۳-۱-۴ چرخه­های بیوژئوشیمیایی[۱]

زمین سیستمی پویاو تکامل یابنده است به طوری که حرکت و ذخیره مواد بر فرایند­های فیزیکی،شیمیاییو زیست­شناختی آن به شدت تاثیر می­گذارد.کلیه عناصر معدنی که وجود آنها برای ساخته شدن موادآلی ضروری است،به صورت چرخه­ای در اکوسیستم منتقل می­شوند و چندین بار توسط موجودات مختلف مورد استفاده قرار می­گیرند.هنگامی که بقایای گیاهی یا جانوری توسط قارچ­ها و باکتری­ها مورد تجزیه قرار میگیرند،عناصر معدنی موجود در بافت­های آنها را به محیط غیرزنده باز می­گردانند و این مواد آزاد شده در بخش غیرزنده اکوسیستم به صورت ذخیره باقی مانده تا دوباره وارد چرخه گردد.بنابراین عناصر شیمیایی موجود در طبیعت به طور مداوم و با عبور از مسیر­های خاصی از محیط به موجود زنده و بالعکس در گردش می­باشند.این مسیرهای کم وبیش پیوسته یکی از جنبه­های مهم انتقال مواد در درون اکوسیستم­ها بوده و به چرخه­های مواد شیمیایی در موجود زنده و خاک (چرخه­های بیوژئوشیمیایی) معروف­اند.بایستی توجه داشت که جریان مواد در چرخه­های بیوژئوشیمیایی با آن چه که در مورد انرژی زخ می­دهد متفاوت می­باشد زیرا انرژی مصرفی که از یک سطح به سطح دیگر عبور می­کند به تدریج به صورت حرارت مضمحل شده و از دسترس خارج می­گردد به طوری که مجددا قابل استفاده نمی­باشد.این چرخه­ها با فرایندهای زمین شناختی،آب شناختی و زیست شناختی پیوند نزدیک دارند و آنها را می­توان به صورت اجزای مخازن ذخیره و مسیرهایی در بین آنها توصیف کرد.مخازنذخیره چرخه­های بیوژئوشیمیایی عبارتنداز واحدهای بزرگ زمین همچون اتمسفر،رسوبات کف اقیانوس،سنگ و خاک و یا تمامی پوشش گیاهی خشکی­ها(۳و۳۵و۳۷و۳۹).

از کلیه عناصری که در طبیعت وجود دارند حدود ۴۰ عنصر برای موجودات زنده ضروری هستند که می­توان ممهمترین آنها در دو گروه اصلی تقسیم بندی نمود(جدول ۱-۳):

[۱] Biogeochemical Cycles

الف)عناصر پر مصرف[۱]: این عناصر به مقدار زیاد مورد نیاز موجودات زنده­اند که اغلب در ساختار سیتوپلاسم سلول­های زنده نقش اساسی دارند.مهمترین عناصر این گروه عبارتند از کربن،اکسیژن،هیدروژن،نیتروژن، فسفر،گوگرد،پتاسیم،کلسیم و منیزیم( در این میان چهار عنصر اول،بیشتر از سایرین مورد استفاده موجودات زنده هستند).

ب) عناصرکم مصرف[۲]:عناصر این گروه به مقدار بسیار کم مورد نیاز موجودات زنده­اند اما برای ادامه حیات ضروری اند.مهمترین عناصری که در این گروه قرار دارند عبارتند از آهن،مس،روی،بر،مولیبدن و منگنز.

اما علاوه بر اینها برخی عناصر دیگری هم که در طبیعت وجود دارند ممکن است مورد نیاز گیاهان نباشند و یا حتی جنبه زیانبار نیز داشته باشند مانند سلنیوم،آرسنیک،جیوه و یا آلومینیوم که وجود آنها در خاک باعث ایجاد مسمومیت گیاهان می­شود.

برای کلیه عناصری که در طبیعت وجود دارند می­توان یک چرخه بیوژئوشیمیایی متصور شد ولی اگر چه تمامی عناصر این قابلیت را دارند که در بدن موجود زنده ذخیره شوند،اما فقط کربن و اکسیژن و هیدروژن به صورت آب،قسمت اعظم وزن موجودات زنده را تشکیل می­دهند.برای مثال در چوب بیش از ۵۰ درصد،در اغلب مهره داران بیش از۶۶ درصد و در بعضی از بی­مهره­گان دریایی بیش از ۹۰ درصد آب وجود دارد.همچنین سه عنصر فوق­الذکر به عنوان عناصر اصلی در ساختار چربی­ها و هیدرات­های کربن محسوب شده و نقش مهمی را نیز در سلول­های گیاهی و جانوری دارند.

