Азотен и Фосфорен цикъл : Винаги рециклирай!

Няма нищо толкова ужасно като това да ти е нужно нещо, което е на една ръка разстояние, но да не можеш да го вземеш. Например, ако си в спасителна лодка в океана и усещаш ужасна жажда, а около теб има 300 милиона кубични мили вода, но не можеш да пиеш от нея. Или да трябва да стоиш до Меган Кейл всеки ден в час по математика, но да знаеш, че тя е драстично извън твоята лига. Много организми на Земята се намират в тази ситуация – почти постоянно, само дето нещата, които са наоколо, но те не могат да достигнат, не са вода или физическа близост, а хранителни вещества. Особено азот и фосфор. Разбира се, има тонове елементи, които циркулират по Земята, стоящи на едно място или в една форма за малко, докато не се превърнат в следващото нещо. Както знаеш, живите неща се нуждаят от разни работи. Животните например се нуждаят от кислород, въглерод и водород. Тези елементи покриват циклите на водата и въглерода, за които говорих предния път. Но ние сме също около 3% азот и 1% фосфор. Тези стойности може да не звучат особено впечатляващи, но дори това количество да е съвсем малко, на нашите тела им трябва азот, за да произвеждат аминокиселини, които правят протеини, които изграждат телата ни. ДНК и РНК също изискват фосфор. А и да не забравяме, че фосфорът е Ф от АТФ и също "фосфо" във фосфолипидния бислой. Може да не се нуждаем от много, но е важно да ги има навсякъде. Въздухът, който дишаме, е основно азот. Водата и скалите около нас са натъпкани с фосфор. Както казах, те рядко са в биологично достъпна форма. Както обикновено, организмите, които разрешават този проблем, са растенията. Всичко друго, което се нуждае от тези елементи, просто трябва да яде растения или нещо, което е яло растения. Но как растенията разрешават този проблем и защо всъщност е проблем? Дай ми няколко минути и ще обясня. Нека поговорим за цикъла на азота първо, понеже азотът е наистина навсякъде около нас. Мога да го почувствам в този момент. Ето го във въздуха. Защо е толкова трудно да вкараме в нашите тела това, което е навсякъде около нас във въздуха, за да ни бъде полезно? Защото дори азотът да е 78% от атмосферата, ще забележиш, че азотният газ се състои от два азотни атома, свързани с тройни връзки. Едно нещо е да разкъсаш единична ковалентна връзка, но тройна? Както можеш да си представиш, тези два азотни атома са много трудни за разделяне. Тази молекула трябва да се раздели, за да може едно растение да се захване с частите. Всъщност растенията могат да усвояват няколко различни форми на азот: нитрати, нитрити и в по-малка степен дори амониеви съединения, които получаваш като смесиш амоняк с вода. Но всичкият този проклет азотен газ в атмосферата е извън техните възможности. На растенията им трябва помощ, за да се възползват от азотния океан, в който всички плуваме. Затова този азот трябва да се фиксира, за да влезе в употреба. Дори растенията да не са достатъчно хитри да разкъсат тези два азотни атома, определени азот-фиксиращи бактерии са. Тези бактерии стоят в почвата или водата, или дори формират симбиотични връзки с корените на някои растения, повечето от които са бобови. Това е доста голямо семейство растения: соеви, детелини, фъстъци, кудзу, всички бобови. Тези бактерии просто си седят и превръщат атмосферния азот в амоняк. И като се смеси с вода, той се превръща в амониев йон, който може да се използва от растенията. Те извършват това със специален ензим – нитрогеназа. Той е единственият органичен ензим, който разкъсва тази луда тройна връзка. Амоняк може също да бъде произведен от гнилостни гъби, протисти, други видове бактерии, които си похапват от твоите протеини и ДНК, след като умреш. Но те не подбират. Харесват също изпражнения и урина. Като се случи това, други бактерии, нитрифициращите, могат да вземат този амоняк и да го превърнат в нитрати (три кислородни атома, свързани с един азотен атом) и нитрити (два кислородни, свързани с един азотен). За растенията те са дори по-лесни за усвояване от амоняка. Важното е, че ако не бяха тези бактерии, щеше да има много по-малко биологично достъпен азот наоколо. В резултат на това щеше да има много по-малко живи неща на планетата. Както обикновено: благодарим ви, бактерии, задължени сме ви! Но трябва да спомена, че не само бактериите могат да разделят азотните атоми. Светкавиците имат достатъчно енергия да разделят връзките между азотните атоми. Това очевидно е жестоко, и затова си струва да се спомене. И през 20-и век ние, умниците, също сме открили различни начини да фиксираме изкуствено азот. Затова имаме изкуствени торове. Има толкова много храна, растяща наоколо. След като атмосферният азот е превърнат във форма, която растенията могат да използват за ДНК, РНК и аминокиселини, органичният азот тръгва нагоре