מחזור ביוגאוכימי

בתחום מדעי כדור הארץ מחזור ביוגאוכימי או מחזור אקולוגי הוא מחזור שבו מולקולות או יסודות כימיים נעים דרך רכיבים ביוטיים ("ביו") וא-ביוטים ("גאו") של המערכת האקולוגית. היסודות עוברים סירקולציה, אם כי בחלק מהמקרים ישנם מקומות (הקרויים "כיורים" "Sinks") בהם המולקולות מצטברות למשך תקופת זמן ארוכה.

תרשים של מחזור הפחמן שהוא אחד המחזורים הביוגאוכימיים בכדור הארץ. ניתן לראות את מאגרי הפחמן ואת זרמי החומר ביניהם.

תפקוד המחזורים האקולוגיים

כל היסודות הכימיים שנמצאים ביצורים חיים נוטלים חלק במחזורים ביוגאוכימיים. בנוסף להיותם מרכיבים של היצורים החיים, היסודות הכימיים האלה נעים גם בגורמים א-ביוטים של המערכות האקולוגיות כמו המים (הידרוספרה), האדמה (ליטוספרה) והאוויר (אטמוספרה). ניתן להתייחס לסך הגורמים החיים בפלנטה כאל ביוספרה. כל הכימיקלים, חומרי מזון, או יסודות כמו פחמן, חנקן, חמצן, זרחן וכו' שיצורים חיים משתמשים בהם נמצאים במחזור סגור (בניגוד למערכת פתוחה שמייבאת ומייצאת חומר).

לעומת זאת המערכת הביו-גאו-כימית פתוחה בהיבט של אנרגיה - השמש מספקת לה כל הזמן אנרגיה סולארית שמניעה את המערכת, והאנרגיה נפלטת החוצה מכדור הארץ בצורה של אנרגיית חום:

חלקה נפלט באופן מיידי כמעט לאחר שחימם את כדור הארץ.
חלק מהאנרגיה מניע תהליכים פיזיקליים או כימיים שונים על גבי הפלנטה (כמו הפקת חלק מהרוח והגלים, אידוי מים, או הספקת אנרגיה לתגובות כימיות שונות) ואז נפלט כאנרגיית חום.
חלק ממנה משמש אצות וצמחים שמייצרים אנרגיה שמשמשת את כל המערכת הביוספרית, בתהליך שנקרא ייצור ראשוני. חלק זה נפלט לבסוף כאנרגיית חום בשלב מסויים של שרשרת המזון הביולוגית.

מבחינה תרמודינמית המחזורים הם חלק ממערכת מפזרת שנמצאת במרחק משיווי משקל תרמודינמי תודות לאנרגיה הסולארית.

סוגים שונים של מהירות זרימה

ניתן להפריד את הזרמים בתוך המחזורים ל-3 סוגי זרמים, לפי סוגי ה"מאגרים" שבהם המחזורים מתקיימים. מחזורים המקיימים מהירות זרימה מהירה בתוך המערכת הביולוגית, מחזורים איטיים יותר שבהם חומרים עוברים מ/אל הביוספרה למאגרים גאופיזיים כמו האוקיינוס או האטמוספירה, וקיימים גם זרמים איטיים בהרבה של תהליכים גאופיזיים לגמרי כמו תנועת היבשות או זרימת מים בתוך האוקיינוס. מהירות

השלב שבו החומרים זורמים ומשתנים בצורה המהירה ביותר, הוא של חומרים שנעים בתוך המערכת הביוטית (כלל היצורים החיים, כולל צמחים, פטריות וכו'). זהו השלב הביוטי של המחזורים. מולקולות יכולות להישאר בתוך יצור ביולוגי במשך מספר שעות עד מספר שנים.

