4.7 Stoffenes kretsløp

Naturens evige gjenbrukssystem

Har du noen gang tenkt på at vannet du drakk i morges, kanskje ble drukket av en dinosaur for 65 millioner år siden? Eller at karbonet i kroppen din en gang var en del av en plante som vokste i en skog for hundre år siden? Det høres kanskje ut som en vill tanke, men det er faktisk sant.

Stoffene på jorda forsvinner nemlig aldri. De bare flytter på seg. Atomer og molekyler beveger seg i store kretsløp mellom luft, vann, jord og levende organismer, i det vi kaller stoffenes kretsløp, også kjent som biogeokjemiske kretsløp. Tenk på det som naturens eget gigantiske gjenbrukssystem. Mens energi stadig strømmer gjennom økosystemer og til slutt avgis som varme ut i verdensrommet, blir stoffene resirkulert om igjen og om igjen.

I dette kapittelet skal vi følge fire viktige stoffer på reisen deres gjennom naturen. Vi begynner med vannet som faller som regn og fordamper tilbake til skyene. Så følger vi karbonet som pendler mellom atmosfæren og alt levende. Deretter ser vi på nitrogenet som må gjennom en hel serie bakterier før plantene kan bruke det. Og til slutt møter vi fosforet, som skiller seg ut ved å aldri bli til gass. La oss begynne reisen.

Vannets kretsløp: En dråpes evige reise

Forestill deg at du står ved havet en varm sommerdag. Sola skinner på havoverflaten, og noe du ikke kan se med det blotte øye skjer hele tiden: Vannmolekyler får nok energi fra sola til å løsrive seg fra overflaten og stige opp i lufta som usynlig vanndamp. Denne prosessen kaller vi fordamping, og det er sola som driver den. Samtidig avgir planter rundt deg vanndamp gjennom bladene sine i en prosess som heter transpirasjon. Begge deler tilfører vanndamp til atmosfæren.

Når vanndampen stiger høyere opp, møter den kaldere luft. Da skjer kondensering: Vanndampen går fra gassform tilbake til bittesmå vanndråper som danner skyene du ser over deg. Når dråpene i skyene vokser seg store nok, faller de ned som nedbør, enten det er regn, snø, sludd eller hagl.

Vannet som treffer bakken har flere mulige veier videre. Det kan renne langs overflaten som avrenning, ned i bekker, elver og innsjøer, og til slutt tilbake til havet. Det kan sige ned i jorda gjennom infiltrasjon og bli til grunnvann som beveger seg sakte gjennom bakken. Eller det kan bli tatt opp av planterøtter og delta i transpirasjon. Grunnvannet kan komme ut igjen i kilder, elver eller rett i havet, noen ganger etter hundrevis av år.

Uten dette kretsløpet ville det ikke vært ferskvann på land. Ingen elver, ingen innsjøer, ingen regn. Vannets kretsløp er rett og slett forutsetningen for alt liv slik vi kjenner det.

Karbonkretsløpet: Grunnlaget for alt liv

Karbon er et helt spesielt grunnstoff. Det finnes i alle levende organismer, i luften du puster, i havet, i jorda og dypt nede i bergartene. Karbonkretsløpet beskriver hvordan dette grunnstoffet pendler mellom atmosfæren, havet, levende organismer og jordskorpa. Og det har to hastigheter.

Det raske karbonkretsløpet handler om utvekslingen mellom luft og liv, og tar fra dager til noen hundre år. Grønne planter og alger tar opp karbondioksid fra atmosfæren gjennom fotosyntese og bruker solenergi til å bygge organiske molekyler som glukose. Slik bindes karbonet i levende materiale. Når organismer bruker disse molekylene til celleånding for å skaffe energi, frigjøres CO₂ tilbake til atmosfæren. Og når organismer dør, bryter nedbrytere som bakterier og sopp ned det organiske materialet, og karbonet returnerer som CO₂.

Det langsomme karbonkretsløpet tar tusenvis til millioner av år. Noen døde organismer ble begravd under trykk og varme over enorme tidsrom og omdannet til fossile brensler: kull, olje og naturgass. Disse er gigantiske karbonlagre. Skjell og koraller som inneholder karbonater kan over tid bli til kalkstein. Og havet tar opp enorme mengder CO₂ fra atmosfæren og er jordens største karbonlager.

Her kommer problemet: Når vi brenner fossile brensler, frigjør vi karbon som har vært lagret i millioner av år. CO₂-nivået i atmosfæren har steget fra rundt 280 ppm før den industrielle revolusjonen til over 420 ppm i dag. Denne ekstra CO₂-en forsterker drivhuseffekten og fører til global oppvarming. Vi har med andre ord forstyrret balansen i karbonkretsløpet.

Nitrogenkretsløpet: Bakterienes store bidrag

Her kommer et paradoks. Nesten 78 prosent av luften vi puster inn er nitrogengass, N₂. Nitrogen er livsviktig, det inngår i proteiner og DNA. Likevel kan nesten ingen organismer bruke N₂-gassen direkte. Grunnen er at de to nitrogenatomene i N₂ er bundet sammen med en ekstremt sterk trippelbinding som er veldig vanskelig å bryte.

