생물지구화학적순환(Biogeochemical cycle)

<C, H, N, O, P, S와 상대적인 원소 지름 비교>​

위의 원소는 유기화학의 6대 원소이며, 유기화학을 구성함으로써 가장 많이 등장하는 원소이기도 합니다. 이들은 오래 전에 우주의 별에서 생성되었고, 초신성 폭발이 일어났을때(수소는 빅뱅때, 나머지는 핵융합), 이 원소들은 우주로 퍼져나갔고 또한 지구로 왔습니다.​

CHNOPS는 탄소, 수소, 질소, 산소, 인, 황을 의미하며, 공유결합을 통해 지구상에서 생물학적 유기화합물을 구성하는 가장 중요한 6개의 화학원소를 나타냅니다. 공유결합은 서로 유사한 전기음성도의 원소들이 결합하는 방식으로써, 이 원소들은 높은 전기음성도를 가지는 모두 비금속 원소들입니다. 탄소, 수소, 산소, 질소가 인체의 구성의 대부분을 차지하는 원소라면, 인과 황의 경우는 아미노산의 시스테인과 메티오닌에는 황이 함유되어 있습니다. 인은 모든 세포막의 주요 구성 요소로써 지질 부류인 인지질에 포함되어 있습니다. 인지질은 세포 기능에 필요한 곳에 이온, 단백질, 그밖의 분자를 보존시켜 주고, 이것들이 있어서는 안되는 영역으로 확산되는 것을 막아주는 지질 이중층를 형성할 수 있습니다. 인산염 그룹은 또한 DNA와 RNA인 핵산을 이루는데 필수적인 성분이며, 모든 생명체에서 세포에 동력을 공급하는데 에너지로 사용되는 주요 분자인 ATP를 형성하는데 필요합니다. ​

CHNOPS는 유기화학의 가장 중요한 6개 화학원소이면서, 이들은 모두 생물지구화학적인 자체 순환하는 순환시스템을 가지는 원소이기도 합니다. Carbon cycle, hydrogen cycle, nitrogen cycle, oxygen cycle, phosphorus cycle, sulfur cycle이 그 예입니다. 이러한 화학 사이클의 생물 지구 화학적 순환은 생물권을 유지하는데 중요한 역할을 합니다.​

탄소의 순환(Carbon cycle)은 크게 이산화탄소와 산소의 순환과정이며, 이때 나오는 탄소는 생명체가 탄소화합물로 고정하며 이용합니다. 상당량의 탄소는 탄산칼슘 등의 형태로 지각에 존재하지만, 이산화탄소는 대기중에 존재합니다. 녹색 식물들은 대기중의 CO2를 자기영양에 의해 흡수 또는 섭취하며 성장합니다(세포호흡과정). 동물은 식물을 소비하고 체내에 구성 및 에너지로써 소비합니다. 동물과 식물은 특히, 동물은 이산화탄소를 호흡 등으로 발생시키며, 생물은 죽고 미생물에 의해 분해되면서, 이때 발생한 탄소는 다시 대기중으로 흡수됩니다. 탄소 순환에는 광합성, 호흡, 교환, 침전, 추출, 연소의 6가지 주요 과정이 있습니다.

​


<수소, 탄소, 산소의 동화작용(합성)과 이화작용(분해). 이들은 물, 이산화탄소, 포도당을 합성하며 또한 분해하는데, 이러한 상호작용은 지구에 생명체를 탄생시키며 지속가능하게하는 지구적(닫힌계 사이클) 또한 우주적(열린계 사이클)인 순환사이클을 이룬다.>

​

수소의 순환(Hydrogen cycle)은 위와 같이 탄소순환과 산소순환의 연결고리 역할을 합니다. 수소는 산소와 결합하여 물이 되고, 물은 암석과의 상호작용으로 수소를 자연적으로 생성할 수 있고, 미생물의 대사과정에서 부산물로 생성될 수 있습니다. 자유 수소가스는 다른 미생물에 의해 소비되거나, 대기 중에 광화학적으로 산화되거나, 우주로 손실될 수 있습니다. 식물은 광비의존성반응을 통해 이산화탄소를 고정하여 포도당으로 생성합니다. 식물은 광의존성반응을 통해 물로부터 수소를 흡수하고 대사하며, 이때 남은 산소를 공기중으로 배출합니다. 이러한 수소, 탄소, 산소의 상호작용 및 순환과정은 특히 생명체에 있어서 중요한 과정입니다.

