ชีวธรณีเคมี

Q: ประวัติศาสตร์

วลาดิมีร์ เวอร์นาดสกี ผู้ก่อตั้งสาขาชีวธรณีเคมี

พบ แพสาหร่าย สีเขียวแกมน้ำเงิน ชนิด *Anabaena* sp. ( มีเฮเทอโรซิสต์ ) เป็นหลัก ใน ทะเลสาบ มาโยต์ ที่ระดับความลึก 14 เมตรสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน เหล่านี้ ตรึงไนโตรเจนและมีอิทธิพลต่อ สภาวะ รีดอกซ์ซึ่งมีส่วนช่วยในการหมุนเวียนทางชีวธาตุเคมีในสภาพแวดล้อมทางทะเล

ชีวธรณีเคมีเป็นสาขาวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาเกี่ยวกับกระบวนการและปฏิกิริยาทางเคมี ทางกายภาพ ทางธรณีวิทยา และทางชีววิทยาที่ควบคุมองค์ประกอบของสิ่งแวดล้อมทางธรรมชาติ (รวมถึงชีวภาค ธารน้ำแข็ง อุทกภาค ดิน บรรยากาศ และธรณีภาค ) โดยเฉพาะอย่าง ยิ่งชีวธรณีเคมีคือการ ศึกษาเกี่ยวกับวัฏจักรชีวธรณีเคมี วัฏจักรของธาตุเคมีเช่นคาร์บอนและไนโตรเจนและปฏิสัมพันธ์และการรวมตัวของธาตุเหล่านี้เข้ากับสิ่งมีชีวิตที่ถูกขนส่งผ่านระบบชีวภาพ ขนาดใหญ่ของโลกในอวกาศและเวลา สาขา นี้มุ่งเน้นไปที่วัฏจักรทางเคมีซึ่งถูกขับเคลื่อนหรือมีอิทธิพลต่อกิจกรรมทางชีววิทยา โดยเน้น ^เป็นพิเศษในการศึกษาวัฏจักรของคาร์บอน ไนโตรเจนออกซิเจนกำมะถัน เหล็กและฟอสฟอรัส [ ¹^]ชีวธรณีเคมีเป็นวิทยาศาสตร์เชิงระบบที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับนิเวศวิทยาเชิงระบบ

ประวัติศาสตร์

กรีกยุคต้น

ชาวกรีกโบราณได้วางรากฐานแนวคิดหลักของชีวธรณีเคมีที่ว่าธรรมชาติประกอบด้วยวัฏจักร^{[ 2 ]}

ศตวรรษที่ 18-19

ความสนใจทางการเกษตรในเคมีของดินในศตวรรษที่ 18 นำไปสู่ความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับสารอาหารและความเชื่อมโยงกับกระบวนการทางชีวเคมี ความสัมพันธ์ระหว่างวัฏจักรของสิ่งมีชีวิตอินทรีย์และผลิตภัณฑ์ทางเคมีได้รับการขยายความเพิ่มเติมโดยDumasและBoussingaultในบทความปี 1844 ซึ่งถือเป็นหลักชัยสำคัญในการพัฒนาชีวธรณีเคมี^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} Jean-Baptiste Lamarckเป็นคนแรกที่ใช้คำว่าชีวภาคในปี 1802 และคนอื่นๆ ก็ได้พัฒนาแนวคิดนี้ต่อไปตลอดศตวรรษที่ 19 ^{[ 3 ]}การวิจัยด้านสภาพภูมิอากาศในยุคแรกโดยนักวิทยาศาสตร์เช่นCharles Lyell , John TyndallและJoseph Fourierเริ่มเชื่อมโยงการเกิดธารน้ำแข็งการผุกร่อนและสภาพภูมิอากาศ^{[ 5 ]}

ศตวรรษที่ 20

ผู้ก่อตั้งชีวธรณีเคมีสมัยใหม่คือวลาดิมีร์ เวอร์นาดสกีนัก วิทยาศาสตร์ ชาวรัสเซียและยูเครนซึ่งหนังสือของเขาในปี 1926 เรื่องชีวภาค^{[ 6 ]}ตามแบบอย่างของเมนเดเลฟได้กำหนดฟิสิกส์ของโลกในฐานะสิ่งมีชีวิตทั้งหมด^{[ 1 ]}เวอร์นาดสกีได้จำแนกทรงกลมออกเป็นสามชั้น โดยที่ทรงกลมเป็นแนวคิดที่คล้ายกับแนวคิดของปริภูมิเฟส เขาตั้งข้อสังเกตว่าทรงกลมแต่ละชั้นมีกฎ การวิวัฒนาการของตนเองและทรงกลมที่สูงกว่าจะปรับเปลี่ยนและครอบงำทรงกลมที่ต่ำกว่า

ขอบเขต อชีวภาพ – กระบวนการพลังงานและสสารทั้งหมดที่ไม่มีสิ่งมีชีวิต
ชีวภาค – กระบวนการดำรงชีวิตที่เกิดขึ้นภายในขอบเขตของสิ่งไม่มีชีวิต
โนเอซิส หรือโนโอสเฟียร์ – ขอบเขตของกระบวนการทางปัญญา ของมนุษย์

