Βιογεωχημικοί Κύκλοι 🌍
Τα οικοσυστήματα δέχονται συνεχώς ενέργεια από τον ήλιο. Αυτή η ενέργεια, αφού δεσμευτεί από τους παραγωγούς και μετατραπεί σε χημική, «ρέει» μονόδρομα μέσα από τις τροφικές αλυσίδες προς τους καταναλωτές και τους αποικοδομητές — μια φορά, χωρίς να επιστρέφει.
Με την ύλη όμως τα πράγματα είναι διαφορετικά. Η ύλη που είναι διαθέσιμη στη βιόσφαιρα είναι περιορισμένη, αφού ο πλανήτης δέχεται ελάχιστες μόνο ποσότητες ύλης από το Διάστημα (μετεωρίτες κ.ά.). Τα χημικά στοιχεία που είναι απαραίτητα για τη σύνθεση των χημικών ενώσεων της ζωής — άνθρακας (C), υδρογόνο (H), οξυγόνο (O), άζωτο (N), θείο (S), φώσφορος (P) κ.ά. — δεν μπορούν λοιπόν απλώς να «καταναλώνονται»· πρέπει να κυκλοφορούν, ώστε να ξαναγίνονται διαθέσιμα.
Οι επαναλαμβανόμενες αυτές κυκλικές πορείες των χημικών στοιχείων μέσα στα οικοσυστήματα ονομάζονται βιογεωχημικοί κύκλοι. Ο όρος δεν είναι τυχαίος: κάθε κύκλος διεκπεραιώνεται με τη συμμετοχή τριών ειδών διαδικασιών —
- βιολογικών (π.χ. φωτοσύνθεση, αναπνοή, δράση μικροοργανισμών),
- γεωλογικών (π.χ. αποθήκευση στο έδαφος ή στα ορυκτά καύσιμα),
- χημικών (π.χ. οξείδωση, μετατροπή ενώσεων).
Η ενέργεια στα οικοσυστήματα δεν ανακυκλώνεται — σε κάθε μεταφορά της από το ένα τροφικό επίπεδο στο άλλο, ένα μεγάλο μέρος της χάνεται ως θερμότητα. Γι' αυτό τα οικοσυστήματα χρειάζονται συνεχή «τροφοδοσία» ενέργειας από τον ήλιο, ενώ τα χημικά στοιχεία απλώς ξαναχρησιμοποιούνται ξανά και ξανά.
2.3.1 Ο κύκλος του άνθρακα 🔄
Ο άνθρακας είναι το στοιχείο πάνω στο οποίο δομούνται όλες οι οργανικές ενώσεις και, συνεπώς, όλα τα βιολογικά μακρομόρια (υδατάνθρακες, λιπίδια, πρωτεΐνες, νουκλεϊκά οξέα). Η πορεία του άνθρακα στα οικοσυστήματα ακολουθεί στενά τη ροή της ενέργειας, για έναν απλό λόγο: η χημική ενέργεια που μεταβιβάζεται από το ένα τροφικό επίπεδο στο επόμενο είναι δεσμευμένη ακριβώς μέσα στις οργανικές ενώσεις που περιέχουν άνθρακα.
Είσοδος στο οικοσύστημα. Ο άνθρακας εισέρχεται στα οικοσυστήματα με τη μορφή του διοξειδίου του άνθρακα (CO2), το οποίο βρίσκεται στην ατμόσφαιρα. Το CO2 παραλαμβάνεται από τους παραγωγούς και μετατρέπεται, με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, σε γλυκόζη.
Επιστροφή στην ατμόσφαιρα μέσω αναπνοής. Ένα μέρος της γλυκόζης, όπως και άλλων ενώσεων που συνθέτουν οι παραγωγοί, χρησιμοποιείται κατά την κυτταρική αναπνοή για να απελευθερωθεί η ενέργεια που χρειάζονται οι παραγωγοί για τις λειτουργίες τους. Επειδή όμως κατά την κυτταρική αναπνοή παράγεται και CO2, το αέριο αυτό επιστρέφει στην ατμόσφαιρα — έτσι ολοκληρώνεται ένας πρώτος, στενός κύκλος πρόσληψης και επαναφοράς άνθρακα από και προς την ατμόσφαιρα.
