebrel от изображение от Агенцията за опазване на околната среда: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, чрез Wikimedia Commons

Роля на азота

В органичните същества откриваме азот в две от основните му макромолекули: протеини и нуклеинови киселини.

Първите отговарят за голямо разнообразие от функции, от структурни до транспортни; докато последните са молекулите, които отговарят за съхраняването на генетична информация и превеждането й в протеини.

В допълнение, той е компонент на някои витамини, които са жизненоважни елементи за метаболитните пътища.

Резервоари

Основният запас на азот е атмосферата. В това пространство откриваме, че 78% от газовете, присъстващи във въздуха, са азотен газ (N _2.)

Въпреки че е съществен елемент за живите същества, нито растенията, нито животните имат способността да извличат този газ директно от атмосферата - както се случва например с въглеродния диоксид.

Асимилационни източници на азот

Поради тази причина азотът трябва да бъде представен като асимилируема молекула. Тоест, че тя е в намалената си или „фиксирана“ форма. Пример за това са нитрати (NO ₃ ^-) или амоняк (NH ₃)

Има бактерии, които установяват симбиотична връзка с някои растения (като бобови растения) и в замяна на защита и храна те споделят тези азотни съединения.

Други видове бактерии също произвеждат амоняк, използвайки аминокиселини и други азотни съединения, които се съхраняват в трупове и биологични отпадъци като субстрати.

Азотфиксиращи организми

Има две основни групи фиксиращи средства. Някои бактерии, синьозелени водорасли и актиномицетни гъби могат да приемат молекулата на азотния газ и да я включат директно като част от протеините си, освобождавайки излишъка под формата на амоняк. Този процес се нарича амонификация.

Друга група бактерии, обитаващи почвата, са способни да поемат амоняк или амониевия йон в нитрит. Този втори процес се нарича нитрификация.

Небиологични азотни фиксиращи процеси

Съществуват и небиологични процеси, способни да произвеждат азотни оксиди, като електрически бури или пожари. В тези случаи азотът се комбинира с кислород, като се получава асимилируемо съединение.

Процесът на фиксиране на азот се характеризира с бавен, като ограничаваща стъпка за производителността на екосистемите, както наземни, така и водни.

Включване на азот в живи същества

След като растенията са намерили резервоара за азот в асимилируема форма (амоняк и нитрати), те ги интегрират в различни биологични молекули, а именно: аминокиселини, градивни елементи на протеини; нуклеинова киселина; витамини; и т.н.

Когато нитратът се включи в растителните клетки, възниква реакция и той се редуцира обратно до амониевата си форма.

Азотните молекули циклират, когато първичен потребител се храни с растения и включва азот в собствените си тъкани. Те могат да се консумират и от едни отломки или от разлагащи се организми.

Така азотът се движи през цялата хранителна верига. Значителна част от азота се отделя заедно с отпадъци и разлагащи се трупове.

Бактериите, които създават живот в почвата и във водните тела, са способни да поемат този азот и да го превърнат обратно в асимилируеми вещества.

Това не е затворен цикъл

След това описание изглежда, че азотният цикъл е затворен и се самоудължава. Това обаче е само на един поглед. Има различни процеси, които причиняват загуба на азот, като култури, ерозия, наличие на пожар, инфилтрация на вода и др.

Друга причина се нарича денитрификация и се причинява от бактерии, които водят процеса. Когато се намират в среда без кислород, тези бактерии поемат нитратите и ги намаляват, освобождавайки ги обратно в атмосферата като газ. Това събитие е често срещано в почви, чиито дренаж не е ефективен.

Промени в азотния цикъл благодарение на човешкото присъствие

Азотните съединения, използвани от човека, доминират в азотния цикъл. Тези съединения включват синтетични торове, които са богати на амоняк и нитрати.

