KYSLÍKOVÝ CYKLUS: CHARAKTERISTIKA, REZERVOÁRE A ŠTÁDIÁ - PROSTREDIE - 2026

Kyslík cyklus sa týka cirkulačného pohybu kyslíka na Zemi. Je to plynný biogeochemický cyklus. Kyslík je druhým najhojnejším prvkom v atmosfére po dusíku a druhým najhojnejším prvkom v hydrosfére po vodíku. V tomto zmysle je cyklus kyslíka spojený s cyklom vody.

Obehový pohyb kyslíka zahŕňa výrobu dioxygen alebo molekulárneho kyslíka dvoch atómov (O ₂ ). K tomu dochádza v dôsledku hydrolýzy počas fotosyntézy uskutočňovanej rôznymi fotosyntetickými organizmami.

Priehrada kyslíka: oblačný les, národný park Waraira Repano, Venezuela. Arnaldo Noguera Sifontes, z Wikimedia Commons

O ₂ sa používa v živých organizmoch pri bunkovej respirácii a vytvára produkciu oxidu uhličitého (CO ₂ ), ktorý je jednou zo surovín pre proces fotosyntézy.

Na druhej strane, v hornej atmosfére dochádza k fotolýze (hydrolýze aktivovanej slnečnou energiou) vodnej pary v dôsledku ultrafialového žiarenia zo slnka. Voda sa rozkladá a uvoľňuje vodík, ktorý sa stráca vo stratosfére, a kyslík je integrovaný do atmosféry.

Ak O ₂ molekula interaguje s atómom kyslíka, ozónu (O ₃ je produkovaný). Ozón tvorí takzvanú ozónovú vrstvu.

vlastnosti

Kyslík je nekovový chemický prvok. Jeho atómové číslo je 8, to znamená, že má 8 prirodzených protónov a 8 elektrónov. Za normálnych podmienok teploty a tlaku je prítomný vo forme plynného dioxygénu, bezfarebný a bez zápachu. Jeho molekulárnej vzorec je O ₂ .

O ₂ obsahuje tri stabilné izotopy: ¹⁶ O, ¹⁷ O a ¹⁸ O. Prevládajúca forma vo vesmíre je ¹⁶ O. Na Zemi predstavuje 99,76% celkového kyslíka. ¹⁸ O predstavuje 0,2%. ¹⁷ O forma je veľmi zriedkavá (~ 0,04%).

pôvod

Kyslík je tretí najhojnejší prvok vo vesmíre. Výroba izotopu ¹⁶ O sa začala v prvej generácii spaľovania slnečného hélia, ku ktorému došlo po Veľkom tresku.

Vytvorenie cyklu nukleosyntézy uhlík-dusík-kyslík v neskorších generáciách hviezd poskytlo na planétach prevládajúci zdroj kyslíka.

Vysoké teploty a tlaky produkujú vodu (H ₂ O) vo vesmíre generovaním reakcii vodíka s kyslíkom. Voda je súčasťou zloženia jadra Zeme.

Výstupy magmy uvoľňujú vodu vo forme pary a tým vstupujú do vodného cyklu. Voda sa rozkladá fotolýzou na kyslík a vodík fotosyntézou a ultrafialovým žiarením v horných vrstvách atmosféry.

Primitívna atmosféra

Primitívna atmosféra pred vývojom fotosyntézy cyanobaktériami bola anaeróbna. Pre živé organizmy prispôsobené tejto atmosfére bol kyslík toxickým plynom. Dokonca aj dnes atmosféra čistého kyslíka spôsobuje nenapraviteľné poškodenie buniek.

Fotosyntéza vznikla v evolučnej línii dnešných cyanobaktérií. Približne pred 2,3 až 2,7 miliardami rokov sa tým zmenilo zloženie zemskej atmosféry.

Šírenie fotosyntetizujúcich organizmov zmenilo zloženie atmosféry. Život sa vyvinul smerom k adaptácii na aeróbnu atmosféru.

Energie, ktoré riadia cyklus

Sily a energie, ktoré pôsobia na pohon kyslíkového cyklu, môžu byť geotermálne, keď magma vylučuje vodnú paru, alebo môže pochádzať zo slnečnej energie.

Ten poskytuje základnú energiu pre proces fotosyntézy. Chemická energia vo forme uhľohydrátov, ktorá je výsledkom fotosyntézy, zase riadi všetky živé procesy v potravinovom reťazci. Slnko rovnako vytvára rozdielne planétové otepľovanie a spôsobuje atmosférické a morské prúdy.