Διάχυση στην τροφική αλυσίδα. Από το υπόλοιπο μέρος της οργανικής ύλης που έχουν παραγάγει οι παραγωγοί:
- ένα μέρος μεταβιβάζεται ως τροφή στους καταναλωτές,
- ένα άλλο καταλήγει ως νεκρή οργανική ύλη (φύλλα, καρποί, κλαδιά κ.ά.) στο έδαφος και γίνεται τροφή για τους αποικοδομητές (βακτήρια και μύκητες), μαζί με τη νεκρή οργανική ύλη ζωικής προέλευσης (νεκρά σώματα οργανισμών, απεκκρίσεις, περιττώματα κ.ά.).
Και στους καταναλωτές και στους αποικοδομητές η οργανική ύλη οξειδώνεται. Το αποτέλεσμα είναι διπλό: αφενός απελευθερώνεται ενέργεια που καλύπτει τις ενεργειακές τους ανάγκες, αφετέρου παράγεται CO2 που επιστρέφει στην ατμόσφαιρα.
Γίνεται λοιπόν αντιληπτό ότι στη βάση της ανταλλαγής CO2 μεταξύ ατμόσφαιρας και βιοτικών παραγόντων βρίσκεται η εναλλαγή δύο αντίθετων διαδικασιών: με τη φωτοσύνθεση προσλαμβάνεται CO2 για την παραγωγή γλυκόζης, ενώ με την κυτταρική αναπνοή οξειδώνεται η γλυκόζη και το CO2 επιστρέφει στην ατμόσφαιρα.
| Διαδικασία | Κατεύθυνση ροής άνθρακα | Ποιοι συμμετέχουν |
|---|---|---|
| Φωτοσύνθεση | Ατμόσφαιρα (CO2) → οργανική ύλη | Παραγωγοί |
| Κατανάλωση | Οργανική ύλη παραγωγών → οργανική ύλη καταναλωτών | Καταναλωτές |
| Κυτταρική αναπνοή | Οργανική ύλη → CO2 → ατμόσφαιρα | Παραγωγοί, καταναλωτές, αποικοδομητές |
| Αποικοδόμηση | Νεκρή οργανική ύλη → CO2 → ατμόσφαιρα | Αποικοδομητές (βακτήρια, μύκητες) |
Η παρέμβαση του ανθρώπου στον κύκλο του άνθρακα
Με τη Βιομηχανική Επανάσταση (αρχές 19ου αιώνα) ξεκίνησε η συστηματική χρήση ορυκτών καυσίμων — αρχικά γαιανθράκων, στη συνέχεια πετρελαίου και φυσικού αερίου.
Αυτά τα καύσιμα αποτελούσαν, μέχρι τότε, μια τεράστια «αποθήκη» άνθρακα που παρέμενε αχρησιμοποίητη στα έγκατα της Γης. Οι αυξανόμενες όμως ενεργειακές ανάγκες της βιομηχανίας και των μεταφορών επέβαλαν την εντατική εξόρυξή τους. Η καύση τους οδήγησε στην απελευθέρωση τεράστιων ποσοτήτων CO2 στην ατμόσφαιρα — ποσότητα άνθρακα που για εκατομμύρια χρόνια ήταν «κλειδωμένη» και δεν συμμετείχε στον κύκλο.
Θεωρητικά, αυτό το CO2 θα μπορούσε να δεσμευτεί ξανά από τους παραγωγούς μέσω της φωτοσύνθεσης. Στην πράξη όμως η καταστροφή των δασών — είτε λόγω υλοτόμησης για εκμετάλλευση ξυλείας είτε λόγω εκχερσώσεων για νέους χώρους κατοικίας και καλλιέργειας — περιορίζει τον συνολικό αριθμό των φωτοσυνθετικών οργανισμών του πλανήτη. Το αποτέλεσμα είναι μια σταδιακή τάση αύξησης της συγκέντρωσης CO2 στην ατμόσφαιρα.
