SKĀBEKĻA CIKLS: RAKSTURLIELUMI, REZERVUĀRI UN PAKĀPES - VIDE - 2025

Skābekļa cikls attiecas uz asinsrites kustību skābekļa uz Zemes. Tas ir gāzveida bioģeoķīmiskais cikls. Skābeklis ir otrais visbagātākais elements atmosfērā pēc slāpekļa, bet otrais visbagātākais hidrosfērā pēc ūdeņraža. Šajā nozīmē skābekļa cikls ir saistīts ar ūdens ciklu.

Skābekļa cirkulācija apritē ietver divu atomu (O ₂ ) dioksigēna vai molekulārā skābekļa ražošanu . Tas notiek hidrolīzes dēļ fotosintēzes laikā, ko veic dažādi fotosintētiskie organismi.

Skābekļa rezervuārs: Mākoņu mežs, Waraira Repano nacionālais parks, Venecuēla. Arnaldo Noguera Sifontes, no Wikimedia Commons

O ₂ dzīvie organismi izmanto šūnu elpošanā, veidojot oglekļa dioksīdu (CO ₂ ), kas ir viens no fotosintēzes procesa izejmateriāliem.

No otras puses, atmosfēras augšējā daļā notiek ūdens tvaiku fotolīze (hidrolīze, ko aktivizē saules enerģija), ko izraisa saules ultravioletais starojums. Ūdens sadalās, atbrīvojot stratosfērā zaudēto ūdeņradi, un skābeklis tiek integrēts atmosfērā.

Kad O ₂ molekula mijiedarbojas ar skābekļa atomu, rodas ozons (O ₃ ). Ozons veido tā saukto ozona slāni.

raksturojums

Skābeklis ir nemetālisks ķīmisks elements. Tā atomu skaits ir 8, tas ir, dabiskajā stāvoklī tam ir 8 protoni un 8 elektroni. Normālos temperatūras un spiediena apstākļos tas ir dioksogēna gāzes veidā, bezkrāsains un bez smaržas. Tā molekulārā formula ir O ₂ .

O ₂ ietilpst trīs stabili izotopi: ¹⁶ O, ¹⁷ O un ¹⁸ O. Visumā dominējošā forma ir ¹⁶ O. Uz Zemes tas veido 99,76% no kopējā skābekļa. ¹⁸ O ir 0,2%. ¹⁷ O forma ir ļoti reti sastopama (~ 0,04%).

Izcelsme

Skābeklis ir trešais visuma bagātīgākais elements. ¹⁶ O izotopu ražošana sākās pirmās saules hēlija dedzināšanas paaudzē, kas notika pēc Lielā sprādziena.

Oglekļa-slāpekļa-skābekļa nukleosintēzes cikla izveidošana nākamajās zvaigžņu paaudzēs ir nodrošinājusi dominējošo skābekļa avotu planētās.

Augsta temperatūra un spiediens rada ūdeni (H ₂ O) Visumā, radot ūdeņraža reakciju ar skābekli. Ūdens ir daļa no Zemes kodola kosmētikas.

Magma atsegumi izdala ūdeni tvaika veidā, un tas nonāk ūdens ciklā. Ūdens sadalās fotolīzē skābeklī un ūdeņradī, izmantojot fotosintēzi, un ultravioletā starojuma ietekmē atmosfēras augšējos līmeņos.

Primitīva atmosfēra

Primitīvā atmosfēra pirms fotosintēzes evolūcijas ar zilaļģēm bija anaeroba. Dzīviem organismiem, kas bija pielāgoti šai atmosfērai, skābeklis bija toksiska gāze. Pat šodien tīra skābekļa atmosfēra rada neatgriezenisku kaitējumu šūnām.

Fotosintēzes cēlonis bija mūsdienu zilaļģu evolūcijas līnija. Tas sāka mainīt Zemes atmosfēras sastāvu aptuveni pirms 2,3–2,7 miljardiem gadu.

Fotosintēzes organismu izplatība mainīja atmosfēras sastāvu. Dzīve attīstījās, pielāgojoties aerobo atmosfēru.

Enerģijas, kas vada ciklu

Spēki un enerģijas, kas darbojas, lai vadītu skābekļa ciklu, var būt ģeotermiski, kad magma izvada ūdens tvaikus, vai arī tas var rasties no saules enerģijas.

Pēdējais nodrošina pamata enerģiju fotosintēzes procesam. Ķīmiskā enerģija ogļhidrātu veidā, kas rodas fotosintēzes rezultātā, savukārt, visus dzīvos procesus virza barības ķēdē. Tādā pašā veidā Saule rada planētu diferenciālo sildīšanu un izraisa jūras un atmosfēras straumes.

