8つの最も重要な生物地球化学サイクル（説明） - 生物学

生物地球化学的サイクルはパスが異なる栄養素又は有機人間の一部である要素を続い含みます。このトランジットは、生物学的コミュニティ内で、それを構成する生物的および非生物的エンティティの両方で発生します。

栄養素は高分子を構成する構成要素であり、生物がマクロ栄養素と微量栄養素に必要とする量に従って分類されます。

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地球上の生命は約30億年前にさかのぼり、同じ栄養素プールが何度も何度もリサイクルされています。栄養保護区は、大気、石、化石燃料、海などの生態系の非生物的要素にあります。サイクルは、これらの貯水池から、生き物を通って貯水池に戻る栄養素の経路を示しています。

人為的活動-特に工業化と作物-は濃度を変え、それゆえサイクルのバランスを変えたので、人間の影響は栄養素の輸送に気づかれることはありません。これらの障害は、生態学的に重要な結果をもたらします。

次に、地球上で最も優れた微量栄養素と主要栄養素、つまり水、炭素、酸素、リン、硫黄、窒素、カルシウム、ナトリウム、カリウム、硫黄の通過とリサイクルについて説明します。

生物地球化学サイクルとは何ですか？

エネルギーと栄養素の流れ

周期表は111の元素で構成されており、そのうちの20のみが生命に不可欠であり、その生物学的役割のために、それらは生物遺伝学的要素と呼ばれています。このように、有機体はこれらの要素とエネルギーを必要としています。

これらの2つの成分（栄養素とエネルギー）の流れがあり、食物連鎖のすべてのレベルで徐々に移動します。

ただし、2つのフローには決定的な違いがあります。エネルギーは一方向にのみ流れ、無尽蔵に生態系に入ります。栄養素は限られた量で発見され、循環して移動します-生きている有機体に加えて、それは非生物的な源を含みます。これらのサイクルは生物地球化学物質です。

生物地球化学サイクルの一般的なスキーム

生物地球化学という用語は、生命を意味するギリシャのルーツバイオと地球を意味するジオの結合によって形成されます。このため、生物地球化学サイクルは、生態系の生物的要素と非生物的要素の間の、生命の一部であるこれらの要素の軌跡を表します。

これらのサイクルは非常に複雑であるため、生物学者は通常、最も重要な段階について説明します。これらの段階は、次のように要約できます。問題の要素の場所またはリザーバー、生物への侵入-一般に一次生産者、続いてチェーン全体の継続性栄養素、そして最終的には、分解する微生物のおかげで、貯水池の要素の再統合。

このスキームは、言及された各ステージの各要素のルートを記述するために使用されます。本質的に、これらのステップには、各要素とシステムの栄養構造に応じて、適切な変更が必要です。

微生物は重要な役割を果たす

これらのプロセスにおける微生物の役割を強調することは重要です。なぜなら、還元反応と酸化反応のおかげで、栄養素は再び循環に入ることができるからです。

研究と応用

サイクルを研究することは、生態学者にとって挑戦です。これは、周囲が区切られた生態系（たとえば湖など）ですが、それらを取り巻く環境との物質交換の流れが常にあります。つまり、複雑であることに加えて、これらのサイクルは互いに接続されています。

使用される1つの方法論は、研究システムの非生物的および生物的コンポーネントによる放射性同位元素のラベリングおよび元素追跡です。

栄養素のリサイクルがどのように機能し、どのような状態にあるかを調査することは、生態学的関連性のマーカーであり、システムの生産性について教えてくれます。

生物地球化学的サイクルの分類

生物地球化学的サイクルを分類する単一の方法はありません。各著者は、異なる基準に従って適切な分類を提案しています。以下に、使用した3つのクラシファイド広告を示します。

微量栄養素

周期は、動員される要素によって分類できます。多量栄養素とは、有機物、つまり炭素、窒素、酸素、リン、硫黄、水によってかなりの量が使用される元素です。

リン、硫黄、カリウムなど、他の元素は少量でのみ必要です。さらに、微量栄養素は、システム内の移動性がやや低いという特徴があります。

これらの元素は少量で使用されますが、生物にとって依然として重要です。栄養素が不足している場合、それは問題の生態系に生息する生物の成長を制限します。したがって、生息地の生物学的要素は、要素の動きの効率を判断するための優れたマーカーです。

