Cycle of matter

Japanese: 物質循環 - ぶっしつじゅんかん（英語表記）cycle of matter

When the mechanism by which the Earth's biota infinitely utilizes finite materials is considered systematically, it is called material circulation. The biota are distributed on the Earth's surface, underground, and underwater, forming a layer that covers the Earth (the biosphere). When describing this biosphere as a functional material system, the term "geoecology" is used. In the geoecology, solar energy is converted into chemical energy to produce and accumulate organic matter, which is then consumed and reduced, becoming incorporated into the "geochemical material circulation." In addition, the Earth itself, which supports the biosphere, is also undergoing a "geochemical material circulation."

[Hironori Terakawa]

Geochemical cycle

Molten rocks (magma) crystallize and become igneous rocks, which weather to form sand and clay, forming sediments. The sediments become sedimentary rocks, which then become metamorphic rocks, and finally return to magma. This is the geochemical material cycle. During this cycle, which takes tens to hundreds of millions of years, soil materials are supplied to the biosphere. In other words, various rocks and sediments form soil through the action of living organisms, and the soil is eroded and broken down to become sediments, which are incorporated into the geochemical material cycle.

[Hironori Terakawa]

Earth biochemical material cycle

The geobiochemical material cycle is the circulation of materials between the inorganic environment and the living world consisting of producers (plants), consumers (animals), and reducers (fungi). Plants, as producers that take in inorganic materials into the living world and create organic matter, occupy an important position in this circulation process. Animals, as consumers of organic matter, help the fungi in their work. Furthermore, fungi occupy an important position as reducers that turn organic matter into inorganic matter and return it to the inorganic environment.

(1) Carbon cycle Carbon is an element that forms the framework of organic matter. Plants produce organic matter by absorbing large amounts of carbon in the form of carbon dioxide from the inorganic environment through photosynthesis. The carbon in the organic matter of a corpse is reduced to carbon dioxide mainly by fungi and returned to the inorganic environment. It is estimated that more than 90% of the carbon dioxide required for the net production of plants is produced by the work of fungi. Carbon dioxide is also produced by animal respiration, volcanic activity, forest fires, etc., but the amount is small compared to the work of fungi. The great reduction power of fungi is shown by the amount of oxygen consumed for reduction. The oxygen consumption of soil fungi is several hundred to tens of thousands times that of humans (60,000 times that of Azotobacter). In the case of one acre (about 40 ares) of fertile soil, about two tons of soil fungi live within a depth of 15 centimeters, and their work is said to be equivalent to that of tens of thousands of humans.

Carbon dioxide in the atmosphere is about 0.03% by volume, and the total weight of carbon is 600 billion tons. Incidentally, about 100 times this amount is dissolved in the ocean, where it is maintained in equilibrium. It is said that the amount of carbon that plants convert into organic matter in a year is 200 billion tons. Therefore, if we were to assume that carbon did not circulate, it would disappear in about 300 years (although depending on the assessment, the time frame ranges from 250 years to several hundred years). From this perspective, we can understand that material circulation is a system that infinitely utilizes the finite materials on Earth (oxygen produced by photosynthesis is 120 trillion tons per year, and if it did not circulate, this would disappear in several thousand years).

This natural carbon cycle has continued at a constant rate for hundreds of millions of years, but in the past few decades it has been disrupted by the release of carbon dioxide from the burning of huge amounts of fossil fuels (coal, oil, etc.). Until these fuels run out, the amount of carbon dioxide in the atmosphere will continue to increase, and the predicted environmental changes that this will cause are cause for concern. In addition, the repeated annual deforestation of vast areas of tropical forests and the ongoing global desertification phenomenon are also deeply related to the increase in atmospheric carbon dioxide.

(2) Nitrogen cycle Nitrogen is an essential substance for proteins and nucleic acids, and there are three sources of nitrogen: free nitrogen, inorganic nitrogen compounds, and organic nitrogen compounds. Of these, free nitrogen and inorganic nitrogen compounds are used by plants and fungi, while organic nitrogen compounds are used by animals and fungi. Free nitrogen accounts for 75% of the atmosphere, and is converted into ammonia by fungi and blue-green algae, and is also converted into nitric oxide and then into nitric acid by electrical discharge. Ammonia is absorbed by plants and soil fungi, and the remainder is oxidized from nitrite to nitrate by nitrifying bacteria. This nitric acid is an important protein synthesis material for fungi, especially plants. Urea and uric acid excreted by animals are converted into ammonia by fungi. Proteins synthesized by plants are used by animals and fungi. In addition, the protein contained in all dead bodies is decomposed and becomes ammonia, which enters the atmosphere, but much of it is used again by plants. Nitrate and nitrite are denitrified by fungi such as yeast and pseudomonas, and returned to the atmosphere as free nitrogen. The passing of inorganic nitrogen compounds to plants by fungi and the introduction of nitrogen into the living world through fixation from the atmosphere are important reactions in the living world, on par with the fixation of carbon dioxide by plants.

