46.3: מחזורים ביוגיאוכימיים

מיומנויות לפיתוח

• דון במחזורים הביוגיאוכימיים של מים, פחמן, חנקן, זרחן וגופרית
• הסבר כיצד פעילויות אנושיות השפיעו על מחזורים אלה ועל ההשלכות האפשריות על כדור הארץ

אנרגיה זורמת בכיוון דרך מערכות אקולוגיות, נכנסת כאור שמש (או מולקולות אנאורגניות לכימואוטוטרופים) ויוצאת כחום במהלך ההעברות הרבות בין רמות טרופיות. עם זאת, העניין המרכיב אורגניזמים חיים נשמר וממוחזר. ששת היסודות הנפוצים ביותר הקשורים למולקולות אורגניות - פחמן, חנקן, מימן, חמצן, זרחן וגופרית - לובשים מגוון צורות כימיות ועשויים להתקיים לתקופות ארוכות באטמוספירה, ביבשה, במים או מתחת לפני כדור הארץ.. תהליכים גיאולוגיים, כגון בליה, שחיקה, ניקוז מים והכנסת הלוחות היבשתיים, כולם ממלאים תפקיד במיחזור חומרים זה. מכיוון שלגיאולוגיה ולכימיה יש תפקידים מרכזיים בחקר תהליך זה, מיחזור של חומר אנאורגני בין אורגניזמים חיים לסביבתם נקרא מחזור ביוגיאוכימי.

מים מכילים מימן וחמצן, החיוניים לכל תהליכי החיים. ההידרוספרה היא האזור של כדור הארץ בו מתרחשת תנועת מים ואגירת מים: כמים נוזליים על פני השטח ומתחת לפני השטח או קפואים (נהרות, אגמים, אוקיינוסים, מי תהום, כיפות קרח קוטביות וקרחונים), וכאדי מים באטמוספירה. פחמן נמצא בכל המקרומולקולות האורגניות ומהווה מרכיב חשוב בדלקים מאובנים. חנקן הוא מרכיב עיקרי בחומצות הגרעין והחלבונים שלנו והוא קריטי לחקלאות האנושית. זרחן, מרכיב עיקרי של חומצת גרעין (יחד עם חנקן), הוא אחד המרכיבים העיקריים בדשנים מלאכותיים המשמשים בחקלאות וההשפעות הסביבתיות הנלוות להם על פני המים העיליים שלנו. גופרית, קריטית לקיפול תלת-ממדי של חלבונים (כמו בקשירת דיסולפיד), משתחררת לאטמוספירה על ידי שריפת דלקים מאובנים, כגון פחם.

רכיבה על אופניים של אלמנטים אלה קשורה זו בזו. לדוגמה, תנועת המים היא קריטית לשטיפת חנקן ופוספט לנהרות, אגמים ואוקיינוסים. יתר על כן, האוקיינוס עצמו הוא מאגר מרכזי לפחמן. לפיכך, חומרים מזינים מינרליים עוברים מחזור, במהירות או באיטיות, דרך הביוספרה כולה, מאורגניזם חי אחד למשנהו, ובין העולם הביוטי והאביוטי.

מחזור המים (הידרולוגי)

מים הם הבסיס לכל תהליכי החיים. גוף האדם הוא יותר מ 1/2 מים ותאים אנושיים הם יותר מ -70 אחוז מים. לפיכך, רוב בעלי החיים היבשתיים זקוקים לאספקת מים מתוקים כדי לשרוד. עם זאת, כאשר בוחנים את מאגרי המים על פני כדור הארץ, 97.5 אחוזים מהם הם מי מלח שאינם ראויים לשתייה (איור \(\PageIndex{1}\)). Of the remaining water, 99 percent is locked underground as water or as ice. Thus, less than 1 percent of fresh water is easily accessible from lakes and rivers. Many living things, such as plants, animals, and fungi, are dependent on the small amount of fresh surface water supply, a lack of which can have massive effects on ecosystem dynamics. Humans, of course, have developed technologies to increase water availability, such as digging wells to harvest groundwater, storing rainwater, and using desalination to obtain drinkable water from the ocean. Although this pursuit of drinkable water has been ongoing throughout human history, the supply of fresh water is still a major issue in modern times.

Figure \(\PageIndex{1}\): Only 2.5 percent of water on Earth is fresh water, and less than 1 percent of fresh water is easily accessible to living things.

