Bioloģijā barības vielu cikls ir jēdziens, kas apraksta, kā barības vielas no fiziskās vides pārvietojas dzīvos organismos un pēc tam tiek pārstrādātas atpakaļ fiziskajā vidē. Šī apļveida barības vielu kustība ir būtiska jebkurai konkrētai ekosistēmai, un tai ir jābūt līdzsvarotai un stabilai, lai sistēma tiktu uzturēta. Daudzos gadījumos cilvēka darbība ir būtiski ietekmējusi šos procesus, kā rezultātā radusies nelabvēlīga ietekme. Ir daudz dažādu barības vielu ciklu, katram no kuriem ir savi īpašie ceļi, bet, iespējams, vissvarīgākie ir tie, kas ietver elementus oglekli, skābekli, slāpekli un fosforu.
Oglekļa cikls
Šis barības vielu cikls sākas ar fotosintēzi, procesu, kurā augi, aļģes un dažas baktērijas izmanto saules gaismas enerģiju, lai apvienotu oglekļa dioksīdu (CO2) no atmosfēras un ūdens, veidojot cukurus, cieti, taukus, olbaltumvielas un citus savienojumus, ko tie izmanto. veidot šūnas vai uzglabāt kā pārtiku. Tādā veidā augi izņem no atmosfēras oglekli un uzglabā to, padarot to pieejamu zālēdājiem, kas ēd augus. Zālēdāji izmanto daļu no oglekļa, ko viņi patērē, lai izveidotu un labotu šūnas, lai tas tiktu uzglabāts viņu ķermenī. Pārējais tiek izmantots enerģijas nodrošināšanai: tas tiek apvienots ar skābekli no gaisa, veidojot CO2, kas pēc tam tiek izelpots, atgriežot oglekli tieši atmosfērā.
Zālēdāja, piemēram, brieža, ķermenī uzkrāto oglekli var pārstrādāt, kad dzīvnieks nomirst. Alternatīvi, dzīvnieku var nogalināt un apēst plēsējs, piemēram, vilks, un tādā gadījumā pārstrāde notiks, kad plēsējs nomirst. Atmirušās augu un dzīvnieku vielas sadala citi organismi, piemēram, sēnītes un baktērijas. Šis process atbrīvo oglekli oglekļa dioksīda veidā atpakaļ atmosfērā.
Šajā vispārējā procesā ir vairākas komplikācijas. Piemēram, mirušās organiskās vielas dažreiz var tikt apraktas zem nogulumiem, padarot oglekli nepieejamu dzīviem organismiem. Šis apraktais materiāls ir veidojis ogļu un naftas atradnes, kuras cilvēki tagad izmanto kā fosilo kurināmo. Šo savienojumu sadegšanas rezultātā veidojas oglekļa dioksīds, kas tiek izvadīts atmosfērā. Zinātnieku vidū valda plaša vienprātība, ka pieaugošais CO2 līmenis, ko izraisa fosilā kurināmā sadedzināšana, maina Zemes klimatu globālā mērogā.
Ogleklis var tikt bloķēts arī akmeņos, kad oglekļa dioksīds izšķīst ūdenī. Daži jūras organismu veidi var apvienot izšķīdušo oglekļa dioksīdu ar kalciju, lai izveidotu čaulas, kas sastāv no kalcija karbonāta. Kad šie organismi mirst, čaumalas uzkrājas kā nogulsnes, galu galā veidojot kaļķakmens iezi. Plašos laika posmos kaļķakmens var tikt pacelts uz virsmas ģeoloģisku procesu rezultātā, kur skābais ūdens var ar to reaģēt, izdalot CO2 atpakaļ atmosfērā.
Skābekļa cikls
Šis cikls ir cieši saistīts ar oglekļa ciklu un sākas tajā pašā vietā: fotosintēze, kas atbrīvo skābekli gaisā. To savukārt absorbē skābekli elpojoši organismi, kas to savieno ar oglekli un izdala atmosfērā oglekļa dioksīdu. Pēc tam CO2 tiek izmantots fotosintēzē, lai atkal atbrīvotu skābekli. Oglekļa dioksīds no citiem avotiem, piemēram, atmirušo organisko materiālu sadalīšanās un fosilā kurināmā sadedzināšanas, tiek izmantots arī fotosintēzē, ražojot skābekli.