(3) Sulfur cycle: Sulfur is an essential substance for several important amino acids and coenzymes. Sulfur is abundant in the Earth's crust, and exists as hydrogen sulfide in reducing environments and as sulfurous acid gas in the atmosphere. Organisms primarily use sulfate (ions). Plants and many fungi use sulfate and sulfurous acid to produce organic sulfur compounds, which are then utilized by animals and fungi.

Organic sulfur compounds are eventually decomposed by bacteria and reduced to hydrogen sulfide. Sulfuric acid is reduced to hydrogen sulfide by sulfate-reducing bacteria, and then oxidized to sulfur or further to sulfuric acid by sulfur bacteria and purple bacteria. Sulfur is deposited in the earth's crust, and hydrogen sulfide precipitates sulfide ores, forming the many mineral deposits we know today over hundreds of millions of years. Meanwhile, the burning of the aforementioned fossil fuels releases large amounts of sulfides and nitrogen compounds, polluting the air. In particular, environmental destruction on the earth's surface due to sulfuric acid rain and other causes remains a major problem.

(4) Phosphorus cycle Many of the elements in the Earth's crust are absorbed and circulated by living organisms, and phosphorus is needed in greater quantities than sulfur in this cycle. Phosphorus is found in nucleic acids, lipids, proteins, coenzymes, high-energy substances, and the skeletons of vertebrates, but is absorbed in the form of phosphate. When an organism dies, phosphorylating bacteria come into play, and excreta are also hydrolyzed, liberating it in the form of soluble inorganic phosphate. Some of this inorganic phosphate is reused, but the rest is washed away and joins deep-sea sediments, removing it from the Earth's biochemical cycle. The phosphorus reservoirs that compensate for this loss are rocks and other sediments formed during geological times, but these are limited.

Carbon, oxygen, nitrogen, and sulfur undergo changes in their oxidation states, i.e., cyclical changes in their valence, and the oxidation state is an important factor for their utilization as nutrients. However, during the phosphorus cycle, the phosphorus atom does not undergo any change in valence, and remains as the phosphate group. Hydrogen and iron also undergo cyclical changes in their oxidation states, but on a smaller scale.

[Hironori Terakawa]

Material circulation and energy flow

The first living organisms on Earth were those that used the chemical energy of primitive organic matter. The next organisms to flourish temporarily were those that used the chemical energy of inorganic matter. Eventually, the energy of sunlight came to be used, and this has supported the living world ever since. First, the energy of light is converted into the chemical energy of organic matter through photosynthesis in plants. Then, this converted chemical energy flows in the substances that living organisms use as nutrients. This chemical energy is used for biological work throughout most of the living world, helping to maintain life. The elements that make up the substances that carry chemical energy go through the terrestrial biochemical cycle, while the light energy that comes from space is used by living organisms and becomes heat (a form of energy), which returns to the atmosphere, oceans, and space. Looking at this energy conversion as a whole, there is no creation or destruction of energy (energy is kept constant). This is called the "law of conservation of energy" (first law of thermodynamics), and this idea was conceived in living organisms and established through living organisms.

In natural ecosystems, this flow of energy has been maintained for hundreds of millions of years. However, in recent years, huge amounts of petroleum energy have been artificially input, and atomic energy has also been developed. Moreover, these new forms of energy have only appeared in a very short period of time. From the perspective of the global ecosystem, these new forms of energy carry the risk of environmental pollution and destruction of nature.

[Hironori Terakawa]

"The Economic Theory of Ecology: The Fundamentals of Material Circulation Theory" by Toyoaki Washida (1994, Nippon Hyoronsha) " "The Ecology of Material Circulation" by Takeshi Murota (2001, Koyoshobo)

Outline of the Earth's biochemical cycle
©Shogakukan ">

Outline of the Earth's biochemical cycle

Carbon, nitrogen and sulfur cycles
©Shogakukan ">

Carbon, nitrogen and sulfur cycles

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

地球上の生物群が有限の物質を無限に利用する仕組みを体系的にとらえたとき、これを物質循環とよぶ。生物群は地表・地中・水中に分布して地球を覆う層（生物圏）をつくっている。この生物圏を機能的な物質系として表現するとき、「地球生態系」の語が使われる。地球生態系では、太陽エネルギーを化学エネルギーに転換して有機物が生産・蓄積され、さらにこの有機物は消費・還元されて「地球生物化学的物質循環」に組み込まれる。また、生物圏を支えている地球自体には「地球化学的物質循環」が行われている。

