The Geochemical Cycles: An Overview

إن الحياة على الأرض تتوقف على إمداد مستمر بالعناصر الأساسية التي تنتقل عبر نظم الكوكب في مسارات معقدة مترابطة، تعرف باسم الدورات الكيميائية الأرضية، وتصف هذه الدورات تداول العناصر الكيميائية والمركبات بين الغلاف الجوي والغلاف الجوي (قشر الأرض)، والهيدروسفير (الهيئات المائية)، والغلاف الحيوي (الكائنات الحية)، وتحافظ على استقرار النظم الإيكولوجية من خلال تغيير المغذيات.

"عُلمة الكربون"

إن الكربون هو العمود الفقري للجزئات العضوية، الذي يشكل الأساس الهيكلي لجميع الحياة، وتشمل دورة الكربون حركة ذرات الكربون من خلال مختلف خزانات الأرض، بما في ذلك الغلاف الجوي (مثل ثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون)، والمحيطات (كثاني أكسيد الكربون المذوب والكربون العضوي)، والرواسب والروك (كالمعادن الكربونية والوقود الأحفوري)، والكتلة الأحيائية الحية التي تتراوح بين الظواهر المناخية)

العمليات الرئيسية في دورة الكربون

  • Photosynthesis:] Plants, algae, and cyanobacteria absorb CO2 from the atmosphere (or dissolved in water) and use sunlight to convert it into organic carbon compounds, such as glucose. This process stores carbon in biomass and releases oxygen as a byproduct.
  • Respiration:] All living organisms break down organic molecules through cellular respiration to release energy. This process returns CO2 to the atmosphere (or water) as a waste product. Respiration by plants, animals, and microbes is the main short-term return flow of carbon.
  • Decomposition:] When organisms die, decomposers (bacteria, fungi) break down their tissues, this process releases CO2 through microbial respiration and also returns organic carbon to the soil as humus, where it can remain for decades to century. Decomposition rates are strongly influenced by temperature and moisture.
  • Combustion:] Burning of biomass (forest fires, land clearing) and fossil fuels (coal, oil, natural gas) rapidly oxidizes stored carbon, releasing CO2 and other gases into the atmosphere. Combustion has become a dominant human-driven flux in the carbon cycle.
  • Ocean Exchange:] The oceans absorb CO2 from the atmosphere and release it through solubility and biological processes. Cold water can dissolve more CO2, while warm water releases it. Phytoplankton also fix CO2 through photosynthesis, forming the base of many marine food webs. Ocean acidification occurs when excess CO2 lowering pHll.
  • (أ) العمليات الجيولوجية: على مدى ملايين السنين، تشمل دورة الكربون تكوين صخور الكربون (مثل الحجر الجيري) من خلال تراكم قذائف الكائنات البحرية والهيكلات، ويمكن ختم هذه الصخور وصبغها، ثم التخلص من ثاني أكسيد الكربون عن طريق التفجرات البراكينية، وكذلك تحويل المادة العضوية المدفونة.

الأثر البشري على دورة الكربون

ومنذ منتصف القرن التاسع عشر، غير البشر دورة الكربون تغييراً جذرياً، حيث إن حرق الوقود الأحفوري للطاقة، وإنتاج الأسمنت، وتغيرات استخدام الأراضي (وبخاصة إزالة الغابات) قد أفرزت كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون التي تم عزلها لملايين السنين، ووفقاً لما ذكرته وكالة ناسا، ارتفعت مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي من نحو 280 جزءاً من المليون (الصفر) في الفترة السابقة للدوائر إلى 420.

أهمية دورة الكربون

إن دورة الكربون أساسية للحياة لأنها تنظم توافر الكربون في التوليف العضوي، كما أنها تتحكم في مناخ الأرض من خلال تأثير الدفيئة، وبدون دورة متوازنة للكربون، يكون الكوكب إما بارداً جداً (إذا كان الكربون مغلقاً) أو ساخناً جداً (إذا تراكمت كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون) كما تدعم الدورة خصوبة التربة بالإسهام في المادة العضوية، وتدفع إنتاجية المحيطات.

"سيكل "نيتروجين

وتشكل النيتروجين حوالي 78 في المائة من الغلاف الجوي للأرض، وهو ما يمثل أساساً غاز النيتروجين الديموائي الخام (N2). غير أن معظم الكائنات الحية لا يمكنها أن تستخدم مباشرة " N2 " ، ويجب تحويلها إلى أشكال تفاعلية مثل الأمونيا (NH3) أو النيترات (NO3 -) بحيث تكون متاحة بيولوجياً، وتصف دورة النيتروجين هذا التحول وما يعقب ذلك من حركة النيتروجين من خلال مكونات النظم الإيكولوجية.

العمليات الرئيسية في دورة نيتروجين

  • Nitrogen Fixation:] The conversion of atmospheric N2 into ammonia (NH3) is carried out by certain bacteria and archaea, both free-living (e.g., ] Azotobacter) and symbi
  • Nitrification:] A two-step microbial process in which ammonia (NH3) is first oxidized to nitrite (NO2 -) by bacteria like ]Nitrosomonas[FT:3], and then nitrite is further oxidrate to nit
  • Assimilation:] Plants and other autotrophs absorb nitrate or ammonium from the soil and incorporate the nitrogen into organic molecules such as amino acids and nucleotides. Animals obtain nitrogen by consuming plants or other animals.
  • Ammonification:] When organisms excrete waste or die, decomposers break down organic nitrogen compounds and release ammonia (NH3) or ammonium (NH4+) into the soil, this process recycles nitrogen within ecosystems.
  • Denitrification:] In anaerobic conditions (e.g., waterlogged soils), bacteria such as Pseudomonas convert nitrate (NO3−) back into nitrogen gas (N2) or nitrous oxide (N2).

