Telo človeka (a iných organizmov) je zložené zo štyroch základných skupín organických látok: cukry (sacharidy), tuky (lipidy), bielkoviny (proteíny) a nukleové kyseliny (DNA a RNA). Tie sú ďalej zložené z niekoľkých biogénnych prvkov, ktorých kolobeh v prírode je nesmierne dôležitý pre zachovanie života. Sú to predovšetkým makroelementy, pričom len štyri z nich – uhlík, dusík, vodík a kyslík – tvoria až 96 % živej hmoty. Ďalšími kľúčovými prvkami sú fosfor a síra. Cyklus vody tvorí samostatný hydrologický cyklus. Cyklus vodíka je buď súčasťou vody, alebo ostatných cyklov.
Hydrologický cyklus link
Základom tohto cyklu je výmena vody medzi zemským povrchom a atmosférou prostredníctvom odparovania, rastlinnej transpirácie a zrážok. Môžeme rozlíšiť veľký kolobeh na úrovni biosféry (medzi oceánmi a pevninou) a malý kolobeh na úrovni ekosystému. Transpirácia rastlín sa výrazne podieľa na vodnej bilancii terestrických (pozemných) ekosystémov a tvorbe lokálnych zrážok. Tento cyklus je vo veľkej miere ovplyvnený človekom (napr. jeho poľnohospodárskou a priemyselnou činnosťou, spotrebou pitnej vody, výstavbou vodných elektrární, ale aj odlesňovaním, ktoré krajinu vysušuje).
Cyklus uhlíka link
Uhlík má schopnosť vytvárať rozvetvené reťazce a je základnou kostrou všetkých organických zlúčenín a živej hmoty. V prirodzených podmienkach je jeho cyklus vyrovnaný – z ekosystému sa dýchaním organizmov uvoľňuje vo forme oxidu uhličitého (CO₂) zhruba v takom množstve, v akom ho fotosyntetizujúce organizmy do biomasy viažu. Rozhodujúci význam má pomer CO₂ v atmosfére k CO₂ rozpustenému vo vode.
Časť uhlíka sa dlhodobo ukladá do zásoby (vo forme humusu, schránok živočíchov z uhličitanu vápenatého alebo v podobe fosílnych palív – nafty, rašeliny a uhlia). V posledných rokoch sa množstvo CO₂ v atmosfére neustále zvyšuje priemyselnou činnosťou človeka a spaľovaním fosílnych palív. Keďže CO₂ zadržiava odrazené slnečné žiarenie, jeho hromadenie spôsobuje tzv. skleníkový efekt, čo priamo vedie ku globálnemu otepľovaniu.
Cyklus dusíka link
Atmosférický dusík tvorí molekuly N₂, ktoré sú medzi sebou spojené trojitou kovalentnou väzbou a v atmosfére tvoria až 78 %. V takejto forme sa správa ako inertný plyn a pre väčšinu organizmov (vrátane rastlín) je absolútne nedostupný. Organizmy sú schopné prijímať ho len vo forme anorganických iónov – dusičnanov (NO₃⁻) a amónnych solí (NH₄⁺), alebo v organických zlúčeninách.
Do pôdy sa dusík dostáva dvoma hlavnými cestami:
- fyzikálno-chemická fixácia – energia bleskov dokáže molekuly dusíka „rozbiť“ a takýto reaktívny atomárny dusík potom reaguje s kyslíkom a vodnou parou za vzniku kyseliny dusitej a dusičnej. Tie sa do pôdy dostávajú so zrážkami a tvoria dusičnany a amónne soli.
- biologická fixácia – rôzne pôdne baktérie sú schopné viazať molekulu N₂ vďaka enzýmu nitrogenáze. Patria sem symbiotické baktérie rodu Rhizobium, ktoré sa viažu na korene rastlín čeľade bôbovitých, a voľne žijúce pôdne baktérie ako Azotobacter či Clostridium.
