Charakterystyka cyklu tlenowego, zbiorniki, etapy i znaczenie



The cykl tlenowy odnosi się do krążącego ruchu tlenu na Ziemi. Jest to gazowy cykl biogeochemiczny. Tlen jest drugim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w atmosferze po azocie, a drugim najczęściej występującym w hydrosferze po wodorze. W tym sensie cykl tlenowy jest połączony z obiegiem wody.

Ruch cyrkulacyjny tlenu obejmuje wytwarzanie tlenu cząsteczkowego lub tlenu cząsteczkowego dwóch atomów (OR2). Dzieje się tak z powodu hydrolizy podczas fotosyntezy przeprowadzanej przez różne organizmy fotosyntetyczne.

O2 jest używany przez organizmy żywe w oddychaniu komórkowym, wytwarzając produkcję dwutlenku węgla (CO)2), ten ostatni jest jednym z surowców do procesu fotosyntezy.

Z drugiej strony, fotoliza (hydroliza aktywowana energią słoneczną) pary wodnej spowodowanej promieniowaniem ultrafioletowym słońca występuje w górnej atmosferze. Woda rozkłada się, uwalniając wodór, który jest tracony w stratosferze, a tlen jest zintegrowany z atmosferą.

Podczas interakcji z cząsteczką O2 z atomem tlenu wytwarzany jest ozon (O3). Ozon tworzy tak zwaną warstwę ozonową.

Indeks

  • 1 Charakterystyka
    • 1.1 Pochodzenie
    • 1.2 Pierwotna atmosfera
    • 1.3 Energie napędzające cykl
    • 1.4 Związek z innymi cyklami biogeochemicznymi
  • 2 zbiorniki
    • 2.1 Geosfera
    • 2.2 Atmosfera
    • 2.3 Hydrosfera
    • 2.4 Kriosfera
    • 2.5 Żywe organizmy
  • 3 etapy
    • 3.1 Etap środowiskowy zbiornika i źródła: atmosfera-hydrosfera-kriosfera-geosfera
    • 3.2 Etap fotosyntezy
    • 3.3 -Temat powrotu atmosfery
    • 3.4 - Etap oddechowy
  • 4 Znaczenie
  • 5 zmian
    • 5.1 Efekt cieplarniany
  • 6 referencji

Funkcje

Tlen jest niemetalicznym pierwiastkiem chemicznym. Jego liczba atomowa wynosi 8, to znaczy ma 8 protonów i 8 elektronów w stanie naturalnym. W normalnych warunkach temperatury i ciśnienia występuje w postaci dioksygenicznego, bezbarwnego i bezwonnego gazu. Jego wzór cząsteczkowy to O2.

O2 zawiera trzy stabilne izotopy: 16O, 17O i 18O. Dominującą formą we wszechświecie jest forma 16O. Na Ziemi stanowi 99,76% całkowitego tlenu. The 18Lub reprezentuje 0,2%. Forma 17Lub jest to bardzo rzadkie (~ 0,04%).

Pochodzenie

Tlen jest trzecim elementem w obfitości we wszechświecie. Produkcja izotopu 16Albo zaczęło się od pierwszej generacji spalonego helu słonecznego, który wydarzył się po Wielkim Wybuchu.

Ustalenie cyklu nukleosyntezy węgiel-azot-tlen w późniejszych pokoleniach gwiazd dostarczyło dominującego źródła tlenu na planetach.

Wysokie temperatury i ciśnienia wytwarzają wodę (H2O) we Wszechświecie generując reakcję wodoru z tlenem. Woda jest częścią konformacji jądra Ziemi.

Odkrywki magmy uwalniają wodę w postaci pary i wchodzą do obiegu wody. Woda jest rozkładana przez fotolizę w tlen i wodór przez fotosyntezę oraz przez promieniowanie ultrafioletowe na wyższych poziomach atmosfery.

Pierwotna atmosfera

Prymitywna atmosfera przed ewolucją fotosyntezy przez sinice była beztlenowa. Dla organizmów żywych przystosowanych do tej atmosfery tlen był gazem toksycznym. Nawet dzisiaj atmosfera czystego tlenu powoduje nieodwracalne uszkodzenia komórek.

W ewolucyjnej linii obecnych cyjanobakterii powstała fotosynteza. Zaczęło się to zmieniać skład atmosfery ziemskiej około 2300–2 700 milionów lat temu.