Water cycling is extremely important to ecosystem dynamics. Water has a major influence on climate and, thus, on the environments of ecosystems, some located on distant parts of the Earth. Most of the water on Earth is stored for long periods in the oceans, underground, and as ice. Figure \(\PageIndex{2}\) illustrates the average time that an individual water molecule may spend in the Earth’s major water reservoirs. Residence time is a measure of the average time an individual water molecule stays in a particular reservoir. A large amount of the Earth’s water is locked in place in these reservoirs as ice, beneath the ground, and in the ocean, and, thus, is unavailable for short-term cycling (only surface water can evaporate).

Figure \(\PageIndex{2}\): This graph shows the average residence time for water molecules in the Earth’s water reservoirs.

There are various processes that occur during the cycling of water, shown in Figure \(\PageIndex{3}\). These processes include the following:

• evaporation/sublimation
• condensation/precipitation
• subsurface water flow
• surface runoff/snowmelt
• streamflow

The water cycle is driven by the sun’s energy as it warms the oceans and other surface waters. This leads to the evaporation (water to water vapor) of liquid surface water and the sublimation (ice to water vapor) of frozen water, which deposits large amounts of water vapor into the atmosphere. Over time, this water vapor condenses into clouds as liquid or frozen droplets and is eventually followed by precipitation (rain or snow), which returns water to the Earth’s surface. Rain eventually permeates into the ground, where it may evaporate again if it is near the surface, flow beneath the surface, or be stored for long periods. More easily observed is surface runoff: the flow of fresh water either from rain or melting ice. Runoff can then make its way through streams and lakes to the oceans or flow directly to the oceans themselves.

Link to Learning

Head to this website to learn more about the world’s fresh water supply.

Rain and surface runoff are major ways in which minerals, including carbon, nitrogen, phosphorus, and sulfur, are cycled from land to water. The environmental effects of runoff will be discussed later as these cycles are described.

Figure \(\PageIndex{3}\): Water from the land and oceans enters the atmosphere by evaporation or sublimation, where it condenses into clouds and falls as rain or snow. Precipitated water may enter freshwater bodies or infiltrate the soil. The cycle is complete when surface or groundwater reenters the ocean. (credit: modification of work by John M. Evans and Howard Perlman, USGS)

The Carbon Cycle

Carbon is the second most abundant element in living organisms. Carbon is present in all organic molecules, and its role in the structure of macromolecules is of primary importance to living organisms. Carbon compounds contain especially high energy, particularly those derived from fossilized organisms, mainly plants, which humans use as fuel. Since the 1800s, the number of countries using massive amounts of fossil fuels has increased. Since the beginning of the Industrial Revolution, global demand for the Earth’s limited fossil fuel supplies has risen; therefore, the amount of carbon dioxide in our atmosphere has increased. This increase in carbon dioxide has been associated with climate change and other disturbances of the Earth’s ecosystems and is a major environmental concern worldwide. Thus, the “carbon footprint” is based on how much carbon dioxide is produced and how much fossil fuel countries consume.

The carbon cycle is most easily studied as two interconnected sub-cycles: one dealing with rapid carbon exchange among living organisms and the other dealing with the long-term cycling of carbon through geologic processes. The entire carbon cycle is shown in Figure \(\PageIndex{4}\).

Figure \(\PageIndex{4}\): Carbon dioxide gas exists in the atmosphere and is dissolved in water. Photosynthesis converts carbon dioxide gas to organic carbon, and respiration cycles the organic carbon back into carbon dioxide gas. Long-term storage of organic carbon occurs when matter from living organisms is buried deep underground and becomes fossilized. Volcanic activity and, more recently, human emissions, bring this stored carbon back into the carbon cycle. (credit: modification of work by John M. Evans and Howard Perlman, USGS)

Link to Learning

לחץ על קישור זה כדי לקרוא מידע על התוכנית למדעי מחזור הפחמן של ארצות הברית.

מחזור הפחמן הביולוגי

אורגניזמים חיים מחוברים בדרכים רבות, אפילו בין מערכות אקולוגיות. דוגמה טובה לקשר זה היא חילופי פחמן בין אוטוטרופים והטרוטרופים בתוך ובין מערכות אקולוגיות באמצעות פחמן דו חמצני אטמוספרי. פחמן דו חמצני הוא אבן הבניין הבסיסית שרוב האוטוטרופים משתמשים בה לבניית תרכובות מרובות פחמן ואנרגיה גבוהה, כגון גלוקוז. האנרגיה הרתומה מהשמש משמשת אורגניזמים אלה ליצירת הקשרים הקוולנטיים המקשרים אטומי פחמן זה לזה. קשרים כימיים אלה אוגרים בכך אנרגיה זו לשימוש מאוחר יותר בתהליך הנשימה. ^{_{רוב האוטוטרופים היבשתיים משיגים את הפחמן הדו-חמצני שלהם ישירות מהאטמוספירה, בעוד שאוטוטרופים ימיים רוכשים אותו בצורה מומסת (חומצה פחמנית, H 2 CO 3 -).}} עם זאת פחמן דו חמצני נרכש, תוצר לוואי של התהליך הוא חמצן. האורגניזמים הפוטוסינתטיים אחראים להפקדת כ -21 אחוז תכולת חמצן באטמוספירה שאנו צופים בה כיום.