Saistība ar citiem bioģeoķīmiskajiem cikliem

Sakarā ar pārpilnību un augstu reaģētspēju skābekļa cikls ir saistīts ar citiem cikliem, piemēram, CO ₂ , slāpekli (N ₂ ) un ūdens ciklu (H ₂ O). Tas piešķir tai daudzciklisku raksturu.

O ₂ un CO ₂ rezervuārus saista procesi, kas saistīti ar organisko vielu radīšanu (fotosintēzi) un iznīcināšanu (elpošana un sadedzināšana). Īstermiņā šīs oksidācijas-reducēšanās reakcijas ir lielākais O ₂ koncentrācijas mainīguma avots atmosfērā.

Denitrificējošās baktērijas elpošanai skābekli iegūst no nitrātiem augsnē, atbrīvojot slāpekli.

Rezervuāri

Ģeosfēra

Skābeklis ir viena no galvenajām silikātu sastāvdaļām. Tāpēc tas veido nozīmīgu daļu no Zemes mantijas un garozas.

• Zemes kodols : Zemes kodola šķidrā ārējā apvalkā papildus dzelzs satur arī citus elementus, ieskaitot skābekli.
• Augsne : telpās starp augsnes daļiņām vai porām gaiss tiek izkliedēts. Šo skābekli izmanto augsnes mikrobiota.

Atmosfēra

21% atmosfēras veido skābeklis dioksigēna (O ₂ ) formā. Citas atmosfēras skābekļa klātbūtnes formas ir ūdens tvaiki (H ₂ O), oglekļa dioksīds (CO ₂ ) un ozons (O ₃ ).

• Ūdens tvaiki : ūdens tvaiku koncentrācija ir mainīga, atkarībā no temperatūras, atmosfēras spiediena un atmosfēras cirkulācijas straumēm (ūdens cikls).
• Oglekļa dioksīds : CO ₂ veido apmēram 0,03% no gaisa tilpuma. Kopš rūpnieciskās revolūcijas sākuma CO ₂ koncentrācija atmosfērā ir palielinājusies par 145%.
• Ozons : tā ir molekula, kas stratosfērā atrodas nelielā daudzumā (0,03–0,02 daļas uz miljonu tilpuma).

Hidrosfēra

Ūdeni klāj 71% zemes virsmas. Vairāk nekā 96% ūdens, kas atrodas uz zemes virsmas, ir koncentrēti okeānos. 89% no okeānu masas veido skābeklis. CO ₂ arī izšķīst ūdenī un tiek pakļauts apmaiņas procesam ar atmosfēru.

Kriosfēra

Kriosfēra attiecas uz sasaldēta ūdens masu, kas aptver noteiktus Zemes apgabalus. Šīs ledus masas satur aptuveni 1,74% ūdens zemes garozā. No otras puses, ledus satur dažādu daudzumu ieslodzītā molekulārā skābekļa.

VAI

Lielākā daļa molekulu, kas veido dzīvo lietu struktūru, satur skābekli. No otras puses, liels daudzums dzīvo lietu ir ūdens. Tāpēc sauszemes biomasa ir arī skābekļa rezerves.

Posmi

Kopumā cikls, kurā skābeklis seko kā ķīmisks aģents, sastāv no divām lielām zonām, kas veido tā raksturu kā bioģeoķīmiskais cikls. Šīs jomas ir pārstāvētas četros posmos.

Ģeo-vides apgabals aptver pārvietojumus un norobežošanos atmosfērā, hidrosfērā, kriosfērā un skābekļa ģeosfērā. Tas ietver rezervuāra un avota vides stadiju un atgriešanās vidē posmu.

Skābekļa cikls. Eme Chicano, no Wikimedia Commons

Divas pakāpes ir iekļautas arī bioloģiskajā apgabalā. Tie ir saistīti ar fotosintēzi un elpošanu.

- Rezervuāra un avota vides stadija: atmosfēra-hidrosfēra-kriosfēra-ģeosfēra

Atmosfēra

Galvenais atmosfēras skābekļa avots ir fotosintēze. Bet ir arī citi avoti, no kuriem skābeklis var iekļūt atmosfērā.

Viens no tiem ir Zemes kodola šķidrā ārējā apvalks. Skābeklis atmosfērā nonāk ūdens tvaiku veidā vulkānu izvirdumu rezultātā. Ūdens tvaiki paaugstinās līdz stratosfērai, kur tiem tiek veikta fotolīze saules enerģijas starojuma rezultātā un rodas brīvs skābeklis.

No otras puses, elpošana izdala skābekli CO ₂ formā . Sadegšanas procesi, jo īpaši rūpnieciskie procesi, arī patērē molekulāro skābekli un atmosfērā veicina CO ₂ .

