46.3 Lífjarðefnafræðilegar hringrásir

Markmið náms

Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:

• Fjallað um lífjarðefnafræðilegar hringrásir vatns, kolefnis, niturs, fosfórs og brennisteins
• Útskýrt hvernig athafnir manna hafa haft áhrif á þessar hringrásir og mögulegar afleiðingar þess fyrir jörðina

Orka flæðir í ákveðna átt um vistkerfi; hún kemur inn sem sólarljós, eða sem ólífrænar sameindir hjá efnafrumbjarga lífverum, og fer út sem varmi við marga orkuflutninga milli fæðuþrepa. Efnið sem myndar lífverur varðveitist hins vegar og er endurunnið. Helstu frumefnin sem tengjast lífrænum sameindum eru kolefni, vetni, nitur, súrefni, fosfór og brennisteinn. Þessi frumefni eru hluti af líffræðilegum kerfum og taka þátt í hringrásum milli lífrænna og ólífrænna þátta vistkerfa.

Vatn inniheldur vetni og súrefni, sem eru nauðsynleg öllum lífsferlum. Vatnshvolfið er það svæði jarðar þar sem vatn er geymt og hreyfist. Á eða undir yfirborðinu finnst vatn sem vökvi eða í föstu formi í ám, vötnum, úthöfum, grunnvatni, heimskautaís og jöklum. Vatnsgufa er vatn í gasformi og er hluti lofthjúpsins. Kolefni finnst í öllum lífrænum stórsameindum og er mikilvægur þáttur í jarðefnaeldsneyti. Nitur er stór hluti kjarnsýra og próteina og er nauðsynlegt í landbúnaði manna. Fosfór er meginþáttur kjarnsýra og fosfólípíða og er einnig einn aðalþáttur beina. Brennisteinn er mikilvægur í þrívíddarbyggingu próteina.

Hringrásir þessara frumefna tengjast hver annarri. Til dæmis er hreyfing vatns mikilvæg fyrir útskolun niturs og fosfats í ár, vötn og höf. Hafið sjálft er einnig stórt forðabúr kolefnis. Steinefni berast því ýmist hratt eða hægt milli lífrænna og ólífrænna þátta lífhvolfsins og frá einni lífveru til annarrar.

Tengill í námsefni

Farðu á þessa vefsíðu til að læra meira um lífjarðefnafræðilegar hringrásir.

Vatnshringrásin

Vatn er grundvöllur allra lífsferla á jörðinni. Þegar vatnsforði jarðar er skoðaður kemur í ljós að 97,5 prósent hans er ódrekkandi saltvatn (Mynd 46.12). Af því vatni sem eftir er eru 99 prósent bundin neðanjarðar sem vatn eða í formi íss. Því er minna en eitt prósent ferskvatns auðvelt aðgengilegt lífverum.

Vatnshringrásin er afar mikilvæg fyrir virkni vistkerfa. Vatn hefur mikil áhrif á loftslag og þar með á umhverfi vistkerfa. Mest af vatni jarðar er geymt lengi í höfum, neðanjarðar og sem ís. Mynd 46.13 sýnir meðaldvalartíma vatnssameinda í helstu vatnsforðabúrum jarðar.

Ýmis ferli eiga sér stað í vatnshringrásinni, eins og sýnt er á Mynd 46.14. Þau eru meðal annars þessi:

• uppgufun/þurrgufun
• þétting/úrkoma
• grunnvatnsrennsli
• yfirborðsafrennsli/snjóbráðnun
• ár- og lækjarrennsli

Vatnshringrásin er knúin áfram af orku sólarinnar þegar hún hitar höfin og önnur yfirborðsvötn. Það veldur uppgufun fljótandi yfirborðsvatns, það er umbreytingu vatns í vatnsgufu, og þurrgufun frosins vatns, það er umbreytingu íss beint í vatnsgufu. Þessar gufur rísa upp í lofthjúpinn, þar sem þær þéttast í ský og falla aftur til jarðar sem úrkoma, til dæmis regn eða snjór. Vatn sem fellur á land getur safnast í ferskvatnshlot, síast niður í jarðveginn og orðið að grunnvatni eða runnið eftir yfirborði sem afrennsli og snjóbráðnun. Á endanum berst vatnið aftur í höfin eða gufar aftur upp.

Tengill í námsefni

Farðu á þessa vefsíðu til að læra meira um ferskvatnsbirgðir heimsins.