הטרוטרופים ואוטוטרופים הם שותפים בחילופי פחמן ביולוגי (במיוחד הצרכנים העיקריים, בעיקר אוכלי עשב). הטרוטרופים רוכשים את תרכובות הפחמן בעלות האנרגיה הגבוהה מהאוטוטרופים על ידי צריכתם, ופירוקם על ידי נשימה כדי להשיג אנרגיה תאית, כגון ATP. סוג הנשימה היעיל ביותר, נשימה אירובית, דורש חמצן המתקבל מהאטמוספירה או מומס במים. לפיכך, יש חילופי מתמיד של חמצן ופחמן דו חמצני בין האוטוטרופים (הזקוקים לפחמן) לבין ההטרוטרופים (הזקוקים לחמצן). חילופי גזים דרך האטמוספירה והמים היא אחת הדרכים שבהן מחזור הפחמן מחבר את כל האורגניזמים החיים על פני כדור הארץ.

מחזור הפחמן הביוגיאוכימי

תנועת הפחמן דרך היבשה, המים והאוויר מורכבת, ובמקרים רבים היא מתרחשת הרבה יותר לאט מבחינה גיאולוגית מאשר כפי שניתן לראות בין אורגניזמים חיים. פחמן מאוחסן לתקופות ארוכות במה שמכונה מאגרי פחמן, הכוללים את האטמוספירה, גופי מים נוזליים (בעיקר אוקיינוסים), משקעי אוקיינוס, אדמה, משקעים יבשתיים (כולל דלקים מאובנים) ופנים כדור הארץ.

כאמור, האטמוספירה היא מאגר עיקרי של פחמן בצורה של פחמן דו חמצני והיא חיונית לתהליך הפוטוסינתזה. רמת הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה מושפעת מאוד ממאגר הפחמן באוקיינוסים. חילופי הפחמן בין האטמוספירה למאגרי המים משפיעים על כמות הפחמן שנמצא בכל מקום, וכל אחד מהם משפיע על השני באופן הדדי. פחמן דו חמצני (CO ₂) מהאטמוספירה מתמוסס במים ומתחבר עם מולקולות מים ליצירת חומצה פחמנית, ואז הוא מיינן ליוני קרבונט וביקרבונט (איור) \(\PageIndex{5}\)

איור\(\PageIndex{5}\): פחמן דו חמצני מגיב עם מים ליצירת יוני ביקרבונט וקרבונט.

מקדמי שיווי המשקל הם כאלה שיותר מ -90 אחוז מהפחמן באוקיינוס נמצא כיוני ביקרבונט. חלק מהיונים הללו משתלבים עם סידן מי ים ויוצרים סידן פחמתי (CaCO ₃), מרכיב עיקרי בקליפות האורגניזם הימי. אורגניזמים אלה יוצרים בסופו של דבר משקעים על קרקעית האוקיינוס. לאורך זמן גיאולוגי, הסידן פחמתי יוצר אבן גיר, המהווה את מאגר הפחמן הגדול ביותר על פני כדור הארץ.

ביבשה, פחמן מאוחסן באדמה כתוצאה מפירוק אורגניזמים חיים (על ידי מפרקים) או מבליה של סלעים ומינרלים יבשתיים. ניתן לשטוף פחמן זה למאגרי המים על ידי נגר עילי. עמוק יותר מתחת לאדמה, ביבשה ובים, נמצאים דלקים מאובנים: שרידים מפורקים אנאירוביים של צמחים שלוקח מיליוני שנים להיווצר. דלקים מאובנים נחשבים למשאב שאינו מתחדש מכיוון שהשימוש בהם עולה בהרבה על קצב היווצרותם. משאב שאינו מתחדש, כגון דלק מאובנים, מתחדש לאט מאוד או בכלל לא. דרך נוספת לפחמן להיכנס לאטמוספירה היא מהיבשה (כולל אדמה מתחת לפני האוקיאנוס) על ידי התפרצות הרי געש ומערכות גיאותרמיות אחרות. משקעי פחמן מקרקעית האוקיינוס נלקחים עמוק בתוך כדור הארץ בתהליך ההכנעה: תנועת לוח טקטוני אחד מתחת לאחר. פחמן משתחרר כפחמן דו חמצני כאשר הר געש מתפרץ או מפתחי אוורור הידרותרמיים וולקניים.

