КИСЛОРОДНЫЙ ЦИКЛ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, РЕЗЕРВУАРЫ И СТАДИИ - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА - 2025

Кислородный цикл относится к кровеносному движению кислорода на Земле. Это газовый биогеохимический цикл. Кислород является вторым по распространенности элементом в атмосфере после азота и вторым по распространенности в гидросфере после водорода. В этом смысле кислородный цикл связан с круговоротом воды.

Циркуляционное движение кислорода включает производство двухатомного кислорода или молекулярного кислорода (O ₂ ). Это происходит из-за гидролиза во время фотосинтеза, осуществляемого различными фотосинтезирующими организмами.

Резервуар кислорода: Облачный лес, Национальный парк Варайра Репано, Венесуэла. Арнальдо Ногера Сифонтес, из Wikimedia Commons

O ₂ используется живыми организмами в клеточном дыхании, производя углекислый газ (CO ₂ ), который является одним из сырьевых материалов для процесса фотосинтеза.

С другой стороны, в верхних слоях атмосферы происходит фотолиз (гидролиз, активируемый солнечной энергией) водяного пара, вызванный ультрафиолетовым излучением Солнца. Вода разлагается, выделяя водород, который теряется в стратосфере, а кислород интегрируется в атмосферу.

Когда молекула O ₂ взаимодействует с атомом кислорода, образуется озон (O ₃ ). Озон составляет так называемый озоновый слой.

характеристики

Кислород - неметаллический химический элемент. Его атомный номер 8, то есть в его естественном состоянии 8 протонов и 8 электронов. При нормальных условиях температуры и давления он присутствует в виде газообразного кислорода, не имеющего цвета и запаха. Его молекулярная формула - O ₂ .

O ₂ включает три стабильных изотопа: ¹⁶ O, ¹⁷ O и ¹⁸ O. Преобладающая форма во Вселенной - ¹⁶ O. На Земле он составляет 99,76% от общего количества кислорода. ¹⁸ O представляет собой 0,2%. Форма ¹⁷ O очень редка (~ 0,04%).

происхождения

Кислород - третий по содержанию элемент во Вселенной. Производство изотопа ¹⁶ O началось в первом поколении солнечного гелия, которое произошло после Большого взрыва.

Установление цикла нуклеосинтеза углерод-азот-кислород в последующих поколениях звезд обеспечило преобладающий источник кислорода на планетах.

При высоких температурах и давлении во Вселенной образуется вода (H ₂ O) за счет реакции водорода с кислородом. Вода входит в состав ядра Земли.

Обнажения магмы выделяют воду в виде пара, который входит в круговорот воды. Вода разлагается фотолизом на кислород и водород посредством фотосинтеза и ультрафиолетовым излучением в верхних слоях атмосферы.

Первобытная атмосфера

Первобытная атмосфера до эволюции фотосинтеза цианобактериями была анаэробной. Для живых организмов, адаптированных к этой атмосфере, кислород был токсичным газом. Даже сегодня атмосфера чистого кислорода наносит непоправимый ущерб клеткам.

Фотосинтез возник в эволюционной линии современных цианобактерий. Это начало изменять состав атмосферы Земли примерно 2,3-2,7 миллиарда лет назад.

Распространение фотосинтезирующих организмов изменило состав атмосферы. Жизнь развивалась в сторону адаптации к аэробной атмосфере.

Энергии, управляющие круговоротом

Силы и энергии, которые приводят в движение кислородный цикл, могут быть геотермальными, когда магма вытесняет водяной пар, или они могут исходить от солнечной энергии.

Последний обеспечивает фундаментальную энергию для процесса фотосинтеза. Химическая энергия в форме углеводов, возникающая в результате фотосинтеза, в свою очередь, управляет всеми жизненными процессами по пищевой цепи. Таким же образом Солнце производит планетарный дифференциальный нагрев и вызывает морские и атмосферные течения.

Связь с другими биогеохимическими циклами

Из-за его обилия и высокой реакционной способности кислородный цикл связан с другими циклами, такими как CO ₂ , азот (N ₂ ) и круговорот воды (H ₂ O). Это придает ему мультициклический характер.

Резервуары O ₂ и CO ₂ связаны процессами, которые включают создание (фотосинтез) и разрушение (дыхание и горение) органических веществ. В краткосрочной перспективе эти окислительно-восстановительные реакции являются основным источником изменчивости концентрации O ₂ в атмосфере.

Денитрифицирующие бактерии получают кислород для своего дыхания из нитратов в почве, выделяя азот.

Водоемы

геосфера

Кислород - один из основных компонентов силикатов. Следовательно, он составляет значительную часть мантии и коры Земли.

• Ядро Земли : в жидкой внешней мантии ядра Земли, помимо железа, находятся другие элементы, в том числе кислород.
• Почва : в промежутках между частицами или порами почвы воздух рассеивается. Этот кислород используется микробиотой почвы.

атмосфера

21% атмосферы состоит из кислорода в форме двуокиси кислорода (O ₂ ). Другими формами атмосферного присутствия кислорода являются водяной пар (H ₂ O), диоксид углерода (CO ₂ ) и озон (O ₃ ).