堆積性および大気性

すべての栄養素が同じ量であるか、生物がすぐに利用できるわけではありません。そして、これは-主に-その源または非生物的な貯蔵所が何であるかに依存します。

一部の著者は、要素と貯水池の移動能力に応じて、堆積物と大気の循環という2つのカテゴリに分類しています。

前者では、元素は大気まで移動できず、土壌（リン、カルシウム、カリウム）に蓄積します。後者はガスサイクル（炭素、窒素など）を含みます

大気循環では、元素は対流圏の下層に格納され、生物圏を構成する個人が利用できます。堆積サイクルの場合、その貯水池からの元素の放出には、とりわけ、日射、植物の根、雨などの環境要因の作用が必要です。

特定のケースでは、単一のエコシステムに、完全なサイクルを実行するために必要なすべての要素がない場合があります。これらの場合、隣接する別のエコシステムが不足している要素のプロバイダーであり、複数のリージョンを接続している可能性があります。

ローカルおよびグローバル

使用される3番目の分類は、サイトが調査されるスケールであり、ローカルの生息地またはグローバルに適用できます。

この分類は前の分類と密接に関連しています。大気の埋蔵量を持つ要素は広範囲に分布し、世界的に理解できるためです。一方、元素は堆積物であり、移動能力が限られています。

水循環

水の役割

水は地球上の生命にとって不可欠な要素です。有機物は高い比率の水で構成されています。

この物質は特に安定しており、生体内を適切な温度に保つことができます。さらに、それは生物の内部で莫大な量の化学反応が起こる環境です。

最後に、これはほとんど普遍的な溶媒であり（無極性分子は水に溶解しません）、極性溶媒で無限の溶液を形成できます。

貯水池

論理的には、地球上で最大の貯水池は海洋であり、地球全体のほぼ97％を占め、私たちが住んでいる惑星の4分の3以上をカバーしています。残りの割合は、川、湖、氷で表されます。

水循環のモーター

惑星を通過する生命力のある液体の動きを推進し、水循環を実行できるようにする一連の物理的な力があります。これらの力には、水が液体状態から気体状態に変化することを可能にする太陽エネルギーと、雨、雪、または露の形で水分子を地球に戻す重力が含まれます。

以下の各ステップについてさらに説明します。

（i）蒸発：水の状態の変化は、太陽からのエネルギーによって駆動され、主に海で発生します。

（ii）降水量：水はさまざまな方法（降雪、雨など）で降水量が貯水池に戻り、海、湖、地面、地下堆積物など、さまざまなルートをたどります。

サイクルの海洋コンポーネントでは、蒸発プロセスが降水量を超え、その結果、大気に移動する水の正味の増加がもたらされます。サイクルの終了は、地下ルートを通る水の移動によって発生します。

生き物への水の取り込み

生物の体のかなりの割合が水で構成されています。私たち人間では、この値は約70％です。このため、水循環の一部は生物の内部で発生します。

植物は根を利用して水を吸収しますが、従属栄養生物や活動的な生物は生態系や食物から直接それを摂取することができます。

水循環とは異なり、他の栄養素の循環には、軌道に沿った分子の重要な変更が含まれますが、水は実質的に変化しません（状態の変化のみが発生します）。

人の存在による水循環の変化

水は人類にとって最も価値ある資源の一つです。今日、重要な液体の不足は指数関数的に増加し、世界的な懸念の問題を表しています。大量の水がありますが、淡水に対応するのはごく一部です。

欠点の1つは、灌漑用の水の利用可能性が低下することです。アスファルトとコンクリートの表面が存在すると、水が浸透する可能性のある表面が減少します。

栽培の広範な分野はまた、十分な量の水を維持する根系の減少を表しています。さらに、灌漑システムは大量の水を除去します。

一方、塩水・淡水処理は専門工場で行われている手法です。ただし、処理には費用がかかり、一般的な汚染レベルの増加を意味します。

最後に、汚染された水の消費は発展途上国にとって大きな問題です。

炭素循環

炭素の役割

生命は炭素でできています。この原子は、生物の一部であるすべての有機分子の構造フレームワークです。

炭素は、他の原子との間で一重、二重、三重の共有結合を形成する特性のおかげで、非常に多様で非常に安定した構造の形成を可能にします。

これのおかげで、それはほとんど無限の数の分子を形成することができます。現在、約700万の化合物が知られています。この数の約90％は有機物質であり、その構造基盤は炭素原子です。元素の分子多様性の高さがその豊富さの原因のようです。

貯水池

炭素循環には、陸域、水域、大気などの複数の生態系が関係しています。これら3つの炭素貯留層のうち、最も重要なのは海です。大気は比較的小さいですが、大気も重要な貯水池です。