Η αύξηση του ατμοσφαιρικού CO2 δεν οφείλεται σε μία μόνο αιτία, αλλά σε δύο διακριτές ανθρώπινες δραστηριότητες που δρουν προς την ίδια κατεύθυνση: (1) η καύση ορυκτών καυσίμων προσθέτει CO2 στην ατμόσφαιρα, ενώ (2) η αποψίλωση των δασών μειώνει την ικανότητα του πλανήτη να το απορροφά ξανά μέσω φωτοσύνθεσης. Μια εξέταση συχνά ζητά να ξεχωρίσεις αυτούς τους δύο μηχανισμούς — μην τους συγχέεις σε μία γενική διατύπωση.
2.3.2 Ο κύκλος του αζώτου 🌿
Το άζωτο είναι εξαιρετικά σημαντικό για τη ζωή, καθώς αποτελεί συστατικό πολλών βιομορίων, όπως τα νουκλεϊκά οξέα και οι πρωτεΐνες. Αν και το άζωτο αφθονεί στην ατμόσφαιρα — αποτελεί το 78% κατ' όγκο του ατμοσφαιρικού αέρα — δεν μπορεί να αξιοποιηθεί απευθείας από τους παραγωγούς στη μορφή που βρίσκεται εκεί, δηλαδή ως μοριακό άζωτο (N2).
Για να μπουν τα άτομα αζώτου στις τροφικές αλυσίδες των οικοσυστημάτων, χρειάζεται μια διαδικασία μετατροπής: η αζωτοδέσμευση, η οποία μετατρέπει το ατμοσφαιρικό άζωτο σε μορφές αξιοποιήσιμες από τους παραγωγούς.
Η αζωτοδέσμευση διακρίνεται σε δύο τύπους:
| Τύπος αζωτοδέσμευσης | Πώς γίνεται | Ποσοστό συνολικής αζωτοδέσμευσης |
|---|---|---|
| Ατμοσφαιρική | Το N2 αντιδρά με τους υδρατμούς (→ αμμωνία) ή με το οξυγόνο (→ νιτρικά ιόντα), με ενέργεια από ηλεκτρικές εκκενώσεις (αστραπές, κεραυνοί) | 10% |
| Βιολογική | Ελεύθεροι ή συμβιωτικοί μικροοργανισμοί (αζωτοδεσμευτικά βακτήρια) δεσμεύουν το N2 και το μετατρέπουν σε νιτρικά ιόντα | 90% |
Ατμοσφαιρική αζωτοδέσμευση. Το άζωτο της ατμόσφαιρας αντιδρά είτε με τους υδρατμούς, σχηματίζοντας αμμωνία, είτε με το ατμοσφαιρικό οξυγόνο, σχηματίζοντας νιτρικά ιόντα. Η απαραίτητη ενέργεια για αυτές τις αντιδράσεις προσφέρεται από τις ηλεκτρικές εκκενώσεις κατά τις καταιγίδες. Η αμμωνία και τα νιτρικά ιόντα που παράγονται μεταφέρονται στη συνέχεια με τη βροχή στο έδαφος.
Βιολογική αζωτοδέσμευση. Πραγματοποιείται από ελεύθερους ή συμβιωτικούς μικροοργανισμούς. Τα σημαντικότερα αζωτοδεσμευτικά βακτήρια ζουν συμβιωτικά στις ρίζες των ψυχανθών — φυτών όπως το τριφύλλι, η μπιζελιά, η φασολιά, η φακή και η σόγια — μέσα σε ειδικά εξογκώματα που ονομάζονται φυμάτια. Αυτά τα βακτήρια δεσμεύουν το ατμοσφαιρικό άζωτο και το μετατρέπουν σε νιτρικά ιόντα, τα οποία μπορούν να απορροφηθούν από το ίδιο το φυτό.
Επειδή τα ψυχανθή (φασόλια, φακές, ρεβίθια, σόγια) φιλοξενούν στις ρίζες τους αζωτοδεσμευτικά βακτήρια, έχουν άφθονο διαθέσιμο άζωτο για να συνθέτουν πρωτεΐνες. Αυτός είναι ο λόγος που τα όσπρια αποτελούν εξαιρετική πηγή πρωτεΐνης στη διατροφή — φυτικής προέλευσης, χωρίς να χρειάζεται κρέας.