Løsningen er nitrogenfiksering. Spesielle bakterier, som Rhizobium, lever i knoller på røttene til belgvekster som erter, bønner og kløver. Disse bakteriene har evnen til å bryte trippelbindingen i N₂ og omdanne nitrogen til ammonium, NH₄⁺, som plantene kan bruke. Lyn kan også fiksere nitrogen takket være den enorme energien i et lynnedslag. Og vi mennesker gjør det industrielt gjennom Haber-Bosch-prosessen for å lage kunstgjødsel.

Men ammonium er bare første steg. Nitrifikasjonsbakterier i jorda omdanner ammonium til nitrat, NO₃⁻, som er den formen planter lettest tar opp gjennom røttene. Denne prosessen kalles nitrifikasjon. Plantene bruker nitratet til å bygge aminosyrer, proteiner og DNA i en prosess som kalles assimilasjon. Dyr som spiser planter får nitrogenet videre gjennom næringskjeden.

Når planter og dyr dør, eller når dyr skiller ut avfallsstoffer, bryter nedbrytere ned det organiske materialet og omdanner nitrogenet tilbake til ammonium. Dette kalles ammonifisering. Og i oksygenfattige miljøer, som vannmettet jord, omdanner denitrifikasjonsbakterier nitrat tilbake til N₂-gass som returnerer til atmosfæren. Slik sluttes sirkelen.

Et viktig poeng: Bruken av kunstgjødsel har økt mengden reaktivt nitrogen i naturen enormt. Overflødig nitrogen kan renne av til innsjøer og fjorder og forårsake algeoppblomstring og oksygenmangel, et problem vi kaller eutrofiering.

Fosforkretsløpet: Kretsløpet uten gass

Fosforkretsløpet er den stille avvikeren blant stoffkretsløpene. Mens vann, karbon og nitrogen alle har en gassfase og passerer gjennom atmosfæren, gjør ikke fosfor det. Fosfor sirkulerer bare mellom bergarter, jord, vann og levende organismer, og det gjør kretsløpet ekstra sårbart.

Reisen begynner i bergartene. Fosfor er bundet i mineraler som apatitt, dypt inne i stein. Over lang tid forvitrer bergartene, vær og vind, is og temperaturendringer bryter sakte ned steinen, og fosfat, PO₄³⁻, frigjøres til jorda. Planter tar opp fosfat fra jordvæsken gjennom røttene og bruker det til å bygge DNA, RNA og det livsviktige energimolekylet ATP. Dyr som spiser planter får fosfor videre, og bruker det i bein, tenner, DNA og energiomsetning.

Når planter og dyr dør, bryter nedbrytere ned organisk materiale og frigjør fosfat tilbake til jorda. Noe fosfat renner av til elver og havet, der det kan tas opp av alger og sjøplanter, eller synke ned og bli til sedimenter på havbunnen. Over millioner av år kan sedimentene bli til nye bergarter, og kretsløpet starter forfra.

Men fosfor har et alvorlig problem knyttet til menneskelig aktivitet. Kunstgjødsel, husdyrgjødsel, kloakk og vaskemidler tilfører store mengder fosfor til naturen. Når overflødig fosfor renner av til innsjøer og fjorder, skjer det samme som med nitrogen: Algene får rikelig næring og vokser eksplosivt. De store mengdene alger dør, nedbryterbakterier bruker opp oksygenet, og resultatet er oksygenmangel og fiskedød. Fosfor er faktisk ofte den begrensende faktoren for algevekst i ferskvann, noe som betyr at selv små tillegg av fosfor kan utløse dramatisk algeoppblomstring.

Oppsummering

I dette kapittelet har vi fulgt fire stoffer på reisen gjennom naturens kretsløp og sett at stoffene på jorda aldri forsvinner, de bare sirkulerer mellom det levende og det ikke-levende miljøet.

Vannets kretsløp drives av solenergi. Vann fordamper fra hav og vannoverflater, planter bidrar med transpirasjon, vanndamp kondenserer til skyer, og nedbør faller tilbake til jorden som regn eller snø. Vannet renner av på overflaten eller siger ned som grunnvann, og kretsløpet starter på nytt. Uten dette kretsløpet ville det ikke vært ferskvann tilgjengelig på land.

Karbonkretsløpet har to tempoer. Det raske kretsløpet handler om fotosyntese som binder CO₂ i organiske molekyler, og celleånding og nedbrytning som frigjør CO₂ tilbake. Det langsomme kretsløpet involverer fossile brensler og bergarter over millioner av år. Forbrenning av fossile brensler har økt CO₂-nivået i atmosfæren fra 280 til over 420 ppm, noe som forsterker drivhuseffekten og gir global oppvarming.

Nitrogenkretsløpet er avhengig av ulike typer bakterier. Nitrogenfikserende bakterier omdanner N₂ til ammonium, nitrifikasjonsbakterier omdanner ammonium til nitrat som planter tar opp, og denitrifikasjonsbakterier returnerer nitrogen til atmosfæren. For mye nitrogen fra kunstgjødsel kan føre til eutrofiering.

Fosforkretsløpet skiller seg ut ved å mangle gassfase. Fosfor frigjøres fra bergarter ved forvitring, tas opp av planter, og returnerer til jorda ved nedbrytning. Overflødig fosfor fra gjødsel kan også forårsake eutrofiering i innsjøer og fjorder.