КИСНЕВИЙ ЦИКЛ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, РЕЗЕРВУАРИ ТА ЕТАПИ - СЕРЕДОВИЩЕ - 2025

Кисневий цикл відноситься до кровоносної руху кисню на Землі. Це газоподібний біогеохімічний цикл. Кисень є другим найпоширенішим елементом в атмосфері після азоту, а другим за кількістю води в гідросфері після водню. У цьому сенсі цикл кисню пов'язаний з водним циклом.

Циркуляційний рух кисню включає виробництво діоксигену або молекулярного кисню з двох атомів (O ₂ ). Це відбувається внаслідок гідролізу під час фотосинтезу, здійсненого різними фотосинтетичними організмами.

Резервуар кисню: Хмарний ліс, Національний парк Вараїра Репано, Венесуела. Arnaldo Noguera Sifontes, з Вікісховища

O ₂ використовується живими організмами при клітинному диханні, генеруючи виробництво вуглекислого газу (CO ₂ ), останній є одним із вихідних матеріалів для процесу фотосинтезу.

З іншого боку, у верхній атмосфері відбувається фотоліз (гідроліз, активований сонячною енергією) водяної пари за рахунок ультрафіолетового випромінювання від сонця. Вода розкладається, вивільняючи водень, який втрачається в стратосфері, і кисень інтегрується в атмосферу.

Коли молекула O ₂ взаємодіє з атомом кисню, утворюється озон (O ₃ ). Озон складає так званий озоновий шар.

характеристики

Кисень - неметалічний хімічний елемент. Його атомне число - 8, тобто у своєму природному стані 8 протонів та 8 електронів. При нормальних умовах температури і тиску він присутній у вигляді діоксигенного газу, безбарвного і без запаху. Його молекулярна формула - O ₂ .

O ₂ включає три стабільних ізотопи: ¹⁶ O, ¹⁷ O і ¹⁸ O. Переважаюча форма у Всесвіті - ¹⁶ O. На Землі він становить 99,76% загального кисню. ¹⁸ O є 0,2%. Форма ¹⁷ O зустрічається дуже рідко (~ 0,04%).

Походження

Кисень є третім найпоширенішим елементом у Всесвіті. Виробництво ізотопу ¹⁶ O розпочалося в першому поколінні спалення гелію сонячної енергії, що відбулося після Великого вибуху.

Встановлення циклу нуклеосинтезу вуглець-азот-кисень у наступних поколіннях зірок забезпечило переважне джерело кисню на планетах.

Високі температури і тиск створюють воду (H ₂ O) у Всесвіті, утворюючи реакцію водню з киснем. Вода є частиною макіяжу ядра Землі.

Відслої магми виділяють воду у вигляді пари, і це надходить у водний кругообіг. Вода розкладається шляхом фотолізу на кисень і водень за допомогою фотосинтезу, а також ультрафіолетовим випромінюванням у верхніх рівнях атмосфери.

Первісна атмосфера

Примітивна атмосфера до еволюції фотосинтезу ціанобактеріями була анаеробною. Для пристосованих до цієї атмосфери живих організмів кисень був токсичним газом. Навіть сьогодні атмосфера чистого кисню завдає непоправної шкоди клітинам.

Фотосинтез зародився в еволюційній лінії сучасних ціанобактерій. Це почало змінювати склад атмосфери Землі приблизно 2,3-2,7 мільярда років тому.

Поширення фотосинтезуючих організмів змінило склад атмосфери. Життя складалося в напрямку адаптації до аеробної атмосфери.

Енергії, які керують циклом

Сили та енергії, які діють для руху циклу кисню, можуть бути геотермальними, коли магма виганяє водяну пару, або вона може надходити від сонячної енергії.