Αξιοποίηση από τα φυτά. Τα φυτά χρησιμοποιούν τα νιτρικά ιόντα που προσλαμβάνουν από το έδαφος (είτε προήλθαν από ατμοσφαιρική είτε από βιολογική αζωτοδέσμευση) για να συνθέσουν τις δικές τους αζωτούχες ενώσεις — πρωτεΐνες και νουκλεϊκά οξέα. Το άζωτο που περιέχεται σε αυτές τις ουσίες διακινείται στη συνέχεια μέσα από τις τροφικές αλυσίδες προς τις διάφορες τάξεις καταναλωτών, οι οποίοι το χρησιμοποιούν για να παράγουν τις δικές τους πρωτεΐνες.
Επιστροφή στο έδαφος. Τόσο τα φυτά όσο και τα ζώα εγκαταλείπουν στο έδαφος νεκρή οργανική ύλη (καρπούς, φύλλα, νεκρά σώματα, τρίχωμα κτλ.) που περιέχει άζωτο. Τα ζώα επιπλέον αποβάλλουν αζωτούχα προϊόντα του μεταβολισμού τους, όπως η ουρία, το ουρικό οξύ και τα περιττώματα. Όλες αυτές οι ουσίες διασπώνται από τους αποικοδομητές του εδάφους, μέσα από μια διαδικασία που καταλήγει στην παραγωγή αμμωνίας.
Νιτροποίηση. Η αμμωνία που συγκεντρώνεται στο έδαφος υφίσταται τη δράση των νιτροποιητικών βακτηρίων και μετατρέπεται τελικά σε νιτρικά ιόντα, τα οποία παραλαμβάνονται ξανά από τα φυτά. Έτσι κλείνει ένας κύκλος αζώτου στο εσωτερικό του οικοσυστήματος.
Απονιτροποίηση — η επιστροφή στην ατμόσφαιρα. Πώς όμως επανέρχεται στην ατμόσφαιρα το άζωτο που έχει απομακρυνθεί από αυτήν; Αυτή την εργασία αναλαμβάνουν τα απονιτροποιητικά βακτήρια του εδάφους, τα οποία μετατρέπουν τα νιτρικά ιόντα σε μοριακό άζωτο, που επιστρέφει στην ατμόσφαιρα και κλείνει τον μεγάλο κύκλο.
Οι δύο διαδικασίες κάνουν ακριβώς αντίθετα πράγματα και είναι εύκολο να συγχυστούν λόγω των παρόμοιων ονομάτων:
- Νιτροποίηση: αμμωνία → νιτρικά ιόντα (τα φυτά μπορούν πλέον να τα απορροφήσουν)
- Απονιτροποίηση: νιτρικά ιόντα → μοριακό άζωτο (φεύγει από το οικοσύστημα, πίσω στην ατμόσφαιρα)
Η παρέμβαση του ανθρώπου στον κύκλο του αζώτου
Ο άνθρωπος επηρεάζει τον κύκλο του αζώτου εισάγοντας αζωτούχα λιπάσματα στα αγροτικά οικοσυστήματα, με στόχο την αύξηση της παραγωγικότητάς τους. Στο παρελθόν χρησιμοποιούνταν για τον σκοπό αυτό περιττώματα ζώων (κοπριά). Χαρακτηριστικά παραδείγματα: στην Τήνο, με τους γνωστούς περιστεριώνες, χρησιμοποιούσαν τις κουτσουλιές των περιστεριών ως κύριο λίπασμα, ενώ στη Χιλή χρησιμοποιούνταν ευρέως τα περιττώματα ψαροφάγων πουλιών (γκουανό).
Μετά την ανακάλυψη της μεθόδου παραγωγής αζωτούχων λιπασμάτων απευθείας από το ατμοσφαιρικό άζωτο, τα φυσικά οργανικά λιπάσματα αντικαταστάθηκαν σε μεγάλο βαθμό από τα βιομηχανικά, τα οποία μάλιστα χρησιμοποιούνται σε τεράστιες ποσότητες.
