Στη βιολογία, ο κύκλος των θρεπτικών ουσιών είναι μια έννοια που περιγράφει πώς τα θρεπτικά συστατικά μετακινούνται από το φυσικό περιβάλλον σε ζωντανούς οργανισμούς και στη συνέχεια ανακυκλώνονται πίσω στο φυσικό περιβάλλον. Αυτή η κυκλική κίνηση των θρεπτικών ουσιών είναι απαραίτητη για κάθε δεδομένο οικοσύστημα και πρέπει να είναι ισορροπημένη και σταθερή για να διατηρηθεί το σύστημα. Σε πολλές περιπτώσεις, οι ανθρώπινες δραστηριότητες είχαν σημαντικό αντίκτυπο σε αυτές τις διαδικασίες, με αποτέλεσμα δυσμενείς επιπτώσεις. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί κύκλοι θρεπτικών συστατικών, ο καθένας με τις δικές του ιδιαίτερες οδούς, αλλά ίσως οι πιο σημαντικοί είναι αυτοί που περιλαμβάνουν τα στοιχεία άνθρακα, οξυγόνο, άζωτο και φώσφορο.
Ο κύκλος του άνθρακα
Αυτός ο θρεπτικός κύκλος ξεκινά με τη φωτοσύνθεση, τη διαδικασία με την οποία τα φυτά, τα φύκια και ορισμένα βακτήρια χρησιμοποιούν ενέργεια από το ηλιακό φως για να συνδυάσουν το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) από την ατμόσφαιρα και το νερό για να σχηματίσουν σάκχαρα, άμυλο, λίπη, πρωτεΐνες και άλλες ενώσεις που χρησιμοποιούν για την κατασκευή κυττάρων ή αποθήκευση ως τροφή. Με αυτόν τον τρόπο, τα φυτά απομακρύνουν τον άνθρακα από την ατμόσφαιρα και τον αποθηκεύουν, καθιστώντας τον διαθέσιμο στα φυτοφάγα που τρώνε τα φυτά. Τα φυτοφάγα χρησιμοποιούν μέρος του άνθρακα που καταναλώνουν για να χτίσουν και να επιδιορθώσουν τα κύτταρα, έτσι ώστε να αποθηκεύεται στο σώμα τους. Το υπόλοιπο χρησιμοποιείται για την παροχή ενέργειας: συνδυάζεται με οξυγόνο από τον αέρα για να σχηματίσει CO2, το οποίο στη συνέχεια εκπνέεται, επιστρέφοντας τον άνθρακα απευθείας στην ατμόσφαιρα.
Ο άνθρακας που αποθηκεύεται στο σώμα ενός φυτοφάγου, όπως ένα ελάφι, μπορεί να ανακυκλωθεί όταν το ζώο πεθάνει. Εναλλακτικά, το ζώο μπορεί να σκοτωθεί και να φαγωθεί από ένα σαρκοφάγο, όπως ένας λύκος, οπότε η ανακύκλωση θα γίνει όταν το σαρκοφάγο πεθάνει. Η νεκρή φυτική και ζωική ύλη αποσυντίθεται από άλλους οργανισμούς, όπως μύκητες και βακτήρια. Αυτή η διαδικασία απελευθερώνει άνθρακα, με τη μορφή διοξειδίου του άνθρακα, πίσω στην ατμόσφαιρα.
Υπάρχει μια σειρά από επιπλοκές σε αυτή τη γενική διαδικασία. Για παράδειγμα, η νεκρή οργανική ύλη μπορεί μερικές φορές να θαφτεί κάτω από ίζημα, καθιστώντας τον άνθρακα μη διαθέσιμο στους ζωντανούς οργανισμούς. Αυτό το θαμμένο υλικό έχει σχηματίσει κοιτάσματα άνθρακα και πετρελαίου, τα οποία οι άνθρωποι εκμεταλλεύονται τώρα ως ορυκτά καύσιμα. Η καύση αυτών των ενώσεων σχηματίζει διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. Υπάρχει ευρεία συναίνεση μεταξύ των επιστημόνων ότι η αύξηση των επιπέδων CO2 που προκύπτουν από την καύση ορυκτών καυσίμων αλλάζει το κλίμα της Γης σε παγκόσμια κλίμακα.