פחמן דו חמצני מתווסף לאטמוספירה גם על ידי שיטות גידול בעלי החיים של בני אדם. המספר הגדול של חיות היבשה שגדלו כדי להאכיל את האוכלוסייה ההולכת וגדלה של כדור הארץ מביא לעלייה ברמות הפחמן הדו חמצני באטמוספירה עקב שיטות חקלאות והנשימה וייצור המתאן. זוהי דוגמה נוספת לאופן שבו הפעילות האנושית משפיעה בעקיפין על מחזורים ביוגיאוכימיים בצורה משמעותית. למרות שחלק ניכר מהוויכוח על ההשפעות העתידיות של הגדלת הפחמן האטמוספרי על שינויי האקלים מתמקד בדלקים מאובנים, מדענים לוקחים בחשבון תהליכים טבעיים, כמו הרי געש ונשימה, כשהם מדגמים ומנבאים את ההשפעה העתידית של עלייה זו.

מחזור החנקן

הכנסת חנקן לעולם החי קשה. צמחים ופיטופלנקטון אינם מצוידים לשלב חנקן מהאטמוספירה (הקיים כ- N ₂ קוולנטי משולש) למרות שמולקולה זו מהווה כ -78 אחוז מהאטמוספירה. _{חנקן נכנס לעולם החי באמצעות חיידקים חיים חופשיים וסימביוטיים, המשלבים חנקן במקרומולקולות שלהם באמצעות קיבוע חנקן (המרה של N 2).} ציאנובקטריה חיה ברוב המערכות האקולוגיות המימיות בהן קיים אור השמש; הם ממלאים תפקיד מפתח בקיבוע החנקן. ציאנובקטריה מסוגלת להשתמש במקורות אורגניים של חנקן כדי "לתקן" חנקן. חיידקי ריזוביום חיים באופן סימביוטי בגושי השורש של הקטניות (כגון אפונה, שעועית ובוטנים) ומספקים להם את החנקן האורגני הדרוש להם. חיידקים חיים חופשיים, כמו אזוטובקטר, הם גם מקבעי חנקן חשובים.

חנקן אורגני חשוב במיוחד לחקר הדינמיקה של המערכת האקולוגית שכן תהליכים רבים של המערכת האקולוגית, כגון ייצור ראשוני ופירוק, מוגבלים על ידי אספקת החנקן הזמינה. כפי שמוצג באיור\(\PageIndex{6}\), החנקן שנכנס למערכות חיות על ידי קיבוע חנקן הופך ברציפות מחנקן אורגני בחזרה לגז חנקן על ידי חיידקים. תהליך זה מתרחש בשלושה שלבים במערכות יבשתיות: אמוניפיקציה, ניטריפיקציה ודניטריפיקציה. ראשית, תהליך האמוניפיקציה ממיר פסולת חנקנית מבעלי חיים חיים או משרידי בעלי חיים מתים לאמוניום (NH ₄ ⁺) על ידי חיידקים ופטריות מסוימים. שנית, האמוניום הופך לניטריטים (NO ₂ ^-) על ידי חיידקים מחנקים, כגון Nitrosomonas, באמצעות ניטריפיקציה. לאחר מכן, ניטריטים מומרים לחנקות (NO ₃ ^-) על ידי אורגניזמים דומים. שלישית, תהליך הדניטריפיקציה מתרחש, לפיו חיידקים, כמו Pseudomonas ו- Clostridium, ממירים את החנקות לגז חנקן, ומאפשרים לו להיכנס מחדש לאטמוספירה.

איור\(\PageIndex{6}\): חנקן נכנס לעולם החי מהאטמוספירה באמצעות חיידקים מקבעים חנקן. חנקן ופסולת חנקנית זו מבעלי חיים מעובדת לאחר מכן בחזרה לחנקן גזי על ידי חיידקי אדמה, המספקים גם לקורי מזון יבשתיים את החנקן האורגני הדרוש להם. (קרדיט: שינוי עבודות מאת ג'ון מ 'אוונס והווארד פרלמן, USGS)

תרגיל

איזו מהמשפטים הבאים לגבי מחזור החנקן שגויה?