המאגר שבו יש זרימה איטית יותר הוא מחזור של קבלה ונתינה של חומרים למאגר החומרים הא-ביוטי או הגאופיזי מצד הביוספרה. לדוגמה, שלדים של יצורים שהופכים לסלעים או מתפרקים אל הקרקע ולאוויר, או השימוש במולקולות חמצן מתוך האטמוספירה בתהליך הנשימה. החלק הזה של המחזורים איטי יותר (בממוצע), במובן שמולקולת חמצן שנפלטה לאטמוספירה יכולה להימצא באותו מצב ולהימצא באטמוספירה במשך שנים ארוכות לפני שתחזור למערכת הביוספרית או שתעבור למאגר אחר (כמו מים או אדמה). מולקולות מים באוקיינוסים או מולקולות שנכנסות למעבה האדמה יכולות להימצא שם אלפי שנים או מיליוני שנים לפני שהן חוזרות למערכת האקולוגית הביוטית. לעומת זאת מולקולות בתוך יצור חי עוברות מהר מאוד גלגולים לתרכובות אחרות, והן זורמות בתוך המערכת הביוטית או אל מחוצה לה במהירות.

סוגים נוספים של זרימות חומר מתקיימים בתהליכים גאופיסיים לגמרי, כמו תנועת היבשות, המסה של סלעי גיר, ערבול של זרמים באוקיינוס, תנועת חול, ועוד. כאן יש זרימה ושינוי איטיים הרבה יותר. ההשפעות על השלבים האחרים ועל היצורים החיים נמצאות בתחומים כמו נדידת יבשות, או התפרצות הרי געש. השפעות אלו הן דרמטיות אבל הן איטיות מאוד (נדידת יבשות) או בעלות אופי מקומי או נדיר (התפרצות געשיות).

מהירות הזרימה של חומרים בין מאגרים שונים תלויה מאוד גם בסוג החומר ובתנאים השוררים בה. לדוגמה עודף של פחמן דו חמצני יכול לשהות באטמוספירה במשך שנים, לעומת זאת אדי מים שנמצאים בעודף באטמוספירה יצאו ממנה בתוך שעות עד מספר ימים. זו הסיבה בין היתר מדוע למרות שאדי מים הם גז חממה חשוב יותר הם לא מהווים היבט חשוב בתהליך של התחממות עולמית שכן הם בעיקר מגיבים לתהליכים אחרים במסגרת תהליך זה, ולא יכולים להשפיע כמעט בכוחות עצמם.

מקורות האנרגיה של המחזורים

הזרימה והשינוי של חומרים במחזור הא-ביוטי מונעת בעיקר באמצעות אנרגיית השמש. אנרגיות נוספות שיכולות להיכנס למערכת הן אנרגיית רוח או גלים (שהם גלגולים של אנרגיית השמש), אנרגיית גאות ושפל ואנרגיות ממעבה האדמה (שמשפיעה בעיקר על המחזור האחרון). אנרגיית השמש היא גם מקור האנרגיה העיקרי של המחזורים הביוטיים, והיא מאפשרת ליצרנים ראשוניים כמו צמחים ואצות לקשור פחמן דו חמצני מהאטמוספירה ולייצר מולקולות סוכר וחלבון שמשמשות את שאר היצורים החיים.

המערכת הביוספרית פולטת החוצה חום, כתוצאה מהחוק השני של התרמודינמיקה. חום נפלט גם מהמערכת הגאופיסית כתוצאה מקרינת גוף שחור. החום נפלט לחלל בעיקר בצורה של קרינת אינפרה אדום.

סוגי מחזורים לפי חומר

כמות המחזורים ביוגאוכימיים הוא כמספר היסודות שיש בטבלה המחזורית. יש מספר מחזורים ביוגאוכימיים הנוגעים ליסודות נפוצים או חיוניים שקיימים ביצורים ביולוגיים ואשר מהווים חלק חשוב מכל מערכת אקולוגית וכן במערכות חקלאות וחלק מהבריאות של בני אדם - או עודף של חומרים אלה בקרקע, במים או באוויר או שיבושי זרימה של חומרים אלה (לדוגמה זרימה מהירה מידי, איטית מידי) יוצרת בעיות אקולוגיות לבני אדם וליצורים אחרים ובעיות חברתיות וכלכליות לבני האדם.

