Кіріспе
Жердің биологиялық және биологиялық емес бөліктері арасындағы химиялық тасымалдау жолы – биогеохимиялық цикл немесе, жалпы алғанда, материя циклі, – тірі организмдер, атмосфера және Жер қыртысы арасындағы химиялық элементтер мен қосылыстардың қозғалысы және түрленуі болып табылады. Басты биогеохимиялық циклдерге көміртек циклі, азот циклі және су циклі жатады. Әрбір циклда химиялық элемент немесе молекула тірі организмдер арқылы және атмосфера, топырақ және мұхиттар сияқты әртүрлі геологиялық формалар мен резервуарлар арқылы түрленеді және айналысады. Бұл химиялық заттың биотикалық және абиотикалық бөлімдер арқылы Жерде айналу (қайта өңделу немесе қозғалу) жолы ретінде қарастырылуы мүмкін. Биотикалық бөлім – биосфера, ал абиотикалық бөлімдер – атмосфера, литосфера және гидросфера. Мысалы, көміртек циклінде атмосфералық көмірқышқыл газы өсімдіктер фотосинтез арқылы сіңіріп, оны организмдер энергия мен өсу үшін пайдаланатын органикалық қосылыстарға айналдырады. Содан кейін көміртек тыныс алу және ыдырау арқылы атмосфераға қайта жіберіледі. Сонымен қатар, көміртек қазба отындарында сақталады және адамның қызметінен, мысалы, қазба отындарын жағу арқылы атмосфераға шығарылады. Азот циклінде атмосфералық азот газы өсімдіктер азотты бекіту процесі арқылы аммиак және нитраттар сияқты қолданылатын формаларға айналады. Бұл қосылыстар басқа организмдер пайдалана алады, ал азот денитрификация және басқа да процестер арқылы атмосфераға қайтарылады. Су циклінде әмбебап еріткіш су құрлықтан және мұхиттардан буланып атмосферада бұлттарды құрайды, содан кейін планетаның әртүрлі бөліктеріне жауын-шашын түрінде қайта оралады. Жауын-шашын жерге сіңіп, өсімдіктер мен басқа да организмдер пайдаланатын жер асты сулары жүйесінің бөлігіне айналуы мүмкін, немесе көлдер мен өзендерді құрау үшін жер бетінен ағып кетеді. Жер асты сулары өзендермен бірге мұхитқа құйылады, олар еріген және бөлшекті органикалық заттармен және басқа да қоректік заттарға бай. Оттегі, сутегі, фосфор, кальций, темір, күкірт, сынап және селен сияқты көптеген басқа элементтер үшін де биогеохимиялық циклдер бар. Су және кремний қышқылы сияқты молекулалардың циклдері де бар. Сонымен қатар, тау жыныстары циклы сияқты макроскопиялық циклдер және полихлорирленген бифенилдер (ПХБ) сияқты синтетикалық қосылыстар үшін адам индуцирленген циклдер бар. Кейбір циклдерде заттар ұзақ уақыт бойы сақталып немесе оқшауланатын геологиялық резервуарлар бар. Биогеохимиялық циклдар биологиялық, геологиялық және химиялық процестердің өзара әрекеттесуін қамтиды. Биологиялық процестерге биогеохимиялық циклдің маңызды қозғаушы күші болып табылатын микроорганизмдердің әсері жатады. Микроорганизмдер бүкіл жаһандық экожүйелердегі қоректік заттар мен химиялық заттардың айналымы үшін қажетті метаболикалық процестердің кең ауқымын жүзеге асыруға қабілетті. Микроорганизмдер болмаса, осы процестердің көптегені жүрмейтін еді, бұл құрлық және мұхит экожүйелерінің жұмыс істеуіне және планетаның биогеохимиялық циклдеріне елеулі әсер ететін еді. Циклдардағы өзгерістер адам денсаулығына әсер етуі мүмкін. Циклдар өзара байланысты және климатты реттеуде, өсімдіктердің, фитопланктонның және басқа да организмдердің өсуін қолдауда және экожүйелердің жалпы денсаулығын сақтауда маңызды рөл атқарады. Адамның қазба отындарын жағу және тыңайтқыштарды көп мөлшерде қолдану сияқты әрекеттері циклдерді бұзуы мүмкін, бұл климаттың өзгеруіне, ластануға және басқа да экологиялық проблемаларға әкелуі мүмкін.
