КИСЛОРОДЕН ЦИКЪЛ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, РЕЗЕРВОАРИ И ЕТАПИ - ОКОЛЕН СВЯТ - 2025

В цикъла на кислород се отнася до кръвоносната движението на кислород на Земята. Това е газообразен биогеохимичен цикъл. Кислородът е вторият най-изобилен елемент в атмосферата след азота, а вторият най-изобилен в хидросферата след водорода. В този смисъл кислородният цикъл е свързан с водния цикъл.

Циркулационното движение на кислорода включва производството на диоксиген или молекулен кислород от два атома (O ₂). Това се дължи на хидролизата по време на фотосинтезата, осъществявана от различните фотосинтетични организми.

Резервоар за кислород: Облачна гора, Национален парк Waraira Repano, Венецуела. Arnaldo Noguera Sifontes, от Wikimedia Commons

O ₂ се използва от живи организми при клетъчно дишане, като генерира производството на въглероден диоксид (CO ₂), като последният е една от суровините за процеса на фотосинтеза.

От друга страна, в горната атмосфера се извършва фотолиза (хидролиза, активирана от слънчевата енергия) на водна пара, причинена от ултравиолетово лъчение от слънцето. Водата се разлага, отделяйки водород, който се губи в стратосферата и кислородът се интегрира в атмосферата.

Когато О ₂ молекула взаимодейства с кислороден атом, озон (О ₃) се произвежда. Озонът представлява така наречения озонов слой.

характеристики

Кислородът е неметален химически елемент. Атомното му число е 8, тоест има 8 протона и 8 електрона в естественото си състояние. При нормални условия на температура и налягане той присъства под формата на диоксигенов газ, безцветен и без мирис. Неговата молекулна формула е О ₂.

O ₂ включва три стабилни изотопа: ¹⁶ O, ¹⁷ O и ¹⁸ O. Преобладаващата форма във Вселената е ¹⁶ O. На Земята тя представлява 99,76% от общия кислород. В ¹⁸ О представлява 0,2%. Формата ¹⁷ O е много рядка (~ 0,04%).

произход

Кислородът е третият най-разпространен елемент във Вселената. Производството на ¹⁶ O изотопа започна при първото поколение изгаряне на слънчев хелий, което се случи след Големия взрив.

Установяването на нуклеосинтезния цикъл въглерод-азот-кислород в по-късните поколения звезди е осигурило преобладаващия източник на кислород на планетите.

Високите температури и налягания произвеждат вода (H ₂ O) в Вселената чрез генериране на реакцията на водород с кислород. Водата е част от грима на земното ядро.

Магматичните огнища отделят вода под формата на пара и това навлиза във водния цикъл. Водата се разлага чрез фотолиза в кислород и водород чрез фотосинтеза и чрез ултравиолетово лъчение в горните нива на атмосферата.

Примитивна атмосфера

Примитивната атмосфера преди еволюцията на фотосинтезата от цианобактерии беше анаеробна. За живите организми, адаптирани към тази атмосфера, кислородът беше токсичен газ. Дори днес атмосфера от чист кислород причинява непоправима вреда на клетките.

Фотосинтезата възниква в еволюционната линия на днешните цианобактерии. Това започна да променя състава на земната атмосфера преди около 2,3-2,7 милиарда години.

Разпространението на фотосинтезиращи организми промени състава на атмосферата. Животът се развива към адаптиране към аеробна атмосфера.

Енергии, които задвижват цикъла

Силите и енергиите, които действат за задвижване на кислородния цикъл, могат да бъдат геотермални, когато магмата изхвърля водна пара или може да идва от слънчевата енергия.

Последното осигурява основната енергия за процеса на фотосинтеза. Химическата енергия под формата на въглехидрати, произтичаща от фотосинтезата, от своя страна задвижва всички жизнени процеси през хранителната верига. По същия начин Слънцето произвежда диференциално планетарно нагряване и причинява морски и атмосферни течения.

Връзка с други биогеохимични цикли

Благодарение на изобилие и висока реактивност, цикълът кислород е свързан с други цикли, като СО ₂, азот (N ₂) и водния цикъл (H ₂ O). Това му придава мултицикличен характер.

О ₂ и СО ₂ резервоарите са свързани чрез процеси, които включват създаването (фотосинтеза) и унищожаване (дишане и изгаряне) на органична материя. В краткосрочен план тези окислително-редукционни реакции са основният източник на променливост в концентрацията на O ₂ в атмосферата.

Денитрифициращите бактерии получават кислород за дишането си от нитрати в почвата, освобождавайки азот.

Резервоари

геосфера

Кислородът е един от основните компоненти на силикатите. Следователно, тя представлява значителна част от мантията и кората на Земята.

• Земно ядро: в течната външна мантия на земното ядро ​​има освен желязо и други елементи, включително кислород.
• Почвата: в пространствата между частици или пори на почвата въздухът се дифузира. Този кислород се използва от почвената микробиота.

