1.5 Kretsløp i naturen

Det samme atomet, om og om igjen

Her er en tanke som kan svimle deg litt: et karbonatom som akkurat nå er en del av deg, kan for lenge siden ha vært en del av en dinosaur, en gran eller en bølge i havet. Atomer forsvinner nemlig ikke. De brukes om og om igjen, i evige kretsløp gjennom naturen.

Dette er en viktig forskjell fra forrige kapittel. Energi strømmer gjennom et økosystem i én retning – fra sola, gjennom næringskjedene, og ut igjen som varme. Energi kan ikke gjenbrukes. Men næringsstoffene sirkulerer. De samme atomene går rundt og rundt mellom levende organismer, atmosfæren, vannet og jordskorpa.

Disse kretsløpene kaller vi biogeokjemiske, fordi de involverer levende organismer (bio), geologiske deler som jord, berg og hav (geo), og kjemiske reaksjoner. De viktigste er karbonkretsløpet, nitrogenkretsløpet og vannkretsløpet. For deg som skal jobbe med jord, skog og dyr, er disse kretsløpene avgjørende – det er tross alt nitrogen som gjør jorda fruktbar, karbon som styrer klimaet, og vann som driver det hele. La oss følge atomene på reisen deres.

Karbonet på reise

Karbon er byggesteinen i alle organiske molekyler, og det vandrer mellom atmosfæren, biosfæren, havet og jordskorpa. I atmosfæren finnes det først og fremst som karbondioksid, $CO_2$, som utgjør bare rundt $0{,}04\%$ av lufta, men likevel er avgjørende for drivhuseffekten som holder jorda varm.

Karbon tas ut av lufta på to hovedmåter: ved fotosyntese, der planter og alger bygger karbonet inn i organiske molekyler, og ved at $CO_2$ løser seg i havvann. Det frigjøres igjen ved celleånding, der alle organismer puster ut $CO_2$, ved forbrenning og ved nedbryting av dødt materiale. Fotosyntese og celleånding er rett og slett motsatte prosesser: ved fotosyntese går $6CO_2 + 6H_2O + \text{lys} \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2$, og ved celleånding går det andre veien, $C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + \text{energi}$.

La oss følge ett karbonatom. Det starter som $CO_2$ i lufta. En bjørk tar det opp ved fotosyntese og bygger det inn i glukose, som blir til cellulose i et blad. En larve spiser bladet, og atomet blir en del av larvens kropp. En meise spiser larven, og karbonet havner i meisens fjær. Når meisen dør, bryter sopp og bakterier den ned, og ved celleånding frigjøres atomet som $CO_2$ til lufta igjen. Hele reisen kan ta alt fra noen dager til tusenvis av år, avhengig av om karbonet underveis blir lagret i jord, torv eller fossilt brensel som olje og kull.

Nitrogenets omveier og vannets evige runde

Nitrogen er nødvendig for proteiner og DNA, og selv om hele $78\%$ av lufta er nitrogengass, $N_2$, kan nesten ingen organismer bruke den formen direkte. Nitrogengassen har en så sterk trippelbinding mellom de to nitrogenatomene at planter mangler enzymene som skal til for å bryte den. Nitrogenet må derfor «fikseres» – omdannes til former plantene kan ta opp.

Denne nitrogenfikseringen kan skje på tre måter. Biologisk gjør spesialiserte bakterier jobben; rhizobium-bakterier lever i symbiose i røttene på belgvekster som erter, bønner og kløver, og omdanner $N_2$ til ammonium. Industrielt skjer det i gjødselfabrikker gjennom Haber-Bosch-prosessen. Og litt skjer ved at lyn spalter $N_2$. Vel nede i jorda omdanner nedbrytere organisk nitrogen til ammonium, en prosess som heter ammonifikasjon, og bakterier omdanner ammonium videre til nitrat ved nitrifikasjon. Plantene tar så opp både ammonium og nitrat. Til slutt lukker denitrifikasjon kretsløpet: bakterier i oksygenfattige miljøer som våtmarker gjør nitrat tilbake til $N_2$, som stiger opp i lufta igjen.

Det er nettopp dette belgvekstene utnytter når bønder driver vekselbruk. Et år dyrkes korn, som tærer på nitrogenet i jorda. Neste år dyrkes belgvekster, som tilfører nitrogen via bakteriene i røttene. Slik holdes jorda fruktbar uten kunstgjødsel.

Vannet har sitt eget kretsløp, drevet av sola. Vann fordamper fra hav, innsjøer og jord, og planter slipper ut vann gjennom bladene ved transpirasjon. Oppe i lufta kondenserer vanndampen til skyer, faller som nedbør i form av regn, snø eller hagl, og renner tilbake til havet via elver og grunnvann. Av alt vannet på jorda er hele $97\%$ saltvann, $2\%$ er bundet som is og snø, og bare $1\%$ er ferskvann vi kan bruke.

Når mennesket griper inn i kretsløpene

Kretsløpene gikk fint sin gang i millioner av år før vi mennesker for alvor begynte å rote i dem. Nå setter vi tydelige spor i alle tre.

I karbonkretsløpet er det forbrenningen av fossilt brensel som er hovedproblemet. Olje, kull og gass er karbon som ble fanget ut av atmosfæren og lagret i jordskorpa for millioner av år siden. Når vi brenner det, frigjøres dette gamle karbonet på noen få tiår – mye raskere enn det ble lagret. Da tilfører vi «nytt» karbon til den aktive delen av kretsløpet, $CO_2$-innholdet i atmosfæren stiger, drivhuseffekten forsterkes, og klimaet endrer seg. Avskoging gjør det verre fordi den reduserer naturens opptak.

I nitrogenkretsløpet har kunstgjødsel mer enn doblet den naturlige nitrogenfikseringen på jorda. Når overflødig nitrogen renner av jordene og ut i vassdrag og hav, fører det til eutrofiering – overgjødsling som gir kraftig algevekst. Når algene dør og brytes ned, bruker nedbryterne opp oksygenet i vannet, og resultatet kan bli oksygenmangel og død for fisk og bunndyr, det vi kaller «døde soner».

I vannkretsløpet gir urbanisering mer rask avrenning og mindre infiltrasjon i grunnen, og demninger endrer den naturlige vannføringen i elvene. Resultatet er endrede vannforhold og tap av leveområder.

Poenget er ikke at all menneskelig aktivitet er ødeleggende, men at kretsløpene er følsomme. Forstår du hvordan de fungerer, forstår du også hvorfor bærekraftig jordbruk, skogbruk og fiske handler om å arbeide med kretsløpene i stedet for mot dem.

Oppsummering

Vi fulgte atomene på deres evige reise og så at energi strømmer i én retning, mens næringsstoffer sirkulerer i biogeokjemiske kretsløp. I karbonkretsløpet tas karbon opp ved fotosyntese og frigjøres ved celleånding, forbrenning og nedbryting – og vi fulgte et karbonatom fra lufta gjennom bjørk, larve og meise og tilbake.

I nitrogenkretsløpet så vi hvordan bakterier fikserer luftnitrogen til former planter kan bruke, hvordan ammonium og nitrat omdannes i jorda, og hvordan belgvekster beriker jorda i vekselbruk. Vannkretsløpet drives av sola gjennom fordamping, kondensasjon, nedbør og avrenning.

Til slutt så vi hvordan vi mennesker griper inn: fossil forbrenning øker $CO_2$, kunstgjødsel gir eutrofiering, og utbygging endrer vannets gang. Bærekraftig naturbruk handler om å arbeide med kretsløpene, ikke mot dem.