Vzťah k iným biogeochemickým cyklom

Vzhľadom k jeho množstvo a vysokú reaktivitu, kyslík cyklus je spojený s ďalšími cyklami, ako je CO ₂ , dusík (N ₂ ) a kolobehu vody (H ₂ O). To mu dáva multicyklický charakter.

Zásobníky z O ₂ a CO ₂ sú spojené pomocou procesov, ktoré zahŕňajú tvorbu (fotosyntézy) a ničenia (dýchanie a spaľovanie) organickej hmoty. V krátkej dobe sa tieto reakcie redoxný sú hlavným zdrojom variability v koncentrácii O ₂ v atmosfére.

Denitrifikačné baktérie získavajú kyslík na dýchanie z dusičnanov v pôde a uvoľňujú dusík.

nádrže

geosféra

Kyslík je jednou z hlavných zložiek kremičitanov. Preto predstavuje významný zlomok plášťa a kôry Zeme.

• Jadro Zeme : V tekutom vonkajšom plášti Zeme Zeme sú okrem železa aj ďalšie prvky, vrátane kyslíka.
• Pôda : V priestoroch medzi časticami alebo pórmi pôdy je vzduch rozptýlený. Tento kyslík sa používa v pôdnej mikrobiote.

atmosféra

21% atmosféry sa skladá z kyslíka vo forme dioxygen (O ₂ ). Ostatné formy atmosférického prítomnosti kyslíka, sú vodná para (H ₂ O), oxid uhličitý (CO ₂ ) a ozón (O ₃ ).

• Vodná para : koncentrácia vodnej pary je variabilná v závislosti od teploty, atmosférického tlaku a atmosférických cirkulačných prúdov (vodný cyklus).
• Oxid uhličitý : CO ₂ predstavuje približne 0,03% z objemu vzduchu. Od začiatku priemyselnej revolúcie sa koncentrácia CO ₂ v atmosfére zvýšila o 145%.
• Ozón : je to molekula, ktorá je prítomná v stratosfére v malom množstve (0,03 - 0,02 dielov na milión objemu).

hydrosféra

71% zemského povrchu je pokryté vodou. Viac ako 96% vody prítomnej na zemskom povrchu je koncentrovaných v oceánoch. 89% hmotnosti oceánov tvorí kyslík. C02 _sa tiež rozpustí vo vode a podlieha procesu výmeny s atmosférou.

kryosféru

Kryosféra sa vzťahuje na množstvo zmrznutej vody, ktorá pokrýva určité oblasti Zeme. Tieto ľadové masy obsahujú približne 1,74% vody v zemskej kôre. Na druhej strane, ľad obsahuje rôzne množstvá zachyteného molekulárneho kyslíka.

OR

Väčšina molekúl, ktoré tvoria štruktúru živých vecí, obsahuje kyslík. Na druhej strane, veľká časť živých vecí je voda. Preto je suchozemská biomasa tiež kyslíkovou rezervou.

etapy

Všeobecne povedané, cyklus, ktorým kyslík nasleduje ako chemické činidlo, zahrnuje dve veľké oblasti, ktoré tvoria jeho charakter ako biogeochemický cyklus. Tieto oblasti sú zastúpené v štyroch etapách.

Geoenvironmentálna oblasť zahŕňa posuny a zadržiavanie kyslíka v atmosfére, hydrosfére, kryosfére a geosfére. To zahŕňa environmentálnu fázu nádrže a zdroja a fázu návratu do životného prostredia.

Kyslíkový cyklus. Eme Chicano, z Wikimedia Commons

Do biologickej oblasti sú zahrnuté aj dve fázy. Sú spojené s fotosyntézou a dýchaním.

- Environmentálne štádium nádrže a zdroja: atmosféra - hydrosféra - kryosféra - geosféra

atmosféra

Hlavným zdrojom atmosférického kyslíka je fotosyntéza. Existujú však aj iné zdroje, z ktorých môže kyslík vstupovať do atmosféry.

Jedným z nich je tekutý vonkajší plášť jadra Zeme. Kyslík sa dostáva do atmosféry ako vodná para prostredníctvom sopečných erupcií. Vodná para stúpa do stratosféry, kde prechádza fotolýzou v dôsledku vysokoenergetického žiarenia zo slnka a vytvára sa voľný kyslík.

Na druhej strane, dýchanie uvoľňuje kyslík vo forme CO ₂ . Spaľovacie procesy, najmä priemyselné procesy, tiež spotrebujú molekulárny kyslík a prispievajú CO ₂ do atmosféry.

