Biogeohemijski procesi

Biogeohemijski procesi su procesi od velike važnosti za žive organizme. Za život živih organizama na Zemlji potrebne su određene materije koje ulaze u sastav osnovnih molekula od kojih su organizmi izgrađeni, vršeći funkcije od izuzetne važnosti. Bez tih materija, život na Zemlji ne bi bio moguć. Pored njih, prva i najbitnija karika lanca biogeohemijskih ciklusa jeste energija. Osnovni izvor energije na planeti Zemlji je Sunce. Sunčevo zračenje konstantno dolazi do površine Zemlje donoseći ogromne količine energije. Čak i ako se radi o velikim količinama energije koje pristižu do površine naše planete, bitno je znati da je to samo deo celokupne energije koja se sa Sunca emituje. Deo biva odbijen od oblake još u atmosferi, deo apsorbuju ralzičiti molekuli(ozon, ugljen-dioksid, vodena para..), tako da izuzetno mala količina u odnosu na početnu dospeva do površine Zemlje.

Proticanje energije

Uzimajući u obzir da samo deo Sunčevih zraka dolazi do Zemlje, u procesu proticanja energije govori se isključivo o tim zracima, izostavljajući one odbijne u atmosferi i apsorbovane od strane drugih molekula. Upravo oni koji dospeju po površine planete, oslobađaju energiju i zagrevaju Zemljinu površinu i atmosferu, čime se stvaraju osnovni uslovi za život svih živih bića. Tim zagrevanjem polako se gubi energija koja stalnim izračivanjem u obliku toplote odlazi u vasionu. Na taj način energija Sunčevog zračenja ulazi u ekosisteme, a u obliku toplote ih napušta, što znači da energija protiče kroz ekološke sisteme. Pored energije koju dobijaju spolja, živim bićima je neophodna i unutrašnja energija kako bi ostvarili svoje životne aktivnosti. Unutrašnju energiju dobijaju preko hrane, a u hranu dospeva preko biljaka. Biljke u procesu fotosinteze koriste energiju iz spoljašnje sredine i koriste je za sintezu organskih materija, koje predstavljaju skladište hemijske energije. Sva ostala živa bića(životinje, gljive, mikroorganizmi) mogu opstati samo na račun te hemijske energije. Kod njih se u procesu ćelijskog disanja oslobađa energija hemijskih veza akumulirana u šećerima i drugim ugljenim hidratima. U tom procesu dolazi do raskidanja veza dejstvom kiseonika i oslobađa se energija koja se može koristiti za sve životne aktivnost, a deo energije oslobađa se u vidu toplote koja napušta organizam i odlazi u atmosferu. Proces kruženja energije obuhvata nekoliko faza:

1. Ulazak energije u biocenozu u procesu fotosinteze koristeći energiju Sunčevog zračenja
2. Prenošenje energije sa jednog na sledeći trofički nivo u procesima ishrane
3. Upotreba energije hemijskih veza i oslobađanje dela energije u vidu toplote u procesima ćelijskog disanja koji se odvija na svim nivoima trofičke piramide

Na ovaj način, energija konstantno protiče kroz živu komponentu ekosistema. Druga i treća faza proticanja energije kroz živu komponentu ekosistema ne bi bile ostvarive u slučaju da je količina materije na našoj Zemlji ograničena. Vrlo brzo bi se sve ukupne količine materije istrošile i život svih živih organizama bio bi ugrožen, a zatim i ugašen usled nedostatka potrebnih resursa. Iz tog razloga bilo je od izuzetnog značaja pronaći način da do toga ne dođe. Kao optimalan način ciklusi kruženja zauzeli su prvo mesto. Zahvaljuući upravo tom kruženju, sve potrebne materije konstantno kruže u različitim oblicima i obnavljaju se, tako da je izbegnut njihov nestanak i okončanje života živog sveta na planeti. Najvažniji ciklusi u prirodi jesu:

1. Ciklus azota
2. Ciklus ugljenika
3. Ciklus kiseonika
4. Ciklus vode

Ciklus azota

Azot je hemijski element od izuzetne važnosti za žive organizme. Ulazi u sastav proteina i nukleinskih kiselina. U gasovitom stanju, azot čini znatan deo čitave atmosfere, čak četiri petine. Problem za žive organizme predstavlja nemogućnost upotrebe gasovitog azota, razlog tome jesu prejake veze između dva atoma azota koji grade molekul tog gasa. Iz tog razloga, biljke azot uzimaju iz zemljišta, gde se on nalazi u obliku različitih soli(nitrata, amonijum-jona), prerađuju ga i koriste za sintezu sopstvenih amino-kieselina. Hraneći se biljkama, drugi organizmi unose proteine iz biljaka, kao i njihove aminokiseline, zatim ih koriste za sintezu svojih proteina koji imaju brojne značajne uloge.