A biogeochemical cycle, or more generally a cycle of matter, is the movement and transformation of chemical elements and compounds between living organisms, the atmosphere, and the Earth's crust. Major biogeochemical cycles include the carbon cycle, the nitrogen cycle and the water cycle. In each cycle, the chemical element or molecule is transformed and cycled by living organisms and through various geological forms and reservoirs, including the atmosphere, the soil and the oceans. It can be thought of as the pathway by which a chemical substance cycles (is turned over or moves through) the biotic compartment and the abiotic compartments of Earth. The biotic compartment is the biosphere and the abiotic compartments are the atmosphere, lithosphere and hydrosphere. For example, in the carbon cycle, atmospheric carbon dioxide is absorbed by plants through photosynthesis, which converts it into organic compounds that are used by organisms for energy and growth. Carbon is then released back into the atmosphere through respiration and decomposition. Additionally, carbon is stored in fossil fuels and is released into the atmosphere through human activities such as burning fossil fuels. In the nitrogen cycle, atmospheric nitrogen gas is converted by plants into usable forms such as ammonia and nitrates through the process of nitrogen fixation. These compounds can be used by other organisms, and nitrogen is returned to the atmosphere through denitrification and other processes. In the water cycle, the universal solvent water evaporates from land and oceans to form clouds in the atmosphere, and then precipitates back to different parts of the planet. Precipitation can seep into the ground and become part of groundwater systems used by plants and other organisms, or can runoff the surface to form lakes and rivers. Subterranean water can then seep into the ocean along with river discharges, rich with dissolved and particulate organic matter and other nutrients. There are biogeochemical cycles for many other elements, such as for oxygen, hydrogen, phosphorus, calcium, iron, sulfur, mercury and selenium. There are also cycles for molecules, such as water and silica. In addition there are macroscopic cycles such as the rock cycle, and human induced cycles for synthetic compounds such as for polychlorinated biphenyls (PCBs). In some cycles there are geological reservoirs where substances can remain or be sequestered for long periods of time. Biogeochemical cycles involve the interaction of biological, geological, and chemical processes. Biological processes include the influence of microorganisms, which are critical drivers of biogeochemical cycling. Microorganisms have the ability to carry out wide ranges of metabolic processes essential for the cycling of nutrients and chemicals throughout global ecosystems. Without microorganisms many of these processes would not occur, with significant impact on the functioning of land and ocean ecosystems and the planet's biogeochemical cycles as a whole. Changes to cycles can impact human health. The cycles are interconnected and play important roles regulating climate, supporting the growth of plants, phytoplankton and other organisms, and maintaining the health of ecosystems generally. Human activities such as burning fossil fuels and using large amounts of fertilizer can disrupt cycles, contributing to climate change, pollution, and other environmental problems.
Шолу
Сол жақтағы диаграмма мұхит көміртегі ағынының жеңілдетілген схемасын көрсетеді. Ол үш қарапайым, өзара байланысқан модельден тұрады: эуфотикалық аймақ, мұхиттың ішкі бөлігі немесе қараңғы мұхит және мұхит шөгінділері. Эуфотикалық аймақта фитопланктонның жалпы өндірісі жылына шамамен 50 Pg C құрайды. Оның 10 Pg мұхиттың ішкі бөлігіне жөнелтіледі, ал қалған 40 Pg қайта тыныс алады. Органикалық көміртектің ыдырауы мұхиттың ішкі бөлігі арқылы төмен қарай қозғалған бөлшектер (теңіз қарлары) арқылы жүзеге асады. Тек 2 Pg теңіз түбіне жетеді, ал қалған 8 Pg қараңғы мұхитта тыныс алады. Шөгінділерде ыдырауға жұмсалатын уақыттың ұзақтығы бірнеше есе артады, нәтижесінде жеткізілген органикалық көміртегінің 90% ыдырайды және тек 0,2 Pg C жыл сайын көміліп, биосферадан геосфераға ауысады.