کربن،اکسیژن و هیدروژن به همراه نیتروژن،اساس ساختمان پروتئین­ها هستند.اضافه شدن فسفر به چهار عنصر مذکور مواد پایه­ای بسیار از اسیدهای هسته­ای رامی­سازد که نگهدارنده اطلاعات ژنتیکی سلول­ها هستند.علاوه براین، وجود فسفربرای انتقال انرژی در سلول­ها الزامی است.سایر عناصر پرمصرف به مقدار کمتری مورد استفاده قرار می­گیرند.مثلا کلسیم برای استحکام بخشیدن به دیواره سلولی و گوگرد برای ساخته شددن اسیدهای آمینه گوگردی و شرکت درساختمان پروتئین­ها مورد نیازند.

عناصر کم مصرف نیز اغلب برای حفظ ساختمان سلول نقش اساسی و مهمی برعهده دارند.همچنین در برخی از فرایندهای خاص مثل تثبیت بیولوژیک ازت،مولیبدن به مقدار کافی مورد نیاز است.وجود آهن نیز برای انجام فرایند فتوسنتز و همچنین بیولوژیک ازت ضروری است.علاوه براین،عناصر کم مصرف در ساختمان و فعال سازی آنزیم­ها نقش مهمی دارند.برای مثال آنزین نیترات ردوکتاز که واکنش تبدیل نیترات به آمونیم را تسریع می­کند،به مقدار بسیار کمی مولیبدن نیازمند است تا بتواند فعالیت خود را انجام دهد.

اما اصولا جانوران نسبت به گیاهان به عناصر بیشتری نیاز دارند.عموما سلول­های جانوری توانایی زیادی برای ساختن ترکیبات آلی ندارند وانجام واکنش­های فیزیولوژیکی آنها نیز در گروه وجود ترکیبات غذایی فراوان در قالب مواد پروتئینی،ویتامینی و چربی است و این مواد از ترکیباتی که قبلا توسط گیاهان ساخته شده،تامین می­گردند.موجودات زنده یا به طور مستقیم با خوردن گیاهان یا به صورت غیر مستقیم با خوردن سایر جانوران،آنها را کسب می­کنند.بدین ترتیب ضمن انتقال عناصر از گیاهان به جانوران،در واقع عناصر معدنی از یک سطح غذایی به صورت مواد آلی به سطح دیگرغذایی منتقل می­گردند.

با توجه به مطالب فوق­الذکر مشاهده می­شود که عمل هر اکوسیستم،به چرخه مواد معدنی بستگی کامل دارد.اگر برای عناصر،جریان چرخه­ای و یا بازگشتوجود نداشته باشد،به تدریج منابع موجود پایان یافته و حیات در اکوسیستم­ها از بین خواهد رفت.بنابراین می­توان مسیرهای مهم چرخه عناصر معدنی را در طبیعت دنبال نمود و در ان رابطه مشخص می­شود که هر چرخه بیوژئوشیمیایی از دو قسمت مهم تشکیل شده است:

الف)سرچشمه اصلی که بسیار بزرگ است و در قسمت غیرزنده وجوددارد.

ب)ذخیره تبادلی که نسبت به ذخیره اصلی کوچکتر است ولی بخش فعال است و از طرفی با بخش زنده و از طرف دیگر با بخش غیر زنده در تبادل است.

از زمان شروع تکامل حیات،بیوتای زمین برچرخه­های شیمیایی(به خصوص چرخه­های اکسیژن و کربن)در هوا،آب و خاک اثر عمیقی گذاشته به طوری که این تاثیرات کره مارا دگرگون کرده است و تدوام فرایندهایی که چرخه­ها را در کنترل دارند،برای حفظ دراز مدت حیات در زمین ضروری است.

[۱] Macronutrients (Macroelements)

[۲][۲][۲][۲] Micronutrients (Microelements)

منبع:» خلاصه ای از کتاب اکولوژی تالیف دکتر محمد رضا اردکانی انتشارات دانشگاه تهران چاپ پانزدهم