OKSYGENSYKLUS: KJENNETEGN, RESERVOARER OG STADIER - MILJØ - 2025

Den oxygensyklus refererer til den sirkulerende bevegelse av oksygen på jorden. Det er en gassformig biogeokjemisk syklus. Oksygen er det nest rikeste elementet i atmosfæren etter nitrogen, og det nest rikeligste i hydrosfæren etter hydrogen. I denne forstand er oksygensyklusen koblet til vannsyklusen.

Sirkulasjonsbevegelsen av oksygen inkluderer produksjon av dioksygen eller molekylært oksygen av to atomer (O ₂ ). Dette skjer på grunn av hydrolyse under fotosyntesen utført av de forskjellige fotosyntetiske organismer.

Oksygenreservoar: Cloud skog, Waraira Repano nasjonalpark, Venezuela. Arnaldo Noguera Sifontes, fra Wikimedia Commons

O ₂ brukes av levende organismer i cellulær respirasjon, og skaper produksjon av karbondioksid (CO ₂ ), sistnevnte er et av råvarene for fotosynteseprosessen.

På den annen side, i den øvre atmosfæren, oppstår fotolyse (hydrolyse aktivert av solenergi) av vanndamp, forårsaket av ultrafiolett stråling fra solen. Vann spaltes og frigjør hydrogen som går tapt i stratosfæren og oksygen er integrert i atmosfæren.

Når et O _2- molekyl samvirker med et oksygenatom, produseres ozon (O ₃ ). Ozon utgjør det såkalte ozonlaget.

kjennetegn

Oksygen er et ikke-metallisk kjemisk element. Dens atomnummer er 8, det vil si at det har 8 protoner og 8 elektroner i sin naturlige tilstand. Under normale forhold for temperatur og trykk er den til stede i form av dioksygengass, fargeløs og luktfri. Dens molekylformel er O ₂ .

O ₂ inkluderer tre stabile isotoper: ¹⁶ O, ¹⁷ O og ¹⁸ O. Den dominerende formen i universet er ¹⁶ O. På jorden representerer den 99,76% av totalt oksygen. Den ¹⁸ O representerer 0,2%. ¹⁷ O- formen er veldig sjelden (~ 0,04%).

Opprinnelse

Oksygen er det tredje rikeste elementet i universet. Produksjonen av ¹⁶ O- isotopen startet i den første generasjonen av solheliumforbrenning som skjedde etter Big Bang.

Etableringen av karbon-nitrogen-oksygen-nukleosyntesesyklusen i senere generasjoner av stjerner har gitt den dominerende oksygenkilden på planetene.

Høye temperaturer og trykk produsere vann (H ₂ O) i universet ved å generere omsetning av hydrogen med oksygen. Vann er en del av sminken fra jordens kjerne.

Magmautløp avgir vann i form av damp, og dette kommer inn i vannsyklusen. Vann spaltes ved fotolyse til oksygen og hydrogen gjennom fotosyntesen, og ved ultrafiolett stråling i de øvre nivåene i atmosfæren.

Primitiv atmosfære

Den primitive atmosfæren før utviklingen av fotosyntesen ved cyanobakterier var anaerob. For levende organismer tilpasset den atmosfæren, var oksygen en giftig gass. Selv i dag forårsaker en atmosfære av rent oksygen uopprettelig skade på celler.

Fotosyntesen har sin opprinnelse i evolusjonslinjen til dagens cyanobakterier. Dette begynte å endre sammensetningen av jordas atmosfære for omtrent 2,3-2,7 milliarder år siden.

Spredningen av fotosyntetiserende organismer endret sammensetningen av atmosfæren. Livet utviklet seg mot tilpasning til en aerob atmosfære.

Energier som driver syklusen

Kreftene og energiene som virker for å drive oksygensyklusen kan være geotermisk, når magma driver ut vanndamp, eller den kan komme fra solenergi.

Det siste gir den grunnleggende energien for fotosynteseprosessen. Den kjemiske energien i form av karbohydrater som følge av fotosyntesen, fører igjen alle levende prosesser gjennom næringskjeden. På samme måte produserer solen planetarisk differensialoppvarming og forårsaker de marine og atmosfæriske strømningene.