Този излишък от азот е предизвикал дисбаланс в нормалния път на съединението, особено в промяната на растителните съобщества, тъй като сега те страдат от прекомерно торене. Това явление се нарича еутрофикация. Едно от посланията на това събитие е, че увеличаването на хранителните вещества не винаги е положително.

Едно от най-сериозните последствия от този факт е унищожаването на общностите на гори, езера и реки. Тъй като няма адекватен баланс, някои видове, наречени доминиращи видове, растат и доминират в екосистемата, намалявайки разнообразието.

Фосфорен цикъл

Фосфорна роля

В биологичните системи фосфорът присъства в молекули, наречени енергийни "монети" на клетката, като ATP, и в други молекули за пренос на енергия, като NADP. Той също така присъства в молекулите на наследственост, както в ДНК и РНК, така и в молекулите, които съставят липидни мембрани.

Той също играе структурни роли, тъй като присъства в костните структури на гръбначния стълб, включително костите и зъбите.

Резервоари

За разлика от азота и въглерода, фосфорът не се намира като свободен газ в атмосферата. Основният му резервоар са скали, свързани с кислород под формата на молекули, наречени фосфати.

Както може да се очаква, този процес на заливане е бавен. Следователно фосфорът се счита за рядко хранително вещество в природата.

Включване на фосфор в живи същества

Когато географските и климатичните условия са подходящи, скалите започват процес на ерозия или износване. Благодарение на дъжда фосфатите започват да се разреждат и могат да се поемат от корените на растенията или от друга серия от първично произвеждащи организми.

Тази серия от фотосинтетични организми са отговорни за включването на фосфор в тъканите си. Започвайки от тези базални организми, фосфорът започва своя транзит през трофични нива.

Във всяка връзка във веригата част от фосфора се отделя от индивидите, които го съставят. Когато животните умират, серия от специални бактерии поемат фосфора и го вграждат обратно в почвата като фосфати.

Фосфатите могат да поемат по два пътя: да бъдат абсорбирани отново от автотрофите или да започнат натрупването си в утайките, за да се върнат в скалистото си състояние.

Фосфорът, присъстващ в океанските екосистеми, също се озовава в утайките на тези водни тела и част от него може да бъде погълната от жителите му.

Промени в цикъла на фосфора поради човешкото присъствие

Присъствието на хората и техните селскостопански техники влияе на фосфорния цикъл почти по същия начин, както влияе на азотния цикъл. Прилагането на торове води до непропорционално увеличаване на хранителните вещества, което води до еутрофикация на района, причинявайки дисбаланси в многообразието на техните общности.

Смята се, че през последните 75 години торовата промишленост е довела до повишаване на концентрациите на фосфор почти четири пъти.

Серен цикъл

Роля на сярата

Някои аминокиселини, амини, NADPH и коензим А са биологични молекули, които обслужват различни функции в метаболизма. Всички те съдържат сяра в структурата си.

Резервоари

Резервоарите за сяра са много разнообразни, включително водни тела (пресни и солени), земни среди, атмосфера, скали и утайки. Той се намира главно като серен диоксид (SO _2.)

Включване на сяра в живи същества

От резервоарите сулфатът започва да се разтваря и първите връзки в хранителната верига могат да го улавят като йон. След реакциите на редукция сярата е готова за включване в протеините.

Веднъж включен, елементът може да продължи преминаването си през хранителната верига, до смъртта на организмите. Бактериите са отговорни за освобождаването на сярата, която е заловена в трупове и отпадъци, връщането й в околната среда.

Кислороден цикъл

Кислороден цикъл. Еме Чикано, от Wikimedia Commons

Роля на кислорода

За организми с аеробно и факултативно дишане кислородът е акцептор на електрон в метаболитните реакции, участващи в този процес. Затова е жизненоважно да се поддържа получаването на енергия.

Резервоари

Най-важният кислороден резервоар на планетата е представен от атмосферата. Наличието на тази молекула придава на този регион окисляващ характер.

