Biologiassa ravinnesykli on käsite, joka kuvaa, kuinka ravinteet siirtyvät fyysisestä ympäristöstä eläviin organismeihin ja sitten kierrätetään takaisin fyysiseen ympäristöön. Tämä ravinteiden kiertoliike on välttämätön jokaiselle ekosysteemille, ja sen on oltava tasapainoinen ja vakaa järjestelmän ylläpitämiseksi. Monissa tapauksissa ihmisen toiminnalla on ollut suuri vaikutus näihin prosesseihin, mikä on aiheuttanut haitallisia vaikutuksia. On monia erilaisia ravinnesyklejä, joista jokaisella on omat tiet, mutta ehkä tärkeimmät ovat ne, jotka sisältävät hiiltä, happea, typpeä ja fosforia.
Hiilikierto
Tämä ravinnesykli alkaa fotosynteesillä, prosessilla, jolla kasvit, levät ja jotkut bakteerit käyttävät auringonvalolta saatavaa energiaa yhdistääkseen ilmakehän ja veden hiilidioksidin (CO2) sokereiden, tärkkelyksen, rasvojen, proteiinien ja muiden käyttämien yhdisteiden muodostamiseksi solujen rakentamiseksi tai varastoimiseksi ruoana. Tällä tavalla kasvit poistavat hiiltä ilmakehästä ja varastoivat sen, jolloin se on kasveja syövien kasvissyöjien saatavilla. Kasvinsyöjät käyttävät osan kulutetusta hiilestä solujen rakentamiseen ja korjaamiseen niin, että se varastoituu elimistöön. Loput käytetään energian tuottamiseen: se yhdistetään ilman hapen kanssa hiilidioksidin muodostamiseksi, joka sitten uloshengitetään ja palauttaa hiilen suoraan ilmakehään.
Kasvissyöjän, kuten peuran, kehoon varastoitu hiili voidaan kierrättää, kun eläin kuolee. Vaihtoehtoisesti lihansyöjä, kuten susi, voi tappaa ja syödä eläimen, jolloin kierrätys tapahtuu, kun lihansyöjä kuolee. Kuolleet kasvi- ja eläinperäiset aineet hajottavat muut organismit, kuten sienet ja bakteerit. Tämä prosessi vapauttaa hiiltä hiilidioksidin muodossa takaisin ilmakehään.
Tässä yleisessä prosessissa on useita komplikaatioita. Esimerkiksi kuolleet orgaaniset aineet voidaan joskus haudata sedimentin alle, jolloin hiili ei ole saatavilla eläville organismeille. Tämä haudattu materiaali on muodostanut hiilen ja öljyn talletuksia, joita ihmiset käyttävät nyt fossiilisina polttoaineina. Näiden yhdisteiden palaminen muodostaa hiilidioksidia, joka vapautuu ilmakehään. Tiedemiehet ovat laajalti yksimielisiä siitä, että fossiilisten polttoaineiden polttamisesta johtuva hiilidioksidipitoisuuden nousu muuttaa maapallon ilmastoa maailmanlaajuisesti.
Hiili voidaan myös lukita kiviin, kun hiilidioksidi liukenee veteen. Jotkut meren eliötyypit voivat yhdistää liuennutta hiilidioksidia kalsiumiin rakentaakseen kalsiumkarbonaatista koostuvia kuoria. Kun nämä organismit kuolevat, kuoret kerääntyvät sedimentiksi muodostaen lopulta kalkkikivikiven. Kalkkikivi voi kohota pintaan geologisilla prosesseilla, jolloin hapan vesi voi reagoida sen kanssa vapauttaakseen hiilidioksidin takaisin ilmakehään.
Happikierto
Tämä sykli liittyy läheisesti hiilikiertoon ja alkaa samasta paikasta: fotosynteesistä, joka vapauttaa happea ilmaan. Tämän puolestaan imevät happea hengittävät organismit, jotka yhdistävät sen hiileen ja vapauttavat hiilidioksidia ilmakehään. CO2: ta käytetään sitten fotosynteesissä hapen vapauttamiseksi uudelleen. Muista lähteistä peräisin olevaa hiilidioksidia, kuten kuolleiden orgaanisten aineiden hajoamista ja fossiilisten polttoaineiden polttamista, käytetään myös fotosynteesissä, jolloin syntyy happea.