1. ^{אמוניפיקציה ממירה חומר חנקני אורגני מאורגניזמים חיים לאמוניום (NH ₄ +).}
2. _{דניטריפיקציה על ידי חיידקים ממירה חנקות (NO 3 ^-) לגז חנקן (N 2).}
3. ^{ניטריפיקציה על ידי חיידקים ממירה חנקות (NO ₃ -) לניטריטים (NO ₂ -).}
4. חיידקים מקבעים חנקן ממירים גז חנקן (N ₂) לתרכובות אורגניות.

תשובה

^{ג: ניטריפיקציה על ידי חיידקים ממירה חנקות (NO ₃ -) לניטריטים (NO ₂ -).}

פעילות אנושית יכולה לשחרר חנקן לסביבה בשני אמצעים עיקריים: בעירה של דלקים מאובנים, המשחררים תחמוצות חנקן שונות, ועל ידי שימוש בדשנים מלאכותיים בחקלאות, אשר נשטפים לאחר מכן לאגמים, נחלים ונהרות על ידי נגר עילי. חנקן אטמוספרי קשור למספר השפעות על המערכות האקולוגיות של כדור הארץ, כולל ייצור גשם חומצי (כחומצה חנקתית, HNO ₃) וגז חממה (כתחמוצת החנקן, N ₂ O) שעלול לגרום לשינויי אקלים. השפעה עיקרית מנגר דשנים היא אטרופיקציה של מים מלוחים ומים מתוקים, תהליך שבו נגר תזונתי גורם לצמיחה עודפת של מיקרואורגניזמים, לדלדל את רמות החמצן המומס ולהרוג את בעלי החיים של המערכת האקולוגית.

תהליך דומה מתרחש במחזור החנקן הימי, שבו תהליכי האמוניפיקציה, הניטריפיקציה והדניטריפיקציה מבוצעים על ידי חיידקים ימיים. חלק מחנקן זה נופל לקרקעית האוקיינוס כמשקעים, אשר לאחר מכן ניתן להעביר ליבשה בזמן גיאולוגי על ידי התרוממות פני כדור הארץ ובכך לשלב בסלע יבשתי. למרות שתנועת החנקן מסלע ישירות למערכות חיות נתפסה באופן מסורתי כחסרת משמעות בהשוואה לחנקן הקבוע מהאטמוספירה, מחקר שנערך לאחרונה הראה שתהליך זה אכן עשוי להיות משמעותי ויש לכלול אותו בכל מחקר על מחזור החנקן העולמי. ¹

מחזור הזרחן

זרחן הוא חומר מזין חיוני לתהליכי חיים; זהו מרכיב עיקרי של חומצת גרעין ופוספוליפידים, וכסידן פוספט, מהווה את המרכיבים התומכים בעצמותינו. זרחן הוא לעתים קרובות החומר התזונתי המגביל (הכרחי לצמיחה) במערכות אקולוגיות מימיות (איור\(\PageIndex{7}\)).

זרחן מופיע בטבע כיון הפוספט (PO ₄ ³⁻). בנוסף לנגר פוספט כתוצאה מפעילות אנושית, נגר טבעי על פני השטח מתרחש כאשר הוא נשטף מסלע המכיל פוספט על ידי בליה, ובכך שולח פוספטים לנהרות, אגמים ואוקיינוס. מקורו של סלע זה באוקיינוס. משקעי אוקיינוס המכילים פוספט נוצרים בעיקר מגופם של אורגניזמים באוקיינוס ומהפרשותיהם. עם זאת, באזורים מרוחקים, אפר וולקני, אירוסולים ואבק מינרלי עשויים להיות גם מקורות פוספט משמעותיים. משקע זה מועבר אז ליבשה לאורך זמן גיאולוגי על ידי התרוממות אזורים על פני כדור הארץ.

זרחן מוחלף גם באופן הדדי בין פוספט המומס באוקיינוס לבין מערכות אקולוגיות ימיות. תנועת הפוספט מהאוקיאנוס ליבשה ודרך האדמה איטית ביותר, כאשר ליון הפוספט הממוצע הוא בעל זמן מגורים אוקיאני בין 20,000 ל 100,000 שנה.

איור\(\PageIndex{7}\): בטבע, זרחן קיים כיון הפוספט (PO ₄ ³⁻). בליה של סלעים ופעילות וולקנית משחררת פוספט לאדמה, למים ולאוויר, שם הוא הופך לזמין לקורי מזון יבשתיים. פוספט נכנס לאוקיינוסים באמצעות נגר עילי, זרימת מי תהום וזרימת נהר. פוספט מומס במחזורי מי האוקיינוס לתוך קורי מזון ימיים. חלק מהפוספט מארגי המזון הימיים נופל לקרקעית האוקיינוס, שם הוא יוצר משקעים. (קרדיט: שינוי עבודות מאת ג'ון מ 'אוונס והווארד פרלמן, USGS)

עודף זרחן וחנקן הנכנסים למערכות אקולוגיות אלו מנגר דשנים ומביוב גורמים לצמיחה מוגזמת של מיקרואורגניזמים ומדלדל את החמצן המומס, מה שמוביל למוות של בעלי חיים רבים במערכת האקולוגית, כגון רכיכות ודגי סנפיר. תהליך זה אחראי על אזורים מתים באגמים ובפיות נהרות מרכזיים רבים (איור\(\PageIndex{8}\)).