Proliferacja organizmów fotosyntetycznych zmieniła skład atmosfery. Życie ewoluowało w kierunku adaptacji do atmosfery tlenowej.

Energie napędzające cykl

Siły i energie, które działają poprzez napędzanie cyklu tlenowego, mogą być geotermalne, gdy magma usuwa parę wodną lub może pochodzić z energii słonecznej.

Ta ostatnia zapewnia podstawową energię dla procesu fotosyntezy. Energia chemiczna w postaci węglowodanów wynikająca z fotosyntezy z kolei napędza wszystkie żywe procesy w łańcuchu pokarmowym. W ten sam sposób Słońce wytwarza planetarne różnicowe ogrzewanie i powoduje prądy morskie i atmosferyczne.

Związek z innymi cyklami biogeochemicznymi

Ze względu na jego obfitość i wysoką reaktywność, cykl tlenowy jest połączony z innymi cyklami, takimi jak CO2, azot (N2) i obieg wody (H2O). To nadaje mu charakter multicykliczny.

Zbiorniki O2 i CO2  są one połączone przez procesy, które obejmują tworzenie (fotosynteza) i niszczenie (oddychanie i spalanie) materii organicznej. W krótkim okresie te reakcje utleniania-redukcji są głównym źródłem zmienności stężenia O2 w atmosferze.

Bakterie denitryfikacyjne uzyskują tlen do oddychania azotanów z gleby, uwalniając azot.

Zbiorniki

Geosfera

Tlen jest jednym z głównych składników krzemianów. Dlatego stanowi ważną część płaszcza i skorupy ziemskiej.

  • Jądro lądowe: w ciekłym zewnętrznym płaszczu jądra ziemskiego znajdują się, oprócz żelaza, inne pierwiastki, w tym tlen.
  • Podłoga: powietrze jest rozproszone w przestrzeniach między cząstkami lub porami w glebie. Ten tlen jest wykorzystywany przez mikroflorę gleby.

Atmosfera

21% atmosfery składa się z tlenu w postaci dioksygenatu (O2). Inne formy obecności tlenu w atmosferze to para wodna (H2O), dwutlenek węgla (CO2) i ozon (O3).

  • Para wodna: stężenie pary wodnej jest zmienne w zależności od temperatury, ciśnienia atmosferycznego i prądów cyrkulacji atmosferycznej (obieg wody).
  • Dwutlenek węgla: CO2 stanowi około 0,03% objętości powietrza. Od początku rewolucji przemysłowej stężenie CO wzrosło2 w atmosferze o 145%.
  • Ozon: jest cząsteczką obecną w stratosferze w małej ilości (0,03 - 0,02 części na milion objętościowo).

Hydrosfera

71% powierzchni ziemi jest pokryte wodą. W oceanach koncentruje się ponad 96% wody obecnej na powierzchni ziemi. 89% masy oceanów to tlen. CO2 Jest także rozpuszczany w wodzie i podlega procesowi wymiany z atmosferą.

Kriosfera

Kriosfera odnosi się do masy zamarzniętej wody, która pokrywa pewne obszary Ziemi. Te masy lodu zawierają około 1,74% wody w skorupie ziemskiej. Z drugiej strony lód zawiera różne ilości uwięzionego tlenu cząsteczkowego.

Ożywe organizmy

Większość cząsteczek tworzących strukturę żywych istot zawiera tlen. Z drugiej strony dużą część istot żywych stanowi woda. Dlatego biomasa lądowa jest również rezerwą tlenową.

Etapy

Ogólnie rzecz biorąc, cykl, po którym następuje tlen jako środek chemiczny, obejmuje dwa duże obszary, które tworzą jego charakter biogeochemiczny. Obszary te są reprezentowane w czterech etapach.

Obszar geośrodowiskowy obejmuje przemieszczenia i izolację w atmosferze, hydrosferze, kriosferze i geosferze tlenowej. Obejmuje to etap środowiskowy zbiornika i źródła oraz etap powrotu do środowiska.

W obszarze biologicznym uwzględniono również dwa etapy. Są one związane z fotosyntezą i oddychaniem.

-Etap środowiskowy zbiornika i źródła: atmosfera-hydrosfera-kriosfera-geosfera

Atmosfera

Głównym źródłem tlenu atmosferycznego jest fotosynteza. Istnieją jednak inne źródła, z których tlen może zostać włączony do atmosfery.

