양분인 인, 질소, 탄소의 순환

양분인 인, 질소, 탄소의 순환

양분인 인

양분인 인은 살아있는 생물이 에너지를 내고, 유전자를 구성하고, 몸을 구성하는 데에 없어서는 안 되는 물질입니다. 인은 ATP, RNA, DNA, 인지질 분자의 일부를 구성합니다. 생물학적으로 매우 중요하지만, 생물권에는 인이 그다지 풍부하지 않습니다. 따라서 인의 순환에 대해 생태학자들은 매우 큰 관심을 가지고 있습니다. 탄소나 질소의 순환과는 달리, 지구적 차원의 인 순환에서 사실상 대기 중에 인이 존재하지 않습니다. 인은 무기 퇴적물과 해양 퇴적토에 가장 많은 양이 존재합니다. 인이 풍부한 퇴적암을 채굴하며 비료를 만들어 농지에 사용합니다. 토양은 상당한 양의 인을 가지고 있을지도 모릅니다. 하지만 토양에 있는 많은 양은 식물이 직접 이용할 수 없는 화학적 형태로 존재합니다. 인은 암석의 풍화를 통해서 천천히 육상과 수생 생태계로 배출됩니다. 인은 무기 퇴적물로부터 배출되어서 식물에 흡수되어 생태계를 순환합니다. 균근은 일반적으로 육상 생태계에서 식물이 인을 흡수하는데 핵심적인 역할을 합니다. 그러나 많은 양의 인이 강으로 씻겨 내려가고 바다로 흘러갑니다. 그리고 흘러간 인은 바닥에 퇴적토로 쌓이기 전까지 바닷물에 녹아 있는 상태로 존재합니다. 결국 해양의 퇴적토는 지질학적 융기로 새로운 육지를 형성할 수 있는, 인산을 함유한 퇴적암으로 바뀔 것입니다. 쉬레징어는 퇴적암이 풍화되며 배출되는 인은 적어도 한 번은 지구적 순환을 거쳤을 것으로 가정하였습니다. 인의 생물권 내 평균 체류시간은 거의 수천 년 정도로 추정됩니다.

질소

질소는 생물의 구조와 기능에 필수적입니다. 질소는 아미노산, 핵산, 그리고 엽록소와 헤모글로빈의 포르피린 고리와 같은 핵심 생체분자의 성분이 됩니다. 질소는 질소분자의 형태로 대기중에 있습니다. 그러나 매우 소수의 생물만이 대기 중의 질소 분자를 직접 이용할 수 있습니다. 담수와 바다 그리고 토양에 사는 시아노박테리아 또는 남조류, 자유생활을 하는 토양 세균, 콩과식물의 뿌리에 공생하는 세균, 오리나무 및 다른 여러 종의 목본류 뿌리와 관련 있는 방선균규 등이 질소고정자역할을 하는 생물들입니다. 질소 분자의 질소원자사이에 존재하는 강한 삼중결합 때문에 질소고정은 에너지를 필요로 하는 과정입니다. 질소고정이 진행되는 동안 질소분자는 암모니아로 환원됩니다. 질소고정은 산소가 있는 육상과 수환경 조건에서 일어나며, 질소를 고정하는 생물은 당을 산화시켜 필요한 에너지를 얻습니다. 또한 질소고정은 높은 압력및 번개에서 발생되는 에너지에 의한 물리적 과정으로도 일어납니다. 생태학자들은 생태계애서 순환하는 모든 질소는 궁극적으로 생물이나 번개에 의한 질소고정 과정을 거쳐 순환과정에 들어온 것으로 생각합니다. 질소가 일단 질소고정 생물에 의해 고정되면 생태계 내의 다른 생물들이 이용할 수 있게 됩니다. 생물이 죽으면 질소는 분해작용을 하는 균류와 세균에 의해 배출됩니다. 이들 균류와 세균은 암모니아화 과정을 통해 질소를 암모늄의 형태로 배출합니다. 암모늄과 질산염은 세균과 균류 및 식물이 직접 이용할 수 있습니다. 유기물 사체의 질소 또한 균근균이 직접 이용할 수 있으므로 식물에게 전달됩니다. 세균 및 곰팡이 그리고 식물의 체내에 들어있는 질소는 소비자인 동물에게 전달되거나, 다시 사체 상태의 유기물질로 바뀌어 저장되었다가, 재순환 과정에 들어갑니다. 생태학자들은 고정된 질소의 생물권 내 평균 체류시간을 약 625년 정도로 추정합니다. 

탄소 순환

탄소는 모든 유기분자의 필수 요소이며 대기의 구성요소입니다. 이산화탄소나 메탄같은 탄소화합물은 지구의 기후에 큰 영향을 미칩니다. 대기 중 탄소와 기후의 관련성 때문에 지구상 모든 국가들이 함께 탄소순환에 대한 논의를 합니다. 탄소는 광합성과 호흡이라는 두 가지 상호적인 생물작용의 결과에 의해 생물과 대기 사이를 이동합니다. 광합성은 대기로부터 이산화탄소를 제거하지만, 분해자를 포함한 1차 생산자와 소비자에 의한 호흡으로 이산화탄소의 형태로 탄소를 대기로 돌려보냅니다. 수생 생태계에서 이산화탄소는 우선 물에 녹아야만 수생 1차 생산자가 이용할 수 있습니다. 일단 물에 녹으면, 이산화탄소는 중탄산염 및 탄산염과 화학적 평형을 이룹니다. 탄산염은 탄산칼슘의 형태로 침전되어 해양 퇴적토에 묻힐 수 있습니다. 일부탄소는 생물체와 대기사이를 빠르게 순환하지만, 일부는 매우 오랫동안 상대적으로 이용불가능한 형태로 격리되어 존재하기도 합니다. 토양, 토탄, 화석연료, 그리고 탄산염 암석 속의 탄소는 대기 중으로 돌아가기 전까지 대체로 오랜 시간이 걸립니다. 그러나 현대에는 인간이 경제 시스템에 필요한 에너지를 공급하기 위해 화석연료를 개발하면서, 화석연료가 대기 중 이산화탄소의 주요 공급원이 되었습니다. 생태계생태학자들은 생태계 내에서 양분의 이동과 저장, 보존을 조절하는 요인에 대해 연구합니다. 그러나 아직 연구해야 할 부분이 매우 많이 남아 있으며, 특히 생태계 내와 생태계 간의 양분 교환 속도를 조절하는 기제에 대해서는 연구해야 할 것이 많습니다. 사실상 양분교환은 분해작용의 영향을 받습니다.