التأثير البشري على دورة النيتروجين

وتضاعفت الأنشطة البشرية من حجم النيتروجين الرجعي الذي يدخل البيئة العالمية، وتُستخدم عملية هابر - بوش لإنتاج الأسمدة الاصطناعية، وتُصلح نحو 120 مليون طن متري من النيتروجين سنوياً أكثر من التركيب البيولوجي الطبيعي، بالإضافة إلى حرق أكسيد النيتروجين الأحفوري الذي يسهم في التخصيب والأمطار الحمضية.

أهمية دورة نيتروجين

إن دورة النيتروجين ضرورية لخصوبة التربة والإنتاج الغذائي العالمي، وبدون تحديد النيتروجين، ستكون النظم الإيكولوجية محدودة للغاية، غير أن تعطيل هذه الدورة له عواقب بيئية وصحية بشرية جسيمة، بما في ذلك تلوث المياه الجوفية (يرتبط بتلازم المياه الصالحة للشرب) وفقدان التنوع البيولوجي، وتهيئة المناخ عن طريق منظمة N2O. Sustainable management of nitrogen- through precision agriculture, cover crops, anduse environment)

The Phosphorus Cycle

فوسفور هو مغذي حيوي يختلف عن الكربون والنيتروجين بطريقة رئيسية: فهو لا توجد فيه مرحلة كبيرة من الغازات، بل إن دورة الفوسفور هي في الغالب رسوبية، تتنقل عبر الصخور والتربة والمياه والكائنات الحية، وكثيرا ما يكون الفوسفور مكونا من الحمض النووي، والروسات الفسفورية (عملة الطاقة في الخلايا)، والفسفوري الثابت

العمليات الرئيسية في دورة فوسفور

  • Weathering:] Over long timescales, the erosion of rocks containing apatite and other phosphate minerals releases phosphosphorus into soils and waters. This is the primary natural source of phosphorus for ecosystems. Weathering rates depend on climate, rock type, and topography.
  • Absorption and Assimilation:] Plants and other producers absorb dissolved phosphate (PO43−) from soil or water through their roots or cell surfaces. They incorporate phosphosphosphosphosphosphosphorus by consuming plants or prey.
  • Decomposition:] When organisms die or excrete waste, decomposers break down organic phosphorus compounds and mineralize them back into phosphate. This recycling is crucial in soils, where phosphosphorus can be quickly taken up by plants again.
  • Runoff and Erosion:] Exces phosphosphorus not taken up by organisms can be washed away by rain, entering rivers, lakes, and oceans.() This movement often leads to phosphorus accumulation in aquatic sediments, where it can be recycled by bottom-dwelling organisms or buried.
  • Sedimentation and Geological Uplift:] Phosphorus can be deposited in ocean sediments over millions of years, eventually forming new phosphate rocks through compaction and diagenesis. Tectonic up and volcanic activity can bring these rocks back to the surface, restarting the cycle.

التأثير البشري على دورة الفوسفور

وقد أدت الأنشطة البشرية إلى التعجيل بشكل كبير في استخدام الفوسفور، وذلك أساساً من خلال صخور الفوسفات التعدينية للأسمدة والمنظفات، مما أدى إلى مضاعفة مدخلات الفوسفور في النظم الإيكولوجية الأرضية والمائية مقارنة بالمعدلات الطبيعية، كما أن ارتفاع مستوى الفوسفور من الحقول الزراعية والمناطق الحضرية هو السبب الرئيسي في حدوث تذبذب في المياه العذبة.

أهمية دورة الفوسفور

إن دورة الفوسفور أساسية لنمو جميع الكائنات الحية واستنساخها، وهي مغذية تحد من العديد من النظم الإيكولوجية، مما يعني أن التغيرات الصغيرة في توافر الفوسفور يمكن أن تكون لها آثار كبيرة على الإنتاجية، وإدارة الفوسفور السليم أمر حاسم بالنسبة للزراعة المستدامة؛ وقلة غلة المحاصيل، ولكن الكثير من الملوِّثات المائية، وتخفف من استخدام الفوسفور من النفايات العضوية (مثلاً، السائل المغذي).

الترابط بين الدورات الجيوكيميائية

كما أن تغيرات التربة والنيتروجين ودورات الفوسفور لا تعمل في عزلة؛ فهي مترابطة ترابطا عميقا من خلال التفاعلات البيولوجية والكيميائية، فعلى سبيل المثال، يتطلب نمو النباتات إمدادات متوازنة من جميع المغذيات الثلاثة، ويمكن أن يؤدي توافرها إلى الحد من كمية ثاني أكسيد الكربون، وفي المحيطات، فإن نسبة الكربون إلى النيتروجين إلى الفوسفور في القوارض (المعروفة بنسبة 106 إلى 16:1)

خاتمة

إن الدورات الجيوكيميائية للكربون والنيتروجين والفوسفور هي دورات أساسية لعمل نظم الأرض، وهي توفر العناصر الأساسية التي تبني وتغذي الحياة، وتنظم المناخ، وتحافظ على خصوبة التربة ونوعية المياه، غير أن الأنشطة البشرية قد أعاقت كثيرا هذه الدورات، مما أدى إلى تغير المناخ، وتلوث المغذيات، وفقدان التنوع البيولوجي، مع التسليم بأن الطبيعة المترابطة لهذه الدورات تبرز الحاجة إلى اتباع نهج إدارية متكاملة مثل التعميم.