​

수소(H)는 우주에서 가장 풍부한 원소입니다. 지구에서 일반적인 H 함유 무기 분자는 물(H2O), 수소 가스(H2), 황화수소(H2S), 암모니아(NH3) 등이 있습니다. 많은 유기 화합물들은 또한 탄화수소나 유기물과 같은 H 원자를 거의 다 포함하고 있습니다. 무기 및 유기 화합물에 수소 원자가 있다는 것을 감안할때, 수소 순환은 수소 분자 H2에 초점이 맞춰져 있습니다.

​

물의 순환(hydrologic cycle)의 관점에서 보면, 물은 화학변화없이 액체, 기체, 고체의 상변화를 겪으면서 증발과 강수의 과정을 통한 순환과정을 겪습니다. 물의 순환은 태양 에너지의 힘을 받습니다. 지구 증발의 86%가 바다로부터 일어나며, 증발 냉각에 의해 온도가 떨어집니다. 증발 냉각 효과가 없으면 온실효과의 현상이 두드러지게 됩니다.

​



​

질소의 순환(Nitrogen cycle)은 대기중에 가장 많은 원소인 질소를 순환시키는 과정입니다. 위의 그림처럼 대기중의 질소는 땅속 질소고정 박테리아 즉, 질소고정 및 질화세균에 의해 생명체가 이용가능한 형태인 질산염의 형태로 고정이 됩니다. 이것이 식물의 영양소로 공급이 되며, 식물은 성장을 합니다. 초식동물은 식물을 먹으며 질소를 공급받고 단백질을 만듭니다. 동물의 사채나 대소변에서 나오는 질소는 땅속 박테리아나 곰팡이에 의해 다시 질산염의 형태로 바뀝니다. 질산염의 일부는 탈질화세균에 의해 질소가 되어 대기중으로 방출됩니다. 질소는 식물의 주요한 구성 원소이며, 엽록소, 아미노산, 핵산, 막지질, 세포벽, 비타민, 알칼로이드 등을 구성하는데 필요합니다. 과거에는 자연계의 질소의 순환을 통한 질소고정이 한계가 있어서 식물의 성장이 제한 받았지만, 최근에는 질소비료의 대량생산을 통해, 토양에 질소를 공급함으로써, 작물이 대량생산되어 식량이 인위적으로 증대되었습니다.

​


​

아트라진(atrazine, 내분비교란물질)은 클로로트리아진(chlorotriazine) 계열의 제초제로 널리 쓰이는 유기화합물이며, 인간이 만들어낸 지구적 순환이 될 수 있습니다. 아트라진은 식물의 광합성을 방해하며, 순환하는 질소와 탄소를 크게 바꿀 수 있음을 시사합니다. 아트라진은 광계 II의 전자 전달계에 있는 단백질에 결합함으로써 작용합니다. 일단 아트라진이 단백질에 결합하면, 전자는 더 이상 광계 I에 도달하기 위한 이동을 할 수 없습니다. 광계(photosystem)는 광학성의 주요 광화학 반응들을 함께 수행하는 광합성과 관련된 단백질 복합체들이며, 빛의 흡수와 전자 전달(광인산화)에 관여합니다. 클로로트리아진은 위의 그림에서 방향족의 질소 3개와 염소 1개가 결합된 화합물로써 아미노기와 잘 반응하며 제초제를 구성하는 성분이고, 때로는 염료로 쓰입니다. R 잔기에 따라 위의 아트라진이 되고, 또다른 클로로트리아진 계열의 유사한 구조의 제초제인 시마진(simazine)이 있습니다.

​


​

산소의 순환(Oxygen cycle)은 위와 같이 광합성을 통해 생산되며, 호흡과 부패를 통해 소비됩니다. 사실 산소가 가장 많은 저장소는 지각과 맨틀의 규산염과 산화 광물안에 들어 있습니다. 이중에서 극히 일부인 0.5%만이 자유 산소로서 생물권과 대기에 존재합니다. 대기권 산소의 주 원천은 광합성이며, 이산화탄소와 물로부터 탄수화물과 산소를 만듭니다. 6CO2 + 6H2O + 에너지 → C6H12O6 + 6O2는 광합성의 과정입니다. 식물은 이산화탄소와 물 그리고 태양에너지를 통해 포도당과 산소를 만들어 냅니다.

