能量守恒及物質循環

 

能量最奇妙的一件事是，能量不能被創造或消失。這句說話的含意有幾樣。

第一，能量不能創造或消失，只能由某一種能量轉化去另一種能量。所以植物不是創造能量，只是轉化太陽能為化學能。

第二，雖然能量不會消失，但會耗散，意思是會轉化為熱能。當能量轉化為熱能，能量只會提升地球溫度，無法成為有用的能源，因此我們實在也要節約能源。

第三，物質在生態系統中循環。有四個「生物地質化學循環」。第一個是水循環。水由植物吸收後，透過光合作用，H2O會分開成氫分子及氧分子，後者會被釋放為二氧化碳，前者成為食物食物一部分。第二是碳循環。碳循環應該是最著名的。植物需要二氧化碳，碳分子成為植物的食物，同時透過呼吸作用，碳分子回歸到大自然。同時因為來自燒化石燃料而造成的過度的碳排放，令大氣的二氧化碳比例上升，造成溫室效應。第三是氮循環，存在大氣之中最多的氣體是氮，氮是重要的，因為蛋白質及DNA都需要有氮。問題是生物如何用得到大氣含量那麼高的氮？這就需要經過一個過程，能令生物間接得到氮。首先是一個叫nitrogen fixation的過程，細菌把空氣中的氮轉化為阿摩尼亞；原來植物不能直接吸氮，但能夠吸收阿摩尼亞，來製造有機物。動物進食植物後，吸取氮或透過尿液，當廢物排放。那麼，大氣中的阿摩尼亞又如何維持平衡呢？原來，動植物的屍體會被細菌轉化成氮，但也不是直接把屍體變成氮，而是先把屍體中的氮化物分解成阿摩尼亞，再把阿摩尼亞分解變成nitrites及nitrates，然後單細胞生物再將它們變成氮。氮除了在大自然界出現，人類也大量製造氮，因為農業需要氮作肥料，因為氮影響植物的生長。不過人工製造的氮，包括肥料的使用，及燃燒化石燃料，也會增加大氣中有害的氮化合物，例如引致酸雨的HNO3及溫室效應的N2O。最後一個循環是磷循環。磷也是生物製造DNA的成分，另外也是細胞壁及骨的成分。磷是如何進入植物呢？首先像氮一樣，純磷不能直接被植物吸收，但跟氮不同，它不太需要細菌分解，本身磷已以phosphate存在。sedimentary rocks含大量磷，滲入泥土及水份後，被植物吸收。植物及生物會排出糞便，或者它們死後，phosphate會回歸泥土。

留意，氮及磷都能促進植物生長，因此當它們被沖入水裡時，algae會大量生長，這過程叫eutrophication/  /ˌjuː.trə.fɪˈkeɪ.ʃən//，即是紅潮。紅潮的問題是它既會製造有毒物質，當它們死後，微生物分解它們時會耗盡水中的氧氣，引致魚類死亡。