Vo výmene medzi atmosférou a hydrosférou prechádza rozpustený kyslík vo vode do atmosféry. Pre jeho časť, v atmosfére CO ₂ , sa rozpustí vo vode, ako kyseliny uhličitej. Rozpustený kyslík vo vode pochádza hlavne z fotosyntézy rias a cyanobaktérií.

stratosféra

V horných vrstvách atmosféry vysokoenergetické žiarenie hydrolyzuje vodnú paru. Krátkovlnné žiarenie aktivuje O ₂ molekuly . Tieto sa rozdelia na atómy voľného kyslíka (O).

Tieto voľné atómy kyslíka reaguje s O ₂ molekuly a produkujú ozón (O ₃ ). Táto reakcia je reverzibilná. V dôsledku pôsobenia ultrafialového žiarenia, O ₃ rozkladá na voľných kyslíkových atómov znova.

Kyslík ako súčasť atmosférického vzduchu je súčasťou rôznych oxidačných reakcií, ktoré integrujú rôzne pozemské zlúčeniny. Hlavným zdrojom kyslíka je oxidácia plynov spôsobených sopečnými erupciami.

hydrosféra

Najväčšia koncentrácia vody na Zemi sú oceány, kde je rovnomerná koncentrácia izotopov kyslíka. Je to kvôli neustálej výmene tohto prvku so zemskou kôrou prostredníctvom procesov hydrotermálnej cirkulácie.

Na hraniciach tektonických platní a hrebeňov oceánov sa vytvára konštantný proces výmeny plynu.

kryosféru

Masy z pevninského ľadu, vrátane polárnych ľadových hmôt, ľadovcov a permafrostu, predstavujú hlavný zdroj kyslíka vo forme vody v pevnom stave.

geosféra

Podobne sa kyslík zúčastňuje výmeny plynov s pôdou. Tam predstavuje životne dôležitý prvok pre dýchacie procesy pôdnych mikroorganizmov.

Dôležitým záchytom v pôde sú procesy oxidácie minerálov a spaľovania fosílnych palív.

Kyslík, ktorý je súčasťou molekuly vody (H ₂ O) sleduje kolobeh vody v procesoch odparovaním transpirácia a kondenzačné zrážanie.

- Fotosyntetická fáza

Fotosyntéza prebieha v chloroplastoch. Počas svetelnej fázy fotosyntézy je potrebné redukčné činidlo, to znamená zdroj elektrónov. Uvedené činidlo je v tomto prípade voda (H ₂ O).

Odstránením vodíka (H) z vody sa kyslík (O ₂ ) uvoľňuje ako odpadový produkt. Voda vstupuje do rastliny z pôdy cez korene. V prípade rias a siníc pochádza z vodného prostredia.

Všetok molekulárny kyslík (O ₂ ) produkovaný počas fotosyntézy pochádza z vody použitej v procese. Vo fotosyntéze, CO ₂ , slnečnej energie a vody (H ₂ O) sú konzumované , a kyslík (O ₂ ) sa opäť uvoľní.

- Atmosférická návratová fáza

O ₂ generovaný fotosyntézou sa v prípade rastlín vytlačí do atmosféry cez stomatu. Riasy a cyanobaktérie ho vracajú do životného prostredia membránovou difúziou. Podobne, respiračné procesy vráti kyslík pre životné prostredie v podobe oxidu uhličitého (CO ₂ ).

-Dýchacie štádium

Aby živé živočíchy mohli plniť svoje životne dôležité funkcie, musia zefektívniť chemickú energiu generovanú fotosyntézou. Táto energia sa v prípade rastlín ukladá vo forme komplexných molekúl uhľohydrátov (cukrov). Ostatné organizmy ich získavajú zo stravy

Proces, ktorým živé bytosti vyvíjajú chemické zlúčeniny na uvoľnenie požadovanej energie, sa nazýva dýchanie. Tento proces prebieha v bunkách a má dve fázy; jeden aeróbny a jeden anaeróbny.

Aeróbne dýchanie prebieha v mitochondriách u rastlín a zvierat. U baktérií sa vykonáva v cytoplazme, pretože im chýba mitochondria.

Základným prvkom dýchania je kyslík ako oxidačné činidlo. V dýchanie, kyslík (O ₂ ) sa spotrebováva a CO ₂ a vody (H ₂ O) sa uvoľní, produkujúce užitočné energie.

