- Chọn lọc tự nhiờn của mụi trường tạo ra điều kiện cho sự phỏt triển chiếm ưu thế của cỏ
3.6. Chu trỡnh tuần hoàn sinh địa hoỏ
Như đó biết, dũng năng lượng đi qua hệ sinh thỏi chỉ theo một chiều, khụng hoàn nguyờn. Ngược lại, vật chất tham gia tạo thành cỏc cơ thể sống luụn vận động, biến đổi trong nhiều chu trỡnh từ cỏc cơ thể sống vào mụi trường vật lý khụng sống và ngược lại. Chu trỡnh này được gọi là chu trỡnh sinh địa hoỏ (hỡnh 15).
Hỡnh 15. Chu trỡnh sinh địa hoỏ
Như vậy, chu trỡnh sinh địa hoỏ là chu trỡnh vận động cú tớnh chất tuần hoàn của vật chất trong sinh quyển từ mụi rường bờn ngoài chuyển vào trong cơ thể sinh vật, rồi từ cơ thể sinh vật lại chuyển trở lại mụi trường. Vật chất đều được bảo toàn.
Trong số 109 nguyờn tố của bảng tuần hoàn Mendeleep, người ta đó phỏt hiện thấy hơn 70 nguyờn tố hoỏ học cú trong thực vật. Tuy nhiờn, bằng những phương phỏp thực nghiệm cho thấy, cú khoảng 20 nguyờn tố được xếp vào loại rất cần và 12 nguyờn tố cần thiết nhưng cú điều kiện cho cơ thể sống. Một số nguyờn tố tồn tại ở một lượng lớn trong mụi trường và cơ thể sinh vật cũng đũi hỏi một lượng lớn được gọi là những nguyờn tố đa lượng (C; H; O; N.P.K,...); ở lượng vừa phải gọi là trung lượng (Ca; Mg; S,...); ở lượng nhỏ đến rất nhỏ gọi là vi lượng (Cu, Zn, Mn, Co, Mo,...). Cú thể phõn biệt hai loại chu trỡnh sinh địa hoỏ:
- Chu trỡnh diễn biến nhanh: Chu trỡnh của cỏc nguyờn tố như cacbon, nitơ,... cú giai đoạn ở dạng khớ chiếm ưu thế trong chu trỡnh; khớ quyển là nơi tồn trữ chớnh của nguyờn tố, từ cơ thể sinh vật chỳng trở lại mụi trường tương đối nhanh
- Chu trỡnh diễn biến qua lắng đọng: Chu trỡnh của những chất cú lắng đọng lại ở một khõu nào đú trong quỏ trỡnh vận chuyển. Chỳng lắng đọng trong cỏc hệ sinh thỏi
khỏc nhau trong sinh quyển. Chỳng chỉ cú thể vận chuyển lại được dưới tỏc động của những hiện tượng xảy ra trong tự nhiờn (như xúi mũn) hoặc dưới tỏc động của con người. Dưới đõy là vớ dụ về một số chu trỡnh sinh địa hoỏ:
a. Chu trỡnh nước:
Nước tồn tại trờn Trỏi Đất ở ba dạng: Rắn, lỏng và hơi tuỳ thuộc vào nhiệt độ của bề mặt Trỏi Đất. Nước chủ yếu chứa ở cỏc biển và đại dương (97,6%) dưới dạng lỏng, khoảng 2,1% ở dạng rắn (băng). Nước sụng hồ rất ớt. Nước là dung mụi hoà tan cỏc chất và là nơi sinh sống của cỏc sinh vật ở nước. Nước vận chuyển trong cỏc quyển, hoà tan và mang theo nhiều cỏc chất dinh dưỡng khoỏng và một số chất khỏc rất cần thiết cho đời sống động và thực vật. Nước từ bề mặt đất, ao, hồ, đại dương nhờ năng lượng Mặt Trời bốc hơi vào khớ quyển, ở đú hơi nước ngưng tụ rồi rơi xuống bề mặt Trỏi Đất qua giỏng thuỷ. Nước chu chuyển trờn phạm vi Toàn cầu, tạo nờn cỏc cõn bằng nước và tham gia vào sự điều hoà khớ hậu hành tinh và phục vụ đời sống muụn loài.