กิจกรรมของมนุษย์ (เช่น เกษตรกรรมและอุตสาหกรรม ) เปลี่ยนแปลงชีวภาคและอชีวภาพ ในสภาพแวดล้อมปัจจุบัน อิทธิพลของมนุษย์ที่มีต่ออีกสองภาคส่วนนั้นเทียบได้กับพลังทางธรณีวิทยา (ดูยุคแอนโทรโปซีน )

G. Evelyn Hutchinson นักอุทกวิทยาและนักธรณีเคมี ชาวอเมริกันได้รับการยกย่องว่าได้วางกรอบขอบเขตและหลักการกว้างๆ ของสาขาใหม่นี้ เมื่อไม่นานมานี้ องค์ประกอบพื้นฐานของสาขาวิชาชีวธรณีเคมีได้รับการกล่าวซ้ำและเผยแพร่โดยJames Lovelock นักวิทยาศาสตร์และนักเขียนชาวอังกฤษ ภายใต้ชื่อสมมติฐานไกอา Lovelock เน้นย้ำแนวคิดที่ว่ากระบวนการชีวิตควบคุมโลกผ่าน กลไก ป้อนกลับเพื่อให้โลกสามารถอยู่อาศัยได้ งานวิจัยของManfred Schidlowskiเกี่ยวข้องกับชีวเคมีของโลกยุคแรก^[⁷^]

วัฏจักรทางชีวธรณีเคมี

วัฏจักรทางชีวธรณีเคมีคือเส้นทางที่สารเคมี หมุนเวียน (เปลี่ยนมือหรือเคลื่อนย้ายผ่าน) ส่วนประกอบ ทางชีวภาพและ ส่วนประกอบ ที่ไม่ใช่ชีวภาพของโลกส่วนประกอบทางชีวภาพคือชีวภาคและส่วนประกอบที่ไม่ใช่ชีวภาพคือบรรยากาศอุทกภาค และธรณีภาค มีวัฏจักรทางชีวธรณีเคมีสำหรับธาตุเคมี เช่น แคลเซียม คาร์บอน ไฮโดรเจน ปรอท ไนโตรเจน ออกซิเจน ฟอสฟอรัส ซีลีเนียม เหล็ก และกำมะถันรวมถึงวัฏจักรระดับโมเลกุลเช่นน้ำและ ซิลิกา นอกจากนี้ยัง มีวัฏจักรระดับมหภาคเช่นวัฏจักรหินและวัฏจักร ที่มนุษย์สร้างขึ้นสำหรับสารประกอบสังเคราะห์ เช่นโพลีคลอริเนเตดไบฟีนิล (PCBs) ในบางวัฏจักรมีแหล่งกักเก็บที่สารสามารถคงอยู่หรือถูกกักเก็บไว้เป็นเวลานาน^[⁸^]^[⁹^]^[¹⁰^]

วิจัย

Max-Planck-Institut สำหรับ Biogeochemie, Jena

กลุ่มวิจัยด้านชีวธรณีเคมีมีอยู่มากมายในมหาวิทยาลัยทั่วโลก เนื่องจากเป็นสาขาที่มีความหลากหลายทางสหวิทยาการสูง กลุ่มวิจัยเหล่า นี้จึงอยู่ ภาย ใต้สาขาวิชาหลักที่หลากหลาย เช่นวิทยาศาสตร์บรรยากาศ ชีววิทยา นิเวศวิทยา จุลชีววิทยาทางธรณีวิทยา เคมีสิ่งแวดล้อมธรณีวิทยาสมุทรศาสตร์และวิทยาศาสตร์ดินโดยมักจะจัดอยู่ในสาขาวิชาที่ใหญ่กว่า เช่นวิทยาศาสตร์โลกและวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม

นักวิจัยจำนวนมากศึกษาวัฏจักรทางชีว ธาตุเคมีของ ธาตุ ต่างๆเช่นคาร์บอน ออกซิเจนไนโตรเจนฟอสฟอรัสและกำมะถันรวมถึงไอโซโทปเสถียรของธาตุ เหล่านั้น นอกจากนี้ยังมีการศึกษา วัฏจักรของธาตุติดตามเช่นโลหะติดตามและสารกัมมันตรังสีงานวิจัยนี้มีประโยชน์อย่างชัดเจนในการสำรวจแหล่งแร่และน้ำมัน และในการแก้ไขปัญหามลภาวะทางสิ่งแวดล้อม

สาขาการวิจัยที่สำคัญบางส่วนในด้านชีวธรณีเคมี ได้แก่:

การสร้างแบบจำลองของระบบธรรมชาติ
กระบวนการฟื้นฟูสภาพความเป็นกรดของดินและน้ำ
ภาวะยูโทรฟิเคชันของแหล่งน้ำผิวดิน
การกักเก็บคาร์บอน
การฟื้นฟูสิ่งแวดล้อม
การเปลี่ยนแปลงระดับโลก
การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ
การสำรวจทางชีวธรณีเคมีเพื่อค้นหาแหล่งแร่
เคมีของดิน
สมุทรศาสตร์เคมี