​

대기중 산소는 광분해에서도 나옵니다. 여기서 고에너지 자외선(우주선)은 대기의 물과 아산화질소(N2O)를 원자로 분리시킵니다. 자유 H 및 N 원자는 대기중에서 빠져나오고, 대기중에 O2를 남깁니다. 2H2O + 에너지 → 4H + O2, 2N2O + 에너지 → 4N + O2. 대기에서 산소가 소비되는 요인은 강수와 부패이며, 여기서 동물과 박테리아는 산소를 소비하고 이산화탄소를 만들어 대기중으로 내보냅니다.

​


​

인의 순환(Phosphorus cycle)은 생명체와 환경 사이에서 일어나는 인의 생물지구화학적 순환을 의미합니다. 유기체들은 ATP와 DNA 및 RNA와 같은 핵산 성분을 만들기 위하여 또한 척추동물들은 뼈와 이를 만들기 위하여 인을 필요로 합니다. 탄소나 질소와 달리 인은 대기중에 있지 못하므로 오로지 지역적으로 국한되어 재순환 합니다. 가장 중요한 저장고는 바위이며, 풍화와 침식으로 마멸되어 무기 인산형태로 방출됩니다.

​


<인은 위의 그림처럼 주로 오르토인산(H3PO4)의 형태로 존재하며, 그 유도체들인 수소가 하나씩 제거되는 인산염은 오르토인산염이다. 오르토인산의 세개의 수소는 모두 다양한 정도의 산성을 가지고 있어서 분자로부터 H+이온이 떨어져 나갈 수 있다. 세개의 H+이온이 모두 떨어져 나가게 되면 일반적으로 인산염(phosphate)이라고 하는 오르토인산이온 PO43−이 된다.>

​

토양의 미생물 및 효소들은 무기 인산을 생명체가 이용가능한 수용성 인산염(PO43-, HPO42-, H2PO4-) 형태로 바꿀 수 있는 작용을 합니다. 식물은 이 인산염 이온을 토양으로부터 흡수하고 이것으로 인이 함유된 유기화합물을 만들어 냅니다. 동물들은 인을 식물로부터 유기물 형태로 합성하게 됩니다. 미생물과 같은 분해 생물들은 인을 다시 토양으로 되돌려 줍니다. 이러한 토양 미생물은 인 순환에서 이용 가능한 인의 흡수원이자 또한 공급원으로서 작용합니다. 토양에서 인의 농도가 낮으면 식물 생장이 감소하고 토양 미생물 생장이 느려지는데, 인류는 인 비료의 사용 그리고 농장에서 도시로 음식물의 수송을 통해 지구적인 인 순환에 큰 변화를 일으키고 있습니다. 인의 순환에 대한 인간의 간섭은 인 비료의 과다 사용에 의해 발생합니다. 이로 인해 수역의 오염물질로서 인의 양이 증가하여 부영양화를 일으키며, 부영양화는 무산소 상태(산소결핍)를 유발하여 수중 생태계를 파괴합니다.

​


<산화상태(산화수)의 변화가 없으므로 산화와 환원이 아니다>

​

대부분의 인은 지각암석에 무기인산이온(인산염)인 PO43-의 형태로 존재합니다. 인순환 다른 원소들의 순환과는 달리 산화와 환원의 순환과 대기권 순환이 없습니다. 또한 국지적으로 순환하며, 수백만년이 소요됩니다. 반면 생명체내의 인순환은 빠릅니다. 토양에 존재하는 인산수소음이온인 H2PO4-, HPO42- 및 PO43-는 식물이 이용가능한 PO43-의 형태로 이용 및 흡수되게 되고, 식물은 유기인산화화물을 생성하며 성장하고, 사후 다시 토양으로 되돌려 주게 됩니다. 토양세균은 유기인산화합물을 무기인산의 형태로 바꿉니다.

​


​

두개 이상의 오르토인산 분자는 탈수(물분자를 제거)되어 더 큰 분자로 축합될 수 있습니다. 2 H3PO4 → H4P2O7 + H2O. 이 과정은 인산 두개가 탈수축합되어 피로인산이 되는 과정입니다. 인산은 3개의 수소를 잃을 수 있고, 피로인산은 4개의 수소, 삼인산은 5개의 수소를 잃으며 인산염을 이룰 수 있습니다.

​


​

피로인산제이철(iron(Ⅲ) pyrophosphate, ferric pyrophosphate)은 3가 양이온 철 4개와 피로인산음이온 3개가 각각 12개의 전자를 주고 또한 받으며 이온결합을 한 화합물입니다. iron(Ⅲ)에서 Ⅲ는 3가 양이온을 의미합니다. 피로인산제일철(iron(Ⅱ) pyrophosphate, ferrous pyrophosphate)은 2가 양이온 철 2개와 피로인산음이온 1개가 각각 4개의 전자를 주고 또한 받으며 이온결합을 한 화합물입니다. 제일철, 제이철은 각각 철의 산화수가 +2, +3인 상태를 의미합니다.