［寺川博典］

地球化学的物質循環

岩石の溶融体（マグマ）は結晶化して火成岩となるが、これらの火成岩は風化作用を受けて砂や粘土を形成し、堆積(たいせき)物をつくる。堆積物は堆積岩になり、さらに変成岩となって最後にマグマに戻る。これが地球化学的物質循環である。何千万年から何億年もかかるこの循環過程において、生物圏には土壌の材料が供給される。つまり、各種岩石や堆積物は生物の作用を受けて土壌を形成し、土壌は侵食・崩壊して堆積物となって地球化学的物質循環に組み込まれる。

［寺川博典］

地球生物化学的物質循環

無機的環境と生産者（植物類）・消費者（動物類）・還元者（菌類）からなる生物界との間の物質循環が、地球生物化学的物質循環である。無機物を生物界に取り入れて有機物をつくる生産者としての植物類は、この循環過程において重要な位置を占める。また、有機物の消費者である動物類は菌類の働きを助けている。さらに菌類は、有機物を無機物にして無機的環境に返す還元者として重要な位置を占めている。

(1)炭素の循環　炭素は有機物の骨組みをつくっている元素である。植物類は、光合成によって炭素を二酸化炭素の形で大量に無機的環境から取り入れて有機物を生産する。また、遺体の有機物中の炭素は、おもに菌類によって二酸化炭素に還元されて、無機的環境へ返される。植物類の純生産量に必要な二酸化炭素量の90％以上は、菌類の働きによって生じたものと見積もられている。このほか動物の呼吸や火山活動・山火事などによっても二酸化炭素は生ずるが、菌類の働きに比べると、その量はわずかである。菌類の還元力の大きいことは、還元に必要な酸素の消費量によって示される。土壌菌類での酸素の消費量は、ヒトの数百倍から数万倍である（アゾトバクターでは6万倍）。また、1エーカー（約40アール）の肥沃(ひよく)な土壌の場合でみると、深さ15センチメートルの範囲内には約2トンの土壌菌類が生活し、その働きはヒト数万人に相当するといわれる。

　大気中の二酸化炭素は、容量にして約0.03％であり、その炭素の総重量は6000億トンである。なお、海中には、この約100倍が溶けており、平衡状態を保っている。植物類が1年間に有機物に転換する炭素の量は2000億トンといわれる。したがって、もし、炭素が循環しないと仮定すると、約300年（評価によっては250年から数百年の幅がある）でなくなることとなる。こうしてみると、物質循環は地球上の有限の物質を無限に利用する体系であることが理解できる（光合成に伴って生ずる酸素は年産120兆トンで、これは、もし循環しなければ数千年でなくなることとなる）。

　こうした自然界の炭素の循環は、何億年にもわたって一定の速度で続いてきたものであるが、ここ数十年間は、膨大な量の化石燃料（石炭・石油など）の燃焼による二酸化炭素の放出によって攪乱(かくらん)され続けている。今後も、これらの燃料が尽きるまでは、大気中の二酸化炭素は増加し続けるわけであり、そのためにおこると予測される環境変化が憂慮されている。また、熱帯林で年々繰り返される広大な地域での森林の伐採、世界的に広がり続ける砂漠化現象なども、大気中の二酸化炭素の増加に深くかかわるものである。

(2)窒素の循環　窒素はタンパク質や核酸には不可欠な物質であり、窒素源には、遊離窒素、無機窒素化合物、有機窒素化合物がある。このうち遊離窒素と無機窒素化合物は植物と菌類が利用し、有機窒素化合物は動物と菌類が利用している。遊離窒素は大気の75％を占めているが、これは菌類と藍藻(らんそう)によってアンモニアに変えられるほか、放電によって酸化窒素を経て硝酸となる。アンモニアは植物と土壌菌類によって吸収され、その残りは硝化菌によって亜硝酸から硝酸に酸化される。この硝酸は菌類、とくに植物にとっては重要なタンパク質合成素材である。動物類が排出する尿素・尿酸は菌類によってアンモニアに変えられる。植物類によって合成されたタンパク質は、動物・菌類によって利用される。また、すべての遺体が含んでいるタンパク質は、分解され、アンモニアとなって大気に入るが、その多くはふたたび植物によって利用される。硝酸・亜硝酸は、コウボキンやシュウドモナスなどの菌類によって脱窒素作用を受け、遊離窒素として大気へ返される。このような菌類による無機窒素化合物の植物類へのバトンタッチと、大気からの固定による生物界への窒素導入は、植物類の二酸化炭素固定と並ぶ生物界の重要反応である。