• Водяной пар : концентрация водяного пара варьируется в зависимости от температуры, атмосферного давления и токов циркуляции атмосферы (круговорота воды).
• Двуокись углерода : CO ₂ составляет примерно 0,03% от объема воздуха. С начала промышленной революции концентрация CO ₂ в атмосфере увеличилась на 145%.
• Озон : это молекула, которая присутствует в стратосфере в небольшом количестве (0,03 - 0,02 частей на миллион по объему).

гидросфера

71% поверхности Земли покрыто водой. Более 96% воды, присутствующей на поверхности Земли, сосредоточено в океанах. 89% массы Мирового океана состоит из кислорода. CO ₂ также растворяется в воде и подвергается процессу обмена с атмосферой.

криосферы

Криосфера - это масса замороженной воды, которая покрывает определенные области Земли. Эти ледяные массы содержат примерно 1,74% воды в земной коре. С другой стороны, лед содержит различное количество захваченного молекулярного кислорода.

ИЛИ

Большинство молекул, составляющих структуру живых существ, содержат кислород. С другой стороны, большая часть живых существ - это вода. Следовательно, наземная биомасса также является запасом кислорода.

Этапы

В общем, цикл, которому кислород следует как химический агент, включает две большие области, которые составляют его характер как биогеохимический цикл. Эти направления представлены в четыре этапа.

Геоэкологическая область включает в себя смещения и удержание кислорода в атмосфере, гидросфере, криосфере и геосфере. Это включает в себя экологическую стадию резервуара и источника и стадию возврата в окружающую среду.

Кислородный цикл. Эме Чикано, из Wikimedia Commons

В биологическую область также входят две стадии. Они связаны с фотосинтезом и дыханием.

-Экологическая стадия коллектора и источника: атмосфера-гидросфера-криосфера-геосфера

атмосфера

Основной источник атмосферного кислорода - фотосинтез. Но есть и другие источники, из которых кислород может попадать в атмосферу.

Одна из них - жидкая внешняя мантия ядра Земли. Кислород достигает атмосферы в виде водяного пара в результате извержений вулканов. Водяной пар поднимается в стратосферу, где он подвергается фотолизу в результате высокоэнергетического излучения Солнца и производится свободный кислород.

С другой стороны, дыхание выделяет кислород в виде CO ₂ . Процессы сжигания, особенно промышленные, также потребляют молекулярный кислород и выделяют CO ₂ в атмосферу.

При обмене между атмосферой и гидросферой растворенный кислород в водных массах переходит в атмосферу. Со своей стороны, атмосферный CO ₂ растворен в воде в виде угольной кислоты. Растворенный кислород в воде происходит в основном в результате фотосинтеза водорослей и цианобактерий.

стратосфера

На верхних уровнях атмосферы высокоэнергетическое излучение гидролизует водяной пар. Коротковолновое излучение активирует молекулы O ₂ . Они расщепляются на свободные атомы кислорода (O).

Эти свободные атомы O реагируют с молекулами O ₂ и образуют озон (O ₃ ). Эта реакция обратима. Под действием ультрафиолетового излучения O ₃ снова распадается на свободные атомы кислорода.

Кислород как компонент атмосферного воздуха участвует в различных реакциях окисления, объединяя различные земные соединения. Основным стоком кислорода является окисление газов в результате извержений вулканов.

гидросфера

Самая большая концентрация воды на Земле - это океаны, где есть однородная концентрация изотопов кислорода. Это связано с постоянным обменом этого элемента с земной корой посредством процессов гидротермальной циркуляции.

В пределах тектонических плит и океанских хребтов генерируется постоянный процесс газообмена.

криосферы

Ледяные массивы суши, включая полярные ледяные массивы, ледники и вечную мерзлоту, составляют основной сток кислорода в виде твердой воды.

геосфера

Точно так же кислород участвует в газообмене с почвой. Там он составляет жизненно важный элемент для дыхательных процессов почвенных микроорганизмов.

Важным стоком в почве являются процессы окисления минералов и сжигания ископаемого топлива.

Кислород, входящий в состав молекулы воды (H ₂ O), следует круговороту воды в процессах испарения-транспирации и конденсации-осаждения.

- этап фотосинтеза

Фотосинтез происходит в хлоропластах. Во время световой фазы фотосинтеза требуется восстановитель, то есть источник электронов. Указанным агентом в данном случае является вода (H ₂ O).

Забирая водород (H) из воды, кислород (O ₂ ) выделяется как отходы. Вода попадает в растение из почвы через корни. В случае водорослей и цианобактерий это происходит из водной среды.

Весь молекулярный кислород (O ₂ ), образующийся во время фотосинтеза, поступает из воды, используемой в процессе. При фотосинтезе потребляются CO ₂ , солнечная энергия и вода (H ₂ O), а также выделяется кислород (O ₂ ).

-Атмосферный возвратный этап

O _2, образующийся в процессе фотосинтеза, у растений выбрасывается в атмосферу через устьица. Водоросли и цианобактерии возвращают его в окружающую среду посредством мембранной диффузии. Точно так же дыхательные процессы возвращают кислород в окружающую среду в виде двуокиси углерода (CO ₂ ).