Λιγότερο από το ένα τρίτο της ποσότητας λιπάσματος που προστίθεται στο έδαφος προσλαμβάνεται τελικά από τα καλλιεργούμενα φυτά. Το υπόλοιπο παρασύρεται από τη βροχή και καταλήγει στα γλυκά ή στα θαλασσινά νερά, οδηγώντας στο φαινόμενο του ευτροφισμού. Ο ευτροφισμός προκαλείται επίσης από την απόρριψη τεράστιων ποσοτήτων αστικών λυμάτων στα υδάτινα οικοσυστήματα.
Υπάρχουν όμως και πιο οικολογικοί τρόποι εμπλουτισμού του εδάφους σε άζωτο, χωρίς χημικά λιπάσματα:
- Αγρανάπαυση: το να αφήνεται ένα χωράφι χωρίς καλλιέργεια για κάποιο διάστημα, ώστε να «ξεκουραστεί» και να ανανεωθεί το έδαφος.
- Αμειψισπορά: η εναλλαγή στην καλλιέργεια σιτηρών και ψυχανθών στο ίδιο χωράφι, από χρονιά σε χρονιά, ώστε το έδαφος να εμπλουτίζεται με άζωτο (χάρη στα αζωτοδεσμευτικά βακτήρια των ψυχανθών) και να μην εξασθενεί.
2.3.3 Ο κύκλος του νερού 💧
Το νερό καλύπτει το μεγαλύτερο τμήμα της Γης, οριοθετεί τα υδάτινα οικοσυστήματα και καθορίζει τις ιδιότητές τους. Είναι το μέσο με το οποίο τα θρεπτικά συστατικά εισέρχονται και κυκλοφορούν στο εσωτερικό των αυτότροφων οργανισμών. Αποτελεί σημαντικό τμήμα των ζωντανών ιστών — περίπου το 75% του νωπού τους βάρους — και συμβάλλει στη θερμορρύθμιση τόσο των φυτικών όσο και των ζωικών οργανισμών. Χρησιμοποιείται επίσης απευθείας στη φωτοσύνθεση των φυτικών οργανισμών.
Αν και η ποσότητα νερού που υπάρχει στην ατμόσφαιρα δεν είναι μεγάλη, το νερό, χάρη στην κινητικότητά του, κυκλοφορεί συνεχώς μέσω του υδρολογικού κύκλου (ή κύκλου του νερού) και έτσι γίνεται διαθέσιμο σε όλα τα οικοσυστήματα και τους οργανισμούς. Η κυκλοφορία αυτή στηρίζεται κυρίως σε τρεις διαδικασίες: την εξάτμιση, τη διαπνοή των φυτών και τις κατακρημνίσεις.
Εξάτμιση. Με την εξάτμιση, το νερό απομακρύνεται με τη μορφή υδρατμών από οποιαδήποτε επιφάνεια — θάλασσες, λίμνες, ποτάμια, έδαφος. Η εξάτμιση συγκεκριμένα από την επιφάνεια των φύλλων ονομάζεται επιδερμική εξάτμιση και πρέπει να ξεχωρίζει από τη διαπνοή.
Διαπνοή. Η διαπνοή είναι η απομάκρυνση νερού μέσα από τα στόματα, δηλαδή τους πόρους της επιδερμίδας των φύλλων — και διαφέρει από την επιδερμική εξάτμιση επειδή γίνεται μέσω συγκεκριμένων ανοιγμάτων, όχι από όλη την επιφάνεια του φύλλου.
Το νερό του εδάφους, πλούσιο σε θρεπτικά στοιχεία, απορροφάται από τις ρίζες των φυτών και κυκλοφορεί στο εσωτερικό τους. Φτάνοντας στα φύλλα, απομακρύνεται με τη διαπνοή μέσα από τα στόματα — τα ίδια ανοίγματα μέσω των οποίων γίνεται και η ανταλλαγή αερίων μεταξύ φυτού και ατμόσφαιρας: είσοδος CO2 και έξοδος οξυγόνου κατά τη φωτοσύνθεση, αντίστροφα κατά την αναπνοή.