Forhold til andre biogeokjemiske sykluser

På grunn av dens overflod og høy reaktivitet, er den oxygensyklus koblet med andre sykluser, slik som CO ₂ , nitrogen (N ₂ ) og vannsyklusen (H ₂ O). Dette gir den en multisyklisk karakter.

O ₂ og CO ₂ reservoarene er knyttet sammen av prosesser som involverer dannelse (fotosyntesen) og ødeleggelse (respirasjon og forbrenning) av organisk materiale. På kort sikt, disse oksidasjons-reduksjonsreaksjoner er hovedkilden for variasjon i konsentrasjonen av O ₂ i atmosfæren.

Denitrifiserende bakterier får oksygen for respirasjon fra nitrater i jorden, og frigjør nitrogen.

reservoarer

geosfæren

Oksygen er en av hovedkomponentene i silikater. Derfor utgjør den en betydelig brøkdel av jordas mantel og skorpe.

• Jordens kjerne : i den flytende ytre mantelen av jordens kjerne er det, i tillegg til jern, andre elementer, inkludert oksygen.
• Jorden : i mellomrommene mellom partikler eller porene i jorda diffunderes luften. Dette oksygenet brukes av jordsmikrobiotaen.

Stemning

21% av atmosfæren består av oksygen i form av dioksygen (O ₂ ). De andre former for atmosfærisk oksygen tilstedeværelse er vanndamp (H ₂ O), karbondioksyd (CO ₂ ) og ozon (O ₃ ).

• Vanndamp : konsentrasjonen av vanndamp er variabel, avhengig av temperatur, atmosfæretrykk og atmosfæriske sirkulasjonsstrømmer (vannsyklus).
• Karbondioksid : CO ₂ representerer omtrent 0,03% av luftvolumet. Siden begynnelsen av den industrielle revolusjonen har konsentrasjonen av CO ₂ i atmosfæren økt med 145%.
• Ozon : det er et molekyl som er til stede i stratosfæren i en lav mengde (0,03 - 0,02 deler per million volum).

hydro

71% av jordoverflaten er dekket av vann. Mer enn 96% av vannet til stede på jordoverflaten er konsentrert i verdenshavene. 89% av havmassen består av oksygen. CO _{2 er} også oppløst i vann og er underlagt en utvekslingsprosess med atmosfæren.

kryosfæren

Kryosfæren refererer til massen av frossent vann som dekker visse områder av jorden. Disse ismassene inneholder omtrent 1,74% av vannet i jordskorpen. På den annen side inneholder is varierende mengder fanget molekylært oksygen.

ELLER

De fleste av molekylene som utgjør strukturen til levende ting inneholder oksygen. På den annen side er en høy andel av levende ting vann. Derfor er den terrestriske biomassen også en oksygenreserve.

Stages

Generelt sett omfatter syklusen som oksygen følger som et kjemisk middel to store områder som utgjør dens karakter som en biogeokjemisk syklus. Disse områdene er representert i fire trinn.

Det geoenmiljøområdet omfatter forskyvningene og inneslutningen i atmosfæren, hydrosfæren, kryosfæren og geosfæren av oksygen. Dette inkluderer miljøstadiet for reservoar og kilde, og stadiet for retur til miljøet.

Oksygen syklus. Eme Chicano, fra Wikimedia Commons

To stadier er også inkludert i det biologiske området. De er assosiert med fotosyntese og respirasjon.

-Miljøstadium av reservoar og kilde: atmosfære-hydrosphere-kryosphere-geosphere

Stemning

Hovedkilden til atmosfærisk oksygen er fotosyntese. Men det er andre kilder som oksygen kan komme inn i atmosfæren fra.

En av disse er den flytende ytre mantelen til jordens kjerne. Oksygen når atmosfæren som vanndamp gjennom vulkanutbrudd. Vanndamp stiger til stratosfæren der den gjennomgår fotolyse som et resultat av høyenergistråling fra solen og fritt oksygen blir produsert.

På den annen side avgir respirasjon oksygen i form av CO ₂ . Forbrenningsprosesser, spesielt industrielle prosesser, forbruker også molekylært oksygen og bidrar CO ₂ til atmosfæren.