במחזורים אלה יש עניין מרובה בהקשרים של אקולוגיה, משק המים העולמי, חקלאות ובהקשרים של כלכלה אקולוגית ותעשייה בת קיימא, כלכלה מעגלית ועוד:

מחזור המים. שיבוש הולך וגדל במחזור המים כולל- זיהום מים, המלחת מי תהום והתייבשות נהרות ואגמים גורמים יחד למשבר המים העולמי.

מחזור החמצן - מספק חמצן לכלל היצורים החיים כולל בעלי חיים, האדם והצמחים. עיקר שחרור החמצן חזרה לאטמוספירה מבוצע על ידי פלנקטון צמחי באוקיינוסים וחלקו נעשה על ידי צמחים.
מחזור הפחמן - הפחמן הוא יסוד חיוני הן לצמחים והן לבעלי חיים. שרשרות פחמן קצרות הן המרכיב המרכזי בהספקת מזון ליצורים חיים. כל הפחמן שזורם אל בני האדם והיצורים האחרים מקורו בייצור ראשוני שמפיק מולקולות עתירות אנרגיה של פחמן דרך תהליך הפוטוסינתזה. פרוק הפחמן הזה (דרך תהליכי העיכול והנשימה) מספק אנרגיה לגוף של כל היצורים החיים. ריכוזי תרכובות פחמן עצומים שנצברו במשך מיליוני שנים, הם גם מקור האנרגיה המרכזי של דלק מחצבי מסוג פחם, נפט וגז טבעי וכרייה ופרוק של הפחמן בתרכובות אלה נותן לאדם מקור אנרגיה עצום המשמש אותו בחקלאות תעשייתית, בתעשייה בייצור חשמל, בתחבורה, וכן כמקור לחומרי גלם חשובים כמו דשן כימי, חומרי הדברה ופלסטיק לסוגיו. שאיבה ממחזור עצום זה של פחמן גורמת לשחרור פחמן דו חמצני בכמויות גדולות ושיבושים שונים של מחזור הפחמן - בין היתר התחממות עולמית והחמצת אוקיינוסים
מחזור המים - המים אינם יסוד אבל הם תרכובת נפוצה שמהווה מולקולה חיונית לכל היצורים החיים. בין היתר המים מאפשרים זרימה של חומרים בתוך הגוף החי (כולל בצמחים) והם גם חלק חיוני בתהליך הפוטוסינתזה של צמחים. רוב היצורים החיים ביבשה דורשים מאגרים של מים מתוקים. ניצול הולך וגדל של מים על ידי בני האדם, לצד זיהום מים והתחממות עולמית גורמים לשיבוש הולך וגדל של מחזור המים - משבר המים העולמי שהולך ומחריף בהדרגה - לדוגמה ייבוש נהרות ואגמים וזיהום נהרות, זיהום מי תהום ועוד. זיהום מים ומחסור במים לבני האדם, לצמחים ולבעלי חיים יוצר בעיות אקולוגיות, חברתיות ובריאותיות שונות.
מחזור החנקן - חנקן המולקולה הנפוצה ביותר באטמוספירה של כדור הארץ, הוא יסוד חיוני עבור צמחים ובעלי חיים. כמות החנקן בקרקע היא בדרך כלל גורם מגביל לגידול צמחים ולכן משתמשים כיום בהפקת חנקן כחלק מדשן כימי. הפקה זו גורמת שיבוש של מחזור החנקן הטבעי כאשר החנקן ממשיך לזרום אל הטבע.
מחזור הזרחן - זרחן הוא עוד יסוד חיוני עבור צמחים בעלי חיים. כמות הזרחן בקרקע היא עוד גורם מגביל חשוב לגידול צמחים, ולכן כורים זרחות כמרכיב חיוני לדשן כימי קיים חשש כי שיבוש מחזור הזרחן יגרום לערעור של מערכות אקולוגיות.
מחזור האשלג - גם אשלג הוא גורם מגביל בצמיחת צמחים ולכן גם יסוד זה נכרה כיום ממכרות ומוסף לדשן כימי.
מחזור הגופרית
מחזור המימן
מחזור הברזל