Включване на кислород в живите същества

Както в въглеродния цикъл, клетъчното дишане и фотосинтезата са два основни метаболитни пътя, които организират траекторията на кислорода на планетата Земя.

В процеса на дишане животните приемат кислород и произвеждат въглероден диоксид като отпадъчен продукт. Кислородът идва от метаболизма на растенията, който от своя страна може да включва въглероден диоксид и да го използва като субстрати за бъдещи реакции.

Калциев цикъл

Резервоари

Калцият се намира в литосферата, вграден в утайки и скали. Тези скали може да са продукт на фосилизацията на морски животни, чиито външни структури са били богати на калций. Среща се и в пещери.

Включване на калций в живи същества

Дъждовете и други климатични събития причиняват ерозията на камъните, които съдържат калция, предизвиква неговото отделяне и позволява на живите организми да ги абсорбират във всяка точка на хранителната верига.

Това хранително вещество ще бъде включено в живото същество и в момента на неговата смърт бактериите ще проведат съответните реакции на разлагане, които постигат освобождаването на този елемент и непрекъснатостта на цикъла.

Ако калция се отдели във водно тяло, той може да се задържи на дъното и образуването на скали започва отново. Изместването на подземните води също играе важна роля в мобилизацията на калций.

Същата логика важи за цикъла на калиевите йони, който се намира в глинести почви.

Натриев цикъл

Роля на натрий

Натрият е йон, който изпълнява множество функции в тялото на животни, като нервен импулс и мускулни контракции.

Резервоар

Най-големият резервоар на натрий се намира в лоша вода, където той се разтваря под формата на йон. Не забравяйте, че обикновената сол се образува от съединението между натрий и хлор.

Включване на натрий в живи същества

Натрият се приема главно от организмите, които създават живот в морето, които го абсорбират и могат да го транспортират до сушата, или чрез вода или храна. Йонът може да пътува разтворен във вода, следвайки пътя, описан в хидрологичния цикъл.

Препратки

1. Berg, JM, Stryer, L., & Tymoczko, JL (2007). Биохимия. Обърнах се.
2. Campbell, MK, & Farrell, SO (2011). Биохимия. Thomson. Брукс / Коул.
3. Cerezo García, M. (2013). Основи на основната биология. Публикации на Universitat Jaume I.
4. Devlin, TM (2011). Учебник по биохимия. John Wiley & Sons.
5. Freeman, S. (2017). Биологична наука. Pearson Education.
6. Galan, R., & Torronteras, S. (2015). Фундаментална и здравна биология. Elsevier
7. Гама, М. (2007). Биология: конструктивистки подход. (Том 1). Pearson Education.
8. Koolman, J., & Röhm, KH (2005). Биохимия: текст и атлас. Panamerican Medical Ed.
9. Macarulla, JM, & Goñi, FM (1994). Човешка биохимия: основен курс. Обърнах се.
10. Moldoveanu, SC (2005). Аналитична пиролиза на синтетични органични полимери (том 25). Elsevier.
11. Moore, JT, & Langley, RH (2010). Биохимия за манекени. John Wiley & Sons.
12. Mougios, V. (2006). Упражнение биохимия. Човешка кинетика.
13. Müller-Esterl, W. (2008). Биохимия. Основи за медицината и науките за живота. Обърнах се.
14. Poortmans, JR (2004). Принципи на биохимия на упражненията. 3 ^-то, преработено издание. Karger.
15. Teijón, JM (2006). Основи на структурната биохимия. Редакция Тебар.
16. Urdiales, BAV, del Pilar Granillo, M., & Dominguez, MDSV (2000). Обща биология: живи системи. Grupo редакция Patria.
17. Vallespí, RMC, Ramírez, PC, Santos, SE, Morales, AF, Torralba, MP, & Del Castillo, DS (2013). Основни химични съединения. Редакция UNED.
18. Voet, D., & Voet, JG (2006). Биохимия. Panamerican Medical Ed.