Apmaiņā starp atmosfēru un hidrosfēru ūdens masās izšķīdinātais skābeklis nonāk atmosfērā. Savukārt atmosfēras CO ₂ ir izšķīdināts ūdenī kā ogļskābe. Ūdenī izšķīdušais skābeklis galvenokārt rodas no aļģu un zilaļģu baktēriju fotosintēzes.

Stratosfēra

Atmosfēras augšējos līmeņos augstas enerģijas starojums hidrolizē ūdens tvaikus. Īsviļņu starojums aktivizē O ₂ molekulas . Tos sadala brīvos skābekļa atomos (O).

Šie brīvie O atomi reaģē ar O ₂ molekulām un rada ozonu (O ₃ ). Šī reakcija ir atgriezeniska. Sakarā ar ultravioleto starojumu, O ₃ atkal sadalās brīvos skābekļa atomos.

Skābeklis kā atmosfēras gaisa sastāvdaļa ir daļa no dažādām oksidācijas reakcijām, integrējot dažādus sauszemes savienojumus. Galvenais skābekļa izlietne ir gāzu oksidēšana no vulkānu izvirdumiem.

Hidrosfēra

Vislielākā ūdens koncentrācija uz Zemes ir okeānos, kur ir vienmērīga skābekļa izotopu koncentrācija. Tas ir saistīts ar pastāvīgu šī elementa apmaiņu ar zemes garozu, izmantojot hidrotermiskās cirkulācijas procesus.

Tektonisko plākšņu un okeāna grēdu robežās tiek radīts pastāvīgs gāzu apmaiņas process.

Kriosfēra

Sauszemes ledus masas, ieskaitot polāro ledus masu, ledājus un mūžsenās sals, ir galvenais skābekļa izlietne cietvielu ūdens veidā.

Ģeosfēra

Tāpat skābeklis piedalās gāzu apmaiņā ar augsni. Tur tas ir būtisks augsnes mikroorganismu elpošanas procesu elements.

Svarīgs augsnes izlietne ir minerālu oksidēšanās un fosilā kurināmā sadedzināšanas procesi.

Skābeklis, kas ir ūdens molekulas daļa (H ₂ O), seko ūdens ciklam iztvaikošanas-transpirācijas un kondensācijas-nokrišņu procesos.

- fotosintēzes stadija

Fotosintēze notiek hloroplastos. Fotosintēzes gaismas fāzes laikā ir nepieciešams reducētājs, tas ir, elektronu avots. Minētais līdzeklis šajā gadījumā ir ūdens (H ₂ O).

Paņemot no ūdens ūdeņradi (H), skābeklis (O ₂ ) izdalās kā atkritumu produkts. Ūdens iekļūst augā no augsnes caur saknēm. Aļģu un zilaļģu baktēriju gadījumā tās nāk no ūdens vides.

Viss fotosintēzes laikā iegūtais molekulārais skābeklis (O ₂ ) nāk no procesā izmantotā ūdens. Fotosintēzē tiek patērēts CO ₂ , saules enerģija un ūdens (H ₂ O), kā arī izdalās skābeklis (O ₂ ).

-Atmosfēras atgriešanās stadija

Augu fotosintēzes procesā radītais O ₂ tiek izvadīts atmosfērā caur stomu. Aļģes un zilaļģes ar membrānas difūzijas palīdzību to nonāk vidē. Tāpat elpošanas procesi skābekli vidē atdod oglekļa dioksīda (CO ₂ ) veidā.

-Respiratorā stadija

Lai dzīvie organismi varētu veikt savas dzīvībai svarīgās funkcijas, tiem efektīvi jāpadara ķīmiskā enerģija, ko rada fotosintēze. Augu gadījumā šī enerģija tiek uzkrāta sarežģītu ogļhidrātu (cukuru) molekulu veidā. Pārējie organismi to iegūst no uztura

Procesu, kurā dzīvās būtnes izvēršas ķīmiskos savienojumus, lai atbrīvotu nepieciešamo enerģiju, sauc par elpošanu. Šis process notiek šūnās, un tam ir divas fāzes; viens aerobs un viens anaerobs.

Augu un dzīvnieku mitohondrijos notiek aeroba elpošana. Baktērijās to veic citoplazmā, jo tām trūkst mitohondriju.

Elpošanas pamata elements ir skābeklis kā oksidētājs. Elpojot tiek patērēts skābeklis (O ₂ ) un izdalās CO ₂ un ūdens (H ₂ O), kas rada noderīgu enerģiju.