I utvekslingen mellom atmosfæren og hydrosfæren passerer det oppløste oksygenet i vannmassene ut i atmosfæren. For sin del blir atmosfærisk CO ₂ oppløst i vann som kullsyre. Oppløst oksygen i vann kommer hovedsakelig fra fotosyntesen av alger og cyanobakterier.

Stratosphere

I de øvre nivåene i atmosfæren hydrolyserer høyenergi-stråling vanndamp. Kortbølgesstråling aktiverer O _2- molekyler . Disse er delt opp i frie oksygenatomer (O).

Disse frie O-atomer reagerer med O _2- molekyler og produserer ozon (O ₃ ). Denne reaksjonen er reversibel. På grunn av effekten av ultrafiolett stråling, brytes O ₃ ned i frie oksygenatomer.

Oksygen som en komponent i atmosfærisk luft er en del av forskjellige oksidasjonsreaksjoner, og integrerer forskjellige terrestriske forbindelser. En viktig synke for oksygen er oksidasjon av gasser fra vulkanutbrudd.

hydro

Den største konsentrasjonen av vann på jorden er verdenshavene, der det er en jevn konsentrasjon av oksygenisotoper. Dette skyldes den konstante utvekslingen av dette elementet med jordskorpen gjennom hydrotermiske sirkulasjonsprosesser.

Ved grensene for tektoniske plater og havrygger genereres en konstant prosess med gassutveksling.

kryosfæren

Landismasser, inkludert polare ismasser, isbreer og permafrost, utgjør en viktig vask for oksygen i form av faststoff-vann.

geosfæren

På samme måte deltar oksygen i gassutvekslingen med jorda. Der utgjør det det viktige elementet for åndedrettsprosessene til jordmikroorganismer.

En viktig vask i jorda er prosessene med mineraloksydasjon og forbrenning av fossilt brensel.

Det oksygen som er en del av den vannmolekyl (H ₂ O) følger vannets kretsløp i prosesser av fordampning-kondensering-transpirasjon og nedbør.

- Fotosyntetisk scene

Fotosyntese foregår i kloroplaster. I lysfasen av fotosyntesen kreves et reduksjonsmiddel, det vil si en kilde til elektroner. Nevnte middel i dette tilfelle er vann (H ₂ O).

Ved å ta hydrogen (H) fra vann frigjøres oksygen (O ₂ ) som et avfallsprodukt. Vann kommer inn i planten fra jorda gjennom røttene. Når det gjelder alger og cyanobakterier, kommer det fra vannmiljøet.

Alt molekylært oksygen (O ₂ ) produsert under fotosyntesen kommer fra vannet som ble brukt i prosessen. I fotosyntesen forbrukes CO ₂ , solenergi og vann (H ₂ O), og oksygen (O ₂ ) frigjøres.

-Atmosfærisk returfase

O _{2 som} genereres ved fotosyntesen blir utvist ut i atmosfæren gjennom stomata når det gjelder planter. Alger og cyanobakterier returnerer det til miljøet ved membrandiffusjon. På samme måte returnerer luftveisprosesser oksygen til miljøet i form av karbondioksid (CO ₂ ).

-Spirasjonsfasen

For å utføre sine vitale funksjoner, trenger levende organismer å effektivisere den kjemiske energien som genereres ved fotosyntesen. Denne energien lagres i form av komplekse molekyler av karbohydrater (sukkerarter) når det gjelder planter. Resten av organismer henter den fra kostholdet

Prosessen der levende vesener bretter ut kjemiske forbindelser for å frigjøre den nødvendige energien kalles respirasjon. Denne prosessen foregår i celler og har to faser; en aerob og en anaerob.

Aerob respirasjon finner sted i mitokondriene hos planter og dyr. Hos bakterier utføres det i cytoplasma, siden de mangler mitokondrier.

Det grunnleggende elementet for respirasjon er oksygen som et oksidasjonsmiddel. Ved respirasjon forbrukes oksygen (O ₂ ) og CO ₂ og vann (H ₂ O) frigjøres, og produserer nyttig energi.