Жылдам және баяу циклдер
Биогеохимиялық циклдер жылдам және баяу болып бөлінеді. Жылдам циклдар биосферада, ал баяу циклдар тау жыныстарында жүзеге асады. Жылдам немесе биологиялық циклдар бірнеше жылдың ішінде аяқталуы мүмкін, заттар атмосферадан биосфераға, содан кейін қайта атмосфераға тасымалданады. Баяу немесе геологиялық циклдар миллиондаған жылдарға созылуы мүмкін, заттарды Жер қыртысының ішінде – тас, топырақ, мұхит және атмосфера арасында қозғатады. Мысалы, төмендегі сол жақтағы суретте жылдам көміртек циклі көрсетілген. Бұл цикл қоршаған орта мен биосферадағы тірі организмдер арасындағы салыстырмалы түрде қысқа мерзімді биогеохимиялық процестерді қамтиды. Оған атмосфера мен құрлық және теңіз экожүйелері арасындағы көміртек қозғалысы, сондай-ақ топырақ пен теңіз түбіндегі шөгінділер кіреді. Жылдам циклға фотосинтезді қамтитын жылдық циклдар және вегетативтік өсу мен ыдырауды қамтитын онжылдық циклдар жатады. Жылдам көміртек циклінің адам қызметіне реакциясы климаттың өзгеруінің көптеген дереу әсерлерін анықтайды. Баяу цикл жоғарыдағы оң жақтағы суретте көрсетілген. Ол тау жыныстары циклына жататын орташа және ұзақ мерзімді геохимиялық процестерді қамтиды. Мұхит пен атмосфера арасындағы алмасу ғасырлар бойы, ал тау жыныстарының ыдырауы миллиондаған жылдарға созылуы мүмкін. Мұхиттағы көміртек мұхит түбінде шөгінді тау жыныстарын құрап, Жердің мантиісіне сіңіп кетеді. Тау құрылысы процестерінің нәтижесінде бұл геологиялық көміртек Жер бетіне қайта оралады. Мұнда тау жыныстары ауа райына ұшырап, көміртек газсыздандыру арқылы атмосфераға, ал өзендер арқылы мұхитқа қайта оралады. Басқа геологиялық көміртек кальций иондарының гидротермальдық шығарылуы арқылы мұхитқа қайтарылады. Бір жылдың ішінде 10-ден 100 миллион тоннаға дейін көміртек осы баяу циклдің айналысында қозғалады. Бұған вулкандардың көмірқышқыл газы түрінде геологиялық көміртекті тікелей атмосфераға қайтаруы да жатады. Дегенмен, бұл жаққышқыл газын атмосфераға шығару арқылы туындаған көмірқышқыл газының бір пайызынан да аз құрайды.
Терең циклдер
Жер астындағы кеңістік Жердегі көміртегінің ең ірі резервуары болып табылады, онда 14–135 Pg көміртегі және барлық биомассаның 2–19% орналасқан. Микроорганизмдер осы ортада органикалық және органикалық емес қосылыстардың өзгеруін қамтамасыз етеді, соның арқасында биогеохимиялық циклдар басқарылады. Жер астының микробтық экологиясы туралы қазіргі білім негізінен 16S рибосомалық РНК (рРНК) гендерінің тізбектеріне негізделген. Жақындағы бағалаулар бойынша, қоғамдық дерекқорлардағы 16S рРНК тізбектерінің <8% жер асты организмдерінен алынған, ал олардың тек шағын бөлігі геномдармен немесе изоляттармен ұсынылған. Осылайша, жер астындағы микроорганизмдердің метаболизмі туралы сенімді ақпарат өте аз. Сонымен қатар, жер асты экожүйелеріндегі организмдердің метаболикалық тұрғыдан қалай байланысқандығы туралы білім де жеткіліксіз. Синтрофиялық консорциумдарға қатысты жүргізілген кейбір зерттеулер және табиғи популяциялардың кішкентай көлемдегі метагеномдық талдаулары организмдердің метаболикалық алмасу арқылы байланысқандығын көрсетеді: бір организмнің тотығу-тотықсыздану реакцияларының өнімдері екінші организмге беріледі. Дегенмен, ешбір күрделі орта толыққанды зерттелмеген, сондықтан оларды қолдайтын метаболикалық өзара әрекеттесу желілерін анықтау мүмкін болмады. Бұл биогеохимиялық модельдердің көміртегі және басқа да қоректік заттар циклдарының маңызды аспектілерін қамту мүмкіндігін шектейді. Геномдық деңгейде метагеномика сияқты жаңа тәсілдер, зертханалық оқшаулау қажеттілігінсіз организмдер үшін жобалық және тіпті толық геномдардың толық жиынтығын алуға мүмкіндік береді, биогеохимиялық процестерді түсінудің осы маңызды деңгейін қамтамасыз етуге потенциалы бар.