Останнє забезпечує основну енергію для процесу фотосинтезу. Хімічна енергія у вигляді вуглеводів, що виникає в результаті фотосинтезу, в свою чергу рухає всі живі процеси по харчовому ланцюгу. Таким же чином Сонце виробляє диференціальне планетарне нагрівання і викликає атмосферні та морські течії.

Зв'язок з іншими біогеохімічними циклами

Через свою численність та високу реакційну здатність цикл кисню пов'язаний з іншими циклами, такими як CO ₂ , азот (N ₂ ) та водний цикл (H ₂ O). Це надає йому мультициклічного характеру.

Резервуари O ₂ і CO ₂ пов'язані процесами, що передбачають створення (фотосинтез) і руйнування (дихання та горіння) органічних речовин. В короткий термін ці окислювально-відновні реакції є основним джерелом змінності концентрації O ₂ в атмосфері.

Денітрифікуючі бактерії отримують кисень для дихання з нітратів у ґрунті, вивільняючи азот.

Водойми

Геосфера

Кисень є одним з основних компонентів силікатів. Тому він становить значну частину земної мантії та кори.

• Земне ядро : у рідкій зовнішній мантії земного ядра є, крім заліза, інші елементи, включаючи кисень.
• Грунт : в просторах між частинками або порами ґрунту повітря дифундує. Цей кисень використовується ґрунтовою мікробіотою.

Атмосфера

21% атмосфери складається з кисню у вигляді діоксигену (O ₂ ). Інші форми присутності кисню в атмосфері - це водяна пара (H ₂ O), вуглекислий газ (CO ₂ ) та озон (O ₃ ).

• Водна пара : концентрація водяної пари мінлива, залежно від температури, атмосферного тиску та струмів циркуляції атмосфери (водяний цикл).
• Вуглекислий газ : CO ₂ становить приблизно 0,03% об'єму повітря. З початку промислової революції концентрація CO ₂ в атмосфері зросла на 145%.
• Озон : це молекула, яка присутня в стратосфері в невеликій кількості (0,03 - 0,02 частин на мільйон за об'ємом).

Гідросфера

71% земної поверхні покрито водою. Більше 96% води, присутньої на земній поверхні, зосереджено в Світовому океані. 89% маси Світового океану складається з кисню. CO ₂ також розчиняється у воді і піддається обміну з атмосферою.

Кріосфера

Кріосфера відноситься до маси замерзлої води, яка охоплює певні ділянки Землі. Ці крижані маси містять приблизно 1,74% води в земній корі. З іншого боку, лід містить різну кількість захопленого молекулярного кисню.

АБО

Більшість молекул, що складають структуру живих істот, містять кисень. З іншого боку, велика частка живих істот - це вода. Тому наземна біомаса є також запасом кисню.

Етапи

Загалом, цикл, який киснем слід застосовувати як хімічний агент, включає дві великі області, що складають його характер як біогеохімічний цикл. Ці області представлені в чотири етапи.

Геосередовище охоплює переміщення та утримання в атмосфері, гідросфері, кріосфері та геосфері кисню. Сюди входить екологічна стадія водойми та джерела та стадія повернення в навколишнє середовище.

Кисневий цикл. Еме Чікано, із Вікісховища

У біологічну зону також входять два етапи. Вони пов'язані з фотосинтезом та диханням.

-Екологічна стадія водойми та джерела: атмосфера-гідросфера-кріосфера-геосфера

Атмосфера

Основним джерелом атмосферного кисню є фотосинтез. Але є й інші джерела, з яких кисень може потрапляти в атмосферу.

Одне з них - рідка зовнішня мантія ядра Землі. Кисень потрапляє в атмосферу у вигляді водяної пари через вулканічні виверження. Водяна пара піднімається до стратосфери, де вона піддається фотолізу в результаті високоенергетичного випромінювання від сонця і утворюється вільний кисень.

З іншого боку, дихання виділяє кисень у вигляді CO ₂ . Процеси горіння, особливо промислові процеси, також споживають молекулярний кисень , і внести свій вклад СО ₂ в атмосферу.