同様に、生物のすべてのバイオマスは、この栄養素の重要な貯蔵庫です。

光合成と呼吸：中心的なプロセス

水域と陸域の両方で、炭素循環の中心は光合成です。このプロセスは、プロセスに必要な酵素装置を備えた一連の藻類と植物の両方によって実行されます。

つまり、二酸化炭素は二酸化炭素の形で捕獲され、それを光合成の基質として使用すると、炭素が生物に入る。

光合成水生生物の場合、二酸化炭素の取り込みは、大気中よりもはるかに多く見られる、水中の溶存元素の統合によって直接発生します。

光合成の間、環境からの炭素は体の組織に組み込まれます。反対に、細胞呼吸が発生する反応は、反対のプロセスを実行します。つまり、生物から取り込まれた炭素を大気から放出します。

生物への炭素の取り込み

主な消費者または草食動物は生産者を食べ、組織に貯蔵されている炭素を適切に摂取します。この時点で、炭素は2つの経路をとります。炭素はこれらの動物の組織に貯蔵され、別の部分は二酸化炭素の形で呼吸によって大気中に放出されます。

したがって、炭素は問題のコミュニティの食物連鎖全体を通してそのコースを継続します。ある時点で、動物は死に、その体は微生物によって分解されます。したがって、二酸化炭素は大気に戻り、サイクルを続けることができます。

サイクルの代替ルート

すべての生態系で-そしてそこに生息する生物によって-サイクルのリズムは異なります。たとえば、軟体動物や海で生き物となる他の微生物は、水に溶けている二酸化炭素を抽出し、それをカルシウムと結合して炭酸カルシウムと呼ばれる分子を生成する能力を持っています。

この化合物は、生物の殻の一部になります。これらの生物が死んだ後、それらの殻は堆積物に徐々に蓄積し、時間が経つと石灰岩に変化します。

水域が曝される地質学的状況によっては、石灰岩が曝されて溶解し始める可能性があり、その結果二酸化炭素が漏れます。

炭素循環のもう1つの長期的な経路は、化石燃料の生産に関連しています。次のセクションでは、これらのリソースの燃焼がサイクルの通常または自然なコースにどのように影響するかを見ていきます。

人間の存在による炭素循環の変化

人間は何千年もの間、炭素循環の自然な過程に影響を与えてきました。産業や森林破壊など、私たちのすべての活動は、この重要な要素の放出と発生源に影響を与えます。

特に、化石燃料の使用はサイクルに影響を与えています。私たちが燃料を燃焼させると、非アクティブな地質学的貯留層にあった大量の炭素がアクティブな貯留層である大気中に移動します。前世紀以来、炭素放出の増加は劇的でした。

二酸化炭素の大気中への放出は、地球の温度を上昇させ、温室効果ガスとして知られているガスの1つであるため、私たちに直接影響を与える事実です。

窒素循環

窒素の循環。環境保護庁の画像からYanLebrelによって再作成：ウィキメディア・コモンズ経由でhttp://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html

窒素の役割

有機物には、その基本的な高分子の2つであるタンパク質と核酸に窒素が含まれています。

前者は、構造物から輸送まで、さまざまな機能を担当します。後者は遺伝情報を保存し、それをタンパク質に変換する役割を担う分子です。

さらに、それは代謝経路の重要な要素であるいくつかのビタミンの成分です。

貯水池

主な窒素貯蔵量は大気です。この空間では、空気中に存在するガスの78％が窒素ガス（N ₂）であることがわかります_。

これは生物にとって不可欠な要素ですが、植物や動物は、たとえば二酸化炭素で発生するように、このガスを大気から直接抽出することができません。

同化可能な窒素源

このため、窒素は同化可能な分子として提示されなければなりません。つまり、縮小または「固定」された形式であることです。この例は、硝酸塩（NOである₃^-又はアンモニア（NH）₃）

一部の植物（豆類など）と共生関係を確立し、保護と食物と引き換えにこれらの窒素化合物を共有する細菌があります。

他のタイプのバクテリアも、死体や生物学的廃棄物に基質として保存されているアミノ酸や他の窒素化合物を使用してアンモニアを生成します。

窒素固定生物

固定剤には主に2つのグループがあります。一部のバクテリア、藍藻類、放線菌は、窒素ガス分子を取り、それをタンパク質の一部として直接含めることができ、過剰なアンモニアを放出します。このプロセスは、アンモニフィケーションと呼ばれます。