атмосфера

21% от атмосферата се състои от кислород под формата на диоксиген (O ₂). Другите форми на присъствие на атмосферен кислород са водна пара (H ₂ O), въглероден диоксид (CO ₂) и озон (O ₃).

• Водна пара: концентрацията на водната пара е променлива в зависимост от температурата, атмосферното налягане и атмосферните циркулационни токове (воден цикъл).
• Въглероден диоксид: CO ₂ представлява приблизително 0,03% от обема на въздуха. От началото на индустриалната революция концентрацията на CO ₂ в атмосферата се е увеличила със 145%.
• Озон: това е молекула, която присъства в стратосферата в ниско количество (0,03 - 0,02 части на милион по обем).

хидросфера

71% от земната повърхност е покрита от вода. Повече от 96% от водата, присъстваща на земната повърхност, е концентрирана в океаните. 89% от масата на океаните е съставена от кислород. CO ₂ също се разтваря във вода и подлежи на обмен с атмосферата.

криосфера

Криосферата се отнася до масата на замръзналата вода, която покрива определени зони на Земята. Тези ледени маси съдържат приблизително 1,74% от водата в земната кора. От друга страна, ледът съдържа различни количества задържан молекулен кислород.

ИЛИ

Повечето от молекулите, които изграждат структурата на живите същества, съдържат кислород. От друга страна, висок дял от живите същества е водата. Следователно, земната биомаса също е запас от кислород.

Етапи

Най-общо казано, цикълът, който кислородът следва като химичен агент, се състои от две големи области, които формират неговия характер като биогеохимичен цикъл. Тези области са представени на четири етапа.

Геоекологичната зона обхваща изместването и задържането в атмосферата, хидросферата, криосферата и геосферата на кислорода. Това включва екологичния етап на резервоара и източника и етапа на връщане в околната среда.

Кислороден цикъл. Еме Чикано, от Wikimedia Commons

В биологичната зона са включени и два етапа. Те са свързани с фотосинтезата и дишането.

-Екологичен стадий на резервоар и източник: атмосфера-хидросфера-криосфера-геосфера

атмосфера

Основният източник на атмосферен кислород е фотосинтезата. Но има и други източници, от които кислородът може да влезе в атмосферата.

Една от тях е течната външна мантия на земното ядро. Кислородът достига до атмосферата като водна пара чрез вулканични изригвания. Водната пара се издига до стратосферата, където се подлага на фотолиза в резултат на високоенергийно излъчване от слънцето и се получава свободен кислород.

От друга страна, дишането отделя кислород под формата на CO ₂. Процесите на горене, особено индустриалните процеси, също консумират молекулен кислород и допринасят на CO ₂ в атмосферата.

В обмен между атмосферата и хидросферата, разтвореният кислород във водните маси преминава в атмосферата. От своя страна атмосферният CO ₂ се разтваря във вода като въглеродна киселина. Разтвореният кислород във вода идва главно от фотосинтезата на водорасли и цианобактерии.

стратосфера

В горните нива на атмосферата високоенергийното излъчване хидролизира водната пара. Кратко радиация вълна активира O ₂ молекули. Те се разделят на свободни кислородни атоми (О).

Тези свободни О атоми реагират с O ₂ молекули и продукция озон (О ₃). Тази реакция е обратима. Благодарение на действието на ултравиолетови лъчи, O ₃ разлага на свободни кислородни атоми отново.

Кислородът като компонент на атмосферния въздух е част от различни окислителни реакции, интегрирайки различни наземни съединения. Основна мивка за кислород е окисляването на газовете от вулканични изригвания.

хидросфера

Най-голямата концентрация на вода на Земята са океаните, където има еднаква концентрация на изотопи на кислород. Това се дължи на постоянния обмен на този елемент със земната кора чрез хидротермални циркулационни процеси.

В границите на тектонските плочи и океанските хребети се генерира постоянен процес на обмен на газ.

криосфера

Сухопътните ледени маси, включително полярните ледени маси, ледниците и вечната слана, представляват основна мивка за кислород под формата на твърдо състояние на водата.

геосфера

По същия начин кислородът участва в обмена на газ с почвата. Там той е жизненоважен елемент за дихателните процеси на почвените микроорганизми.

Важна мивка в почвата са процесите на окисляване на минерали и изгарянето на изкопаеми горива.

Кислородът, който е част от молекулата на вода (H ₂ O) следва водния цикъл в процесите на изпаряване-транспирацията и кондензация утаяване.

- Фотосинтетичен етап

Фотосинтезата се извършва в хлоропласти. По време на светлинната фаза на фотосинтезата се изисква редуциращ агент, тоест източник на електрони. Споменатото средство в този случай е вода (H ₂ O).

Поемайки водород (H) от вода, кислородът (O ₂) се отделя като отпадъчен продукт. Водата навлиза в растението от почвата през корените. В случай на водорасли и цианобактерии идва от водната среда.

Всички молекулен кислород (O ₂), получена по време на фотосинтеза идва от водата, използвана в процеса. В фотосинтеза, CO ₂, слънчева енергия и вода (H ₂ O) се консумират и кислород (O ₂) се освобождава.