b. Chu trỡnh cacbon:
Prụtờin, cacbon hydrat và nhiều phõn tử chứa cacbon khỏc rất cần thiết cho cơ thể sống. Cacbon chứa ở dạng khớ CO2 hoà tan như cacbonat (CO32-) và bicacbonat (HCO3-) và trong đỏ vụi (bảng 10). Thực vật hấp thụ CO2 trong quỏ trỡnh quang hợp và chuyển hoỏ
thành những hợp chất hữu cơ trong sinh vật sản xuất (đường, lipit, Prụtờin,...). Cỏc hợp chất này thường được sử dụng làm nhiờn liệu hụ hấp tế bào bởi sinh vật tiờu thụ khi ăn sinh vật sản xuất, hoặc bẻ gẫy cỏc đại phõn tử bởi sinh vật phõn huỷ qua cỏc quỏ trỡnh phõn huỷ hoặc khoỏng hoỏ, tạo thành chuỗi thức ăn, cuối cựng cacbon lại trở lại khớ quyển và một lần nữa đi vào chu trỡnh dưới dạng CO2 (hỡnh 17).
Hỡnh 17. Chu trỡnh cỏc bon Toàn cầu (đơn vị: 1020g)
Đụi khi cacbon trong cỏc phõn tử hữu cơ khụng trở lại khớ quyển trong một thời gian nào đú. Vớ dụ, cacbon tồn trữ trong gỗ cú thể tới hàng trăm năm, hoặc trong những nhiờn liệu hoỏ thạch (dầu, than đỏ, khớ tự nhiờn,...).
Bảng 10. Cacbon trong sinh quyển (tỷ tấn)
- Atmotphe - Nước đại dương - Trong trầm tớch - Cơ thể sinh vật - Nhiờn liệu hoỏ thạch
+ Tổng cacbon hữu cơ + Tổng cacbon vụ cơ 692 35.000 > 10.000.000 3.432 (đang sống 529 và chết 2840) > 5.000 8.432 10.035.692 c. Chu trỡnh nitơ.
Nitơ là một nguyờn tố quan trọng trong quỏ trỡnh trao đổi chất của hệ sinh thỏi, là một trong cỏc thành phần cấu trỳc khụng thể thiếu được của cỏc axit amin, ezym, hoocmụn và axit nuclờic lưu giữ thụng tin di truyền của cơ thể. Khụng khớ chứa 80% nitơ ở dạng khớ (N2). Phõn tử này rất bền vững, thực vật khụng thể hấp thu được. Để phỏ vỡ N2 và cho kết hợp với nguyờn tố khỏc như O2 và H2 cần lượng nhiệt rất lớn. Trong cỏc trận mưa giụng cựng với sấm chớp, cỏc nitơ ụxit được tổng hợp từ N2 và O3
của khớ quyển, cựng với nước mưa rơi xuống làm giàu nitơ cho cỏc hệ sinh thỏi (khoảng 8 - 25 kg/ha/năm). Trong chu trỡnh nitơ gồm cú 5 bước
1: Cố định nitơ; 2: Nitrat hoỏ; 3: Đồng hoỏ; 4: Amụn hoỏ 5: Phản nitrat hoỏ.