Regn og yfirborðsafrennsli eru helstu leiðirnar sem steinefni, þar á meðal kolefni, nitur, fosfór og brennisteinn, berast frá landi til vatns. Umhverfisáhrif afrennslis verða rædd síðar þegar þessum hringrásum er lýst.

Kolefnishringrásin

Kolefni er næstalgengasta frumefnið í lífverum. Það finnst í öllum lífrænum sameindum og hlutverk þess í byggingu stórsameinda er lífverum afar mikilvægt.

Auðveldast er að rannsaka kolefnishringrásina sem tvær samtengdar undirhringrásir: önnur fjallar um hröð kolefnisskipti milli lífvera og hin um langtímahringrás kolefnis í gegnum jarðfræðileg ferli. Öll lifandi kolefnisatóm fara einhvern tíma í gegnum báðar þessar hringrásir.

Tengill í námsefni

Smelltu á þennan tengil til að lesa upplýsingar um vísindaáætlun Bandaríkjanna um kolefnishringrásina.

Líffræðilega kolefnishringrásin

Lífverur tengjast á marga vegu, jafnvel milli vistkerfa. Gott dæmi um þessa tengingu eru kolefnisskipti milli frumbjarga og ófrumbjarga lífvera innan og milli vistkerfa fyrir milligöngu koltvíoxíðs í andrúmslofti. Koltvíoxíð er megingerð kolefnis sem frumbjarga lífverur nota við ljóstillífun. Þessar lífverur mynda lífræn kolefnissambönd sem ófrumbjarga lífverur fá með fæðu.

Ófrumbjarga og frumbjarga lífverur eru samstarfsaðilar í líffræðilegum kolefnisskiptum, sérstaklega fyrsta stigs neytendur sem eru að mestu jurtaætur. Ófrumbjarga lífverur fá orkurík kolefnissambönd frá frumbjarga lífverum með því að neyta þeirra og brjóta þau niður með öndun til að fá frumuorku, svo sem ATP. Við öndun losnar koltvíoxíð aftur út í lofthjúpinn eða vatnið og þannig verður það aftur tiltækt frumbjarga lífverum.

Lífjarðefnafræðilega kolefnishringrásin

Flutningur kolefnis um land, vatn og loft er flókinn og gerist í mörgum tilvikum mun hægar á jarðfræðilegum tímaskala en kolefnisskipti milli lífvera. Kolefni er geymt lengi í kolefnisforðabúrum, þar á meðal í lofthjúpi, vatnshlotum, hafseti, jarðvegi, bergi, jarðefnaeldsneyti og iðrum jarðar.

Eins og fram hefur komið er lofthjúpurinn stórt forðabúr kolefnis í formi koltvíoxíðs og er nauðsynlegur fyrir ljóstillífun. Magn koltvíoxíðs í lofthjúpnum verður fyrir miklum áhrifum af kolefnisforða hafsins. Skipti kolefnis milli lofthjúps og vatnsforðabúra hafa áhrif á hve mikið kolefni finnst í hverju forðabúri og hvert forðabúr hefur gagnvirk áhrif á hitt. Koltvíoxíð úr lofthjúpnum leysist upp í vatni og hvarfast við vatnssameindir þannig að vetniskarbónat- og karbónatjónir myndast (Mynd 46.16).

Jafnvægisstuðlarnir eru þannig að meira en 90 prósent kolefnis í hafinu finnst sem vetniskarbónatjónir. Sumar þessara jóna sameinast kalsíum í sjó og mynda kalsíumkarbónat (CaCO₃), sem er stór hluti skelja sjávarlífvera. Þessar lífverur mynda síðan set á hafsbotni þegar þær deyja. Á jarðfræðilegum tímaskala myndar kalsíumkarbónat kalkstein, sem er stærsta kolefnisforðabúr jarðar.

Á landi geymist kolefni í jarðvegi vegna niðurbrots lífvera af völdum sundrandi lífvera eða vegna veðrunar bergs og steinefna á landi. Þetta kolefni getur skolast út í vatnsforðabúr með yfirborðsafrennsli. Dýpra í jörðu, á landi og undir sjó, eru jarðefnaeldsneyti eins og kol, olía og jarðgas leifar lífvera sem brotnuðu niður án súrefnis og umbreyttust á milljónum ára.