איור\(\PageIndex{8}\): אזורים מתים מתרחשים כאשר זרחן וחנקן מדשנים גורמים לצמיחה מוגזמת של מיקרואורגניזמים, מה שמדלדל חמצן והורג את החי. ברחבי העולם, אזורים מתים גדולים נמצאים באזורי חוף בעלי צפיפות אוכלוסין גבוהה. (אשראי: מצפה כדור הארץ של נאס"א)

אזור מת הוא אזור בתוך מערכת אקולוגית של מים מתוקים או ימיים שבו שטחים גדולים מתרוקנים מהצומח ובעלי החיים הרגילים שלהם; אזורים אלה יכולים להיגרם על ידי אאוטרופיקציה, שפיכות נפט, השלכת כימיקלים רעילים ופעילויות אנושיות אחרות. מספר האזורים המתים גדל כבר כמה שנים, ויותר מ -400 אזורים אלה היו נוכחים החל משנת 2008. אחד האזורים המתים הגרועים ביותר הוא מול חופי ארצות הברית במפרץ מקסיקו, שם נגר דשנים מאגן נהר המיסיסיפי יצר אזור מת של מעל 8463 קילומטרים רבועים. נגר פוספט וחנקה מדשנים משפיע לרעה גם על מספר מערכות אקולוגיות של אגם ומפרץ, כולל מפרץ צ'ספיק במזרח ארצות הברית.

חיבור יומיומי: מפרץ צ'ספיק

איור\(\PageIndex{9}\): תמונת לוויין זו (א) מציגה את מפרץ צ'ספיק, מערכת אקולוגית המושפעת מנגר פוספט וחנקה. א (ב) חבר בחיל ההנדסה הצבאי מחזיק בגוש צדפות המשמש כחלק ממאמץ שיקום הצדפות במפרץ. (אשראי א: שינוי עבודה על ידי נאס"א/MODIS; אשראי ב: שינוי עבודה על ידי צבא ארה"ב)

מפרץ צ'ספיק מוערך זה מכבר כאחד האזורים הנופים ביותר על פני כדור הארץ; הוא נמצא כעת במצוקה ומוכר כמערכת אקולוגית בירידה. בשנות השבעים, מפרץ צ'ספיק היה אחת המערכות האקולוגיות הראשונות שזיהו אזורים מתים, שממשיכים להרוג דגים רבים ומינים השוכנים בתחתית, כגון צדפות, צדפות ותולעים. כמה מינים ירדו במפרץ צ'ספיק עקב נגר מים עיליים המכיל עודפי חומרים מזינים מדשן מלאכותי המשמש ביבשה. מקור הדשנים (עם תכולת חנקן ופוספט גבוהה) אינו מוגבל לפרקטיקות חקלאיות. ישנם אזורים עירוניים רבים בקרבת מקום ויותר מ -150 נהרות ונחלים מתרוקנים למפרץ הנושאים נגר דשנים מדשאות וגנים. לפיכך, שקיעתו של מפרץ צ'ספיק היא נושא מורכב ומחייבת שיתוף פעולה של תעשייה, חקלאות ובעלי בתים יומיומיים.

מעניינת במיוחד את אנשי השימור היא אוכלוסיית הצדפות; ההערכה היא שיותר מ -200,000 דונם של שוניות צדפות היו במפרץ בשנות ה -1700, אך מספר זה ירד כעת ל -36,000 דונם בלבד. קציר צדפות היה בעבר ענף מרכזי במפרץ צ'ספיק, אך הוא ירד ב -88 אחוזים בין 1982 ל -2007. ירידה זו נבעה לא רק מנגר דשנים ואזורים מתים אלא גם מקציר יתר. צדפות דורשות צפיפות אוכלוסייה מינימלית מסוימת מכיוון שהן חייבות להיות בסמיכות כדי להתרבות. הפעילות האנושית שינתה את אוכלוסיית הצדפות ואת מיקומי הצדפות, ושיבשה מאוד את המערכת האקולוגית.