Ο άνθρακας μπορεί επίσης να κλειδωθεί σε βράχους όταν το διοξείδιο του άνθρακα διαλύεται στο νερό. Ορισμένοι τύποι θαλάσσιων οργανισμών μπορούν να συνδυάσουν διαλυμένο διοξείδιο του άνθρακα με ασβέστιο για να δημιουργήσουν κελύφη που αποτελούνται από ανθρακικό ασβέστιο. Όταν αυτοί οι οργανισμοί πεθαίνουν, τα κελύφη συσσωρεύονται ως ίζημα, σχηματίζοντας τελικά ασβεστολιθικά πετρώματα. Σε τεράστια χρονικά διαστήματα, ο ασβεστόλιθος μπορεί να ανυψωθεί στην επιφάνεια με γεωλογικές διεργασίες, όπου το όξινο νερό μπορεί να αντιδράσει μαζί του για να απελευθερώσει CO2 πίσω στην ατμόσφαιρα.
Ο Κύκλος του Οξυγόνου
Αυτός ο κύκλος σχετίζεται στενά με τον κύκλο του άνθρακα και ξεκινά από το ίδιο σημείο: τη φωτοσύνθεση, η οποία απελευθερώνει οξυγόνο στον αέρα. Αυτό, με τη σειρά του, απορροφάται από οργανισμούς που αναπνέουν οξυγόνο, οι οποίοι το συνδυάζουν με άνθρακα και απελευθερώνουν διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Το CO2 χρησιμοποιείται στη συνέχεια στη φωτοσύνθεση για να απελευθερώσει ξανά οξυγόνο. Το διοξείδιο του άνθρακα από άλλες πηγές, όπως η αποσύνθεση νεκρού οργανικού υλικού και η καύση ορυκτών καυσίμων, χρησιμοποιείται επίσης στη φωτοσύνθεση, παράγοντας οξυγόνο.
Ο κύκλος αζώτου
Το άζωτο είναι απαραίτητο στοιχείο για όλες τις γνωστές μορφές ζωής και απαιτείται για το σχηματισμό αμινοξέων, πρωτεϊνών και DNA. Αν και το 78% της ατμόσφαιρας της Γης αποτελείται από αυτό το στοιχείο, δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας από τα φυτά σε αυτή τη μορφή. Τα μόρια του αερίου αποτελούνται από δύο άτομα που συγκρατούνται μεταξύ τους από έναν πολύ ισχυρό τριπλό δεσμό, γεγονός που καθιστά πολύ δύσκολη την αντίδραση του με άλλα στοιχεία. Ωστόσο, το άζωτο έχει τον δικό του θρεπτικό κύκλο.
Υπάρχουν δύο κύριοι τρόποι με τους οποίους αυτό το στοιχείο μπορεί να γίνει διαθέσιμο στους ζωντανούς οργανισμούς. Κανονικά, απαιτείται πολλή ενέργεια για να σπάσουν οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων σε ένα μόριο αζώτου. Αυτή η ενέργεια μπορεί να προέλθει από κεραυνό, ο οποίος αναγκάζει κάποιο άζωτο να ενωθεί με το οξυγόνο, σχηματίζοντας οξείδια του αζώτου. Αυτά μπορούν να διαλυθούν στο νερό της βροχής για να σχηματίσουν πολύ αραιό νιτρικό οξύ, το οποίο αντιδρά με μέταλλα στο έδαφος για να σχηματίσει νιτρικά άλατα. Τα νιτρικά άλατα είναι διαλυτά στο νερό και μπορούν εύκολα να απορροφηθούν από τα φυτά.
Το μεγαλύτερο μέρος του αζώτου στους ζωντανούς οργανισμούς προέρχεται από μια διαδικασία γνωστή ως δέσμευση αζώτου. Αυτό περιλαμβάνει τη μετατροπή του ατμοσφαιρικού αζώτου στα εδάφη σε αμμωνία από διάφορους τύπους βακτηρίων και ορισμένα φύκια. Μια τέτοια ομάδα βακτηρίων, που ονομάζεται Rhizobium, σχηματίζει οζίδια στις ρίζες των μπιζελιών και των φασολιών. Για το λόγο αυτό, τα φυτά αυτά συχνά καλλιεργούνται ως καλλιέργειες από τους αγρότες όταν το έδαφος πρέπει να εμπλουτιστεί με αυτό το στοιχείο.