Azotofiksacija

Pored toga što eukariotski organizmi nemaju sposobnost usvajanja gasovitog azota, postoje organizmi koji tu sposobnost poseduju i imaju veoma značajnu ulogu u svim ekosistemima. Prokarioti poput cijanoprokariota imaju mogućnost redukcije gasovitog azota koji prelazi u amonijak pomoću vodonika iz redukovanog NAD(nikotinamidadenindinukleotida) u procesu respiracije. Amonijak u obliku amonijum-jona kombinuje se sa organskim kiselinama i daje aminokiseline od kojih su izgrađene neke od najznačajnijih komponenata u živim organizmima. Dakle, ovi organizmi su azotofiksatori, tj.imaju sposobnost raskidanja veza gasovitog dinitrogena(N₂) i usvajaju gasoviti azot iz atmosfere. Sam proces iznačava se kao azotofiksacija.

Pojedini azotofiksatori mogu se naći u plitkim barama i zemljištu. Primer su modrozelene alge(cijanoprokarioti). Končasta zelena alga Anabaena naseljava sve delove Zemlje gde ima dovoljno vlage i svetlosti za njeno preživljavanje. U tropskim i suptropskim predelima azotofiksirajući organizmi vrše azotofiksaciju, a sav usvojeni gasoviti azot nakon njihove smrti i razgradnje ćelija se oslobađa u zemljište. Azot u zemljištu postaje dostupan eukariotskim organizmima, pre svega zelenim biljkama, čime je ukupna organska produkcija u tropskim i suptropskim predelima visoka. Veliku korist od azotofiksatora ima agrikultura.

Postoje azotofiksatori koji su uspostavili simbiontske odnose sa drugim organizmima. Jedna od njih svakako je bakterija Rhizobium koja živi u zemljištu i hrani se saprofitski. Ona može stupiti u vezu sa ćelijama kore korena leguminoza, tj. biljaka iz familije Fabaceae(boranija, grašak...). Bakterija u korenu tih biljaka prouzrokuje promene koje se manifestuju u vidu kvržica i nalaze oko "inficiranih ćelija". U kvržicama se stvaraju veoma povoljni uslovi za rast i razmnožavanje te bakteirje. Zahvaljujući takvim uslovima, bakterije sintetišu enzim nitrogenazu, tj. enzim koji redukuje gasoviti azot u amonijak. Mutualistički odnos ogleda se u tome što bakterija za sintezu ovog enzima, kao i za sve ostale životne procese dobija energiju iz šećera koje sintetiše biljka u čijem korenu se nalazi. Sa druge strane, biljka koristi aminokiseline koje sintetiše bakterija. Na taj način, biljka će biti u mogućnosti da se neometano razvija i raste na podlogama koje su inače siromašne azotom i njegovim jedinjenjima.

Drugi način dolaska azota do zemljišta ne podrazumeva azotofiksaciju niti posredstvo živih organizama. Najveću ulogu u ovom procesu imaju abiotički faktori. Pod dejstvom svetlosne i električne energije munja u atmosferi, dolazi do formiranja amonijaka zbog reakcije vodonika sa azotom. Tako nastao amonijak biva spran kišama i na taj način dolazi do zemljišta.

Azot u zemljištu

Azotova jedinjenja dostupna su eukariotskim biljkama koje ih usvajaju i ugrađuju u njima potrebna jedinjenja i molekule. Jedna od njih svakako su i proteini. Na višem trofičkom novou, organizam koji se tom biljkom hrani, uneće i njene proteine u sebe, razgraditi ih a zatim upotrebiti za sintezu sopstvenih, potrebnih komponenti. Na kraju trofičke piramide nalaze se organizmi nakon čijeg uginuća azot ponovo dospeva u zemljište u neorganskom obliku. Na taj način ciklus biva završen i može početi sledeći. Postoji nekoliko procesa značajnih za sudbinu i deo ciklusa azota koji se odvija u zemljištu, a to su:

1. Amonifikaicja
2. Nitrifikacija
3. Denitrifikacija

Amonifikacija

Tokom bakterijske dekompozicije, azot iz organskih makromolekula kao što su proteini, amino i nukleinske kiseline, u procesu amonifikacije biva pretvoren u amonijak, koji stupa u različite hemijske reakcije sa raznovrsnim solima u zemljištu i na taj način formira amonijumove soli. Ove soli su hidrosolubilne, tj.rastvorljive u vodi pa bivaju veoma brzo raznesene i distribuirane u zemljištu, samim tim dostupne biljkama. Produkti eukariota takođe mogu biti izvor azota, kao što je urea(nalazi se u urinu životinja) koja se u procesu amonifikacije pretvara u amonijak.