שיקום אוכלוסיית הצדפות במפרץ צ'ספיק נמשך כבר כמה שנים בהצלחה מעורבת. לא רק שאנשים רבים מוצאים צדפות טובות לאכילה, אלא שהם גם מנקים את המפרץ. צדפות הן מזינות פילטר, וכשהן אוכלות, הן מנקות את המים סביבן. בשנות ה -1700 העריכו כי לקח לאוכלוסיית הצדפות מספר ימים בלבד לסנן את כל נפח המפרץ. כיום, עם שינוי תנאי המים, ההערכה היא כי האוכלוסייה הנוכחית ייקח כמעט שנה לעשות את אותה עבודה.

מאמצי השיקום נמשכים כבר מספר שנים על ידי ארגונים ללא מטרות רווח, כגון קרן מפרץ צ'ספיק. מטרת השיקום היא למצוא דרך להגדיל את צפיפות האוכלוסייה כך שהצדפות יוכלו להתרבות ביעילות רבה יותר. זנים רבים עמידים למחלות (שפותחו במכון וירג'יניה למדעי הים עבור מכללת וויליאם ומרי) זמינים כעת ושימשו בבניית שוניות צדפות ניסיוניות. המאמצים לנקות ולשחזר את המפרץ על ידי וירג'יניה ודלאוור נפגעו מכיוון שחלק גדול מהזיהום הנכנס למפרץ מגיע ממדינות אחרות, מה שמדגיש את הצורך בשיתוף פעולה בין מדינות כדי להשיג שיקום מוצלח.

זני הצדפות החדשים והלבביים הולידו גם תעשייה חדשה וכדאית כלכלית - חקלאות צדפות - שלא רק מספקת צדפות למזון ורווח, אלא יש לה גם יתרון נוסף של ניקוי המפרץ.

מחזור הגופרית

גופרית היא מרכיב חיוני למקרומולקולות של יצורים חיים. כחלק מחומצת האמינו ציסטאין, הוא מעורב ביצירת קשרים דיסולפידים בתוך חלבונים, המסייעים לקבוע את דפוסי הקיפול התלת-ממדיים שלהם, ומכאן את תפקידיהם. כפי שמוצג באיור\(\PageIndex{10}\), מחזורי גופרית בין האוקיינוסים, היבשה והאטמוספירה. גופרית אטמוספרית נמצאת בצורה של דו תחמוצת הגופרית (SO ₂) ונכנסת לאטמוספירה בשלוש דרכים: מפירוק מולקולות אורגניות, מפעילות וולקנית ופתחי אוורור גיאותרמיים, ומשריפת דלקים מאובנים על ידי בני אדם.

איור\(\PageIndex{10}\): דו תחמוצת הגופרית מהאטמוספירה הופכת לזמינה למערכות אקולוגיות יבשתיות וימיות כאשר היא מומסת במשקעים כחומצה גופרתית חלשה או כאשר היא נופלת ישירות לכדור הארץ כנפילה. בליה של סלעים גם הופכת סולפטים לזמינים למערכות אקולוגיות יבשתיות. פירוק אורגניזמים חיים מחזיר סולפטים לאוקיאנוס, לאדמה ולאווירה. (קרדיט: שינוי עבודות מאת ג'ון מ 'אוונס והווארד פרלמן, USGS)

ביבשה, גופרית מופקדת בארבע דרכים עיקריות: משקעים, נשירה ישירה מהאטמוספירה, בליית סלעים ופתחי אוורור גיאותרמיים (איור). \(\PageIndex{11}\) גופרית אטמוספרית נמצאת בצורה של דו תחמוצת הגופרית (SO ₂), וככל שגשם יורד באטמוספירה, גופרית מומסת בצורה של חומצה גופרתית חלשה (H ₂ SO ₄). גופרית יכולה גם ליפול ישירות מהאטמוספירה בתהליך הנקרא נשירה. כמו כן, בליה של סלעים המכילים גופרית משחררת גופרית לאדמה. סלעים אלה מקורם במשקעי אוקיינוס המועברים ליבשה על ידי התרוממות גיאולוגית של משקעי אוקיינוס. מערכות אקולוגיות יבשתיות יכולות לעשות שימוש בסולפטים קרקעיים אלה (\(\text{SO}_4^{2-}\)), ועם מותם ופירוקם של אורגניזמים אלה, לשחרר את הגופרית בחזרה לאטמוספירה כגז מימן גופרתי (H ₂ S).

איור\(\PageIndex{11}\): בפתח הגופרית הזה בפארק הלאומי הוולקני לאסן בצפון מזרח קליפורניה, מרבצי הגופרית הצהבהבים נראים ליד פתח האוורור.

