8个最重要的生物地球化学循环（描述） - 生物学

的生物地球化学循环包括路径遵循不同的营养素或那些的有机生物部分的元件。这种转运发生在生物群落内部，包括构成这种转运的生物和非生物实体。

营养素是构成大分子的基础，它们根据生物对大量营养素和微量营养素的需求量进行分类。

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地球上的生命可以追溯到大约30亿年，其中相同的营养池已经被反复循环利用。营养物质储备位于生态系统的非生物成分中，例如大气，石头，化石燃料，海洋等。循环描述了营养物质从这些水库到生物体再回到水库的路径。

由于人类活动（特别是工业化和农作物生产）的浓度发生了变化，因此周期的平衡发生了变化，因此营养素的迁移并没有引起人们的注意。这些干扰具有重要的生态后果。

接下来，我们将描述地球上最杰出的微量元素和常量营养素（水，碳，氧，磷，硫，氮，钙，钠，钾，硫）的通过和回收。

什么是生物地球化学循环？

能量和营养流

元素周期表由111种元素组成，其中只有20种是生命必不可少的元素，由于它们的生物学作用，它们被称为生物遗传元素。这样，生物就需要这些元素和能量来维持自身。

这两种成分（营养物质和能量）的流动逐渐在整个食物链的各个层面转移。

但是，两种流动之间存在一个关键的区别：能量仅沿一个方向流动，并无限地进入生态系统；而养分却以有限的数量出现并循环运动-除了活生物体还涉及非生物来源。这些循环是生物地球化学物质。

生物地球化学循环的一般方案

生物地球化学一词是由希腊词根bio组成的，bio表示生命，geo表示地球。因此，生物地球化学循环描述了生态系统中生物和非生物组成部分之间生活的这些元素的轨迹。

由于这些循环极为复杂，生物学家通常会描述其最重要的阶段，可以概括为：所涉元素的位置或储库，其进入活生物体（通常是主要生产者）以及其在链中的连续性营养，最后由于分解生物而使元素在储层中重新整合。

该方案将用于描述提到的每个阶段的每个元素的路线。实际上，这些步骤需要根据系统的每个元素和营养结构进行相关修改。

微生物起着至关重要的作用

重要的是要强调微生物在这些过程中的作用，因为由于还原和氧化反应，它们使养分再次进入循环。

研究与应用

研究周期对于生态学家来说是一个挑战。尽管这是一个边界被划定的生态系统（例如，像湖泊一样），但与周围环境的物质交换不断进行。即，除了复杂之外，这些循环还相互连接。

使用的一种方法是通过研究系统的非生物和生物成分进行放射性同位素标记和元素追踪。

研究养分的循环利用方式以及它处于何种状态是生态相关性的标志，它告诉我们系统的生产力。

生物地球化学循环的分类

没有单一的方法可以对生物地球化学循环进行分类。每个作者都建议遵循不同的标准进行适当的分类。下面我们将介绍使用的三种分类：

微量营养素

可以根据动员的要素对周期进行分类。大量营养素是有机生物大量使用的元素，即：碳，氮，氧，磷，硫和水。

仅少量需要其他元素，例如磷，硫，钾等。另外，微量营养素的特征是在系统中具有较低的迁移率。

尽管少量使用了这些元素，但它们对生物仍然至关重要。如果缺少营养素，它将限制居住在所讨论的生态系统中的生物的生长。因此，栖息地的生物成分是确定元素移动效率的良好标志。

沉积和大气

并非所有营养素的含量都相同或易于有机体获取。这主要取决于其来源或非生物来源。

一些作者根据元素和储集层的运动能力将它们分为两类：沉积和大气循环。

在前者中，元素不能向上移动到大气中并在土壤中积累（磷，钙，钾）；而后者包括气体循环（碳，氮等）

在大气循环中，这些元素被安置在对流层的下层，并且可供组成生物圈的个人使用。在沉积循环的情况下，元素从其储层中的释放需要环境因素的作用，例如太阳辐射，植物根部的作用，雨水等。