土壌に生息する細菌の別のグループは、アンモニアまたはアンモニウムイオンを亜硝酸塩に取り込むことができます。この2番目のプロセスは硝化と呼ばれます。

非生物学的窒素固定プロセス

暴風雨や火災など、窒素酸化物を生成する可能性のある非生物学的プロセスもあります。これらのイベントでは、窒素が酸素と結合し、同化可能な化合物を生成します。

窒素固定プロセスは遅いことを特徴とし、陸域と水域の両方の生態系の生産性を制限するステップです。

生物への窒素の取り込み

植物が同化可能な形（アンモニアと硝酸塩）の窒素貯留層を見つけたら、それらを次のようなさまざまな生体分子に組み込みます。核酸; ビタミン; 等

硝酸塩が植物細胞に組み込まれると、反応が起こり、還元されてアンモニウム型になります。

窒素分子は、主要な消費者が植物を食べて自分の組織に窒素を取り込むときに循環します。彼らはまた、破片を食べる人や微生物を分解することによって消費することができます。

したがって、窒素は食物連鎖全体を移動します。窒素の大部分は、廃棄物や分解する死体とともに放出されます。

土壌や水域で生命を生み出す細菌は、この窒素を取り込んで同化可能な物質に戻すことができます。

それは閉じたサイクルではありません

この説明の後、窒素循環は閉じられ、永続しているようです。ただし、これは一目でわかります。作物、侵食、火の存在、水の浸透など、窒素の損失を引き起こすさまざまなプロセスがあります。

別の原因は脱窒と呼ばれ、プロセスを導く細菌によって引き起こされます。無酸素環境で検出されると、これらの細菌は硝酸塩を吸収して還元し、ガスとして大気中に放出します。この現象は、排水が効率的でない土壌では一般的です。

人間の存在による窒素循環の変化

人が使用する窒素化合物は、窒素循環を支配します。これらの化合物には、アンモニアと硝酸塩が豊富な合成肥料が含まれます。

この過剰な窒素は、特に植物群落の変質において、化合物の通常の経路に不均衡を引き起こしました。この現象は富栄養化と呼ばれています。このイベントのメッセージの1つは、栄養素の増加が常にプラスであるとは限らないということです。

この事実の最も深刻な結果の1つは、森林、湖、および川のコミュニティの破壊です。十分なバランスが取れていないため、優占種と呼ばれる一部の種は、繁殖して生態系を支配し、多様性を減少させます。

リン循環

リンの役割

生体系では、リンはATPなどの細胞のエネルギー「コイン」と呼ばれる分子や、NADPなどの他のエネルギー伝達分子に存在します。また、DNAとRNAの両方の遺伝分子、および脂質膜を構成する分子にも存在します。

それはまた、骨と歯の両方を含む脊椎動物系統の骨構造に存在するため、構造的な役割も果たします。

貯水池

窒素や炭素とは異なり、リンは大気中の遊離ガスとしては見つかりません。その主な貯留層は岩石であり、リン酸塩と呼ばれる分子の形で酸素にリンクしています。

予想されるように、この排出プロセスは低速です。したがって、リンは自然界ではまれな栄養素と見なされています。

生物へのリンの取り込み

地理的および気候条件が適切な場合、岩は侵食または摩耗の過程を開始します。雨のおかげで、リン酸塩は希釈され始め、植物の根や他の一連の主要生産生物に吸収されます。

この一連の光合成生物は、リンを組織に取り込む責任があります。これらの基礎生物から始まって、リンは栄養レベルを通過し始めます。

チェーンの各リンクでは、リンの一部がそれを構成する個人によって排泄されます。動物が死ぬと、一連の特別な細菌がリンを吸収し、リン酸塩として土壌に戻します。

リン酸塩は2つの経路をたどることができます。独立栄養生物によって再び吸収されるか、堆積物への蓄積を開始して岩石の状態に戻ります。

海洋生態系に存在するリンは、これらの水域の堆積物にも含まれ、その一部は住民に吸収されます。

人間の存在によるリン循環の変化

人間の存在とその農業技術は、窒素循環に影響を与えるのとほぼ同じ方法でリン循環に影響を与えます。肥料の施用は、栄養素の不均衡な増加をもたらし、地域の富栄養化につながり、コミュニティの多様性に不均衡を引き起こします。

過去75年間で、肥料産業によりリン濃度がほぼ4倍に増加したと推定されています。

硫黄サイクル

硫黄の役割

一部のアミノ酸、アミン、NADPH、およびコエンザイムAは、代謝においてさまざまな機能を果たす生体分子です。それらはすべてそれらの構造に硫黄を含んでいます。

貯水池

硫黄の貯水池は、水域（淡水および塩分）、陸域環境、大気、岩石、堆積物など、非常に多様です。主に二酸化硫黄（SO ₂）として見られます_。

生物への硫黄の取り込み

リザーバーから硫酸塩が溶解し始め、食物連鎖の最初のリンクがそれをイオンとして捕獲します。還元反応後、硫黄をタンパク質に組み込む準備が整います。

組み込まれると、その要素は、生物が死ぬまで、食物連鎖を通過し続けることができます。細菌は、死体や廃棄物に閉じ込められている硫黄を放出し、環境に戻す責任があります。