Hỡnh 18. Chu trỡnh nitơ trong tự nhiờn
- Cố định nitơ: Bước đầu tiờn của chu trỡnh nitơ là cố định nitơ, chuyển đổi nitơ
khớ (N2) thành amụniăc (NH3) mà sinh vật cú thể sử dụng được. Bước này được thực hiện nhờ những vi khuẩn sống trong mụi trường đất và nước. Cỏc vi khuẩn này dựng enzym nitrogenaza để phỏ huỷ N2 và liờn kết với hydro. Chỳng cú thể là những vi khuẩn hiếu khớ như aotobacter và vi khuẩn kị khớ như Clostridium. Trong mụi trường nước sự cố định nitơ được thực hiện nhờ vi khuẩn lam, chỳng cú những tế bào cản ụxy đặc trưng gọi là dị hợp tử (heterocyst) làm nhiệm vụ cố định nitơ. Ước tớnh hàng năm cỏc vi khuẩn này cố định khoảng 25 kg N/ha. Cỏc vi khuẩn cộng sinh trong nốt sần rễ cõy họ Đậu thuộc giống Rhizobium cũng cố định được lượng lớn Nitơ. Vớ dụ, ở cỏ ba lỏ (Trifolium) và đậu chàm (Medicago) cố định được 150 - 400 kg/ha/năm.
- Nitrat hoỏ: Biến đổi NH3 thành NO3 -. Quỏ trỡnh này được tiến hành theo hai bước, bước thứ nhất cỏc vi khuẩn đất như Nitrosomonas và Nitrocococus biến đổi NH3 thàn nitrit (NO2 -), sau đú vi khuẩn Nitrobacter oxy hoỏ NO2 - thành NO3 -.
- Đồng hoỏ: Rễ thực vật hấp thụ NO3 - hoặc NH3 và đưa cỏc dạng nitơ này vào trong cấu tạo của prụtờin thực vật hoặc axit nuclờic. Khi động vật tiờu thụ cỏc mụ thực vật, chỳng cũng đồng hoỏ nitơ bằng cỏch biến đổi cỏc hợp chất nitơ thực vật sang cỏc hợp chất nitơ động vật.
- Amụn hoỏ: Những cơ thể sinh vật đào thải cỏc chất thải chứa urờ (trong nước
tiểu) và axit uric (trong phõn chim). Cỏc chất này cựng với những hợp chất nitơ chứa trong xỏc sinh vật đó chết, bị phõn huỷ và giải phúng NH3 vào mụi trường. Sự biến đổi cỏc hợp chất nitơ hữu cơ thành NH3 gọi là amụn hoỏ. NH3 sinh ra trong quỏ trỡnh amụn hoỏ được lụi kộo vào chu trỡnh nitơ và nú lại trở nờn sẵn sàng cho quỏ trỡnh nitrat hoỏ và đồng hoỏ.
- Phản nitrat hoỏ: Đú là sự khử NO3 - đến nitơ khớ (N2). Cỏc vi khuẩn phản nitrat hoỏ cú hoạt động ngược với hoạt động của vi khuẩn cố định nitơ và nitrat hoỏ. Chỳng chuyển đổi nitơ sang dạng khớ trở lại vào khớ quyển. Chỳng là những vi khuẩn kị khớ cú thể tỡm thấy ở tầng đất sõu, chặt bớ.
d. Chu trỡnh phốt pho
Phốt pho là thành phần quan trọng của chất nguyờn sinh. Trong tự nhiờn phốt pho chứa nhiều trong cỏc loại đỏ, đặc biệt là apatits. Qua quỏ trỡnh phong húa đỏ và khoỏng húa cỏc hợp chất hữu cơ, phốt pho được giải phúng ra và tạo thành cỏc muối của axit phootphoric được cỏc loại rễ cõy hấp thụ. Một số lớn phốt pho đi theo chu trỡnh nước vào đại dương và làm giầu cho nước mặn, làm thức ăn cho sinh vật phự du và phõn tỏn vào chuỗi thức ăn. Cựng với xỏc chết phốt pho chỡm lắng xuống đỏy biển, một phần nhỏ được chim và ngề đỏnh cỏ trả lại cho đất.