Diagram, der viser forholdet mellem kulstoffets kredsløb og iltets kredsløb.
Den naturlige proces, hvorved de kemiske bestanddele i en organisme, som oprindeligt stammer fra dens ikke-levende miljø, vender tilbage til miljøreserverne til fornyet brug. Eftersom reserverne i det ikkelevende miljø er strengt begrænsede, er det meget vigtigt, at der består en sådan mekanisme til at sikre at der ikke mangler byggematerialer til fremtidige generationer.
Ordet »biogeokemisk« fortæller os, at vi her beskæftiger os med tre vigtige discipliner, biologi, geologi og kemi. Et atom kan i løbet af sin historie f.eks. være en bestanddel af en klippe, på et andet tidspunkt kan det eksistere i frit opløst tilstand, og videre kan det indgå i en levende organismes krop. Et sådant atom kan siges at have gennemgået en »abiotisk« (ikke-levende, geologisk og kemisk) fase og en »biotiskfase (når det indgår i en levende organisme), og det kan skifte imellem disse to faser mange gange.
Et sådant system kræver energi til driften. Denne energi skaffes i første instans fra solens stråleenergi, som tappes gennem fotosynteseprocessen i grønne planter. Under denne proces »exciteres« et klorofyl molekyle (dvs. det bliver mere energirigt) på grund af den absorberede lysenergi. Idet det vender tilbage til sin normale tilstand, overfører klorofylmolekylet energien til andre molekyler, og den oplagres sluttelig i kemisk form som adenosintrifosfat (ATP), som derefter kan bruges til udførelse af arbejde. Det er denne energi, der driver de biogeokemiske cykler.
Et af de vigtigste elementer, der indgår i opbygningen af levende organismer, er kulstof, og den anden del af den fotosyntetiske proces drejer sig om bindingen af luftens kultveilte, dvs. indbygningen af kulstof fra kultveilte i sammensatte organiske forbindelser. Det er på dette trin, at kulstofatomet overgår fra den abiotiske til den biotiske fase. Kultveilte indgår i en biokemisk reduktionsproces under energiforbrug, således at der først dannes en simpel forbindelse med tre kulstofatomer og derefter mere sammensatte, energirige komponenter i planten, f.eks. sukkerstoffer og stivelse. Disse forbindelser med høj energi kan komme ud for en af et antal mulige skæbner:
1. de kan deltage i plantens indre respriration og give kultveilte og vand idet deres energi frigives;
2. de kan blive ædt af et dyr (planteæder), der altså optræder som forbruger af den opbyggede energi;
3. de kan bruges som energikilde af nedbryderorganismer efter plantens død. Hvis de ædes af en planteæder, kan forbindelserne opbygges igen i dyrets krop og underkastes så atter en af de tre muligheder, med den undtagelse at forbrugerdyret denne gang er et rovdyr. Eftersom både kulstofbindingen og respirationen er iltnings- eller reduktionsprocesser, er kulstoffets cyklus nært forbundet med iltens.
Vi har hidtil kun set på den biotiske fase af kulstoffets cyklus. Kulstoffet går ind i sin abiotiske fase enten i form af døde organiske forbindelser eller som fri kultveilte. Som nævnt kan sammensatte organiske forbindelser i naturen omsættes i respirationsprocessen hos nedbryderorganismerne. Under visse forhold vil denne nedbrydningsproces imidlertid hæmmes, f.eks. i sumpe og moser, hvor der kun er lidt ilt. Her kan organiske stoffer ophobes hurtigere, end de kan bruges af nedbryderne, og resultatet bliver dannelse af tørv. Sådanne aflejringer kan i tidens løb udvikles til det, vi betragter som fossile brændstoffer, som f.eks. kul og olie. Ved forbrænding af disse stoffer frigiver vi både deres oplagrede energi og deres kulstof (som kultveilte: CO2). Nogle videnskabsmænd mener, at denne afbrydelse af det naturlige kredsløbs- og oplagringssystem kan få skadelige virkninger, idet en tiltagende mængde CO2 i atmosfæren vil øge dennes isolerende virkning. Som følge heraf vil jordens temperaturer stige. Teoretisk kan forbrændingen af brændstoffer i de næste 100 år hæve atmosfærens CO2 - indhold mellem fire og ti gange. Herved vil temperaturerne på jorden stige med 7-12°C, en stigning, der er tilstrækkelig til at smelte indlandsisen.
Der er imidlertid endnu en vigtig ting at tage i betragtning i forbindelse med kulstoffets kredsløb, nemlig opløseligheden af CO2 i havenes let alkaliske vand. Her opløses CO2 til bikarbonat-ioner, OHˉ+ CO2 = HCOˉ3.
Denne ligevægt holder den atmosfæriske CO2-koncentration på et meget konstant niveau på 0,03%. Kulstof i den nævnte form kan fjernes fra opløsningen ved kombination med kalcium. Denne proces er ofte knyttet til levende organismer, f.eks. muslinger, krebsdyr, koraller og kalkalger. Aflejringer af sådanne døde dyr og planter kan efterhånden danne kalkklipper, som indeholder et lager af kulstof, der ikke frigives til kredsløbet igen, før aflejringerne hæves, og klipperne udsættes for vejr og vind. Kulstof, i form af karbonater, går så ind i kredsløbet igen via jordbunden, hvorfra det kan fjernes af plantevækst eller udvaskes af nedbøren.
Diagram, der illustrerer kulstoffets kredsløb: fra luften via planternes fotosyntese til processer på land og i havet.
Alle de ca. 30 grundstoffer, der forekommer i dyr, gennemgår biogeokemiske kredsløb af denne art, selvom mønsteret i de forskellige grundstoffers kredsløb i detaljerne afviger stærkt fra hinanden. F.eks. er kvælstof ret usædvanligt, idet den del af dette grundstof der findes i atmosfæren, kun er tilgængelig for højere planter og dyr via en mikrobiologisk bindingsproces. De organismer, der udfører denne binding, omfatter fritlevende jordmikrober, symbiontiske bakterier, der lever i tilknytning til visse planter (f.eks. bælgplanter) og nogle blågrønne alger. Atmosfærisk kvælstof, bundet af disse organismer, bliver til sidst tilgængeligt for højere udviklede organismer, for hvilke det er livsvigtigt som en bestanddel af proteinmolekyler.
Kredsløbet er for langt de fleste grundstoffer, f.eks. fosfor, svovl osv., meget enklere end kulstoffets og kvælstoffets kredsløb, idet der ikke indgår en luftformig fase eller en indviklet bindingsproces.
Betydningen af den fine balance, der er indbygget i disse kredsløb, er først for nylig gået op for mennesket. Hvor jordbunden udnyttes til kornsorter, skovbrug, kvægavl eller mejeribrug, tæres der uafbrudt på systemets reserver. Mineralske grundstoffer, som alle sammen oprindelig kommer fra jorden, fjernes på mange forskellige måder, som kornprodukter, tømmer, kød, mælk osv. l jorden foregår der en suppleringsproces, nemlig forvitringen af klipper og sten, men hvis denne ikke foregår hurtigt nok til at kunne konkurrere med høsten, nedsættes frugtbarheden og ydelsen. For at opretholde et effektivt system må mennesket udligne jordens underskud ved at tilsætte næringsmidler, dvs. der skal tilføres gødningsstoffer. Al bevarelse af liv på jorden er således baseret på opretholdelsen af de biogeokemiske kredsløb, som mennesket og dets aktiviteter på forskellig vis griber ind i.
.............................................................................................................