Slāpekļa cikls
Slāpeklis ir būtisks elements visām zināmajām dzīvības formām, un tas ir nepieciešams, lai veidotu aminoskābes, olbaltumvielas un DNS. Lai gan 78% Zemes atmosfēras sastāv no šī elementa, augi to nevar tieši izmantot šādā formā. Gāzes molekulas sastāv no diviem atomiem, ko satur ļoti spēcīga trīskāršā saite, kas ļoti apgrūtina tās reakciju ar citiem elementiem. Tomēr slāpeklim ir savs barības vielu cikls.
Ir divi galvenie veidi, kā šis elements var kļūt pieejams dzīviem organismiem. Parasti ir nepieciešams daudz enerģijas, lai pārtrauktu saites starp slāpekļa molekulas atomiem. Šo enerģiju var iegūt no zibens, kas izraisa slāpekļa savienošanos ar skābekli, veidojot slāpekļa oksīdus. Tie var izšķīst lietus ūdenī, veidojot ļoti atšķaidītu slāpekļskābi, kas reaģē ar minerālvielām augsnē, veidojot nitrātus. Nitrāti šķīst ūdenī, un augi tos var viegli absorbēt.
Lielākā daļa dzīvajos organismos esošā slāpekļa nāk no procesa, kas pazīstams kā slāpekļa fiksācija. Tas ietver atmosfēras slāpekļa pārvēršanu augsnē par amonjaku, ko veic dažāda veida baktērijas un dažas aļģes. Viena no šādām baktēriju grupām, ko sauc par Rhizobium, veido mezgliņus zirņu un pupiņu saknēs. Šī iemesla dēļ zemnieki šos augus bieži audzē kā kultūraugus, kad augsne ir jābagātina ar šo elementu.
Šādi iegūto amonjaku pēc tam cita veida baktērijas pārvērš nitrātos, kurus uzsūc augi. Cits process, ko sauc par denitrifikāciju, atdod atmosfērā slāpekļa gāzi. Atkal, to veic baktērijas, kas samazina nitrātus augsnē līdz slāpeklim.
Cilvēkiem ir bijusi ievērojama ietekme uz slāpekļa ciklu. Tā kā nitrāti ļoti labi šķīst ūdenī, lietus tos var ātri izvadīt no augsnes. Ja kultūraugus audzē intensīvi, zaudētos nitrātus bieži nākas aizstāt ar nitrātu mēslojumu. Šos savienojumus rūpnieciski ražo procesos, kas vispirms apvieno atmosfēras slāpekli ar ūdeņradi, veidojot amonjaku, pēc tam apvieno to ar skābekli, veidojot slāpekļskābi, ko izmanto mēslošanas līdzekļu ražošanā.
Fosfora cikls
Tāpat kā slāpeklis, šis elements ir būtiska DNS sastāvdaļa. Tas ir nepieciešams arī adenozīna trifosfāta (ATP) ražošanai, savienojumam, ko šūnas izmanto enerģijas iegūšanai. Galvenais dabiskais fosfora avots ir akmeņi. Elements nokļūst ūdenī un augsnē fosfātu veidā erozijas un laikapstākļu ietekmē, un to uzņem augi. Pēc tam tas virzās pa barības ķēdi caur zālēdājiem un plēsējiem, atgriežoties augsnē, kad šie organismi mirst.
Fosfātus no augsnes var izskalot lietus ūdens, uzkrājoties ezeros un upēs, kur daļu no tiem izmanto ūdensaugi un citi organismi. Tomēr daži no fosfātiem tiek pakļauti ķīmiskām reakcijām, kas veido nešķīstošus savienojumus, kas tiek nogulsnēti kā nogulsnes. Tie galu galā veido akmeņus, un šādā veidā fosfors var tikt bloķēts ļoti ilgu laiku – iespējams, desmitiem vai simtiem miljonu gadu. Galu galā ģeoloģiskie procesi var pacelt šo iezi, ļaujot erozijai un laikapstākļiem to atgriezt dzīviem organismiem.
Kultivētās platībās, tāpat kā ar slāpekli, no augsnes zaudētais fosfors bieži ir jāaizstāj ar fosfātu mēslojumu, lai lauksaimniecība arī turpmāk būtu rentabla. Šos mēslošanas līdzekļus galvenokārt ražo no fosfāta iežiem, piemēram, apatīta. Kūtsmēslu izmantošana labības laukos ir vēl viens piemērs tam, kā cilvēks augsnē pievieno fosforu. Dažos gadījumos fosfāta pārpalikums tiek izskalots upēs un ezeros. No šejienes tas var nogulsnēties nogulumos, bet daži var palikt izšķīduši, izraisot pārmērīgu aļģu augšanu.