Bruker:Frankemann/Biogeochemical cycle

Energi strømmer retningsbestemt gjennom økosystemer, inn som sollys (eller uorganiske molekyler i tilfellet med kjemotrofe organismer) og forlater dem som varme ved de mange overføringene mellom trofiske nivåer. Imidlertid blir stoffer som utgjør levende organismer bevart og resirkulert. De seks vanligste grunnstoffene assosiert med organiske molekyler er karbon, nitrogen, hydrogen, oksygen, fosfor og svovel. Disse har en rekke kjemiske former og kan eksistere over lange tider i atmosfæren, på land, i vann eller under jordoverflaten. Geologiske prosesser som forvitring, erosjon, drenering av vann og den subduksjon av kontinentalplater, spiller alle en rolle i denne resirkuleringen av stoffene. Fordi geologi og kjemi spiller en stor rolle i studiet av disse prosessen kalles resirkulering av uorganisk materiale mellom levende organismer og deres miljø en biogeokjemisk syklus.^[3]

De seks nevnte grunnstoffene brukes av organismer på en rekke forskjellige måter. Hydrogen og oksygen finnes i vann og organiske molekyler, som begge er viktige for alt levende. Karbon finnes i alle organiske molekyler, mens nitrogen er en viktig komponent i nukleinsyrer og proteiner. Fosfor brukes til å lage nukleinsyrer og fosfolipider som omfatter biologiske membraner. Svovel er avgjørende for den tredimensjonale formen av proteiner. Sirkulasjon av disse elementene er sammenkoblet. For eksempel er bevegelsen av vann kritisk for utvasking av svovel og fosfor til elver som deretter strømmer ut i havet. Mineraler sirkulerer gjennom biosfæren mellom de biotiske og abiotiske komponentene og fra en organisme til en annen.^[4]

Økosystemer har mange biogeokjemiske sykluser som fungerer som en del av systemet, for eksempel vannets kretsløp, karbonkretsløpet, nitrogenkretsløpet, og flere andre. Alle grunnstoffer som forekommer i organismer er en del av biogeokjemiske sykluser. I tillegg til å være en del av levende organismer, sirkulerer disse kjemiske elementene også gjennom abiotiske faktorer i økosystemer som vann (hydrosfæren), land (litosfæren) nog/eller luften (atmosfære).^[5]

De levende faktorene på jorden kan samles samlet som biosfæren. Alle næringsstoffene, for eksempel karbon, nitrogen, oksygen, fosfor og svovel, brukes i økosystemer av levende organismer og er en del av et lukket system. Derfor blir disse stoffene resirkulert i stedet for å gå tapt og etterfylles kontinuerlig som er tilfelle for et åpent system.^[5]

De viktigste delene av biosfæren er forbundet med strømmen av grunnstoffer og forbindelser i biogeokjemiske sykluser. I mange av disse syklusene, spiller biota en viktig rolle. Materie fra jordens indre frigjøres av vulkaner. Atmosfæren utveksler noen forbindelser og elementer raskt med biota og hav. Utveksling av materialer mellom bergarter, jord og hav er til sammenligning generelt mye tregere.^[2]

Strømmen av energi i et økosystem er en åpent system. Solen gir hele tiden planeten energi i form av lys som blir brukt og til slutt tapt i form av varme gjennom trofiske nivåer av et næringsnett. Karbon brukes til å lage karbohydrater, fett og proteiner, de viktigste kildene til energi i form av mat. Disse forbindelsene oksyderes for å frigjøre karbondioksid, som kan fanges opp av planter for å lage organiske forbindelser. Den kjemisk reaksjon drives av lysenergien fra solstrålene.

Sollys er nødvendig for å kombinere karbon med hydrogen og oksygen til en energikilde, men økosystemer i dyphavet, hvor ikke noe sollys kan trenge ned, få energi fra svovel. Hydrogensulfid i nærheten hydrotermiske skorsteiner kan brukes av organismer som riftia. I svovelkretsløpet blir svovel for alltid resirkulert som en energikilde. Energi kan frigjøres gjennom oksidasjon og reduksjon av svovelforbindelser (for eksempel oksiderende svovel til sulfitt og så til sulfat).