-Дыхательная стадия

Для выполнения своих жизненно важных функций живые организмы должны использовать химическую энергию, генерируемую фотосинтезом. Эта энергия хранится в виде сложных молекул углеводов (сахаров) в случае растений. Остальные организмы получают его с пищей.

Процесс, с помощью которого живые существа разворачивают химические соединения для высвобождения необходимой энергии, называется дыханием. Этот процесс происходит в ячейках и состоит из двух фаз; один аэробный и один анаэробный.

Аэробное дыхание происходит в митохондриях растений и животных. У бактерий он осуществляется в цитоплазме, так как в них отсутствуют митохондрии.

Основным элементом дыхания является кислород как окислитель. При дыхании потребляется кислород (O ₂ ) и выделяются CO ₂ и вода (H ₂ O), производя полезную энергию.

CO ₂ и вода (водяной пар) выделяются через устьица растений. У животных CO ₂ выделяется через ноздри и / или рот, а вода - через пот. В водорослях и бактериях CO ₂ выделяется путем мембранной диффузии.

Фотодыхание

У растений в присутствии света развивается процесс потребления кислорода и энергии, называемый фотодыханием. Фотодыхание увеличивается с повышением температуры из-за увеличения концентрации CO ₂ по сравнению с концентрацией O ₂ .

Фотодыхание устанавливает для растения отрицательный энергетический баланс. Он потребляет O ₂ и химическую энергию (вырабатываемую фотосинтезом) и выделяет CO ₂ . По этой причине они разработали эволюционные механизмы противодействия ему (метаболизм C4 и CAN).

значение

Сегодня большая часть жизни - это аэробика. Без циркуляции O ₂ в планетной системе жизнь в том виде, в каком мы ее знаем сегодня, была бы невозможна.

Кроме того, кислород составляет значительную часть воздушных масс Земли. Следовательно, он вносит свой вклад в связанные с ним атмосферные явления и его последствия: эрозионные эффекты, регулирование климата и другие.

Непосредственно он вызывает окислительные процессы в почве, вулканических газах и на искусственных металлических конструкциях.

Кислород - это элемент с высокой окислительной способностью. Хотя молекулы кислорода очень стабильны из-за того, что они образуют двойную связь, поскольку кислород имеет высокую электроотрицательность (способность притягивать электроны), он имеет высокую реактивную способность. Из-за этой высокой электроотрицательности кислород принимает участие во многих реакциях окисления.

изменения

Подавляющее большинство процессов горения, происходящих в природе, требует участия кислорода. То же самое с теми, которые созданы людьми. В антропном плане эти процессы выполняют как положительные, так и отрицательные функции.

Сжигание ископаемых видов топлива (угля, нефти, газа) способствует экономическому развитию, но в то же время представляет собой серьезную проблему из-за своего вклада в глобальное потепление.

Крупные лесные пожары влияют на биоразнообразие, хотя в некоторых случаях они являются частью естественных процессов в определенных экосистемах.

Парниковый эффект

Озоновый слой (O ₃ ) в стратосфере является защитным экраном атмосферы от проникновения избыточного ультрафиолетового излучения. Это высокоэнергетическое излучение увеличивает нагревание Земли.

С другой стороны, он очень мутагенен и вреден для живых тканей. Для людей и других животных он канцерогенный.

Выбросы различных газов вызывают разрушение озонового слоя и, следовательно, облегчают проникновение ультрафиолетового излучения. Некоторые из этих газов - хлорфторуглероды, гидрохлорфторуглероды, этилбромид, оксиды азота из удобрений и галоны.

Ссылки

1. Анбар А.Д., И Дуан, Т.В. Лайонс, Г.Л. Арнольд, Б. Кендалл, Р. А. Кризер, А. Дж. Кауфман, В. Г. Гордон, С. Клинтон, Дж. Гарвин и Р. Бьюик (2007) Дыхание кислорода перед событием великого окисления? Science 317: 1903–1906.
2. Беккер А., HD Холланд, П.Л. Ван, Д. Рамбл, Х. Дж. Стейн, Дж. Л. Ханна, Л. Л. Кутзи и Н. Дж. Бёкес. (2004) Датировка повышения содержания кислорода в атмосфере. Природа 427: 117-120.
3. Фаркуар Дж. И Д. Т. Джонстон. (2008) Кислородный цикл планет земной группы: понимание обработки и истории кислорода в приземной среде. Обзоры по минералогии и геохимии 68: 463–492.
4. Килинг РФ (1995) Круговорот кислорода в атмосфере: изотопы кислорода атмосферных CO ₂ и O ₂ и O ₂ / N ₂ Reviws of Geophysics, приложение. США: Национальный отчет Международному союзу геодезии и геофизики 1991-1994 гг. стр. 1253-1262.
5. Purves WK, D Sadava, GH Orians и HC Heller (2003) Life. Наука биологии. 6-е изд. Sinauer Associates, Inc. и WH Freeman and Company. 1044 с.