Nitrifikacija

Postoje i hemosintetski organizmi koji se mogu naći u zemljištu. Hemosintetske bakterije sposobne su da na račun hemijske energije sintetišu organske materije, prvenstveno šećere. Za hemosintetske procese neophodna su i azotova jedinjenja iz zemljišta. Amonijumove soli kovertuju se u nitrite tokom nitrifikacije, po čemu je ceo proces i dobio ime. Moguća je konverzija amonijumovih soli u nitrite i nitrate. Konverziju u nitrite vrše bakterije kao što je Nitrosomonas, dok je za nitrate odgovorna bakterija Nitrobacter. Nitratni joni jeste forma azota koju biljke najlakše usvajaju iz zemljišta.

Denitrifikacija

Denitrifikacija je proces suprotan nitrifikaciji. Vrše ga denitrifikujuće bakterije u procesu specifične hemosinteze za koju su neophodni anaerobni uslovi. Tokom takve hemosinteze dolazi do redukcije nitrata i amonijumovih soli u gasoviti azot. Brojnost azotofiksatora, nitrifikujućih i denitrifikujućih organizama je u prirodi izbalansiran, tako da se svaki od procesa odvija umereno i nalaze se u ravnoteži. Na taj način proces kruženja azota obavlja se bez većih posledica po život bilo kojih živih organizama.

Za denitrifikujuće bakterije karakteristično je da mogu prouzrokovati veću štetu u agroekosistemima. To je očekivano s obzirom na funkciju ovih bakterija, tj. smanjivanje količine amonijumovih soli u zemljištu koje su potrebne usevima. Rešenje za ovaj problem ogleda se u dreniranju zemljišta čime se smanjuje opasnost od dugotrajnog plavljenja i pojave anaerobnih uslova u kojima su ove bakterije izuzetno aktivne. Sa druge strane, denitrifikujuće bakterije izuzetno su značajne u prečišćavanju otpadnih voda i zagađenog zemljišta.

Prvi azotofiksatori

Poznato je da su cijanobakterije jedne od nekolicine azotofiksirajćih organizama. Takođe, cijanobaktkerije su ujedno i jedne od prvobitno nastalih organizama. U toku hemijske evolucije koja je trajala oko milijardu godina, nastali su prvi živi organizmi koji su imali sposobnost da se hrane, razvijaju i reprodukuju. Takvi organizmi označavali su se kao gimnoplasti jer na svojoj površini nisu imali posebno diferenciran omotač. Hranili su se postojećim organskim materijama koje su nalazili u svojoj okolini, a koje su nastajale abiotičkim putem. Živele su u anaerobnim uslovima, tj. u uslovima bez kiseonika. Dakle, prvobitni organizmi bili su ameboidni, heterotrofni, anaerobni prokarioti. Tokom evoluije dolazi do pojave molekula porfirin-citohorma u nekim od tih organizama što im omogućava sintezu organskih materija koristeći hemijsku energiju iz svoje okoline. Takvi organizmi bili su ameboidni, hemoautotrofni, anaerobni prokarioti. U molekulu porfirin-citohroma u toku dalje evolucije dolazi do zamene gvožđa magnezijumom što im omogućava upotrebu Sunčeve energije za sintezu organiskih materija uz oslobađanje kiseonika. Takvi orgnizmi bili su ameboidni, anaerobni prokarioti ali postaju autotrofni. Procesom fotosinteze i tokom dugog niza godina, u atmosferu se oslobađa kiseonik što dovodi do nastanka aerobnih prokariotskih, ameboidnih i fotoautotrofnih organizama. To su bile prve primitivne modrozelene alge(cijanoprokarioti, cijanobakterije). Od njih zatim nastaju složenije modrozelene alge i direktno ili indirektno druge grupe alge, mahovine i vaskularne biljke.

Kruženje ugljenika

Koliko je ugljenik bitan za žive organizme, govori veoma razvijena grana hemije-organska hemija(hemija ugljenikovog atoma). Nebrojeno jedinjenja koja grade žive organizme kao osnovni molekul sadrže ugljenik. On se u prirodi može naći u nekoliko oblika, a neki od njih su svakako gasoviti ugljen-dioksid(u atmosferi), rastvoreni hidrogenkarbonati(bikarbonati) u vodi i vezani karbonati u stenama litosfere.