• 
  Examples of major biogeochemical processes
• 
  The oceanic whale pump showing how whales cycle nutrients through the ocean water column
• 
  The implications of shifts in the global carbon cycle due to human activity are concerning scientists.^[6]

Selv om jorden kontinuerlig mottar energi fra solen, er dens kjemiske sammensetning i det vesentlige konstant. Men nye stoffer blir tilført i en viss grad i form av meteoritter. Fordi denne kjemiske sammensetningen ikke etterfylles som energi, må alle prosesser som er avhengige av disse kjemikaliene resirkuleres. Disse syklusene inkluderer både den levende biosfæren og den ikke-levende litosfæren, atmosfære, og hydrosfæren.

Biogeokjemiske sykluser kan kontrasteres med geokjemiske sykluser. Sistnevnte omhandler bare crustal og subcrustal reservoarer selv om noen prosess fra begge overlapper hverandre.

Atmosfæren

Hydrosferen

Det globale havet dekker mer enn 70 % av jordens overflate og er bemerkelsesverdig heterogent. Produktive marine områder og økosystemer ved kysten utgjør en mindre brøkdel av havet når det gjelder overflateareal, men har likevel en stor innvirkning på globale biogeokjemiske sykluser anført av mikrobielle samfunn, som representerer 90 % av havets biomasse.^[8] Forskning de siste årene har i stor grad fokusert på kretsløpet til karbon og makronæringsstoffer som nitrogen, fosfor og silikat: Andre viktige elementer som svovel eller sporstoffer har blitt mindre studert, noe som har sammenheng med tekniske og logistiske problemer.^[9] I økende grad er disse marine områdene og taxaene utsatt for betydelig menneskeskapt stress, som påvirker livet i havet og flyt av energi og næringsstoffer.^[10][11][12] Et eksempel er at eutrofiering, hvor avrenning fra landbruket fører til nitrogen og fosforberikelse av kystøkosystemer, noe som øker produktiviteten kraftig, noe som resulterer i algeoppblomstring, deoksygenering av vann og sjøbunn, og økte klimagassutslipp,^[13] med lokale og globale virkninger på nitrogen- og karbonkretsløpet. Imidlertid er avrenning av organisk materiale fra fastlandet til økosystemer langs kysten bare en av en rekke presserende trusler som understreker mikrobielle samfunn på grunn av global endring. Klimautfordringene har også ført til endringer i kryosfæren, som isbreer og permafrost smelter, noe som resulterer i intensivert marin stratifisering, mens skift av redoks-tilstand i ulike biomer er raskt omforme mikrobielle samlinger i en enestående hastighet.^{[14][15][16][17][9]}

Globale endring påvirker derfor viktige prosesser, inkludert primær produktivitet, CO₂ og N₂ fiksering, respirasjon av organisk materiale/remineralisering, senking og deponering av fiksert CO₂ på havbunnen.^[17] I tillegg opplever havbruksnæringen en forsuringsprosess, med en endring på ~0,1 pH enheter mellom den førindustrielle perioden og i dag, som påvirker kalsiumkarbonat/bikarbonat buffer kjemi.^[18] I sin tur har forsuring blitt rapportert å påvirke planktonisk samfunn, hovedsakelig gjennom effekter på forkalkning av taxa. Det er også bevis for skift i produksjonen av viktige mellomliggende flyktige produkter, hvorav noen har markerte drivhuseffekter (f. Eks.₂O OG CH₄, anmeldt Av Breitburg i 2018,^[15] på grunn av økningen i global temperatur, stratifisering av havet og deoksygenering, kjører så mye som 25 til 50% av nitrogentapet fra havet til atmosfæren i den såkalte oksygen minimum soner eller anoxic marine soner,^[19] or anoxic marine zones,^[20] drevet av mikrobielle prosesser. Andre produkter, som vanligvis er giftige for havet nekton, inkludert reduserte svovelarter som H₂S, ha en negativ innvirkning på marine ressurser som fiskeri og kystnær akvakultur. Mens den globale endringen har akselerert, har det vært en parallell økning i bevisstheten om kompleksiteten i marine økosystemer, og spesielt den grunnleggende rollen til mikrober som drivere for økosystemets funksjon.^[16][9]

Mikroorganismer driver mye av den biogeokjemiske syklusen i jordsystemet.