CO ₂ a vody (vodná para) sa uvoľňujú prostredníctvom prieduchov v rastlinách. U zvierat, CO ₂ sa uvoľňuje cez nozdry a / alebo v ústach, a vody potením. V rias a baktérií, CO ₂ sa uvoľní pomocou membránovej difúziou.

fotorespirace

V rastlinách, v prítomnosti svetla, sa vyvíja proces, ktorý spotrebúva kyslík a energiu zvanú fotorezpirácia. Zvyšuje Fotorespirace s rastúcou teplotou, v dôsledku zvýšenia koncentrácie CO _2, vzhľadom na koncentráciu O ₂ .

Fotorezpirácia vytvára negatívnu energetickú rovnováhu pre rastlinu. Spotrebuje O ₂ a chemickú energiu (produkovanú fotosyntézou) a uvoľňuje CO ₂ . Z tohto dôvodu vyvinuli evolučné mechanizmy na boj proti nemu (C4 a CAN metabolizmus).

dôležitosť

Dnes je väčšina života aeróbna. Bez obehu O ₂ v planetárnom systéme by život, ako ho poznáme dnes, nebol možný.

Okrem toho kyslík predstavuje významnú časť vzdušných hmôt Zeme. Prispieva preto k atmosferickým javom, ktoré sú s ňou spojené, a jeho dôsledkom: erózne účinky, okrem iného regulácia podnebia.

Priamo vytvára oxidačné procesy v pôde, sopečných plynoch a na umelých kovových štruktúrach.

Kyslík je prvok s vysokou oxidačnou kapacitou. Aj keď sú molekuly kyslíka veľmi stabilné vzhľadom na to, že tvoria dvojitú väzbu, pretože kyslík má vysokú elektronegativitu (schopnosť priťahovať elektróny), má vysokú reaktívnu kapacitu. Vďaka tejto vysokej elektronegativite sa kyslík zúčastňuje mnohých oxidačných reakcií.

zmeny

Veľká väčšina spaľovacích procesov, ktoré sa vyskytujú v prírode, vyžaduje účasť kyslíka. Podobne aj u tých, ktoré vytvorili ľudia. Tieto procesy plnia pozitívne aj negatívne funkcie v antropickom zmysle.

Spaľovanie fosílnych palív (uhlie, ropa, plyn) prispieva k hospodárskemu rozvoju, zároveň však predstavuje vážny problém, pretože prispieva k globálnemu otepľovaniu.

Rozsiahle lesné požiare ovplyvňujú biodiverzitu, hoci v niektorých prípadoch sú súčasťou prírodných procesov v určitých ekosystémoch.

Skleníkový efekt

Ozónová vrstva (O ₃ ) v stratosfére je ochranným štítom atmosféry proti vniknutiu nadmerného ultrafialového žiarenia. Toto vysoko energetické žiarenie zvyšuje otepľovanie Zeme.

Na druhej strane je vysoko mutagénny a škodlivý pre živé tkanivá. U ľudí a iných zvierat je karcinogénny.

Emisia rôznych plynov spôsobuje deštrukciu ozónovej vrstvy, a preto uľahčuje vstup ultrafialového žiarenia. Niektoré z týchto plynov sú chlórfluórované uhľovodíky, hydrochlórfluórované uhľovodíky, etylbromid, oxidy dusíka z hnojív a halóny.

Referencie

1. Anbar AD, Y Duan, TW Lyons, GL Arnold, B Kendall, RA Creaser, AJ Kaufman, WG Gordon, S Clinton, J Garvin a R Buick (2007), Kyslík pred veľkou oxidačnou udalosťou? Science 317: 1903-1906.
2. Bekker A, HD Holland, PL Wang, D Rumble, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee a NJ Beukes. (2004) Datuje vzostup atmosférického kyslíka. Náture 427: 117-120.
3. Farquhar J a DT Johnston. (2008) Kyslíkový cyklus suchozemských planét: Náhľady na spracovanie a históriu kyslíka v povrchových prostrediach. Recenzie v mineralogii a geochémii 68: 463–492.
4. Keeling RF (1995) Atmosférický kyslíkový cyklus: Kyslíkové izotopy atmosférických CO ₂ a O ₂ a O ₂ / N ₂ Reviws of Geofyzics, doplnok. USA: Národná správa pre Medzinárodnú úniu geodézie a geofyziky 1991 - 1994. pp. 1253-1262.
5. Čistí WK, D Sadavu, GH Oriana a HC Hellera (2003) Life. Science of Biology. 6. ed. Sinauer Associates, Inc. a WH Freeman and Company. 1044 s.