在特定情况下，单个生态系统可能没有完整循环所需的所有必要要素。在这些情况下，另一个邻近的生态系统可能是缺少元素的提供者，因此连接了多个区域。

本地和全球

使用的第三种分类是研究地点的规模，可以在本地栖息地或全球范围内。

这一分类与上一分类紧密相关，因为具有大气储量的元素分布广泛并且可以被全球理解，而具有沉积物储量且移动能力有限的元素。

水循环

水的作用

水是地球上生命的重要组成部分。有机物由高比例的水组成。

该物质特别稳定，可以在生物体内维持合适的温度。另外，在环境中生物体内会发生大量化学反应。

最后，它是一种几乎通用的溶剂（非极性分子不溶于水），这使极性溶剂可以形成无限溶液。

水库

从逻辑上讲，地球上最大的水库是海洋，在那里我们发现了地球总数的近97％，覆盖了我们赖以生存的地球的四分之三以上。剩余的百分比由河流，湖泊和冰块代表。

水文循环电机

有一系列物理力推动重要液体通过行星运动，并使其执行水文循环。这些力包括：太阳能，使水从液态转变为气态；以及重力，以雨，雪或露水的形式将水分子驱回地球。

我们将进一步描述下面提到的每个步骤：

（i）蒸发：水的状态变化是由来自太阳的能量驱动的，并且主要发生在海洋中。

（ii）降水：由于降水以不同的方式（雪，雨等），水流返回水库，并以不同的路线到达海洋，湖泊，地面，地下沉积物等。

在循环的海洋部分，蒸发过程超过了降水，这导致净增加了流向大气的水。循环的结束是随着水通过地下路线的移动而发生的。

将水纳入生物

生物的很大一部分由水组成。在我们人类中，该值约为70％。因此，部分水循环发生在生物体内。

植物利用其根部通过吸收来获取水，而异养和活跃生物可以直接从生态系统或食物中消耗水。

与水循环不同，其他营养物的循环包括分子沿其轨迹的重要修饰，而水实际上保持不变（仅状态发生变化）。

由于人类的存在，水循环发生了变化

水是人类最宝贵的资源之一。如今，重要流体的短缺正以指数级增长，这代表了全球关注的问题。尽管水很多，但只有一小部分相当于淡水。

缺点之一是灌溉用水的减少。沥青和混凝土表面的存在会减少水可能渗入的表面。

广泛的耕作领域也代表了维持足够水量的根系的减少。另外，灌溉系统去除了大量的水。

另一方面，盐到淡水处理是在专门工厂中执行的程序。但是，处理费用昂贵，并且代表了总体污染水平的提高。

最后，受污染的水的消费是发展中国家的一个主要问题。

碳循环

碳的作用

生命是由碳制成的。这个原子是生物中所有有机分子的结构框架。

由于碳具有与其他原子以及与其他原子形成单，双和三价共价键的特性，因此可以形成高度可变且非常稳定的结构。

因此，它可以形成几乎无限数量的分子。今天，已知有近700万种化学化合物。在这一高数量中，大约90％是有机物质，其结构基础是碳原子。该元素的巨大分子多功能性似乎是其丰富性的原因。

水库

碳循环涉及多个生态系统，即：陆地区域，水体和大气。在这三个碳库中，最重要的是海洋。即使相对较小，大气也是重要的储层。

同样，所有活生物体的生物量都代表了这种养分的重要储存库。

光合作用和呼吸作用：中心过程

在水生和陆地地区，碳循环的中心都是光合作用。该过程既可以由植物进行，也可以由具有该过程所需的酶促机械的一系列藻类进行。

也就是说，碳以二氧化碳的形式捕获生物并将其用作光合作用的底物时便进入了生物。

就光合作用的水生生物而言，二氧化碳的吸收是通过将溶解的元素整合到水体中而直接发生的，而这种溶解的元素的量比大气中的量大得多。

在光合作用过程中，来自环境的碳会整合到人体的组织中。相反，发生细胞呼吸的反应进行相反的过程：从大气中释放出已结合到生物中的碳。

将碳结合到生物中

主要的消费者或草食动物以生产者为食，并适当地储存其组织中的碳。在这一点上，碳有两种途径：将其存储在这些动物的组织中，并将另一部分通过呼吸以二氧化碳的形式释放到大气中。

因此，碳在整个有关社区的整个食物链中都在继续前进。在某些时候，动物会死亡，其身体会被微生物分解。因此，二氧化碳返回大气，并且循环可以继续。

周期的替代路线

在所有生态系统中-并取决于居住在其中的生物-周期的节奏各不相同。例如，软体动物和其他在海洋中生存的微观生物能够提取溶解在水中的二氧化碳，并将其与钙结合，产生称为碳酸钙的分子。