При обміні між атмосферою та гідросферою розчинений кисень у водних масах переходить в атмосферу. Зі свого боку атмосферний CO ₂ розчиняється у воді у вигляді вуглекислоти. Розчинений кисень у воді в основному відбувається за рахунок фотосинтезу водоростей та ціанобактерій.

Стратосфера

У верхніх рівнях атмосфери високоенергетичне випромінювання гідролізує водяну пару. Короткохвильове випромінювання активує молекули O ₂ . Вони розбиваються на атоми вільного кисню (O).

Ці вільні атоми O реагують з молекулами O ₂ і виробляють озон (O ₃ ). Ця реакція оборотна. Завдяки дії ультрафіолетового випромінювання O _{3 знову} розпадається на атоми вільного кисню.

Кисень як компонент атмосферного повітря є частиною різних реакцій окислення, інтегруючи різні наземні сполуки. Основною раковиною кисню є окислення газів від вулканічних вивержень.

Гідросфера

Найбільша концентрація води на Землі - океани, де є рівномірна концентрація ізотопів кисню. Це пов’язано з постійним обміном цього елемента із земною корою через гідротермальні циркуляційні процеси.

У межах тектонічних плит та океанських хребтів генерується постійний процес обміну газів.

Кріосфера

Сухопутні льодові маси, включаючи полярні льодовикові маси, льодовики та вічну мерзлоту, становлять основну раковину кисню у вигляді твердотільної води.

Геосфера

Так само кисень бере участь в обміні газу з грунтом. Там він є життєво важливим елементом дихальних процесів ґрунтових мікроорганізмів.

Важливою раковиною в ґрунті є процеси окислення мінералів та спалювання викопного палива.

Кисень, що входить до складу молекули води (H ₂ O), слідкує за водним циклом у процесах випаровування-транспірації та конденсації-осадження.

- Фотосинтетична стадія

Фотосинтез відбувається в хлоропластах. Під час світлової фази фотосинтезу необхідний відновник, тобто джерело електронів. Зазначеним агентом у цьому випадку є вода (H ₂ O).

Приймаючи з води водень (H), кисень (O ₂ ) виділяється як відхід. Вода потрапляє в рослину з ґрунту через коріння. Що стосується водоростей та ціанобактерій, він походить з водного середовища.

Весь молекулярний кисень (O ₂ ), що утворюється при фотосинтезі, надходить з води, яка використовується в процесі. У процесі фотосинтезу, СО ₂ , сонячної енергії та води (H ₂ O) споживається , і кисень (O ₂ ) вивільняється.

-Атмосферний етап повернення

O ₂ генерується в процесі фотосинтезу викидається в атмосферу через продихи в разі рослин. Водорості та ціанобактерії повертають їх у навколишнє середовище шляхом мембранної дифузії. Аналогічно дихальні процеси повертають кисень у навколишнє середовище у вигляді вуглекислого газу (CO ₂ ).

-Респіраторний етап

Для виконання своїх життєвих функцій живим організмам необхідно зробити ефективну хімічну енергію, що утворюється фотосинтезом. Ця енергія зберігається у вигляді складних молекул вуглеводів (цукрів) у разі рослин. Решта організми отримують його з раціону

Процес, за допомогою якого живі істоти розгортають хімічні сполуки для вивільнення необхідної енергії, називають диханням. Цей процес відбувається в клітинах і має дві фази; один аеробний і один анаеробний.

Аеробне дихання відбувається в мітохондріях у рослин і тварин. У бактерій він здійснюється в цитоплазмі, оскільки у них відсутні мітохондрії.

Основним елементом дихання є кисень як окислювач. При диханні витрачається кисень (O ₂ ) і виділяється CO ₂ і вода (H ₂ O), виробляючи корисну енергію.