En del av de biogeokjemiske stoffene holdes i lange perioder på ett sted. Dette et reservoar, eksempel er kull i jordskorpen som er store lagre av karbon.^[21] Når stoffene holdes i bare korte perioder, blir de holdt i utvekslingsbassenger. Eksempler på utvekslingsbassenger er planter og dyr.^[21]

Planter og dyr bruker karbon til å produsere karbohydrater, fett og proteiner, som deretter kan brukes til å bygge opp indre strukturer eller for å gi energi. Planter og dyr opptar midlertidig karbon og slipper det deretter tilbake i luften eller det omkringliggende mediet. Generelt er reservoarer abiotiske faktorer, mens utvekslingsbassenger er biotiske faktorer. Karbon holdes i relativt kort tid i planter og dyr sammenlignet med kullforekomster. Mengden tid som et kjemikalie holdes på ett sted kalles dets oppholdstid eller omsetningstid (også kalt fornyelsestid).^[21]

Boksmodeller er mye brukt til å modellere biogeokjemiske systemer.^[22][23] Boksmodeller er forenklede versjoner av komplekse systemer og reduserer dem til bokser (eller reservoarer) for kjemiske materialer. Disse er koblet sammen av materialstrømmer (flyt). Enkle boksmodeller har et lite antall bokser med speseille egenskaper, for eksempel volum, som ikke endres med tiden.^[23] Disse modellene brukes ofte til å utlede analytiske formler som beskriver dynamikken og tilstand til de involverte biogeokjemiske stoffene.

Diagrammet til høyre viser en grunnleggende boks modell. Reservoaret inneholder en gitt mengden av stoffet M som betraktes, og er definert av kjemiske, fysiske eller biologiske egenskaper. Kilden Q er strømmen av stoff inn i reservoaret, og sluket S er strømmen av materiale ut av reservoaret. Budsjettet er balansen mellom kilder og sluk som påvirker stoffomsetningen i et reservoar. Reservoaret er i en tilstand av balanse hvis Q = S, det vil si hvis kildene balanserer sluket og det ikke er noen endring over tid.^[23]

Oppholds- eller omsetningstiden er den gjennomsnittlige tiden materialet tilbringer i reservoaret. Hvis reservoaret er i balansert tilstand, er dette det samme som tiden det tar å fylle eller tømme reservoaret. Dersom τ er gjennomstrømningstiden vil følgende gjelde: τ = M/S.^[23] Ligningen som beskriver hastigheten på endring av innhold i et reservoar er

${\displaystyle {\frac {dM}{dt}}=Q-S=Q-{\frac {M}{\tau }}.}$

Når to eller flere reservoarer er koblet sammen, kan stoffet betraktes som en strøm mellom reservoarene, og det kan være forutsigbare mønstre for den strømmen.^[23] Mer komplekse modeller med flere boksåer løses vanligvis ved hjelp av numeriske metoder.

 Diagrammet til venstre viser et forenklet budsjett for karbonstrøm i havet. Den består av tre enkle sammenkoblede boksmodeller, en for eufotisk sone, en for vannmassene eller dyphavet og en for havsedimenter. I den eufotiske sonen, er netto planteplanktonproduksjon rundt 50 Pg C hvert år. Cirka 10 Pg eksporteres til havets indre mens de andre 40 Pg respireres. Organisk karbonnedbrytning skjer som partikler (marine snø) som faller ned gjennom vannmassene. Bare 2 Pg når til slutt havbunnen, mens andre 8 Pg havner i dyphavet. I sedimenter øker tidsskalaen som er tilgjengelig for nedbrytning med størrelsesordener med det resultat at 90 % av det organiske karbonet som leveres blir nedbrutt og bare 0,2 Pg C år⁻¹ blir til slutt begravet og overført fra biosfæren til geosfæren.^[24]

Diagrammet til høyre viser en mer kompleks modell med mange sammenhengende bokser. Reservoarmasser representerer her karbon, målt i Pg C. Karbonutvekslingsstrømmer, målt o Pg C yr⁻¹, forekommer mellom atmosfæren og dens to store sluk, nemlig landjorden og havet. De svarte tallene og pilene viser reservoarmasse og utvekslingsstrømmer beregnet for år 1750, like før den industrielle revolusjon. De røde pilene (og tilhørende tall) indikerer de årlige fluksendringene på grunn av menneskeskapte aktiviteter, i gjennomsnitt over tidsperioden 2000-2009. De representerer hvordan karbonsyklusen har endret seg siden 1750. Røde tall i reservoarene representerer de kumulative endringene i menneskeskapt karbon siden starten av industrialiseringen (1750-2011).^[25][26][27]