该化合物将成为生物壳的一部分。这些生物死亡后，它们的壳逐渐堆积在沉积物中，随着时间的流逝，它们将转变为石灰石。

根据水体所处的地质环境，石灰石可以被暴露并开始溶解，从而导致二氧化碳逸出。

碳循环的另一条长期路径与化石燃料的生产有关。在下一部分中，我们将看到这些资源的消耗如何影响周期的正常或自然过程。

由于人类的存在，碳循环的变化

数千年来，人类一直在影响碳循环的自然过程。我们所有的活动（例如工业和森林砍伐）都会影响这一重要元素的释放和来源。

特别是化石燃料的使用影响了循环。当我们燃烧燃料时，我们会将处于非活动状态的地质储层中的大量碳转移到大气中，这是一个处于活动状态的储层。自上个世纪以来，碳释放量急剧增加。

二氧化碳释放到大气中是一个直接影响我们的事实，因为它会增加地球的温度，并且是被称为温室气体的一种气体。

氮气循环

氮气循环。由YanLebrel通过Wikimedia Commons根据环境保护局的图片重制：http：//www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html

氮的作用

在有机生物中，我们在其两个基本大分子中发现氮：蛋白质和核酸。

前者负责从结构到运输的多种功能。后者是负责存储遗传信息并将其转化为蛋白质的分子。

此外，它是某些维生素的组成部分，这些维生素是代谢途径的重要元素。

水库

氮的主要储备是大气。在这个空间中，我们发现空气中存在的78％的气体为氮气（N ₂）。

尽管它是生物的基本要素，但无论植物还是动物，都没有能力直接从大气中提取这种气体，例如二氧化碳。

氮的可同化来源

因此，必须将氮作为可吸收分子存在。也就是说，它是简化或“固定”的形式。这样的一个例子是硝酸盐（NO ₃ ^- ）或氨（NH ₃）

有些细菌与某些植物（例如豆类）建立了共生关系，并以保护和食物作为交换，它们共享这些氮化合物。

其他类型的细菌也利用氨基酸和其他含氮化合物来产生氨，这些氨基酸和其他含氮化合物存储在尸体和生物废物中作为底物。

固氮生物

有两大类固定剂。一些细菌，蓝藻和放线菌真菌可以吸收氮气分子并将其直接作为其蛋白质的一部分包含在内，并以氨的形式释放出过量的氮。此过程称为氨化。

另一组居住在土壤中的细菌能够将氨或铵离子吸收到亚硝酸盐中。第二个过程称为硝化。

非生物固氮工艺

还有一些非生物过程能够产生氮氧化物，例如雷暴或大火。在这些情况下，氮与氧结合，生成可同化的化合物。

固氮过程的特点是速度缓慢，这是陆地和水生生态系统生产力的限制步骤。

氮在生物中的结合

一旦植物找到了可吸收形式的氮库（氨和硝酸盐），它们就会将它们掺入不同的生物分子中，即：氨基酸，蛋白质的组成部分；核酸; 维生素等等

当硝酸盐被掺入植物细胞中时，就会发生反应并将其还原成铵态。

当主要的消费者以植物为食并将氮掺入其自身的组织中时，氮分子就会循环。残食者或分解生物也可能消耗它们。

因此，氮在整个食物链中移动。氮的大部分与废物和腐烂的尸体一起释放。

在土壤和水体中构成生命的细菌能够吸收这种氮并将其转化回可吸收的物质。

这不是一个封闭的周期

在此描述之后，似乎氮循环是封闭的并且是永续的。但是，这只是一目了然。有多种导致氮素流失的过程，例如农作物，水土流失，火灾，水渗透等。

另一个原因称为反硝化，它是由导致该过程的细菌引起的。在无氧环境中发现时，这些细菌吸收并还原了硝酸盐，将其作为气体释放回大气中。此事件在排水效率不高的土壤中很常见。

由于人类的存在，氮循环的变化

人类使用的氮化合物主导着氮循环。这些化合物包括富含氨和硝酸盐的合成肥料。

过量的氮已导致该化合物正常途径的失衡，特别是在植物群落的改变中，因为它们现在遭受过量的施肥。这种现象称为富营养化。该事件的信息之一是营养素的增加并不总是积极的。

这一事实的最严重后果之一是森林，湖泊和河流社区遭到破坏。由于没有足够的平衡，一些被称为优势物种的物种过度生长并主导着生态系统，从而降低了多样性。

磷循环

磷的作用

在生物系统中，磷存在于被称为细胞能量“硬币”的分子（例如ATP）和其他能量转移分子（例如NADP）中。它也存在于遗传分子中，包括DNA和RNA，以及组成脂质膜的分子中。