U toku života, ugljenikova jedinjenja se ugrađuju u različite delove organizma, kao i različite molekule i druga jedinjenjea. Sva ona su od izuzetnog značaja za životih tih organizama. Biljke vezuju atome ugljenika iz atmosferskog ugljen-dioksida u procesu fotosinteze i na taj način proizvode potrebne organske materije uz oslobađanje kiseonika. Sa druge strane, jedan deo ugljenika iz živih organizama u procesu ćelijskog disanja vezuje se za kiseonik i ponovo formira ugljen-dioksid i vraća se u atmosferu. Ugljenik vezan u jedinjenjima unutar organizma, prenosiće se sa jednog na drugi nivo trofičke piramide, ali kada dođe do uginuća bilo kog od tih organizama, doći će do njihovog razlaganja pri čemu će se ugljenik vezati za kiseonik i formirati ugljen-dioksid i otići u atmosferu gde će opet moći da stupi u proces kruženja ugljenika nakon jednog završenog ciklusa. Veliki značaj u održavanju stanja i količine ugljen-dioksida na Zemlji imaju vodene biljke, kao i kontakt atmosfere i hidrosfere pri kojem su upravo te biljke posrednici. U morima i okeanima vlada uravnoteženi sistem ugljen-dioksida, bikarbonata i karbonata utiče na regulaciju ugljen-dioksida na celoj Zemlji. Ogromne količine rastvorenih bikarbonata rečnim tokovima dolaze do mora i okeana. Aktivnošću zelenih biljaka deo bikarbonata pretvara se u nerastvorljive karbonate koji se talože, a drugi deo u rastvorljivi ugljen-dioksid koji će se, u zavisnosti od svoje trenutne koncentracije, razmeniti sa atmosferom ili ostati rastvoren u vodi. Postoji još jedan moguć oblik ugljenika, a to je metan(CH₄) koji nastaje u toku fermentacije organskih materija u crevima biljojeda ili metaboličkih aktivnosti fermentišućih bakterija. Oslobođeni metan se u atmosferi fotohemijski oksiduje pa ugljenik u njemu opet postaje dostupan za proces kruženja. Ugljenik koji se taloži u živim bićima(kosti, ljušture, odrvenela stabla) ne može stići da se konvertuje u ugljen-dioksid, već se taloži u obliku različitih karbonatnih stena ili fosilizuje u obliku uglja, nafte, tj. gasa. Iz tog razloga, takav fosilizovan ili nataloženi ugljeik privremeno se isključuje iz procesa kruženja. Uključuje se sa izvesnim kašnjenjem u procesu sagorevanja fosilnih goriva ili rastvaranja karbonatnih stena koje dolaze u kontakt sa vodom.

Kruženje kiseonika

Prvi fotosintetski organizmi koji su živeli u anaerobnim uslovima doveli su do stvaranja sve veće količine kiseonika u atmosferi i pojave aerobnih organizama i aerobnih uslova na Zemlji. Život bez kiseonika danas je nezamisliv. Jedan deo kiseonika koji biva oslobođen od strane biljaka u toku evolucije odlazi u najviše slojeve atmosfere gde dovodi do formiranja zaštitnog ozonskog omotača. Drugi deo tog kiseonika zadržava se u nižim slojevima, te ga koriste sav živa bića u procesu ćelijskog disanja. U tom procesu dolazi do raskidanja veza između atoma u molekulima šećera pod dejstvom kiseonika pri čemu se vezuje ugljenik formirajući ugljen-dioksid koji napušta organizam i odlazi u atmosferu. Na primeru fotosinteze i ćelijskog disanja uočava se da su procesi kruženja kiseonika i ugljenika međusobno tesno povezani i neodvojivi, te da se konstantno odvijaju u svim ekosistemima.

Kruženje vode

Život je nastao u vodi, pa je voda osnov svih oblika života na Zemlji. Molekuli vode neprekidno kruže između hidrosfere, atmosfere, litosfere i biosfere. Jedna od usputnih stanica na putu kruženja vode svakako su i tela živih bića. Poznato je da voda sačinjava čak 70% našeg organizma. Deo vode sa površine zemlje ulazi u sastav živih bića, a isparavanjem i izlučivanjem ih napušta. Postoje i drugi mogući načini na koje voda može sa površine zemlje dospeti u atmosferu. Pored isparavanja moguća je i transpiracija koju vrše biljke. Voda iz atmosfere može opet dospeti na kopno putem kiše, snega i ostalih oblika u kojima se može češće ili ređe sresti.

Literatura

• Cvetković D., Lakušić D., Matić G., Korać A., Jovanović S. (2011) Biologija za četvrti razred gimnazije prirodno-matematičkog smera, 210-216
• Cvijan M.(2013) Algologija, 5-7