چرخه مواد: سفر بیپایان اتمها در طبیعت
مواد چگونه در طبیعت بازیافت میشوند؟
برخلاف انرژی که از خورشید میآید و پس از مصرف به شکل گرما از بین میرود، ماده در طبیعت نه ایجاد میشود و نه نابود، بلکه فقط شکل و ترکیب شیمیایی آن تغییر میکند. اتمهایی که امروز بخشی از بدن یک درخت بلوط هستند، ممکن است سال آینده در بدن یک سنجاب باشند و قرنها بعد به بخشی از خاک یا هوای اطراف ما تبدیل شوند. این بازیافت مداوم از طریق فرآیندهای زیستی (مثل تنفس و تجزیه)، زمینشناسی (مثل هوازدگی سنگها) و شیمیایی انجام میشود و به آن چرخه زیستزمینشیمیایی[1] میگویند.
تمام موجودات زنده برای رشد و بقا به مواد مغذی خاصی نیاز دارند. این مواد باید دائماً در دسترس باشند. اگر چرخهای وجود نداشت، مواد غذایی به زودی تمام میشدند و زندگی متوقف میشد. مثلاً گیاهان برای ساخت پروتئین به نیتروژن نیاز دارند، اما نمیتوانند مستقیماً از نیتروژن موجود در هوا که 78٪ جو را تشکیل میدهد، استفاده کنند. در اینجا چرخه نیتروژن وارد عمل میشود و با کمک باکتریها و رعد و برق، این گاز را به فرم قابل جذب برای گیاهان تبدیل میکند.
معرفی سه چرخه مهم مواد
سه چرخه اصلی، حرکت مهمترین مواد برای زندگی را تنظیم میکنند: آب، کربن و نیتروژن. این چرخهها به هم پیوسته هستند و بر یکدیگر تأثیر میگذارند. برای مثال، حرکت آب (چرخه آب) باعث شسته شدن مواد مغذی مانند نیتروژن از خاک به رودخانهها و دریاها میشود.
| نام چرخه | عنصر/ترکیب اصلی | اهمیت برای زندگی | مثال ساده از مسیر چرخه |
|---|---|---|---|
| چرخه آب[2] | آب (H2O) | حلال جهانی، تنظیم دمای بدن و زمین، ضروری برای تمام فرآیندهای زیستی | تبخیر از اقیانوس → تشکیل ابر → بارش بر کوهها → جاری شدن رود → بازگشت به اقیانوس |
| چرخه کربن | کربن (C) | اساس تمام مولکولهای آلی (پروتئین، چربی، کربوهیدرات) و سوختهای فسیلی | $CO_2$ هوا → جذب توسط گیاه در فتوسنتز → خورده شدن گیاه توسط جانور → بازدم $CO_2$ → بازگشت به هوا |
| چرخه نیتروژن | نیتروژن (N) | ساخت پروتئین، اسیدهای نوکلئیک (مثل DNA) و کلروفیل | باکتریهای ریشه نخود، نیتروژن هوا را تثبیت میکنند → گیاه آن را به پروتئین تبدیل میکند → حیوان گیاه را میخورد → با مرگ و تجزیه حیوان، نیتروژن به خاک برمیگردد |
در چرخه کربن، گیاهان دیاکسید کربن هوا را میگیرند و طی فتوسنتز به غذای پرانرژی (گلوکز) تبدیل میکنند. این کربن وقتی گیاه توسط جانوری خورده میشود، وارد بدن جانور میشود. هر دوی این موجودات زنده طی فرآیند تنفس سلولی، برای کسب انرژی، غذا را میسوزانند و دوباره دیاکسید کربن به هوا برمیگردانند. این یک تبادل مداوم است: گیاهان دیاکسید کربن میگیرند و اکسیژن پس میدهند و جانوران و دیگر موجودات برعکس. بخشی از کربن نیز برای میلیونها سال در اعماق زمین به شکل سوختهای فسیلی ذخیره میشود که سوزاندن آنها توسط انسان، این کربن ذخیره شده را به سرعت به جو بازمیگرداند و تعادل چرخه را برهم میزند.
چرخه مواد را در حیاط خانه خود ببینید
برای درک ملموس چرخه مواد، کافی است به یک باغچه یا حتی یک گلدان نگاه کنید. برگهای مردهای که از درخت میافتند، توسط موجودات ریز و درشت تجزیهگر مانند کرم خاکی، قارچ و باکتری تجزیه میشوند. این تجزیه، مواد معدنی و آلی موجود در برگ را آزاد کرده و به خاک برمیگرداند. حالا این مواد غذایی دوباره در دسترس ریشه گیاهان قرار میگیرند تا رشد کنند. این یک چرخه محلی و کوچک از مواد است.
آبی که به گیاهان میدهید نیز بخشی از چرخه بزرگتر آب است. این آب ممکن است از چاهی که از آبهای زیرزمینی تغذیه میشود، برداشت شده باشد. آبهای زیرزمینی خود از نفوذ آب باران به داخل خاک تشکیل شدهاند. گیاه بخشی از این آب را از طریق ریشه جذب میکند و بخش زیادی را از راه روزنههای برگ به صورت بخار آب به هوا پس میدهد (تعریق). این بخار آب در هوا سرد میشود و ممکن است دوباره به صورت باران یا شبنم به زمین بازگردد.
حتی فعالیتهای روزمره ما نیز در این چرخهها نقش دارد. وقتی شما نفس میکشید، در واقع در حال شرکت فعال در چرخه کربن هستید. شما اکسیژن هوا را میگیرید و برای آزاد کردن انرژی از غذا، آن را با کربن ترکیب میکنید و دیاکسید کربن ($CO_2$) بازدم میکنید. این دیاکسید کربن دقیقاً همان ماده اولیهای است که گیاه دوباره برای فتوسنتز نیاز دارد. به همین سادگی!
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
[1]چرخه زیستزمینشیمیایی (Biogeochemical Cycle): به حرکت و دگرگونی مواد شیمیایی بین موجودات زنده (زیستشناختی)، سنگکره (زمینشناختی) و هواکره (شیمیایی) گفته میشود.
[2]چرخه آب (Hydrologic Cycle or Water Cycle): مسیر دائمی حرکت آب بر روی زمین، درون زمین و بالای زمین است که توسط انرژی خورشید و نیروی گرانش به حرکت درمیآید.
[3]Nutrient Loading: به معنی ورود بیش از حد مواد مغذی (عمدتاً نیتروژن و فسفر) به یک اکوسیستم آبی است که معمولاً ناشی از رواناب کودهای کشاورزی یا فاضلاب بوده و میتواند باعث برهم خوردن تعادل طبیعی شود.
[4]تجزیهگر (Decomposer): موجوداتی مانند باکتریها، قارچها و برخی جانوران که بقایای مرده گیاهان و جانوران را تجزیه کرده و مواد سادهتر را به محیط بازمیگردانند.
[5]فتوسنتز (Photosynthesis): فرآیندی که در آن گیاهان سبز، جلبکها و برخی باکتریها با استفاده از انرژی نور خورشید، دیاکسید کربن و آب را به مواد قندی (گلوکز) و اکسیژن تبدیل میکنند.