Menn auka kolefni í lofthjúpi með brennslu jarðefnaeldsneytis og annarra efna. Frá iðnbyltingunni hafa menn aukið losun kolefnis og kolefnissambanda verulega og það hefur haft áhrif á loftslagið og umhverfið í heild.

Búfjárrækt manna eykur einnig kolefni í lofthjúpi. Sá mikli fjöldi landdýra sem er alinn til að fæða vaxandi mannfjölda jarðar veldur auknu magni koltvíoxíðs í lofthjúpi vegna landbúnaðarhátta, öndunar og metanmyndunar. Þetta er enn eitt dæmið um hvernig athafnir manna hafa óbeint áhrif á lífjarðefnafræðilegar hringrásir.

Niturhringrásin

Erfitt er að koma nitri inn í lífríkið. Plöntur og plöntusvif geta ekki tekið upp nitur úr lofthjúpi, þar sem það er í formi mjög stöðugrar sameindar með þreföldu samgildistengi, N₂, þótt þessi sameind sé um 78 prósent lofthjúpsins. Nitur fer inn í lífríkið með niturbindandi bakteríum og blágerlum, sem umbreyta N₂ í form sem lífverur geta nýtt.

Lífrænt nitur er sérstaklega mikilvægt í rannsóknum á virkni vistkerfa, því mörg ferli vistkerfa, svo sem frumframleiðni og niðurbrot, takmarkast af tiltæku nitri. Eins og sýnt er á Mynd 46.17 berst nitur inn í lífríkið úr lofthjúpi með niturbindandi bakteríum. Nitur og köfnunarefnisúrgangur dýra eru síðan unnin aftur í loftkennt nitur af jarðvegsbakteríum, sem einnig sjá plöntum fyrir því nitri sem þær þurfa til vaxtar.

Sjónræn tenging

Hver eftirfarandi fullyrðinga um niturhringrásina er röng?

1. Ammoníumyndun breytir lífrænum köfnunarefnissamböndum úr lífverum í ammoníum (NH₄⁺).
2. Afnítrun af völdum baktería breytir nítrötum (NO₃⁻) í niturgas (N₂).
3. Nítrun af völdum baktería breytir nítrötum (NO₃⁻) í nítrít (NO₂⁻).
4. Niturbindandi bakteríur breyta niturgasi (N₂) í lífræn efnasambönd.

Athafnir manna geta losað nitur út í umhverfið á tvo megin vegu: með bruna jarðefnaeldsneytis, sem losar ýmis nituroxíð, og með notkun tilbúins áburðar í landbúnaði, sem skolast síðan út í vötn, læki og ár með yfirborðsafrennsli. Nitur í vatni getur valdið ofvexti örvera, sem eyðir uppleystu súrefni og myndar dauðasvæði.

Svipað ferli á sér stað í niturhringrás sjávar, þar sem ammoníumyndun, nítrun og afnítrun eru framkvæmd af sjávargerlum. Hluti þessa niturs fellur til hafsbotns sem set og getur síðar borist á land á jarðfræðilegum tímaskala við lyftingu jarðlaga. Þótt hringrásir niturs á landi og í sjó séu aðskildar að hluta tengjast þær þó með flutningi efna milli vatns og lands.

Fosfórhringrásin

Fosfór er nauðsynlegt næringarefni fyrir lífsferla; hann er stór hluti kjarnsýra og fosfólípíða og sem kalsíumfosfat myndar hann stoðhluta beina okkar. Fosfór er oft takmarkandi næringarefni í vatnavistkerfum, sérstaklega ferskvatnsvistkerfum.

Fosfór finnst í náttúrunni sem fosfatjón (PO₄³⁻). Auk fosfatafrennslis vegna athafna manna verður náttúrulegt yfirborðsafrennsli þegar fosfat skolast úr fosfatríku bergi við veðrun. Þannig berast fosföt í ár, vötn og höf. Þetta berg á uppruna sinn í sjóseti.

Fosfór skiptist einnig á milli uppleysts fosfats í hafinu og vistkerfa sjávar. Flutningur fosfats úr hafinu til lands og í gegnum jarðveg er afar hægur; meðalfosfatjón hefur dvalartíma í hafinu frá 20.000 til 100.000 ár.