Nitrifikácia je proces ďalšej premeny dusíkatých látok v pôde, pri ktorom špecializované chemoautotrofné baktérie získavajú energiu oxidáciou. Tento proces má dva prísne oddelené kroky, ktoré vykonávajú odlišné baktérie:
- nitritačné baktérie (rod Nitrosomonas) – oxidujú toxický amoniak na dusitany
- nitratačné baktérie (rod Nitrobacter) – oxidujú dusitany na dusičnany (ktoré už vedia rastliny bezpečne využiť)
Cyklus kyslíka link
Množstvo kyslíka (O₂) v atmosfére je relatívne stabilné (tvorí asi 21 % ovzdušia). Všetok voľný kyslík prítomný v dnešnej atmosfére má výlučne biologický pôvod (vzniká ako produkt fotosyntézy). Historicky sa začal vo veľkom hromadiť v atmosfére približne pred 2,7 miliardami rokov vďaka fotosyntetickej činnosti cyanobaktérií (siníc).
Tento plyn bol pre vtedajšie pôvodné anaeróbne bunky silne toxický. Postupne sa však vyvinuli organizmy schopné aeróbnej respirácie (dýchania), ktoré túto reaktívnu molekulu využili na mimoriadne efektívny zisk energie. Akumulácia kyslíka viedla v stratosfére k vzniku ozónovej vrstvy (O₃), ktorá planétu ochránila pred smrtiacim UV žiarením, čo umožnilo prechod života z vody na súš.
Najviac kyslíka v súčasnosti uvoľňujú tropické dažďové pralesy, morské riasy a z mikroskopického hľadiska obrovskou mierou aj rozsievky (diatomy vo fytoplanktóne), ktoré produkujú až 20 % kyslíka planéty. Časť kyslíka je dlhodobo viazaná v uhličitanových sedimentoch (vápencoch) na dne morí a oceánov.
Cyklus fosforu link
K hlavným zásobám fosforu patria usadené sedimenty a horniny v litosfére. Uvoľňuje sa veľmi pomaly zvetrávaním. Fosfor je kľúčovou súčasťou dôležitých biologických molekúl – nukleových kyselín (DNA, RNA), fosfolipidov v membránach a energetickej molekuly ATP.
Napriek jeho obrovskému významu patrí v pôde medzi najmenej dostupné makroelementy (jeho koncentrácia v pôdnom roztoku je veľmi nízka), a preto v ekosystémoch predstavuje hlavný limitujúci faktor rastu rastlín (rastliny ho prijímajú vo forme iónov HPO₄²⁻). Veľká časť zvetraných hornín a hnojív z polí sa postupne vyplavuje do vôd, kde spôsobuje nadmernú eutrofizáciu (premnoženie rias a siníc).
Cyklus síry link
Zdroje síry sa nachádzajú najmä v zemskej kôre a pôde, v menšej miere aj v atmosfére. Hlavným zdrojom síry pre rastliny sú anorganické síranové anióny (SO₄²⁻), ktoré sú redukované autotrofnými organizmami. Síra zvyčajne nepatrí k limitujúcim faktorom, ale je pre organizmy nevyhnutná, pretože tvorí dôležitú súčasť esenciálnych aminokyselín (metionínu a cysteínu) a rôznych koenzýmov.
Špecifické skupiny mikroorganizmov (napr. chemoautotrofné sírne baktérie rodu Thiobacillus) dokážu získavať energiu oxidáciou sírnych zlúčenín, pričom síru menia na sírovodík (H₂S) či kyselinu sírovú. Do atmosféry sa vďaka priemyselnej činnosti človeka a spaľovaniu fosílnych palív dostávajú obrovské množstvá oxidu siričitého (SO₂). Ten v atmosfére reaguje so vzdušnou vlhkosťou a padá späť na zem vo forme kyslých dažďov, čo má za následok devastačný účinok na lesné ekosystémy a zmeny pH pôdy.