Jednym z nich jest ciekły zewnętrzny płaszcz rdzenia Ziemi. Tlen dociera do atmosfery w postaci pary wodnej poprzez erupcje wulkaniczne. Para wodna unosi się do stratosfery, gdzie ulega fotolizie w wyniku wysokoenergetycznego promieniowania słonecznego i wytwarza wolny tlen.

Z drugiej strony oddychanie emituje tlen w postaci CO2.  Procesy spalania, zwłaszcza procesy przemysłowe, również zużywają tlen cząsteczkowy i dostarczają CO2 do atmosfery.

W wymianie między atmosferą a hydrosferą rozpuszczony tlen w masach wody przechodzi do atmosfery. Z drugiej strony CO2 Atmosfera jest rozpuszczana w wodzie jako kwas węglowy. Tlen rozpuszczony w wodzie pochodzi głównie z fotosyntezy glonów i sinic.

Stratosfera

Na wyższych poziomach atmosfery promieniowanie wysokoenergetyczne hydrolizuje parę wodną. Promieniowanie krótkofalowe aktywuje cząsteczki O2. Są one podzielone na atomy beztlenowe (O).

Te O wolne atomy reagują z cząsteczkami O2 i wytwarzaj ozon (O3). Ta reakcja jest odwracalna. Ze względu na promieniowanie ultrafioletowe O3 rozkłada się ponownie na atomy beztlenowe.

Tlen jako składnik powietrza atmosferycznego stanowi część różnych reakcji utleniania, łącząc różne związki ziemskie. Znaczącym spadkiem tlenu jest utlenianie gazów z erupcji wulkanicznych.

Hydrosfera

Największą koncentracją wody na Ziemi są oceany, w których występuje jednolite stężenie izotopów tlenu. Wynika to ze stałej wymiany tego pierwiastka ze skorupą ziemską poprzez hydrotermalne procesy cyrkulacji.

W granicach płyt tektonicznych i grzbietów oceanicznych generowany jest stały proces wymiany gazu.

Kriosfera

Masy lądowego lodu, w tym masy lodu polarnego, lodowców i wiecznej zmarzliny, stanowią ważny zlew tlenu w postaci wody w stanie stałym.

Geosfera

Podobnie tlen uczestniczy w wymianie gazowej z glebą. Tam stanowi istotny element procesów oddechowych drobnoustrojów glebowych.

Ważnym zlewem w glebie są procesy utleniania minerałów i spalania paliw kopalnych.

Tlen, który jest częścią cząsteczki wody (H2O) podąża za cyklem wodnym w procesach parowania-transpiracji i wytrącania kondensacyjnego.

-Etap fotosyntezy

Fotosynteza jest przeprowadzana w chloroplastach. Podczas lekkiej fazy fotosyntezy wymagany jest czynnik redukujący, czyli źródło elektronów. Wspomnianym czynnikiem w tym przypadku jest woda (H2O).

Biorąc wodór (H) z wody, uwalniany jest tlen (O2) jako produkt odpadowy. Woda dostaje się do gleby z gleby przez korzenie. W przypadku glonów i sinic pochodzi ze środowiska wodnego.

Cały tlen cząsteczkowy (O2) wytwarzane podczas fotosyntezy pochodzi z wody użytej w procesie. W fotosyntezie CO jest zużywane2, energia słoneczna i woda (H2O), a tlen jest uwalniany (O2).

-Atmosferyczny etap powrotu

O2 generowany w fotosyntezie jest wydalany do atmosfery przez szparki w przypadku roślin. Glony i sinice zwracają je do środowiska przez dyfuzję błony. Podobnie procesy oddechowe zwracają tlen do środowiska w postaci dwutlenku węgla (CO2).

-Etap oddechowy

Aby wykonywać swoje funkcje życiowe, organizmy żywe muszą efektywnie wykorzystywać energię chemiczną generowaną przez fotosyntezę. Energia ta jest przechowywana w postaci złożonych cząsteczek węglowodanów (cukrów) w przypadku roślin. Reszta organizmów otrzymuje je z diety

Proces, w którym żywe istoty rozwijają związki chemiczne w celu uwolnienia wymaganej energii, nazywany jest oddychaniem. Ten proces odbywa się w komórkach i ma dwie fazy; jeden tlenowy i inny beztlenowy.

Oddychanie tlenowe odbywa się w mitochondriach roślin i zwierząt. W bakteriach odbywa się w cytoplazmie, ponieważ brakuje im mitochondriów.

Podstawowym elementem oddychania jest tlen jako środek utleniający. W oddechu zużywany jest tlen (O2) i uwalniany jest CO2 i woda (H2O), wytwarzając użyteczną energię.