Η διαπνοή δεν είναι απλώς απώλεια νερού· είναι η «κινητήρια δύναμη» που μεταφέρει τα θρεπτικά στοιχεία από τις ρίζες προς όλο το φυτό. Γι' αυτό συνδέεται αναπόσπαστα με τους βιογεωχημικούς κύκλους όλων των στοιχείων που μπαίνουν στις τροφικές αλυσίδες μέσω των φυτών — χωρίς διαπνοή, τα θρεπτικά στοιχεία δεν θα έφταναν στα φύλλα.
Κατακρημνίσεις. Με τις κατακρημνίσεις (βροχή, χιόνι, χαλάζι), το νερό απομακρύνεται από την ατμόσφαιρα και γίνεται διαθέσιμο τόσο στα υδάτινα όσο και στα χερσαία οικοσυστήματα.
Ωκεανοί εναντίον ξηράς: γιατί ο κύκλος είναι πιο σύνθετος στην ξηρά
Η ανταλλαγή νερού μεταξύ ωκεανών και ατμόσφαιρας είναι σχετικά απλός μηχανισμός, αφού περιλαμβάνει μόνο εξάτμιση και κατακρημνίσεις. Αντίθετα, το τμήμα του κύκλου που αφορά την ξηρά είναι πολύ πιο πολύπλοκο, γιατί εκεί οι πιθανές «διαδρομές» του νερού είναι περισσότερες. Το νερό που πέφτει στην ξηρά μπορεί:
- Να εξατμιστεί.
- Να εισχωρήσει στο υπέδαφος και στο σύστημα των υπόγειων υδάτων.
- Να προσληφθεί από τα φυτά και να απομακρυνθεί με τη διαπνοή.
- Να απομακρυνθεί με την επιφανειακή απορροή από το χερσαίο περιβάλλον.
Τα φυτά παίζουν καθοριστικό ρόλο στην απορρόφηση του νερού από το έδαφος.
Σε μικρές λεκάνες απορροής όπου αφαιρέθηκαν όλα τα δέντρα, ο όγκος του επιφανειακού νερού αυξήθηκε πάνω από 200%. Αυτό το νερό κατέληξε απευθείας στη θάλασσα, ενώ αν είχε διεισδύσει στο έδαφος —όπως θα γινόταν με τα δέντρα παρόντα— θα είχε τελικά επιστρέψει στην ατμόσφαιρα μέσω της διαπνοής. Η αποψίλωση δεν διαταράσσει λοιπόν μόνο τον κύκλο του άνθρακα, αλλά και τον κύκλο του νερού.
Τα επιφανειακά ρέοντα ύδατα απομακρύνουν επίσης τα θρεπτικά συστατικά, τα οποία με μακροχρόνιες διαδικασίες είχαν γίνει διαθέσιμα στους οργανισμούς. Αυτά τα συστατικά καταλήγουν τελικά στους υδάτινους αποδέκτες. Γι' αυτόν ακριβώς τον λόγο τα δέλτα των ποταμών — όπου συγκεντρώνονται τα θρεπτικά συστατικά που παρασύρθηκαν από ολόκληρη τη λεκάνη απορροής — εμφανίζουν πολύ υψηλή παραγωγικότητα.
Μην αντιμετωπίζεις τον κύκλο του νερού ως ξεχωριστό, ανεξάρτητο θέμα. Το νερό είναι το μέσο μεταφοράς τόσο για το άζωτο (μεταφορά νιτρικών ιόντων και αμμωνίας με τη βροχή στο έδαφος, παρασυρμένα λιπάσματα προς τα ύδατα) όσο και έμμεσα για τον άνθρακα (η διαπνοή στηρίζει τη λειτουργία των φυτών, που είναι τα «σημεία εισόδου» του άνθρακα στα οικοσυστήματα). Οι τρεις κύκλοι λειτουργούν παράλληλα και αλληλεπιδρούν συνεχώς.