Typpikierto
Typpi on olennainen osa kaikkia tunnettuja elämänmuotoja, ja sitä tarvitaan aminohappojen, proteiinien ja DNA: n muodostamiseen. Vaikka 78% maapallon ilmakehästä koostuu tästä elementistä, kasvit eivät voi käyttää sitä suoraan tässä muodossa. Kaasun molekyylit koostuvat kahdesta atomista, joita pitää yhdessä erittäin vahva kolmoissidos, mikä vaikeuttaa sen reaktiota muiden alkuaineiden kanssa. Siitä huolimatta typellä on oma ravinnesykli.
On kaksi tapaa, joilla tämä elementti voi tulla elävien organismien saataville. Normaalisti typpimolekyylin atomien välisten sidosten katkaisemiseen tarvitaan paljon energiaa. Tämä energia voi tulla salamasta, mikä saa typen yhdistymään hapen kanssa muodostaen typen oksideja. Ne voivat liueta sadeveteen muodostaen erittäin laimeaa typpihappoa, joka reagoi maaperän mineraalien kanssa muodostaen nitraatteja. Nitraatit liukenevat veteen ja kasvit voivat helposti imeytyä niihin.
Suurin osa elävien organismien typestä tulee prosessista, joka tunnetaan typen kiinnittymisenä. Tähän liittyy maaperän ilmakehän typen muuttaminen ammoniakiksi erityyppisten bakteerien ja joidenkin levien avulla. Yksi tällainen bakteeriryhmä, nimeltään Rhizobium, muodostaa kyhmyjä herneiden ja papujen juuriin. Tästä syystä viljelijät kasvattavat näitä kasveja usein viljelykasveina, kun maaperää on rikastettava tällä elementillä.
Muun tyyppiset bakteerit muuttavat tällä tavoin syntyneen ammoniakin nitraateiksi, jotka kasvit imevät. Toinen prosessi, nimeltään denitrifikaatio, palauttaa typpikaasun ilmakehään. Jälleen tämän suorittavat bakteerit, jotka vähentävät maaperän nitraatteja typpeksi.
Ihmisillä on ollut merkittävä vaikutus typpikiertoon. Koska nitraatit liukenevat hyvin veteen, sade voi poistaa ne nopeasti maaperästä. Jos viljelykasveja viljellään intensiivisesti, menetetyt nitraatit on usein korvattava nitraattilannoitteilla. Nämä yhdisteet valmistetaan teollisesti prosesseilla, joissa ensin yhdistetään ilmakehän typpi vedyn kanssa ammoniakin muodostamiseksi ja sitten se yhdistetään hapen kanssa typpihapon muodostamiseksi, jota käytetään lannoitteiden valmistukseen.
Fosforisykli
Typen tavoin tämäkin aine on olennainen osa DNA: ta. Sitä tarvitaan myös adenosiinitrifosfaatin (ATP), yhdisteen, jota solut käyttävät energiaksi, tuottamiseen. Tärkein luonnollinen fosforin lähde on kivistä. Elementti pääsee veteen ja maaperään fosfaattien muodossa eroosion ja sään vaikutuksesta, ja kasvit ottavat sen omakseen. Sitten se etenee ravintoketjun läpi kasvissyöjien ja lihansyöjien kautta ja palaa maaperään, kun nämä organismit kuolevat.
Fosfaatit voidaan huuhdella maaperästä sadevedellä kertymällä järviin ja jokiin, joissa osa niistä on vesikasvien ja muiden organismien käytössä. Osa fosfaatista käy kuitenkin läpi kemiallisia reaktioita, jotka muodostavat liukenemattomia yhdisteitä, jotka kerääntyvät sedimentteiksi. Nämä muodostavat lopulta kiveä, ja tällä tavalla fosfori voidaan lukita hyvin pitkäksi aikaa – mahdollisesti kymmeniä tai satoja miljoonia vuosia. Lopulta geologiset prosessit voivat kohottaa tämän kiven, jolloin eroosio ja sää voivat palauttaa sen eläviin organismeihin.
Viljellyillä alueilla, kuten typellä, maaperästä kadonnut fosfori on usein korvattava fosfaattilannoitteilla, jotta maatalous voi jatkaa kannattavuutta. Nämä lannoitteet valmistetaan pääasiassa fosfaattikivistä, kuten apatiitista. Eläinten lannan käyttö viljelypelloilla on toinen esimerkki siitä, että ihminen on lisännyt maaperään fosforia. Joissakin tapauksissa ylimääräinen fosfaatti pestään jokiin ja järviin. Täältä se voi kerääntyä sedimentteihin, mutta jotkut voivat jäädä liuenneiksi, mikä johtaa liialliseen levän kasvuun.