​


​

황의 순환(Sulfur cycle)은 원소로서의 유황이 다양한 화합물의 일부가 됨으로써 화학종을 바꾸면서 생태계내를 순환하는 것입니다. 유황은 대기, 토양, 수역에 존재하므로 유황은 공간적으로도 지구 전체를 순환하고 있습니다. 유황은 생명체에 없어서는 안되는 역할을 하며 다양한 생화학적 물질에 유황이 존재합니다. 효소, 단백질, 비타민, 호르몬 등을 구성하며 만드는데에 유황이 중요한 원소입니다.

​

황화수소 H2S → 이산화황 SO2 → 수용성인 황산 H2SO4 → 토양에서 SO42−로 이온화 → 식물이 흡수 → 토양 세균에 의해 다시 H2S

​

화산폭발, 심해 열수공 등에서 분출된 황화수소(H2S), 이산화황(SO2) 등이 대기에서 황산염(SO42−)의 형태로 산화되며, 비 등을 통해 토양으로 침전되고, 이것을 토양에서 식물이 이용합니다. H2S는 유독가스인데 일부 세균은 이것을 이용하여 산소가 있는 조건에서 SO42−로 산화시켜 에너지를 얻습니다. SO42−는 유기체에 의해 동화되는데, 황산염은 시스테인 등의 황화물로 환원되어, 즉, 이러한 S2−는 유기화합물과 결합하여 유기황화합물로 바뀝니다. 황은 단백질을 구성하는데 필수 원소입니다. 일부 세균은 무산소 조건에서 SO42−를 이용하여 혐기적 호흡을 하며, 이를 H2S로 환원시켜 대기중으로 다시 보냅니다.

​

CHNOPS의 순환시스템을 통해 유기체(생물권)와 무기체(비생물권, 공기, 물, 흙, 돌 등)들은 전지구적인 공생관계를 형성하고 있습니다. 그외에도 칼슘, 철, 셀레늄, 수은 등의 전지구적 순환 과정이 있습니다.

​

지구의 생명 요소는 총칭하여 생물권이라고 할 수 있습니다. 생물에 의해 생태계에서 사용되는 탄소, 질소, 인, 유황과 같은 모든 영양소는 폐쇄되고 한정된 시스템의 일부입니다. 따라서 이러한 화학물질은 손실되는 대신 재활용되고 개방된 시스템처럼 지속적으로 보충됩니다. 생물권의 주요 부분은 화학 원소와 화합물의 흐름을 통해 연결되어 있습니다. 지구 내부의 물질은 화산에 의해 방출됩니다. 대기는 일부 화합물과 원소를 생물이나 해양과 빠르게 교환합니다. 암석, 토양, 바다 사이의 물질 교환은 일반적으로 더 느립니다. 생태계의 에너지 흐름은 전우주적으로 개방적인 열린 시스템입니다. 태양 에너지는 먹이사슬의 영양 수준에서 빛과 열의 형태로 사용되고 손실되는 동안 지속적으로 행성의 에너지를 빛의 형태로 제공합니다. 탄소는 탄수화물, 지방, 그리고 단백질을 만드는데 사용됩니다. 이 화합물들은 이산화탄소를 방출하기 위해 산화되는데, 이산화탄소는 식물에 의해 유기 화합물을 만들기 위해 포획될 수 있습니다. 이러한 화학반응은 또한 태양의 빛 에너지에 의해 촉진됩니다. 탄소와 수소, 산소를 결합해 에너지원으로 만들기 위해서는 햇빛이 필요하지만 햇빛이 침투할 수 없는 심해 생태계는 유황으로부터 주에너지를 얻습니다. 열수 분출구 근처의 황화수소는 거대 튜브 웜과 같은 유기체에 의해 이용될 수 있습니다. 유황순환에서 유황은 에너지원으로서 영원히 재활용될 수 있습니다. 에너지는 황 화합물의 산화 및 환원(예를들면 원소 황 S이나 H2S를 아황산염 SO32−으로 그리고 황산염 SO42−으로 산화, 그리고 이것은 다시 역으로 미생물 등에 의해 환원된다.)을 통해 방출될 수 있습니다.