Eins og fjallað var um í kaflanum um vistfræði og lífhvolfið veldur umframmagn fosfórs og niturs, sem berst í þessi vistkerfi með afrennsli áburðar og frá skólpi, ofvexti örvera og eyðir uppleystu súrefni. Það leiðir til dauða margra dýra og myndunar dauðasvæða.

Eins og áður var rætt er dauðasvæði svæði innan ferskvatns- eða sjávarvistkerfis þar sem stór svæði hafa misst eðlilegan gróður og dýralíf. Slík svæði geta myndast vegna ofauðgunar, olíuleka, losunar eiturefna og annarra athafna manna.

Tenging við daglegt líf

Chesapeake-flói

Chesapeake-flói hefur lengi verið talinn eitt fegursta svæði jarðar; nú er hann í vanda og telst hnignandi vistkerfi. Á áttunda áratug 20. aldar var Chesapeake-flói eitt fyrsta vistkerfið þar sem greind voru dauðasvæði, en þau halda áfram að drepa marga fiska og botnlægar tegundir eins og samlokur, ostrur og orma. Nokkrar tegundir hnigu þar vegna yfirborðsafrennslis með fosfati og nítrati.

Sérstakan áhuga verndunarsinna vekur ostrustofninn. Talið er að meira en 200.000 ekrur af ostrurifjum hafi verið í flóanum á 18. öld, en nú eru aðeins um 36.000 ekrur eftir. Ostrur þurfa lágmarksstofnþéttleika til að geta fjölgað sér með góðum árangri. Ef stofnþéttleikinn verður of lítill verður möguleiki þeirra á árangursríkri æxlun lítill.

Endurheimt ostrustofnsins í Chesapeake-flóa hefur staðið yfir í nokkur ár með misjöfnum árangri. Ostrur eru ekki aðeins vinsælar til matar; þær hreinsa líka flóann. Ostrur eru síarar og þegar þær éta sía þær agnir úr vatninu. Þær hreinsa þannig vatnið og minnka áhrif ofauðgunar.

Endurheimtarstarf hefur staðið yfir í nokkur ár á vegum félagasamtaka, svo sem Chesapeake Bay Foundation. Markmiðið er að finna leið til að auka stofnþéttleika þannig að ostrurnar geti fjölgað sér skilvirkar. Nýir, harðgerðir ostrustofnar hafa einnig verið ræktaðir og sleppt í flóann.

Nýju harðgerðu ostrustofnarnir hafa einnig skapað nýja og efnahagslega raunhæfa atvinnugrein, ostrueldi, sem veitir ostrur til matar og hagnaðar en hefur auk þess þann ávinning að hreinsa flóann.

Brennisteinshringrásin

Brennisteinn er nauðsynlegt frumefni í stórsameindum lífvera. Sem hluti af amínósýrunni systeini tekur hann þátt í myndun tvísúlfíðtengja innan próteina, sem hjálpa til við að ákvarða þrívíða fellingu þeirra. Brennisteinn finnst einnig í öðrum lífsnauðsynlegum sameindum.

Á landi berst brennisteinn í jarðveg á fjóra megin vegu: með úrkomu, beinni útfellingu úr lofthjúpi, veðrun bergs og jarðhitahverum (Mynd 46.21). Brennisteinn í lofthjúpi finnst í formi brennisteinsdíoxíðs (SO₂). Þegar brennisteinsdíoxíð leysist upp í regnvatni myndast veik brennisteinssýra eða brennisteinssýrlingur. Brennisteinn getur einnig fallið beint til jarðar sem útfelling.

Brennisteinn berst í hafið með afrennsli frá landi, með útfellingu úr lofthjúpi og frá jarðhitahverum neðansjávar. Sum vistkerfi (Mynd 46.9) treysta á efnafrumbjarga lífverur sem nota brennistein sem líffræðilegan orkugjafa. Brennisteinninn styður síðan aðra hluta vistkerfisins.

Athafnir manna hafa leikið stórt hlutverk í að breyta jafnvægi brennisteinshringrásarinnar á jörðinni. Brennsla mikils magns jarðefnaeldsneytis, sérstaklega kola, losar mikið magn brennisteinsdíoxíðs og brennisteinsvetnisgass (H₂S) út í lofthjúpinn. Regnvatn getur leyst þessi efnasambönd og myndað súrt regn, sem skemmir vistkerfi á landi og í vatni.

Tengill í námsefni

Smelltu á þennan tengil til að læra meira um hnattrænar loftslagsbreytingar.