Биогеохимические циклы: Пути переноса веществ между живой и неживой природой.

Введение

Путь переноса химических веществ между биологическими и небиологическими компонентами Земли

Биогеохимический цикл, или, в более широком смысле, цикл веществ, – это перемещение и трансформация химических элементов и соединений между живыми организмами, атмосферой и земной корой. К основным биогеохимическим циклам относятся углеродный, азотный и водный циклы. В каждом цикле химический элемент или молекула преобразуется и циркулирует благодаря живым организмам и через различные геологические формы и резервуары, включая атмосферу, почву и океаны. Это можно рассматривать как путь, по которому химическое вещество циркулирует (преобразуется или перемещается) в биотическом и абиотическом компонентах Земли. Биотический компонент – это биосфера, а абиотические компоненты – атмосфера, литосфера и гидросфера. Например, в углеродном цикле атмосферный углекислый газ поглощается растениями посредством фотосинтеза, который превращает его в органические соединения, используемые организмами для энергии и роста. Затем углерод возвращается в атмосферу в результате дыхания и разложения. Кроме того, углерод накапливается в ископаемом топливе и высвобождается в атмосферу в результате деятельности человека, такой как сжигание ископаемого топлива. В азотном цикле атмосферный азот превращается растениями в усвояемые формы, такие как аммиак и нитраты, в процессе фиксации азота. Эти соединения могут использоваться другими организмами, а азот возвращается в атмосферу посредством денитрификации и других процессов. В водном цикле универсальный растворитель – вода – испаряется с суши и океанов, образуя облака в атмосфере, а затем выпадает обратно на различные части планеты в виде осадков. Осадки могут просачиваться в почву и становиться частью систем подземных вод, используемых растениями и другими организмами, или стекать по поверхности, образуя озера и реки. Подземные воды могут просачиваться в океан вместе с речным стоком, богатым растворенными и взвешенными органическими веществами и другими питательными веществами. Существуют биогеохимические циклы для многих других элементов, таких как кислород, водород, фосфор, кальций, железо, сера, ртуть и селен. Также существуют циклы для молекул, таких как вода и кремнезем. Кроме того, существуют макроскопические циклы, такие как цикл горных пород, и циклы, вызванные деятельностью человека, для синтетических соединений, таких как полихлорированные бифенилы (ПХБ). В некоторых циклах существуют геологические резервуары, где вещества могут оставаться или быть секвестрированы на длительные периоды времени. Биогеохимические циклы включают взаимодействие биологических, геологических и химических процессов. Биологические процессы включают влияние микроорганизмов, которые являются ключевыми факторами биогеохимического цикла. Микроорганизмы способны осуществлять широкий спектр метаболических процессов, необходимых для круговорота питательных веществ и химических веществ в глобальных экосистемах. Без микроорганизмов многие из этих процессов не происходили бы, что оказало бы значительное влияние на функционирование наземных и океанических экосистем и биогеохимические циклы планеты в целом. Изменения в циклах могут влиять на здоровье человека. Эти циклы взаимосвязаны и играют важную роль в регулировании климата, поддержании роста растений, фитопланктона и других организмов, а также в поддержании здоровья экосистем в целом. Деятельность человека, такая как сжигание ископаемого топлива и использование больших количеств удобрений, может нарушить циклы, способствуя изменению климата, загрязнению и другим экологическим проблемам.

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.

Обзор

На диаграмме слева представлена упрощенная схема потоков углерода в океане. Она состоит из трех простых взаимосвязанных моделей, представляющих эвфотическую зону, внутренние слои океана (или темную зону океана) и океанические отложения. В эвфотической зоне чистая первичная продукция фитопланктона составляет около 50 Пг C в год. Около 10 Пг экспортируется во внутренние слои океана, а остальные 40 Пг подвергаются респирации. Разложение органического углерода происходит по мере оседания частиц (морского снега) через внутренние слои океана. Только 2 Пг в конечном итоге достигает морского дна, в то время как остальные 8 Пг разлагаются в темной зоне океана. В отложениях временной масштаб, доступный для разложения, увеличивается на несколько порядков, в результате чего 90% поступающего органического углерода разлагается, и лишь 0,2 Пг C в год в конечном итоге захоранивается и переносится из биосферы в геосферу.