по хранителната верига. Животните ядат растенията и използват този сладък биодостъпен азот, за да правят своите аминокиселини. После ние го изпикаваме и изакваме или умираме и гнилостните организми го разграждат до амоняк. И така продължава. Докато един ден този органичен азот се озове в денитрифициращи бактерии, чиято работа е да метаболизират азотните оксиди и да ги превърнат отново в азотен газ. Те използват специален ензим: нитрат-редуктаза. Тези приятелчета вършат работата си и после пускат обратно N2 в атмосферата. Това е азотният цикъл. Ако не си спомняш нищо друго, запомни само, че: a) Ти си много задължен на бактериите, защото те са били достатъчно умни да направят ензим, който може да разкъса тройната връзка на азотния газ. b) Ти си длъжник и на растенията за това, че са вкарали азот в себе си, за да можеш просто да ядеш морков и да не мислиш за това. c) Азотът е жесток и е навсякъде. И е толкова неуловим и заслужава уважението ти. Преминаваме към фосфорния цикъл. Интересно нещо за фосфора е, че е единственият елемент, за който ще говорим, който не е в атмосферата. Фосфорът не иска да има нищо общо с въздуха. А с литосферата. Това е научната дума за земната кора и тя е пълна с фосфор. Скалите съдържат неорганичен фосфор, особено седиментните скали, които произхождат от стари океански легла и езера, където живи неща умирали и потъвали на дъното, и богатите им на фосфор тела се трупали. С времето те създали фосфорно богати скали. За съжаление няма много организми на Земята, които ядат камъни. Само няколко бактерии, наречени литотрофи. Когато тези скали обаче се открият и водата ги разяжда, някои от фосфатите се разтварят в нея. Тези разтворени фосфати веднага са готови да бъдат усвоени от растенията, които след това животните ядат. От тук – същото нещо като при азотния цикъл: гнилостните организми влизат в действие. Когато едно листо падне или нещо се изака, или умре, гнилостните микроорганизми го разграждат и освобождават фосфатите обратно в почвата и водата. Фосфатите изтрайват толкова време в почвата, колкото 20 долара на тротоара. Разградените фосфати веднага се усвояват отново от растенията и този цикъл просто продължава и продължава. От растение до животно, до разграждащ организъм, до почвата и обратно в растение. Това продължава докато атомът на фосфора достигне някаква вода, защото водните и морските екосистеми имат луда нужда от фосфор. Когато фосфорен атом достигне в дълбоко езеро или океан, той циркулира в организмите там: водорасли, планктон, риби. И този цикъл може да продължи дълго време. Имам предвид, докато фосфорният атом се вгради в скала. Това могат да са милиони години, но според някои изчисления един фосфорен атом може да циркулира в биологичен цикъл стотици хиляди години. Накрая той достига в нещо, което умира и пада в дупка, толкова надълбоко, че гнилостни организми не могат да го достигнат. Тогава седиментацията заработва и го превръща в скала. А скалите накрая стават на планини и са изложени навън. Тогава фосфатите се отделят отново. И това е цикъл! Така че, да. Това се случва с азота и фосфора. Живите същества се нуждаят от тях, но дори и да са навсякъде наоколо, те са луксозни стоки в биологичните системи, защото са трудни за получаване. Или защото трябва да бъдат превърнати във форма, достъпна за организмите, или защото са заключени под земята. Но знаеш кои са най-умните маймуни – ние. И да, можеш да се обзаложиш, че сме открили как да освобождаваме всякакви видове азот и фосфор на тази голяма зелена планета. Най-вече в стремеж да подобрим изхранването на децата ни и нас самите. Обикновено мислим доброто, но можем да бъдем надменни понякога. Това е просто човешкият начин: да видим нещо в природата, което изглежда оскъдно или недодялано, и да се опитаме да го направим най-доброто. Така че за фосфорния и азотния цикъл сме създали торове, много торове. Главните им съставки (досети се, нали?) са азот и фосфор. Историята за това как сме се научили да синтезираме азот в амоняк за производство на торове и химически оръжия е много, много интересна и засяга зъл лунатик. Предлагам ти, като свърши видеото, да изгледаш това за Фриц Хабер, човекът, който прави всичко това през Първата световна война. Обикновено твърде много добри неща се споменават, нали? Чрез чудото на синтетичните торове можем да произвеждаме много повече храна, отколкото сме могли някога. В резултат, екосистемите по света са бомбардирани с тези невероятни количества азот и фосфат. Това ни води до следващата глава в нашето разглеждане на екологията: човешкото влияние над биосферата. Понякога заради желанието да правим природата по-добра, понякога заради глупав човешки егоизъм, а най-често и заради двете, стигаме до това да прецакаме околната среда по повече начини, отколкото можем да преброим.