המחזורים אינם נפרדים זה מזה, אלא יוצרים יחד תרכובות כימיות משותפות שמתפרקות ומשתלבות ליצור תרכובות בעולם החי ובעולם הא-ביוטי. לדוגמה אטומים של מימן וחמצן יוצרים יחד מים (H₂O), אטומים של פחמן וחמצן יוצרים מולקולות שונות: פחמן דו חמצני (CO₂) וכן את כל המולקולות המרכיבות את הגוף החי (המורכב ברובו מאטומים של פחמן, מימן וחמצן). גם יסודות אחרים שותפים לבניית הגוף, זרחן לדוגמה מרכיב את מולקולת ה-DNA ואת מבני ה-ATP שמאפשרים אגירת אנרגיה בגוף.

הפרעות למחזורים על ידי הכלכלה האנושית

ערך מורחב – המהפכה התעשייתית הבאה

הכלכלה האנושית הנוכחית היא כלכלה שבעיקרה היא כלכלה קווית שבה כורים או שואבים עופרות ומחצבים ומכינים מהם חומרי גלם במקום אחד, מייצרים מוצרים תוך יצירת כמות גדולה של פסולת רעילה או שמכילה חומרים שאינם מתפרקים בטבע או שמתפרקים באיטיות, וזורקים פסולת נוספת בתום השימוש. כך לדוגמה שימוש בדשן כימי גורם לתלות בדלק מחצבי מצד אחד ובהפרעה למחזורים ביוגאוכימיים מצד שני.

זהו תהליך קווי (חד כיווני) שאין בו מחזוריות. מיחזור או שימוש חוזר למשך מספר פעמים מקטין במעט את הבעיה. אבל בחלק גדול מהמקרים מיחזור משאיר את המערכת בצורה של מערכת קווית שכן לגבי רוב החומרים יש איכות יורדת של החומר עד שלבסוף לא ניתן למחזר אותו (Downcycle).

מבחינה כלכלית, המחזורים ותפקודם התקין מספקים תשתית להספקת שירותים של המערכת האקולוגית. לדוגמה, ללא מחזור המים - לא יהיה גשם ויהיה קשה הרבה יותר לקיים חקלאות. ללא מחזור הזרחן יהיה קשה הרבה יותר לגדל צמחים וכו'. ניתן להתייחס אל המחזורים האקולוגיים בתור מוצר ציבורי שכן הם מספקים ערך לציבור כולו, וקשה לאכוף בלבדיות עליהם (קשה למנוע ממישהו מצריכה של ערך זה אם הוא לא שילם עליו), ומצד שני הם לא יריביים - התועלת לאדם אחד מהמחזור הביוכימי לא פוגעת בתועלת של אדם אחר. את הפגיעה בתפקוד של המחזורים האקולוגיים (כמו גם בפגיעה בשירותי המערכת האקולוגית על ידי פעולות נוספות) אפשר לתאר על ידי הטרגדיה של נחלת הכלל. במקרים נוספים של טרגדיית נחלת הכלל, ידוע שניהול שלו הוא דבר קשה. לדוגמה באוקיינוסים קיימת בעיה כזו וכתוצאה ממנה בעיה רחבה של דייג ייתר. את המחזורים הביוגאוכימיים קשה להפריט ולהחיל עליהם זכויות קניין, ולכן קשה לדמיין ניהול שלהם (כולל הפסקת הפגיעה בהם) דרך מנגנון שוק תחרותי.