Быстрые и медленные циклы

Есть быстрые и медленные биогеохимические циклы. Быстрые циклы протекают в биосфере, а медленные – в горных породах. Быстрые, или биологические циклы, могут завершаться в течение нескольких лет, перемещая вещества из атмосферы в биосферу и обратно в атмосферу. Медленные, или геологические циклы, могут занимать миллионы лет, перемещая вещества через земную кору между горными породами, почвой, океаном и атмосферой. В качестве примера, быстрый углеродный цикл изображен на диаграмме слева. Этот цикл включает в себя относительно краткосрочные биогеохимические процессы между окружающей средой и живыми организмами в биосфере. Он охватывает перемещение углерода между атмосферой и наземными и морскими экосистемами, а также почвами и донными отложениями. Быстрый цикл включает в себя годовые циклы, связанные с фотосинтезом, и десятилетние циклы, связанные с вегетативным ростом и разложением. Реакция быстрого углеродного цикла на деятельность человека определит многие из наиболее непосредственных последствий изменения климата. Медленный цикл изображен на диаграмме справа. Он включает в себя средне- и долгосрочные геохимические процессы, относящиеся к циклу горных пород. Обмен между океаном и атмосферой может занимать столетия, а выветривание горных пород – миллионы лет. Углерод в океане осаждается на дно, где может образовать осадочные породы и погружаться в мантию Земли. Процессы горообразования приводят к возвращению этого геологического углерода на поверхность Земли. Там горные породы выветриваются, а углерод возвращается в атмосферу посредством дегазации и в океан – реками. Другой геологический углерод возвращается в океан через гидротермальную эмиссию ионов кальция. В течение года в этом медленном цикле перемещается от 10 до 100 миллионов тонн углерода. Это включает в себя вулканы, возвращающие геологический углерод непосредственно в атмосферу в виде углекислого газа. Однако это составляет менее одного процента от углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу при сжигании ископаемого топлива.

There are fast and slow biogeochemical cycles. Fast cycle operate in the biosphere and slow cycles operate in rocks. Fast or biological cycles can complete within years, moving substances from atmosphere to biosphere, then back to the atmosphere. Slow or geological cycles can take millions of years to complete, moving substances through the Earth's crust between rocks, soil, ocean and atmosphere. As an example, the fast carbon cycle is illustrated in the diagram below on the left. This cycle involves relatively short term biogeochemical processes between the environment and living organisms in the biosphere. It includes movements of carbon between the atmosphere and terrestrial and marine ecosystems, as well as soils and seafloor sediments. The fast cycle includes annual cycles involving photosynthesis and decadal cycles involving vegetative growth and decomposition. The reactions of the fast carbon cycle to human activities will determine many of the more immediate impacts of climate change. The slow cycle is illustrated in the diagram above on the right. It involves medium to long term geochemical processes belonging to the rock cycle. The exchange between the ocean and atmosphere can take centuries, and the weathering of rocks can take millions of years. Carbon in the ocean precipitates to the ocean floor where it can form sedimentary rock and be subducted into the Earth's mantle. Mountain building processes result in the return of this geologic carbon to the Earth's surface. There the rocks are weathered and carbon is returned to the atmosphere by degassing and to the ocean by rivers. Other geologic carbon returns to the ocean through the hydrothermal emission of calcium ions. In a given year between 10 and 100 million tonnes of carbon moves around this slow cycle. This includes volcanoes returning geologic carbon directly to the atmosphere in the form of carbon dioxide. However, this is less than one percent of the carbon dioxide put into the atmosphere by burning fossil fuels.

Глубокие циклы

Подземное пространство является крупнейшим резервуаром углерода на Земле, содержащим 14–135 Пг углерода и 2–19% всей биомассы. Микроорганизмы управляют превращениями органических и неорганических соединений в этой среде и тем самым контролируют биогеохимические циклы. Современные знания о микробной экологии подземного пространства основаны главным образом на последовательностях гена 16S рибосомной РНК (рРНК). Недавние оценки показывают, что менее 8% последовательностей 16S рРНК в общедоступных базах данных происходят от организмов подземного пространства, и лишь небольшая часть из них представлена геномами или изолятами. Таким образом, надежной информации о метаболизме микроорганизмов в подземном пространстве крайне мало. Кроме того, мало что известно о том, как организмы в подземных экосистемах метаболически взаимосвязаны. Некоторые исследования, основанные на культивировании синтрофических консорциумов и мелкомасштабном метагеномном анализе природных сообществ, предполагают, что организмы связаны посредством метаболических передач: переноса продуктов окислительно-восстановительных реакций от одного организма к другому. Однако ни одна сложная среда не была изучена достаточно подробно, чтобы выявить метаболические сети взаимодействия, лежащие в ее основе. Это ограничивает способность биогеохимических моделей отражать ключевые аспекты циклов углерода и других питательных веществ. Новые подходы, такие как метагеномика с разрешением геномов, позволяющая получать всесторонний набор черновиков и даже полных геномов для организмов без необходимости лабораторной изоляции, потенциально могут обеспечить такой критический уровень понимания биогеохимических процессов.