גופרית נכנסת לאוקיינוס דרך נגר מהיבשה, מנפילה אטמוספרית ומפתחי אוורור גיאותרמיים מתחת למים. מערכות אקולוגיות מסוימות מסתמכות על כימואוטוטרופים המשתמשים בגופרית כמקור אנרגיה ביולוגי. גופרית זו תומכת אז במערכות אקולוגיות ימיות בצורה של סולפטים.

פעילויות אנושיות מילאו תפקיד מרכזי בשינוי האיזון של מחזור הגופרית העולמי. שריפת כמויות גדולות של דלקים מאובנים, במיוחד מפחם, משחררת כמויות גדולות יותר של גז מימן גופרתי לאטמוספירה. כאשר גשם יורד דרך הגז הזה, הוא יוצר את התופעה המכונה גשם חומצי. גשם חומצי הוא גשם מאכל הנגרם על ידי מי גשמים הנופלים לקרקע דרך גז דו תחמוצת הגופרית, והופכים אותם לחומצה גופרתית חלשה, הגורמת נזק למערכות אקולוגיות מימיות. גשם חומצי פוגע בסביבה הטבעית על ידי הורדת ה- pH של אגמים, ההורג רבים מבעלי החיים התושבים; זה משפיע גם על הסביבה מעשה ידי אדם באמצעות השפלה כימית של מבנים. לדוגמה, אנדרטאות שיש רבות, כמו אנדרטת לינקולן בוושינגטון הבירה, ספגו נזק משמעותי מגשם חומצי לאורך השנים. דוגמאות אלה מראות את ההשפעות הרחבות של פעילויות אנושיות על הסביבה שלנו ואת האתגרים שנותרו לעתידנו.

קישור ללמידה

לחץ על קישור זה למידע נוסף על שינויי אקלים עולמיים.

סיכום

חומרים מזינים מינרליים עוברים במחזוריות דרך מערכות אקולוגיות וסביבתן. חשיבות מיוחדת הם מים, פחמן, חנקן, זרחן וגופרית. לכל המחזורים הללו יש השפעות גדולות על מבנה ותפקוד המערכת האקולוגית. מכיוון שפעילות אנושית גרמה להפרעות גדולות במחזורים אלה, המחקר והדוגמנות שלהם חשובים במיוחד. מגוון פעילויות אנושיות, כגון זיהום, דליפות נפט ואירועים אחרים פגעו במערכות אקולוגיות ועלולות לגרום לשינויי אקלים עולמיים. בריאותו של כדור הארץ תלויה בהבנת המחזורים הללו וכיצד להגן על הסביבה מפני נזק בלתי הפיך.

הערות שוליים

1. 1 סקוט ל 'מורפורד, בנג'מין ז 'הולטון ורנדי א' דהלגרן, "הגדלת אחסון פחמן וחנקן של מערכת אקולוגית ביער מסלע עשיר בחנקן", טבע 477, מס' 7362 (2011): 78—81.

רשימת מילים

גשם חומצי

גשם מאכל הנגרם על ידי מי גשמים הנופלים לקרקע באמצעות גז דו תחמוצת הגופרית, והופכים אותם לחומצה גופרתית חלשה; יכול לפגוע במבנים ובמערכות אקולוגיות

מחזור ביוגיאוכימי

רכיבה על אופניים של חומרים מזינים מינרליים דרך מערכות אקולוגיות ודרך העולם הלא חי

אזור מת

אזור בתוך מערכת אקולוגית באגמים ובסמוך לפיהם של נהרות שבהם אזורים גדולים של מערכות אקולוגיות מתרוקנים מהצומח ובעלי החיים הרגילים שלהם; אזורים אלה יכולים להיגרם כתוצאה מהאוטרופיקציה, שפיכת נפט, השלכת כימיקלים רעילים ופעילויות אנושיות אחרות

האוטרופיקציה

תהליך שבו נגר תזונתי גורם לצמיחה עודפת של מיקרואורגניזמים, לדלדל את רמות החמצן המומס ולהרוג את החי של המערכת האקולוגית

נשורת

הפקדה ישירה של מינרלים מוצקים ביבשה או באוקיינוס מהאטמוספירה

הידרוספרה

אזור כדור הארץ בו מתרחשת תנועת מים ואגירת מים

משאב שאינו מתחדש

משאב, כגון דלק מאובנים, שמתחדש לאט מאוד או בכלל לא

זמן מגורים

מדד הזמן הממוצע שמולקולת מים בודדת נשארת במאגר מסוים

כניעה

תנועה של צלחת טקטונית אחת מתחת לאחרת