Βιογεωχημικός κύκλος

Στην οικολογία και στις επιστήμες γης και περιβάλλοντος, ένας βιογεωχημικός κύκλος ή κύκλος των θρεπτικών συστατικών είναι ένα μονοπάτι δια μέσου του οποίου ένα χημικό στοιχείο ή μόριο ταξιδεύει τόσο στα έμβια (βιόσφαιρα) όσο και στα άβια (λιθόσφαιρα, ατμόσφαιρα, υδρόσφαιρα) στρώματα της Γης. Συνεπώς, το στοιχείο ανακυκλώνεται, αν και σε ορισμένους κύκλους μπορεί να υπάρχουν σταθμοί, που αποκαλούνται «δεξαμενές», όπου το στοιχείο συσσωρεύεται ή διατηρείται μακροχρόνια, όπως για παράδειγμα ο ωκεανός ή μία λίμνη για το νερό. Το νερό, για παράδειγμα, ανακυκλώνεται αέναα διαμέσου του κύκλου του νερού, όπως φαίνεται και στο παράπλευρο διάγραμμα. Υπόκειται σε εξάτμιση, συμπύκνωση και υετό, επιστρέφοντας στη γη καθαρό και φρέσκο. Στοιχεία, χημικές ενώσεις και άλλες μορφές της ύλης περνούν από τον ένα οργανισμό στον άλλο και από το ένα μέρος της βιόσφαιρας στο άλλο διαμέσου των βιογεωχημικών κύκλων.

 Όλα τα χημικά στοιχεία που απαντώνται στους οργανισμούς λαμβάνουν μέρος σε βιογεωχημικούς κύκλους. Εκτός από συστατικά των έμβιων οργανισμών, τα τελευταία ταξιδεύουν επίσης μέσω άβιων στοιχείων οικοσυστημάτων όπως το νερό (υδρόσφαιρα), το έδαφος (λιθόσφαιρα) και ο αέρας (ατμόσφαιρα). Τα έμβια όντα στο σύνολό τους απαρτίζουν τη βιόσφαιρα. Όλα τα θρεπτικά συστατικά – όπως ο άνθρακας, το άζωτο, το οξυγόνο, ο φώσφορος και το θείο – που καταναλώνονται στα οικοσυστήματα από τους ζωντανούς οργανισμούς λειτουργούν στα πλαίσια ενός «κλειστού συστήματος», επομένως ανακυκλώνονται αντί να χάνονται και συνεχώς ανανεώνονται σαν να επρόκειτο για «ανοιχτό σύστημα». Η ροή της ενέργειας σε ένα οικοσύστημα είναι «ανοικτό σύστημα». Ο ήλιος δίνει συνεχώς ενέργεια στον πλανήτη με τη μορφή φωτός που τελικά καταναλώνεται και χάνεται με τη μορφή θερμότητας στα τροφικά επίπεδα ενός τροφικού πλέγματος. Ο άνθρακας χρησιμοποιείται στη σύνθεση υδατανθράκων, λίπους και πρωτεϊνών, τις κύριες πηγές τροφικής ενέργειας. Αυτά τα συστατικά οξειδώνονται για να απελευθερώσουν διοξείδιο του άνθρακα, που συλλαμβάνονται από τα φυτά για να συνθέσουν οργανικές ενώσεις. Αυτή η χημική αντίδραση αξιοποιεί την ενέργεια που παρέχει ο ήλιος. Είναι εφικτό για ένα οικοσύστημα να εισάγει ενέργεια ακόμη και χωρίς ηλιακό φως. Ο άνθρακας πρέπει να συνδυαστεί με υδρογόνο και οξυγόνο προκειμένου να λειτουργήσει ως πηγή ενέργειας, και είναι αυτή η διαδικασία που εξαρτάται από το ηλιακό φως. Τα οικοσυστήματα στα βάθη των ωκεανών, όπου ο ήλιος δεν καταφέρνει να διεισδύσει, αξιοποιούν το θειο. Το υδρόθειο κοντά σε υδροθερμικούς πήδακες μπορεί να αξιοποιηθεί από μερικούς αβυσσαίους οργανισμούς. Στον κύκλο του θείου, το θείο μπορεί να ανακυκλώνεται για πάντα ως πηγή ενέργειας. Η τελευταία απελευθερώνεται δια μέσου της οξείδωσης και της αναγωγής των ενώσεων του θείου (π.χ. οξειδώνοντας θείο σε θειώδες άλας και έπειτα σε θειικό άλας). Αν και η Γη δέχεται αδιάλειπτα ηλιακή ενέργεια, η χημική της σύσταση παραμένει σταθερή καθώς μόνο περιστασιακά δέχεται πρόσθετη ύλη από μετεωρίτες. Επειδή η χημική αυτή σύσταση δεν ανανεώνεται όπως η ενέργεια, όλες οι αντιδράσεις που εξαρτώνται από τα χημικά αυτά στοιχεία πρέπει να ανακυκλώνονται. Αυτοί οι κύκλοι περιλαμβάνουν τόσο τη βιόσφαιρα, όσο και τη λιθόσφαιρα, την ατμόσφαιρα και τη βιόσφαιρα. Ορισμένες φορές τα χημικά στοιχεία παραμένουν στο ίδιο σημείο για μεγάλες χρονικές περιόδους. Ένα τέτοιο μέρος ονομάζεται «δεξαμενή», με χαρακτηριστικό παράδειγμα το κάρβουνο το οποίο και αποτελεί μακροπρόθεσμη δεξαμενή άνθρακα. Όταν τα χημικά στοιχεία συγκρατιόνται για βραχυχρόνιες περιόδους, τότε λέμε ότι απαντώνται σε exchange pools. Παραδείγματα exchange pools είναι τα φυτά και τα ζώα. Τα φυτά και τα ζώα χρησιμοποιούν τον άνθρακα ώστε να παράγουν υδατάνθρακες, λίπος και πρωτεΐνες, που μπορούν έπειτα να χρησιμοποιήσουν ως δομικά τους συστατικά ή σαν πηγές ενέργειας. Τα φυτά και τα ζώα χρησιμοποιούν προσωρινά τον άνθρακα στα συστήματά τους και μετά το απελευθερώνουν πίσω στον αέρα ή στο όποιο άλλο μέσο τους περικλείει. Γενικά οι δεξαμενές είναι άβιοι οργανισμοί ενώ exchange pools είναι έμβιοι οργανισμοί. Ανάμεσα στους γνωστότερους και σημαντικότερους βιογεωχημικούς κύκλους συγκαταλέγονται ο κύκλος του άνθρακα, ο κύκλος του αζώτου, ο κύκλος του οξυγόνου, ο κύκλος του φωσφόρου, ο κύκλος του θείου και ο κύκλος του νερού. Υπάρχουν πολλοί βιογεωχημικοί κύκλοι που μελετώνται τώρα για πρώτη φορά καθώς η κλιματική αλλαγή και ανθρώπινοι παράγοντες αλλάζουν δραματικά την ταχύτητα, την ένταση και την ισορροπία ανάμεσα σε αυτούς τους σχετικά άγνωστους κύκλους. Παραδείγματα τέτοιων κύκλων είναι ο κύκλος του υδραργύρου και ο προκαλούμενος από τον άνθρωπο κύκλος της ατραζίνης, ο οποίος πιθανώς να επηρεάζει ορισμένα είδη. Βιογεωχημεία Βιοποικιλότητα Βιότοπος Επιστήμες γης και περιβάλλοντος Οικολογία Ωκεανογραφία Οικοσύστημα Φυσικό περιβάλλον Φύση