I jordsystemet finnes raske og langsomme biogeokjemiske sykluser. Raske sykluser finnes i biosfæren og langsomme i litosfæren (bergarter). Raske eller biologiske sykluser kan ha en omløpshastighet på noen år. I disse overføres stoffer fra atmosfære til biosfære og deretter tilbake til atmosfæren. Langsomme eller geologiske sykluser kan ta millioner av år, og overfører stoffer gjennom jordskorpen mellom berg, jord, hav og atmosfære.^[29]

Et ksempel er den raske karbonsyklusen illustrert i diagrammet. Denne syklusen består av relativt raske biogeokjemisk prosesser mellom miljøet og levende organismer i biosfæren. Den innbefatter strøm av karbon mellom atmosfæren og terrestriske og marine økosystemer, samt jord og havbunnsedimenter. Den raske syklusen består av årvisse sykluser som involverer fotosyntese og sykluser over noen tiår som har å gjøre med plantevekst og nedbrytning. Responsen fra den raske karbonsyklusen på menneskelige aktiviteter vil avgjøre mange av de mer umiddelbare virkningene av klimaendringene.^{[30][31][32][33]}

Den langsomme syklusen er illustrert i diagrammet ovenfor til høyre. Det innebærer mellomlang til lang sikt geokjemisk prosesser som tilhører det geologiske kretsløpet. Utvekslingen mellom hav og atmosfære kan ta flere hundre år. Forvitring av bergarter kan ta millioner av år. Karbon i havet faller ut til havbunnen der det kan dannes sedimentær bergarter og være subduksjon inn i jordens mantel. Fjellkjededannelse resulterer i retur av dette geologiske karbonet tilbake til jordoverflaten. Der blir bergartene forvitret og karbon føres tilbake til atmosfæren ved avgassing og til havet ved elver. Andre kilder til geologiske karbon returnerer til havet gjennom hydrotermisk utslipp av kalsiumioner. I et gitt år beveger mellom 10 og 100 millioner tonn karbon seg rundt denne langsomme syklusen. Dette inkluderer vulkaner som returnerer geologisk karbon direkte til atmosfæren i form av karbondioksid. Dette er imidlertid mindre enn en prosent av karbondioksidet som settes ut i atmosfæren ved å brenne fossilt brensel.^[29][30]

Den terrestriske undergrunnen er det største reservoaret av karbon på jorden, som inneholder 14–135 Pg av karbon^[34] og 2–19 % av all biomasse.^[35] Mikroorganismer driver organiske og uorganiske sammensatte transformasjoner i dette miljøet og styrer de biogeokjemiske syklusene. Nåværende kunnskap om den mikrobielle økologien til undergrunnen er først og fremst basert på 16s ribosomalt RNA (rRNA) gensekvenser. Nylige estimater viser at <8% AV 16s rRNA-sekvenser i offentlige databaser stammer fra underjordiske organismer og bare en liten brøkdel av dem er representert av genomer eller isolater. Dermed er det bemerkelsesverdig lite pålitelig informasjon om mikrobiell metabolisme i undergrunnen. Videre er lite kjent om hvordan organismer i økosystemer under overflaten er metabolsk sammenkoblet. Noen kultiveringsbaserte studier av syntrophic konsortium og småskala metagenomiske analyser av naturlige samfunn foreslå at organismer er koblet via metabolske overleveringer: overføring av redoksreaksjonsprodukter fra en organisme til en annen. Imidlertid har ingen komplekse miljøer blitt dissekert helt nok til å løse de metabolske interaksjonsnettverkene som ligger til grunn for dem. Dette begrenser muligheten for biogeokjemiske modeller for å fange opp viktige aspekter av karbon og andre næringssykluser. Nye tilnærminger som genomoppløst metagenomikk, en tilnærming som kan gi et omfattende sett med utkast og til og med komplette genomer for organismer uten krav om laboratorieisolasjon^[36][37][38] har potensial til å gi dette kritiske nivået av forståelse av biogeokjemiske prosesser.^[39]

Ettersom biogeokjemiske sykluser beskriver stoffers bevegelser over hele kloden, er studiet av disse iboende tverrfaglig. Karbonsyklusen kan være relatert til forskning i økologi og atmosfæriske vitenskaper.^[40] Biokjemisk dynamikk vil også være relatert til feltene geologi og pedologi.^[41]

[[Kategori:Geokjemi]][[Kategori:Biogeografi]][[Kategori:Biogeokjemiske sykluser]]