(3)硫黄の循環(いおうのじゅんかん)　硫黄はいくつかの重要アミノ酸や補酵素にとって不可欠な物質である。硫黄は地殻中に豊富に存在し、還元的環境では硫化水素、大気中では亜硫酸ガスとして含まれている。生物が利用するのは主として硫酸（イオン）である。植物類と多くの菌類は、硫酸・亜硫酸を利用して有機硫黄化合物をつくる。これを動物と菌類が利用している。

　有機硫黄化合物は、最後には菌類によって分解され、硫化水素に還元される。また、硫酸は硫酸還元菌によって硫化水素に還元されたあと、硫黄細菌や紅色細菌類によって酸化されて硫黄となるか、またはさらに硫酸となる。硫黄は地殻に沈積し、硫化水素は硫化鉱沈殿をおこし、何億年もかけて現在の多くの鉱床を形成したと考えられている。一方、前述の化石燃料の燃焼は、大量の硫化物や窒素化合物を放出して大気を汚染している。とくに、硫酸雨などによる地表の環境破壊は、大きな問題を残している。

(4)リンの循環　地殻元素の多くは、生物体に取り込まれて循環するが、この循環において、とくに硫黄よりも多くを必要とされるのがリンである。リンは核酸・脂質・タンパク質・補酵素・高エネルギー物質・脊椎(せきつい)動物の骨格などに含まれるが、吸収はリン酸塩の形で行われる。生物が死ぬと、リン酸化細菌が働くほか、排出物も加水分解され、溶解性の無機リン酸塩の形で遊離する。この無機リン酸塩の一部は再利用されるが、残りは流失して深海堆積物に加わり、地球生物化学的循環から外れていく。この損失を補うリンの貯蔵庫は地質時代につくられた岩石や、ほかの堆積物であるが、これらには限りがある。

　炭素・酸素・窒素・硫黄では、その酸化状態の変化、つまり原子価に関する循環的変化があり、栄養素として利用されるためには酸化状態が重要な因子となる。しかし、リンの循環中においては、リン原子に原子価の変化はみられず、リン酸基部分としてそのまま存在している。なお、水素と鉄も酸化状態の循環的変化を行うが、その規模は小さい。

［寺川博典］

物質循環とエネルギーの流れ

地球上に初めて誕生した生物群は、原始有機物の化学エネルギーを利用するものであった。次に一時的に繁栄したのは、無機物の化学エネルギーを利用する生物群であった。やがて、太陽光線のエネルギーが利用されるようになり、それ以後はこれによって生物界が支えられるようになった。まず、植物類の光合成によって、光のエネルギーは有機物の化学エネルギーに転換される。ついで、この転換された化学エネルギーは、生物が栄養として利用する物質にのって流れていくわけである。この化学エネルギーは、生物界のほとんど全体を通じて生物学的仕事に使われ、生活の維持に役だてられている。化学エネルギーを運ぶ物質を構成する元素は、地球生物化学的循環を行うのに対し、宇宙からきた光エネルギーは、生物群に利用されて熱（エネルギーの一形態）となり、大気、海洋、そして宇宙へと帰っていく。このようなエネルギー変換を全体としてみると、エネルギーには新生も消滅もない（エネルギーは一定に保たれる）。これを「エネルギー保存の法則」（熱力学第一法則）とよぶが、この考えは、生物で着想され、生物体を通して確立されてきたものである。

　自然生態系においては、何億年間もこうしたエネルギーの流れが維持されてきた。しかし最近では、人為的に膨大な石油エネルギーが投入され、さらに原子力エネルギーも開発された。しかも、この新しいエネルギーの登場はごく短期間に行われたものである。地球生態系からみた場合、これらの新しいエネルギーは、環境汚染・自然破壊につながる危険性をはらんでいるといえる。

［寺川博典］

『鷲田豊明著『エコロジーの経済理論――物質循環論の基礎』（1994・日本評論社）』▽『室田武著『物質循環のエコロジー』（2001・晃洋書房）』

[参照項目] | アミノ酸 | アンモニア | 硫黄 | 化学エネルギー | 核酸 | 環境問題 | 菌類 | 光合成 | 酸化窒素 | 硝酸 | 生物界 | 生物圏 | 炭素 | タンパク質 | 地球生態系 | 窒素 | 二酸化炭素 | 熱力学の法則 | 補酵素 | 無機化合物 | 有機化合物 | 硫化水素 | 硫酸 | リン | リン酸塩

地球生物化学的物質循環の大筋

炭素、窒素、硫黄の循環

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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