CO ₂ і вода (водяна пара) виділяються через продихи в рослинах. У тварин CO ₂ виділяється через ніздрі та / або рот, а вода через потовиділення. В водоростях і бактеріях СО ₂ вивільняється мембранною дифузією.

Фотореспірація

У рослин при наявності світла розвивається процес, що споживає кисень та енергію, що називається фотоспірацією. Фотоспірація зростає із підвищенням температури, що обумовлено збільшенням концентрації CO ₂ відносно концентрації O ₂ .

Фотодихання встановлює баланс негативної енергії для рослини. Він споживає O ₂ і хімічну енергію (виробляється фотосинтезом) і виділяє CO ₂ . З цієї причини вони розробили еволюційні механізми протидії йому (метаболізми С4 та CAN).

Важливість

Сьогодні переважна більшість життя - аеробне. Без циркуляції O ₂ в планетарній системі життя, як ми його знаємо сьогодні, було б неможливим.

Крім того, кисень становить значну частину земних повітряних мас. Тому він сприяє пов'язаним з ним атмосферним явищам та його наслідкам: ерозивному впливу, кліматичній регуляції, серед інших.

Безпосередньо він створює процеси окислення в ґрунті, вулканічних газах та на штучних металевих конструкціях.

Кисень - елемент з високою окислювальною здатністю. Хоча молекули кисню дуже стійкі через те, що вони утворюють подвійний зв’язок, оскільки кисень має високу електронегативність (здатність притягувати електрони), він має високу реактивну здатність. Через цю високу електронегативність кисень бере участь у багатьох реакціях окислення.

Зміни

Переважна більшість процесів горіння, що відбуваються в природі, вимагають участі кисню. Так само і в тих, що породжуються людиною. Ці процеси виконують як позитивні, так і негативні функції в антроповому відношенні.

Спалювання викопних видів палива (вугілля, нафта, газ) сприяє економічному розвитку, але в той же час представляє серйозну проблему завдяки його внеску в глобальне потепління.

Великі лісові пожежі впливають на біорізноманіття, хоча в деяких випадках вони є частиною природних процесів у певних екосистемах.

Парниковий ефект

Озоновий шар (O ₃ ) у стратосфері є захисним щитом атмосфери проти потрапляння надлишкового ультрафіолетового випромінювання. Це високоенергетичне випромінювання посилює потепління Землі.

З іншого боку, він сильно мутагенний і шкідливий для живих тканин. У людини та інших тварин він є канцерогенним.

Викид різних газів викликає руйнування озонового шару і, отже, полегшує вхід ультрафіолетового випромінювання. Деякі з цих газів - хлорфторуглеводороди, гідрохлорфторуглеводні, етилбромід, оксиди азоту з добрив та галони.

Список літератури

1. Анбар AD, Y Duan, TW Lyons, GL Arnold, B Kendall, RA Creaser, AJ Kaufman, WG Gordon, S Clinton, J Garvin та R Buick (2007) Whiff of Oxygen перед Великою подією окислення? Наука 317: 1903-1906.
2. Bekker A, HD Holland, PL Wang, D Rumble, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee і NJ Beukes. (2004) Датування підняття атмосферного кисню. Природа 427: 117-120.
3. Farquhar J та DT Johnston. (2008) Кисневий цикл планет Землі: огляд даних про переробку та історію кисню в поверхневих середовищах. Рецензії з мінералогії та геохімії 68: 463–492.
4. Кілінг РФ (1995) Цикл атмосферного кисню: Доповнюють ізотопи кисню атмосферного CO ₂ і O ₂ та O ₂ / N ₂ з геофізики. США: Національний звіт Міжнародному союзу геодезії та геофізики 1991-1994. pp. 1253-1262.
5. Purves WK, D Садава, GH Orians та HC Heller (2003) Life. Наука про біологію. 6-й Едт. Sinauer Associates, Inc. та WH Freeman and Company. 1044 с.