מחזור ביוגאוכימי

מחזור ביוגיאוכימי כללי
מחזור ביוגאוכימי הוא התנועה וההתמרה של יסוד או תרכובת כימית באמצעות יצורים חיים או על ידי המרחב של בעלי חיים- הביוספירה אל מרחבים אביוטיים – האטמוספירה (האוויר), הליתוספירה (הקרקע וקרום כדור הארץ), והידרוספירה (המים) של כדור הארץ. זהו מושג חשוב בתחומים כמו אקולוגיה, מדעי כדור הארץ, קיימות, כלכלה בת קיימא וכלכלה אקולוגית. מחזור ביוגאוכימי מכונה גם מחזור של החומר הדומם, מחזורים ביו-גיאוכימיים עיקריים כוללים את מחזור הפחמן, מחזור החנקן, מחזור הזרחן, מחזור המים, ומחזור החמצן. תרכובות אלה חיוניות לקיום החיים בכדור הארץ.
לדוגמה, חלק ממחזור החנקן, חנקן מהאטמוספירה מקובע על ידי חיידקים בקרקע ההופכים אותו מגז למולקולות זמינות לצמח לשם יצירת חלבונים. מחזור הזרחן ממשיך בזרמים שונות – יצורים חיים אחרים כמו בעלי חיים מקבלים זרחן הנחוץ לגופם דרך אכילת צמחים. הפרשות של בעלי חיים או שרידים של יצורים חיים מתים, מפרישים זרחן וזה מפורק חזרה לקרקע, למים ולאטמוספירה על ידי חיידקים אחרים. בכל מחזור, היסוד או המולקולה עוברים שינוי מחזורי על ידי אורגניזמים חיים או תהליכים אחרים, ועוברים דרך צורות גאולוגיות ומאגרים שונים, כולל האטמוספירה, הקרקע והאוקיינוסים, בטבע מתקיימים מחזורים ליסודות רבים כולל פחמן, חמצן, חנקן, זרחן, גופרית, ועוד וכן הדבר כולל התייחסות למחזור התרכבות של המים. במחזורים מסוימים נוצרים מאגרים שבהם החומר נשאר תקופה ממושכת באוקיינוס ובאגמים או במרחבים אחרים נניח בקרום כדור הארץ.
מחזורי חומרים הם תנאי הכרחי לקיום חיים. לדוגמה קיבוע פחמן על ידי צמחים או אצות כחוליות, מהווה בסיס אנרגטי ומקור להספקת פחמן כמעט לכל הביוספרה (ייצור ראשוני). שינויים בקצב של זרימת יסודות אל ומתוך הביוספרה או אל אחד המרחבים האחרים יכול לשנות בצורה דרמטית את החיים בכדור הארץ. דוגמה לכך היא אסון החמצן לפני כ-2.4 מילארדי שנים, שבו התפתחות של אצות כחוליות גרמה לגידול משמעותי בריכוז החמצן באטמוספיריה דבר שגרם להכחדה המונית של חד תאיים שלא יכלו לשרוד בנוכחות חמצן. הדבר שינה לגמרי גם את הרכב הביוספרה, ליצירת תנאים שאפשרו את התפתחות יצורים אקריוטים. קיום החיים כפי שהם מוכרים לנו כיום תלוי ביכולת לשמור על קצבים וריכוזים מסוימים של חמצן, חנקן, זרחן ועוד יסודות חיוניים באטמוספירה, באוקיינוסים ובמערכת האקולוגית.
קיימים מחזורים שהם בעיקר תוצאת מעשה ידי האדם, כגון מחזור הכספית והאטרזין (Atrazine). מחזורים טבעיים רבים עוברים שינוי או שיבוש על ידי האדם בגלל פעילות תעשייתית או חקלאית. דוגמאות חשובות לשיבושים של מחזורי חומרים הם שיבושים במחזור הפחמן. משך מאות מיליונים שנים הצטברו בקרקע ריכוזים גדולים של פחמן עקב פעילות ביולוגית. מאז המהפכה התעשייתית הכלכלה האנושית כורה מתוך הקרקע מרבצים גדולים של פחמן (בצורה של דלקים מחצביים) שורפת אותו לשם ייצור אנרגיה ושימושים אחרים וגורמת לעליה בריכוז של פחמן דו-חמצני באטמוספירה. פחמן דו-חמצני הוא גז חממה ולכן הדבר גורר התחממות עולמית ושינוי אקלים. אותה פליטה גורמת גם להחמצת אוקיינוסים, עקב כך שפחמן דו-חמצני עודף באטמוספירה מעלה את ריכוז הפחמן הדו-חמצני באוקיינוסים. שיבושים חשובים אחרים כוללים את שיבוש מחזור הזרחן ושיבוש מחזור החנקן על ידי כריית כמות גדולה של יסודות אלה, שימוש מאסיבי בהם בחקלאות ומשם זרימה שלהם אל תוך המערכת האקולוגית תוך יצירת שיבושים שונים.
במערכות סגורות אחרות כמו חלליות או מושבות מתוכננות בחלל, שמירה על ריכוז נכון של תרכובות במרחבים השונים (ריכוז תקין חמצן באוויר, ריכוז נמוך מספיק של פחמן דו-חמצני או חד-חמצני, מים נקיים וכו') היא אתגר חשוב. באפולו 13 דבר זה היה בגדר סכנת חיים לאסטורנטים החוזרים. ניסוי ביוספירה 2 הדגים אתגר של שמירה על ריכוז חומרים לאורך זמן תוך שילוב של מחשבים, מכונות, בני אדם ויצורים חיים אחרים, כך שריכוזי החומרים שלא יעלו או ירדו מתחת לערכים קריטיים, בניסיון לשמור את בני האדם והיצורים האחרים בחיים. בעיה דומה עומדת בפני תוכניות עתידיות להתיישבות בחלל.