Biologijoje maistinių medžiagų ciklas yra sąvoka, apibūdinanti, kaip maistinės medžiagos iš fizinės aplinkos patenka į gyvus organizmus ir vėliau yra perdirbamos atgal į fizinę aplinką. Šis cirkuliacinis maistinių medžiagų judėjimas yra būtinas bet kuriai ekosistemai, jis turi būti subalansuotas ir stabilus, kad sistema išliktų. Daugeliu atvejų žmogaus veikla turėjo didelę įtaką šiems procesams, todėl atsirado neigiamų padarinių. Yra daug skirtingų maistinių medžiagų ciklų, kurių kiekvienas turi savo specifinius kelius, tačiau bene svarbiausi yra tie, kuriuose dalyvauja anglies, deguonies, azoto ir fosforo elementai.
Anglies ciklas
Šis maistinių medžiagų ciklas prasideda fotosinteze – procesu, kurio metu augalai, dumbliai ir kai kurios bakterijos naudoja saulės spindulių energiją, kad sujungtų atmosferos anglies dioksidą (CO2) ir vandenį, kad susidarytų cukrus, krakmolas, riebalai, baltymai ir kiti jų naudojami junginiai. ląstelėms kurti arba laikyti maistui. Tokiu būdu augalai pašalina anglį iš atmosferos ir kaupia ją, todėl ji tampa prieinama augalus valgantiems žolėdžiams. Žolėdžiai naudoja dalį anglies, kurią sunaudoja ląstelėms kurti ir taisyti, kad ji kauptųsi jų kūne. Likusi dalis naudojama energijai gauti: ji sujungiama su deguonimi iš oro, kad susidarytų CO2, kuris vėliau iškvepiamas, grąžinant anglį tiesiai į atmosferą.
Žolėdžių, pavyzdžiui, elnių, organizme sukaupta anglis gali būti perdirbta, kai gyvūnas miršta. Arba gyvūną gali nužudyti ir suėsti mėsėdis, pavyzdžiui, vilkas. Tokiu atveju mėsėdis miršta bus perdirbamas. Negyvas augalines ir gyvūnines medžiagas skaido kiti organizmai, tokie kaip grybai ir bakterijos. Šis procesas anglies dioksido pavidalu išleidžia atgal į atmosferą.
Šiame bendrame procese yra keletas komplikacijų. Pavyzdžiui, negyvos organinės medžiagos kartais gali būti palaidotos po nuosėdomis, todėl anglis tampa nepasiekiama gyviems organizmams. Ši palaidota medžiaga sudarė anglies ir naftos telkinius, kuriuos žmonės dabar naudoja kaip iškastinį kurą. Degant šiems junginiams susidaro anglies dioksidas, kuris patenka į atmosferą. Mokslininkai sutaria, kad dėl iškastinio kuro deginimo didėjantis CO2 lygis keičia Žemės klimatą pasauliniu mastu.
Anglis taip pat gali būti užrakinta uolienose, kai anglies dioksidas ištirpsta vandenyje. Kai kurių tipų jūrų organizmai gali sujungti ištirpusį anglies dioksidą su kalciu, kad sukurtų apvalkalus, sudarytus iš kalcio karbonato. Kai šie organizmai miršta, lukštai kaupiasi kaip nuosėdos ir galiausiai susidaro kalkakmenio uoliena. Ilgą laiką kalkakmenis gali iškelti į paviršių dėl geologinių procesų, kai rūgštus vanduo gali su ja reaguoti ir išmesti CO2 atgal į atmosferą.
Deguonies ciklas
Šis ciklas yra glaudžiai susijęs su anglies ciklu ir prasideda toje pačioje vietoje: fotosintezė, kuri išskiria deguonį į orą. Tai savo ruožtu sugeria deguonimi kvėpuojantys organizmai, kurie sujungia jį su anglimi ir į atmosferą išskiria anglies dioksidą. Tada CO2 naudojamas fotosintezėje, kad vėl būtų išleistas deguonis. Kitų šaltinių, tokių kaip negyvų organinių medžiagų skaidymas ir iškastinio kuro deginimas, anglies dioksidas taip pat naudojamas fotosintezei, gaminantis deguonį.