CO2 a woda (para wodna) jest uwalniana przez szparki w roślinach. U zwierząt CO2 jest uwalniany przez nozdrza i / lub usta oraz wodę przez pot. W glonach i bakteriach CO2 jest uwalniany przez dyfuzję błony.

Photorespiration

W roślinach w obecności światła powstaje proces zużywający tlen i energię zwany fotooddychaniem. Fotooddychanie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, ze względu na wzrost stężenia CO2 w odniesieniu do stężenia O2.

Fotooddychanie ustala ujemny bilans energetyczny dla zakładu. Zużyj O2 i energia chemiczna (wytwarzana przez fotosyntezę) i uwalnia CO2. Dlatego opracowali mechanizmy ewolucyjne, aby temu przeciwdziałać (metabolizm C4 i CAN).

Znaczenie

Obecnie większość życia ma charakter tlenowy. Bez obiegu O2 w systemie planetarnym życie, jakie znamy dzisiaj, byłoby niemożliwe.

Ponadto tlen stanowi znaczną część mas powietrza lądowego. Dlatego przyczynia się do związanych z tym zjawisk atmosferycznych i ich skutków: między innymi efektów erozyjnych, regulacji klimatu..

Bezpośrednio wytwarza procesy utleniania w glebie, gazach wulkanicznych i sztucznych strukturach metalicznych.

Tlen jest pierwiastkiem o wysokiej zdolności utleniającej. Chociaż cząsteczki tlenu są bardzo stabilne, ponieważ tworzą podwójne wiązanie, posiadanie tlenu o wysokiej elektroujemności (zdolność do przyciągania elektronów), ma wysoką pojemność bierną. Dzięki tej wysokiej elektroujemności tlen interweniuje w wielu reakcjach utleniania.

Zmiany

Zdecydowana większość procesów spalania występujących w przyrodzie wymaga udziału tlenu. Także w tych generowanych przez człowieka. Procesy te spełniają zarówno pozytywne, jak i negatywne funkcje w kategoriach antropicznych.

Spalanie paliw kopalnych (węgiel, ropa, gaz) przyczynia się do rozwoju gospodarczego, ale jednocześnie stanowi poważny problem ze względu na jego wkład w globalne ocieplenie.

Duże pożary lasów wpływają na różnorodność biologiczną, chociaż w niektórych przypadkach stanowią część naturalnych procesów w niektórych ekosystemach.

Efekt cieplarniany

Warstwa ozonowa (O3) w stratosferze jest ochronną tarczą atmosfery przed wejściem nadmiaru promieniowania ultrafioletowego. To wysokoenergetyczne promieniowanie zwiększa ocieplenie Ziemi.

Z drugiej strony jest wysoce mutagenny i szkodliwy dla żywych tkanek. U ludzi i innych zwierząt jest rakotwórczy.

Emisja różnych gazów powoduje zniszczenie warstwy ozonowej, a zatem ułatwia wejście promieniowania ultrafioletowego. Niektóre z tych gazów to chlorofluorowęglowodory, wodorochlorofluorowęglowodory, bromek etylu, tlenki azotu z nawozów i halonów.

Referencje

  1. Anbar AD, Duan, TW Lyons, GL Arnold, B Kendall, RA Creaser, AJ Kaufman, WG Gordon, S Clinton, J Garvin i R Buick (2007) Powiew tlenu przed wielkim wydarzeniem utleniania? Science 317: 1903-1906.
  2. Bekker A, HD Holland, PL Wang, D Rumble, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee i NJ Beukes. (2004) Datowanie wzrostu tlenu atmosferycznego. Nature 427: 117-120.
  3. Farquhar J i DT Johnston. (2008) Cykl tlenowy planet lądowych: wgląd w przetwarzanie i historię tlenu w środowiskach powierzchniowych. Recenzje w Mineralogy and Geochemistry 68: 463-492.
  4. Keeling RF (1995) Cykl tlenu atmosferycznego: Izotopy tlenu atmosferycznego CO2 i O2 i O2/ N2 Rewolucje Geofizyki, uzupełnienie. U.S: Raport krajowy do Międzynarodowej Unii Geodezji i Geofizyki 1991-1994. pp. 1253-1262.
  5. Purves WK, D Sadava, GH Orians i HC Heller (2003) Życie. Nauka biologii. 6. edt. Sinauer Associates, Inc. i WH Freeman and Company. 1044 str.