CO ₂ og vann (vanndamp) frigjøres gjennom stomata i planter. Hos dyr frigjøres CO ₂ gjennom neseborene og / eller munnen, og vann gjennom svette. Hos alger og bakterier frigjøres CO ₂ ved membrandiffusjon.

fotorespirasjon

I planter utvikles det i nærvær av lys en prosess som bruker oksygen og energi kalt fotorespirasjon. Fotorespirasjon øker med økende temperatur, på grunn av økningen i konsentrasjonen av CO ₂ i forhold til konsentrasjonen av O ₂ .

Fotorespirasjon etablerer en negativ energibalanse for anlegget. Den bruker O ₂ og kjemisk energi (produsert ved fotosyntese) og frigjør CO ₂ . Av denne grunn har de utviklet evolusjonsmekanismer for å motvirke det (C4 og CAN metabolismen).

Betydning

I dag er det store flertallet av livet aerobt. Uten sirkulasjonen av O ₂ i planetarsystemet, ville livet slik vi kjenner det i dag, være umulig.

I tillegg utgjør oksygen en betydelig andel av jordas luftmasser. Derfor bidrar den til de atmosfæriske fenomenene som er knyttet til den og dens konsekvenser: erosive effekter, klimaregulering, blant andre.

Direkte genererer det oksidasjonsprosesser i jorden, av vulkanske gasser og på kunstige metallstrukturer.

Oksygen er et element med høy oksidasjonsevne. Selv om oksygenmolekyler er veldig stabile på grunn av det faktum at de danner en dobbeltbinding, siden oksygen har en høy elektronegativitet (evne til å tiltrekke seg elektroner), har den en høy reaktiv kapasitet. På grunn av denne høye elektronegativiteten, tar oksygen del i mange oksidasjonsreaksjoner.

endringer

De aller fleste forbrenningsprosesser som skjer i naturen krever deltakelse av oksygen. Likeledes hos de som er generert av mennesker. Disse prosessene oppfyller både positive og negative funksjoner i antropiske termer.

Forbrenning av fossile brensler (kull, olje, gass) bidrar til økonomisk utvikling, men representerer samtidig et alvorlig problem på grunn av dets bidrag til den globale oppvarmingen.

Store skogbranner påvirker biologisk mangfold, selv om de i noen tilfeller er en del av naturlige prosesser i visse økosystemer.

Drivhuseffekt

Ozonlaget (O ₃ ) i stratosfæren er det beskyttende skjoldet i atmosfæren mot inntreden av overflødig ultrafiolett stråling. Denne svært energiske strålingen øker oppvarmingen av Jorden.

På den annen side er det sterkt mutagent og skadelig for levende vev. Hos mennesker og andre dyr er det kreftfremkallende.

Utslippet av forskjellige gasser fører til ødeleggelse av ozonlaget og letter derfor inntreden av ultrafiolett stråling. Noen av disse gassene er klorfluorkarboner, hydroklorfluorkarboner, etylbromid, nitrogenoksider fra gjødsel og haloner.

referanser

1. Anbar AD, Y Duan, TW Lyons, GL Arnold, B Kendall, RA Creaser, AJ Kaufman, WG Gordon, S Clinton, J Garvin og R Buick (2007) A Whiff of Oxygen Before the Great Oxidation Event? Vitenskap 317: 1903-1906.
2. Bekker A, HD Holland, PL Wang, D Rumble, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee, og NJ Beukes. (2004) Datering av økningen av atmosfærisk oksygen. Naturen 427: 117-120.
3. Farquhar J og DT Johnston. (2008) Oxygen Cycle of the Terrestrial Planets: Insights in the Processing and History of Oxygen in Surface Environments. Anmeldelser i Mineralogi og geokjemi 68: 463–492.
4. Keeling RF (1995) Den atmosfæriske oksygensyklusen: Oksygenisotoper av atmosfærisk CO ₂ og O ₂ og O ₂ / N ₂ Reviws of Geophysics, supplement. USA: National Report to International Union of Geodesy and Geophysics 1991-1994. s. 1253-1262.
5. Purves WK, D Sadava, GH Orians og HC Heller (2003) Life. Vitenskapen om biologi. 6. edt. Sinauer Associates, Inc. og WH Freeman and Company. 1044 s.