Caur stomatiem augos izdalās CO ₂ un ūdens (ūdens tvaiki). Dzīvniekiem CO ₂ izdalās caur nāsīm un / vai muti, un ūdens caur svīšanu. Aļģēs un baktērijās CO ₂ izdalās membrānas difūzijas ceļā.

Fotorespirācija

Augos gaismas klātbūtnē attīstās process, kas patērē skābekli un enerģiju, ko sauc par fotorezpirāciju. Fotorespirācija palielinās, palielinoties temperatūrai, sakarā ar CO ₂ koncentrācijas palielināšanos attiecībā pret O ₂ koncentrāciju .

Fotorespirācija rada negatīvu enerģijas bilanci augam. Tas patērē O ₂ un ķīmisko enerģiju (ko iegūst fotosintēzes rezultātā) un izdala CO ₂ . Šī iemesla dēļ viņi ir izstrādājuši evolūcijas mehānismus, lai neitralizētu to (C4 un CAN metabolismi).

Svarīgums

Mūsdienās dzīves lielākā daļa ir aeroba. Bez O ₂ cirkulācijas planētu sistēmā dzīve, kā mēs to šodien zinām, nebūtu iespējama.

Turklāt skābeklis veido ievērojamu zemes gaisa masas daļu. Tāpēc tas veicina ar to saistītās atmosfēras parādības un to sekas: erozijas, cita starpā, klimata regulēšana.

Tieši tas rada oksidācijas procesus augsnē, vulkāniskās gāzes un mākslīgās metāla konstrukcijās.

Skābeklis ir elements ar augstu oksidācijas spēju. Kaut arī skābekļa molekulas ir ļoti stabilas sakarā ar to, ka tās veido dubultā saiti, tā kā skābeklim ir augsta elektronegativitāte (spēja piesaistīt elektronus), tam ir augsta reaktīvā spēja. Sakarā ar šo augsto elektronegativitāti skābeklis piedalās daudzās oksidācijas reakcijās.

Izmaiņas

Lielākajai daļai degšanas procesu, kas notiek dabā, nepieciešama skābekļa piedalīšanās. Līdzīgi tiem, ko rada cilvēki. Šie procesi antropoloģiski veic gan pozitīvas, gan negatīvas funkcijas.

Fosilā kurināmā (ogles, nafta, gāze) sadedzināšana veicina ekonomisko attīstību, bet tajā pašā laikā ir nopietna problēma, jo tā veicina globālo sasilšanu.

Lieli mežu ugunsgrēki ietekmē bioloģisko daudzveidību, kaut arī dažos gadījumos tie ir daļa no dabiskiem procesiem dažās ekosistēmās.

Siltumnīcas efekts

Ozona slānis (O ₃ ) stratosfērā ir atmosfēras aizsargājošs vairogs pret liekā ultravioletā starojuma iekļūšanu. Šis ļoti enerģētiskais starojums palielina Zemes sasilšanu.

No otras puses, tas ir ļoti mutagēns un kaitīgs dzīviem audiem. Cilvēkiem un citiem dzīvniekiem tas ir kancerogēns.

Dažādu gāzu emisija izraisa ozona slāņa iznīcināšanu un tādējādi atvieglo ultravioletā starojuma iekļūšanu. Dažas no šīm gāzēm ir hlorfluorogļūdeņraži, daļēji halogenēti hlorfluorogļūdeņraži, etilbromīds, mēslošanas līdzekļu slāpekļa oksīdi un haloni.

Atsauces

1. Anbar AD, Y Duan, TW Lyons, GL Arnold, B Kendall, RA Creaser, AJ Kaufman, WG Gordon, S Clinton, J Garvin un R Buick (2007) Skābekļa smaka pirms lielā oksidācijas notikuma? Zinātne 317: 1903–1906.
2. Bekker A, HD Holland, PL Wang, D Rumble, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee un NJ Beukes. (2004) Iepazīšanās ar atmosfēras skābekļa palielināšanos. Daba 427: 117-120.
3. Farquhar J un DT Johnston. (2008) Sauszemes planētu skābekļa cikls: ieskats skābekļa pārstrādē un vēsturē virszemes vidē. Atsauksmes mineraloģijā un ģeoķīmijā 68: 463–492.
4. Keeling RF (1995) Atmosfēras skābekļa cikls: atmosfēras CO ₂ un O ₂ skābekļa izotopi un ģeofizikas O ₂ / N ₂ pārstrādes papildinājums. ASV: Nacionālais ziņojums Starptautiskajai ģeodēzijas un ģeofizikas savienībai 1991.-1994. lpp. 1253-1262.
5. Atbrīvo WK, D Sadava, GH Orians un HC Heller (2003) dzīvi. Bioloģijas zinātne. 6. edt. Sinauer Associates, Inc. un WH Freeman and Company. 1044 lpp.