Η αμμωνία που παράγεται με αυτόν τον τρόπο στη συνέχεια μετατρέπεται από άλλα είδη βακτηρίων σε νιτρικά άλατα, τα οποία απορροφώνται από τα φυτά. Μια άλλη διαδικασία, που ονομάζεται απονιτροποίηση, επιστρέφει το αέριο άζωτο στην ατμόσφαιρα. Και πάλι, αυτό γίνεται από βακτήρια, τα οποία μειώνουν τα νιτρικά άλατα στο έδαφος σε άζωτο.
Τα ανθρώπινα όντα είχαν σημαντικό αντίκτυπο στον κύκλο του αζώτου. Δεδομένου ότι τα νιτρικά άλατα είναι πολύ διαλυτά στο νερό, μπορούν να αφαιρεθούν γρήγορα από το έδαφος με τη βροχή. Όπου οι καλλιέργειες καλλιεργούνται εντατικά, τα χαμένα νιτρικά άλατα συχνά πρέπει να αντικαθίστανται από νιτρικά λιπάσματα. Αυτές οι ενώσεις παράγονται βιομηχανικά με διαδικασίες που συνδυάζουν πρώτα το ατμοσφαιρικό άζωτο με το υδρογόνο για να σχηματίσουν αμμωνία και στη συνέχεια το συνδυάζουν με το οξυγόνο για να σχηματίσουν νιτρικό οξύ, το οποίο χρησιμοποιείται για την παραγωγή λιπασμάτων.
Ο Κύκλος του Φωσφόρου
Όπως το άζωτο, αυτό το στοιχείο είναι ένα ουσιαστικό μέρος του DNA. Απαιτείται επίσης για την παραγωγή της τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP), μιας ένωσης που χρησιμοποιούν τα κύτταρα για ενέργεια. Η κύρια φυσική πηγή φωσφόρου προέρχεται από πετρώματα. Το στοιχείο εισέρχεται στο νερό και το έδαφος με τη μορφή φωσφορικών αλάτων μέσω της διάβρωσης και των καιρικών συνθηκών, και προσλαμβάνεται από τα φυτά. Στη συνέχεια, προχωρά μέσω της τροφικής αλυσίδας μέσω φυτοφάγων και σαρκοφάγων, επιστρέφοντας στο έδαφος όταν αυτοί οι οργανισμοί πεθάνουν.
Τα φωσφορικά άλατα μπορούν να ξεπλυθούν από το έδαφος με το νερό της βροχής, που συσσωρεύονται σε λίμνες και ποτάμια, όπου ένα μέρος τους χρησιμοποιείται από υδρόβια φυτά και άλλους οργανισμούς. Κάποια από τα φωσφορικά, ωστόσο, υφίσταται χημικές αντιδράσεις που σχηματίζουν αδιάλυτες ενώσεις που εναποτίθενται ως ιζήματα. Αυτά τελικά σχηματίζουν πέτρες και, με αυτόν τον τρόπο, ο φώσφορος μπορεί να κλειδωθεί για πολύ μεγάλες περιόδους – πιθανώς δεκάδες ή εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια. Τελικά, οι γεωλογικές διεργασίες μπορεί να ανυψώσουν αυτό το βράχο, επιτρέποντας στη διάβρωση και τις καιρικές συνθήκες να το επιστρέψουν στους ζωντανούς οργανισμούς.
Στις καλλιεργούμενες εκτάσεις, όπως και στο άζωτο, ο φώσφορος που χάνεται από το έδαφος συχνά χρειάζεται να αντικατασταθεί με φωσφορικά λιπάσματα για να επιτρέψει στη γεωργία να συνεχίσει να είναι κερδοφόρα. Αυτά τα λιπάσματα παρασκευάζονται κυρίως από φωσφορικά πετρώματα όπως ο απατίτης. Η χρήση ζωικής κοπριάς σε αγρούς είναι ένα άλλο παράδειγμα προσθήκης φωσφόρου στο έδαφος από τον άνθρωπο. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η περίσσεια φωσφορικών αλάτων ξεπλένεται σε ποτάμια και λίμνες. Από εδώ, μπορεί να εναποτεθεί σε ιζήματα, αλλά μερικά μπορεί να παραμείνουν διαλυμένα, οδηγώντας σε υπερβολική ανάπτυξη φυκιών.