Azoto ciklas
Azotas yra būtinas visų žinomų gyvybės formų elementas, reikalingas aminorūgščių, baltymų ir DNR susidarymui. Nors 78% Žemės atmosferos sudaro šis elementas, augalai tokia forma jo negali naudoti tiesiogiai. Dujų molekulės susideda iš dviejų atomų, kuriuos kartu laiko labai stipri triguba jungtis, todėl joms labai sunku reaguoti su kitais elementais. Nepaisant to, azotas turi savo maistinių medžiagų ciklą.
Yra du pagrindiniai būdai, kuriais šis elementas gali tapti prieinamas gyviems organizmams. Paprastai, norint nutraukti ryšius tarp azoto molekulės atomų, reikia daug energijos. Šią energiją gali gauti žaibas, dėl kurio dalis azoto susijungia su deguonimi, sudarydami azoto oksidus. Jie gali ištirpti lietaus vandenyje ir sudaryti labai praskiestą azoto rūgštį, kuri reaguoja su mineralais dirvožemyje, sudarydama nitratus. Nitratai tirpsta vandenyje ir juos lengvai pasisavina augalai.
Didžioji dalis azoto gyvuose organizmuose gaunama iš proceso, vadinamo azoto fiksavimu. Tai apima dirvožemyje esantį atmosferos azotą į amoniaką, kurį vykdo įvairios bakterijos ir kai kurie dumbliai. Viena iš tokių bakterijų grupių, vadinama Rhizobium, formuoja mazgelius žirnių ir pupelių šaknyse. Dėl šios priežasties šiuos augalus ūkininkai dažnai augina kaip pasėlius, kai reikia praturtinti dirvą šiuo elementu.
Tokiu būdu susidaręs amoniakas kitų rūšių bakterijų paverčiamas nitratais, kuriuos pasisavina augalai. Kitas procesas, vadinamas denitrifikacija, grąžina azoto dujas į atmosferą. Vėlgi, tai atlieka bakterijos, kurios nitratus dirvožemyje redukuoja iki azoto.
Žmonės padarė didelę įtaką azoto ciklui. Kadangi nitratai labai gerai tirpsta vandenyje, lietus juos gali greitai pašalinti iš dirvožemio. Ten, kur pasėliai auginami intensyviai, prarastus nitratus dažnai tenka pakeisti nitratinėmis trąšomis. Šie junginiai gaminami pramoniniu būdu, naudojant procesus, kurių metu atmosferos azotas pirmiausia sujungiamas su vandeniliu, kad susidarytų amoniakas, o po to sujungiamas su deguonimi, kad susidarytų azoto rūgštis, kuri naudojama trąšoms gaminti.
Fosforo ciklas
Kaip ir azotas, šis elementas yra esminė DNR dalis. Jis taip pat reikalingas adenozino trifosfato (ATP) – junginio, kurį ląstelės naudoja energijai – gamybai. Pagrindinis natūralus fosforo šaltinis yra uolienos. Elementas patenka į vandenį ir dirvožemį fosfatų pavidalu erozijos ir oro sąlygų metu, o jį pasisavina augalai. Tada jis progresuoja maisto grandine per žolėdžius ir mėsėdžius, o šiems organizmams mirštant grįžta į dirvą.
Fosfatus iš dirvožemio gali išplauti lietaus vanduo, kaupiasi ežeruose ir upėse, kur dalį jų panaudoja vandens augalai ir kiti organizmai. Tačiau kai kuriuose fosfatuose vyksta cheminės reakcijos, dėl kurių susidaro netirpūs junginiai, kurie nusėda kaip nuosėdos. Iš jų ilgainiui susidaro uolienos ir tokiu būdu fosforas gali būti užblokuotas labai ilgam laikotarpiui – galbūt dešimtims ar šimtams milijonų metų. Galų gale, geologiniai procesai gali pakelti šią uolą, todėl erozija ir oro sąlygos gali grąžinti ją gyviems organizmams.
Dirbamose vietose, kaip ir azoto atveju, iš dirvožemio prarastą fosforą dažnai reikia pakeisti fosfatinėmis trąšomis, kad žemės ūkis ir toliau būtų pelningas. Šios trąšos daugiausia gaminamos iš fosfatinių uolienų, tokių kaip apatitas. Gyvulių mėšlo naudojimas pasėlių laukuose yra dar vienas pavyzdys, kai žmogus į dirvą įpila fosforo. Kai kuriais atvejais fosfato perteklius nuplaunamas į upes ir ežerus. Iš čia jis gali nusėsti į nuosėdas, tačiau kai kurie gali likti ištirpę, todėl per daug daugės dumblių.