-Атмосферна степен на връщане

О ₂ генерирани в фотосинтеза се изхвърля в атмосферата чрез устицата в случай на растения. Водораслите и цианобактериите го връщат в околната среда чрез мембранна дифузия. По подобен начин дихателните процеси връщат кислород в околната среда под формата на въглероден диоксид (CO ₂).

-Респираторен етап

За да изпълняват жизнените си функции, живите организми трябва да направят ефективна химическата енергия, генерирана от фотосинтезата. Тази енергия се съхранява под формата на сложни молекули въглехидрати (захари) в случай на растения. Останалите организми го получават от диетата

Процесът, при който живите същества разгръщат химически съединения, за да освободят необходимата енергия, се нарича дишане. Този процес протича в клетки и има две фази; един аеробен и един анаеробен.

Аеробното дишане се извършва в митохондриите при растения и животни. При бактериите тя се осъществява в цитоплазмата, тъй като в тях липсва митохондрия.

Основният елемент за дишане е кислородът като окислител. При дишане се изразходва кислород (O ₂) и се отделя CO ₂ и вода (H ₂ O), произвеждайки полезна енергия.

CO ₂ и вода (водна пара) се отделят чрез стомаха в растенията. При животни CO ₂ се отделя през ноздрите и / или устата, а водата чрез изпотяване. В водораслите и бактериите CO ₂ се отделя чрез мембранна дифузия.

Photorespiration

В растенията при наличие на светлина се развива процес, който изразходва кислород и енергия, наречен фотореспирация. Фотоспирацията се увеличава с повишаване на температурата, поради увеличаването на концентрацията на CO ₂ по отношение на концентрацията на O ₂.

Фотореспирацията установява отрицателен енергиен баланс за растението. Той консумира O ₂ и химическа енергия (произведена чрез фотосинтеза) и освобождава CO ₂. Поради тази причина те са разработили еволюционни механизми за противодействие на него (метаболизми на С4 и CAN).

важност

Днес по-голямата част от живота е аеробна. Без циркулацията на O ₂ в планетарната система животът, какъвто го познаваме днес, би бил невъзможен.

Освен това кислородът представлява значителна част от земните въздушни маси. Следователно, той допринася за свързаните с него атмосферни явления и неговите последици: ерозивни ефекти, регулиране на климата, наред с други.

Директно генерира окислителни процеси в почвата, вулканични газове и върху изкуствени метални конструкции.

Кислородът е елемент с висока окислителна способност. Въпреки че молекулите на кислорода са много стабилни поради факта, че образуват двойна връзка, тъй като кислородът има висока електронегативност (способността да привлича електрони), той има висок реактивен капацитет. Поради тази висока електроотрицателност, кислородът участва в много окислителни реакции.

Промени

По-голямата част от процесите на горене, които протичат в природата, изискват участието на кислород. По същия начин и при тези, генерирани от хората. Тези процеси изпълняват както положителни, така и отрицателни функции в антропно отношение.

Изгарянето на изкопаеми горива (въглища, нефт, газ) допринася за икономическото развитие, но в същото време представлява сериозен проблем поради приноса му за глобалното затопляне.

Големите горски пожари засягат биоразнообразието, въпреки че в някои случаи те са част от естествените процеси в определени екосистеми.

Парников ефект

Озоновият слой (O ₃) в стратосферата е защитният щит на атмосферата срещу навлизане на излишна ултравиолетова радиация. Тази силно енергийна радиация увеличава затоплянето на Земята.

От друга страна, той е силно мутагенен и вреден за живите тъкани. При хора и други животни той е канцерогенен.

Излъчването на различни газове причинява разрушаване на озоновия слой и следователно улеснява навлизането на ултравиолетово лъчение. Някои от тези газове са хлорофлуоровъглеводороди, хидрохлорофлуоровъглеводороди, етилбромид, азотни оксиди от торове и халони.

Препратки

1. Anbar AD, Y Duan, TW Lyons, GL Arnold, B Kendall, RA Creaser, AJ Kaufman, WG Gordon, S Clinton, J Garvin и R Buick (2007) Whiff of Oxygen преди голямото окислително събитие? Science 317: 1903-1906.
2. Bekker A, HD Holland, PL Wang, D Rumble, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee и NJ Beukes. (2004) Датирайки повишаването на атмосферния кислород. Природа 427: 117-120.
3. Farquhar J и DT Johnston. (2008) Кислородният цикъл на земните планети: вникване в обработката и историята на кислорода в повърхностните среди. Рецензии в минералогията и геохимията 68: 463–492.
4. Килинг RF (1995) Атмосферният кислороден цикъл: Допълват се кислородните изотопи на атмосферния CO ₂ и O ₂ и O ₂ / N ₂ Reviws of Geophysics. САЩ: Национален доклад на Международния съюз по геодезия и геофизика 1991-1994 г. стр. 1253-1262.
5. Purves WK, D Sadava, GH Orians и HC Heller (2003) Life. Науката за биологията. 6-ти Едт. Sinauer Associates, Inc. и WH Freeman and Company. 1044 стр.