酸素サイクル

酸素サイクル。ウィキメディア・コモンズのエメ・チカーノ

酸素の役割

好気性および通性呼吸を行う生物の場合、酸素はこのプロセスに関与する代謝反応の電子受容体を表します。したがって、エネルギーの獲得を維持することが不可欠です。

貯水池

地球上で最も重要な酸素貯留層は大気によって表されます。この分子の存在は、この領域に酸化特性を与えます。

生物への酸素の取り込み

炭素循環と同様に、細胞呼吸と光合成は、地球上の酸素の軌跡を調整する2つの重要な代謝経路です。

呼吸の過程で、動物は酸素を取り込み、廃棄物として二酸化炭素を生成します。酸素は植物の代謝に由来し、次に植物は二酸化炭素を取り込んで将来の反応の基質として使用することができます。

カルシウムサイクル

貯水池

カルシウムは、堆積物や岩石に埋め込まれたリソスフェアで発見されます。これらの岩石は、カルシウムが豊富な外部構造を持つ海洋動物の化石の産物である可能性があります。それは洞窟でも見られます。

生物へのカルシウムの取り込み

雨やその他の気候現象により、カルシウムを含む石が浸食され、カルシウムが放出されて、生物が食物連鎖の任意の場所でそれらを吸収できるようになります。

この栄養素は生物に組み込まれ、その死滅時に細菌は適切な分解反応を実行して、この元素の放出とサイクルの継続を実現します。

カルシウムが水域に放出された場合、底部に保持され、再び岩の形成が始まります。地下水の移動もカルシウム動員に重要な役割を果たします。

同じ論理が粘土質土壌で見られるカリウムイオンサイクルにも当てはまります。

ナトリウムサイクル

ナトリウムの役割

ナトリウムは、神経インパルスや筋肉収縮など、動物の体内で複数の機能を果たすイオンです。

貯水池

ナトリウムの最大の貯留層は、それがイオンの形で溶解している悪い水に見られます。食塩はナトリウムと塩素の結合によって形成されることを覚えておいてください。

生物へのナトリウムの取り込み

ナトリウムは主に海で生命を作る生物に吸収されます。生物はそれを吸収し、水または食物を通して陸地に運ぶことができます。イオンは、水循環に記述された経路をたどって、水に溶けて移動できます。

参考文献

Berg、JM、Stryer、L。、およびTymoczko、JL（2007）。生化学。私は逆転した。
キャンベル、MK、およびファレル、SO（2011）。生化学。トムソン。ブルックス/コール。
セレッソ・ガルシア、M。（2013）。基礎生物学の基礎。ジャウメ第1大学の出版物。
Devlin、TM（2011）。生化学の教科書。ジョン・ワイリー&サンズ。
Freeman、S.（2017）。生物科学。ピアソン教育。
Galan、R.、&Torronteras、S.（2015）。基礎および健康生物学。エルゼビア
ガマ、M（2007）。生物学：構成主義的アプローチ。（第1巻）。ピアソン教育。
Koolman、J.&Röhm、KH（2005）。生化学：テキストとアトラス。Panamerican Medical Ed。
Macarulla、JM、およびGoñi、FM（1994）。人間の生化学：基本コース。私は逆転した。
モルドバヌ、SC（2005）。合成有機ポリマーの分析熱分解（Vol。25）。エルゼビア。
Moore、JT、&Langley、RH（2010）。ダミーのための生化学。ジョン・ワイリー&サンズ。
ムギオス、V。（2006）。生化学を行使します。人間の運動学。
Müller-Esterl、W.（2008）。生化学。医学と生命科学の基礎。私は逆転した。
ポルトマンズ、JR（2004）。運動生化学の原則。3 ^回目、改訂版。カーガー。
テイホン、JM（2006）。構造生化学の基礎。エディトリアルテバル。
ウルディアレス、BAV、デルピラールグラニージョ、M。、およびドミンゲス、MDSV（2000）。一般生物学：生命システム。Grupo社説Patria。
Vallespí、RMC、Raminez、PC、Santos、SE、Morales、AF、Torralba、MP、およびDel Castillo、DS（2013）。主な化合物。エディトリアルUNED。
Voet、D。、およびVoet、JG（2006）。生化学。Panamerican Medical Ed。

8つの最も重要な生物地球化学サイクル（説明） - 生物学 - 2025