בסופו של דבר תהליך קווי חייב להיפסק - אם בגלל התייקרות חומרי הגלם בגלל נדירות גדלה שלהם, אם בגלל כילוי מוחלט של חומרי הגלם (דבר שצפוי להתרחש רק אחרי התייקרות חומרי הגלם), אם בגלל בעיות זיהום שהפסולת הנוצרת בתהליך הקווי יוצרת, או תהליך אחר כמו קריסה של התרבות שתלויה בתהליך קווי כזה (ראו התמוטטות (ספר)). לפי המחקר גבולות פלנטריים, הפרעה למחזור החנקן מהווה אחת המגבלות שכבר נפרצו ומהוות איום על המין האנושי. הפרעה למחזור הזרחן מהווה תנאי מגביל נוסף שגם הוא עומד להישבר בעתיד הקרוב. השינויים במחזור הפחמן (לדוגמה עקב שריפות, ברוא יערות ושריפה של דלק מחצבי, גוררות תופעות כמו התחממות עולמית והחמצת אוקיינוסים שגם הן נחשבות לגבולות פלנטריים בפני ההתפתחות של בני האדם.

כדי לנסות לתת מענה לדבר זה הוצעו עקרונות כמו עקרונות דיילי לקיימות פתרונות כמו כלכלת מצב יציב ומעריסה לעריסה שבהם מנסים לשמור על המשכיות המחזורים הטבעיים וכך גם על התפקוד של הכלכלה והקיום של בני האדם.

קישורים חיצוניים

מחזור ביוגאוכימי בוויקיפדיה האנגלית
Millennium Ecosystem Assessment (MA). 2005. Ecosystems and Human Well-Being: Synthesis . Island Press, Washington. 155pp.

מערכות מורכבות

מושגי יסוד: הוליזם - שיווי משקל - תהליך - אנטרופיה - אקסרגיה - החוק השני של התרמודינמיקה - מידע - ארגון עצמי - הגחה - לולאת משוב - תהליך בלתי הפיך - עמידות - חשל - גידול מעריכי - תגובת יתר

מערכות, מודלים וגישות: מערכת מורכבת - מערכת מפזרת - מודל מבוסס סוכנים - מערכת מורכבת אדפטיבית - חשיבה מערכתית - דינמיקה של מערכות - תורת המידע - כלכלה אבולוציונית - כלכלת מורכבות - שיטת המערכות הרכות

מערכות ואקולוגיה: תהליך ארוך טווח - מחזור ביוגאוכימי - חוק המינימום של ליביג - פרדוקס ג'בונס - עקרון ההספק המקסימלי - הולון - אנרגיה גלומה - שירותי המערכת האקולוגית - ייצור ראשוני - מטבוליזם

ספרים ומאמרים: ספינת החלל כדור הארץ - גבולות לצמיחה - מעבר לגבולות - חוק האנטרופיה והתהליך הכלכלי - תריסר נקודות מינוף להתערבות במערכת - דינמיקת מערכות פוגשת את העיתונות - עיצוב כלכלה הוליסטית לעולם בר קיימא

אישים, הוגים וארגונים: דונאלה מדווז - ניקולס ג'ורג'סקיו-רוגן - האווארד ת. אודום - דיוויד בוהם - איליה פריגוז'ין - מכון סנטה פה

קיימות
תחומי מחקר ויישום: אקולוגיה - תרבות מקיימת - כלכלה בת קיימא - כלכלה אקולוגית - חקלאות בת קיימא - פרמקלצ'ר - אנרגיה מתחדשת - עיצוב מקיים - כימיה ירוקה - אקולוגיה תעשייתית - אקולוגיה עירונית - תחבורה בת קיימא - עירוניות מתחדשת - בנייה ירוקה - תעשייה בת קיימא - ייצוב אוכלוסין
מושגים: השפעות סביבתיות - אקסרגיה - I=PAT - מחזור ביוגאוכימי - התפוצצות אוכלוסין - גבולות מקיימים לתפוקת חומר ואנרגיה - משאבים מתכלים - טביעת רגל אקולוגית - מערכת אקולוגית - שיא תפוקת הנפט - עקרון הזהירות המונעת - הכחדה המונית - זיהום - התחממות עולמית - בליית קרקע - דייג יתר - עמידות - סביבתנות - כלכלת מצב יציב
ספרים וסרטים: גבולות לצמיחה - התמוטטות - אנרגיה בת קיימא - ללא האוויר החם - מעריסה לעריסה - קורס בהתרסקות - סיפורם של הדברים - האיש שנטע עצים