它也起结构作用，因为它存在于脊椎动物谱系的骨骼结构中，包括骨骼和牙齿。

水库

与氮和碳不同，在大气中没有发现磷是自由气体。它的主要储层是岩石，以称为磷酸盐的分子形式与氧连接。

可以预期，该脱落过程很慢。因此，磷被认为是自然界中罕见的营养素。

磷在生物中的吸收

当地理和气候条件合适时，岩石开始侵蚀或磨损。由于下雨，磷酸盐开始被稀释，可以被植物的根部或其他一系列主要生产生物吸收。

这一系列的光合生物负责将磷掺入其组织。从这些基础生物开始，磷开始通过营养级传播。

在链中的每个环节中，部分磷被构成磷的人排泄。当动物死亡时，一系列特殊细菌吸收磷，并将其作为磷酸盐重新带入土壤。

磷酸盐可通过两种途径：被自养生物再次吸收或开始在沉积物中的积累，以恢复其岩石状态。

海洋生态系统中存在的磷也最终存在于这些水域的沉积物中，部分磷可以被其居民吸收。

由于人类的存在导致磷循环的变化

人类及其农业技术的存在以与影响氮循环几乎相同的方式影响磷循环。肥料的施用会导致养分的过度增加，导致该地区的富营养化，从而导致其社区多样性的失衡。

据估计，在过去的75年中，化肥行业导致磷浓度几乎上升了四倍。

硫循环

硫的作用

一些氨基酸，胺，NADPH和辅酶A是在代谢中起不同作用的生物分子。它们的结构均含有硫。

水库

硫储层非常多样，包括水体（新鲜和盐分），陆地环境，大气，岩石和沉积物。发现主要为二氧化硫（SO ₂）。

硫在生物中的结合

硫酸盐从储层开始溶解，食物链中的第一个链接可以将其捕获为离子。还原反应后，硫准备被掺入蛋白质中。

一旦掺入，该元素可以继续通过食物链，直到生物死亡。细菌负责释放残留在尸体和废物中的硫，并将其返回到环境中。

氧气循环

氧气循环。Eme Chicano，来自Wikimedia Commons

氧气的作用

对于有氧呼吸和兼性呼吸的生物，氧代表该过程涉及的代谢反应中的电子受体。因此，保持获取能量至关重要。

水库

行星代表了地球上最重要的氧气储存器。该分子的存在使该区域具有氧化特性。

将氧气吸收到生物中

与碳循环一样，细胞呼吸和光合作用是协调地球上氧气轨迹的两个重要的代谢途径。

在呼吸过程中，动物吸收氧气并产生二氧化碳作为废物。氧气来自植物的新陈代谢，而新陈代谢又可以吸收二氧化碳并将其用作未来反应的底物。

钙循环

水库

钙存在于岩石圈中，埋藏在沉积物和岩石中。这些岩石可能是其外部结构富含钙的海洋动物化石的产物。它也在洞穴中发现。

钙在生物中的结合

降雨和其他气候事件导致含钙的石头被侵蚀，从而导致钙的释放，并使生物体在食物链的任何位置吸收钙。

这种营养物质将被纳入生物体内，在其死亡时，细菌将进行相关的分解反应，以实现该元素的释放和循环的连续性。

如果钙释放到水体中，则钙可以保留在底部，并且岩层会再次开始。地下水驱替在钙动员中也起着重要作用。

相同的逻辑适用于在粘土中发现的钾离子循环。

钠循环

钠的作用

钠是一种在动物体内执行多种功能的离子，例如神经冲动和肌肉收缩。

水库

钠的最大储库位于不良水中，并以离子形式溶解。请记住，食盐是钠和氯之间的结合而形成的。

将钠掺入生物中

钠主要由在海洋中生存的生物吸收，吸收并可以通过水或食物将其运输到陆地。离子可以按照水文循环中描述的路径溶解在水中传播。

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8个最重要的生物地球化学循环（描述） - 生物学 - 2025