CYKL TLENOWY: CHARAKTERYSTYKA, REZERWUARY I ETAPY - ŚRODOWISKO - 2025

Cykl tlenu odnosi się do ruchu krążenia tlenu na Ziemi. Jest to gazowy cykl biogeochemiczny. Tlen jest drugim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w atmosferze po azocie i drugim po wodorze najbardziej rozpowszechnionym w hydrosferze. W tym sensie cykl tlenowy jest połączony z obiegiem wody.

Ruch krążenia tlenu obejmuje wytwarzanie tlenu lub tlenu cząsteczkowego dwóch atomów (O ₂ ). Dzieje się tak z powodu hydrolizy podczas fotosyntezy prowadzonej przez różne organizmy fotosyntetyczne.

Zbiornik tlenu: Las mglisty, Park Narodowy Waraira Repano, Wenezuela. Arnaldo Noguera Sifontes, źródło Wikimedia Commons

O ₂ jest wykorzystywany przez organizmy żywe w oddychaniu komórkowym, wytwarzając dwutlenek węgla (CO ₂ ), który jest jednym z surowców do procesu fotosyntezy.

Z drugiej strony w górnych warstwach atmosfery zachodzi fotoliza (hydroliza aktywowana energią słoneczną) pary wodnej wywołana promieniowaniem ultrafioletowym słońca. Woda rozkłada się, uwalniając wodór, który jest tracony w stratosferze, a tlen jest integrowany z atmosferą.

Kiedy cząsteczka O ₂ oddziałuje z atomem tlenu, wytwarzany jest ozon (O ₃ ). Ozon tworzy tak zwaną warstwę ozonową.

cechy

Tlen jest niemetalicznym pierwiastkiem chemicznym. Jego liczba atomowa to 8, czyli w stanie naturalnym ma 8 protonów i 8 elektronów. W normalnych warunkach temperatury i ciśnienia występuje w postaci ditlenu, bezbarwnego i bezwonnego. Jego wzór cząsteczkowy to O ₂ .

O ₂ zawiera trzy stabilne izotopy: ¹⁶ O, ¹⁷ O i ¹⁸ O. Dominującą formą we Wszechświecie jest ¹⁶ O. Na Ziemi stanowi 99,76% całkowitego tlenu. ¹⁸ O oznacza 0,2%. Forma ¹⁷ O jest bardzo rzadka (~ 0,04%).

Pochodzenie

Tlen jest trzecim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie. Produkcja izotopu ¹⁶ O rozpoczęła się w pierwszej generacji słonecznego spalania helu, które nastąpiło po Wielkim Wybuchu.

Ustanowienie cyklu nukleosyntezy węgiel-azot-tlen w późniejszych generacjach gwiazd zapewniło dominujące źródło tlenu na planetach.

Wysokie temperatury i ciśnienia wytwarzają wodę (H ₂ O) we Wszechświecie w wyniku reakcji wodoru z tlenem. Woda jest częścią składową jądra Ziemi.

Wychodnie magmy wydzielają wodę w postaci pary, która wchodzi do obiegu wodnego. Woda rozkłada się w wyniku fotolizy na tlen i wodór w wyniku fotosyntezy oraz promieniowania ultrafioletowego w górnych warstwach atmosfery.

Atmosfera prymitywna

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

Fotosynteza wywodzi się z ewolucyjnej linii dzisiejszych cyjanobakterii. Zaczęło się to zmieniać skład ziemskiej atmosfery około 2,3-2,7 miliarda lat temu.

Rozprzestrzenianie się organizmów fotosyntetyzujących zmieniło skład atmosfery. Życie ewoluowało w kierunku przystosowania się do atmosfery tlenowej.

Energie, które napędzają cykl

Siły i energie napędzające cykl tlenowy mogą być geotermalne, kiedy magma wyrzuca parę wodną lub mogą pochodzić z energii słonecznej.

Ten ostatni dostarcza podstawowej energii do procesu fotosyntezy. Energia chemiczna w postaci węglowodanów pochodząca z fotosyntezy napędza z kolei wszystkie procesy życiowe w łańcuchu pokarmowym. W ten sam sposób Słońce powoduje zróżnicowane ocieplenie planet oraz prądy atmosferyczne i morskie.

Związek z innymi cyklami biogeochemicznymi

Ze względu na dużą ilość i wysoką reaktywność cykl tlenowy jest powiązany z innymi cyklami, takimi jak CO ₂ , azot (N ₂ ) i obieg wodny (H ₂ O). To nadaje mu multicykliczny charakter.

Zbiorniki O ₂ i CO ₂ są połączone procesami, które obejmują tworzenie (fotosyntezę) i niszczenie (oddychanie i spalanie) materii organicznej. W perspektywie krótkoterminowej te reakcje utleniania-redukcji są głównym źródłem zmienności stężenia O ₂ w atmosferze.

Bakterie denitryfikacyjne pozyskują tlen do oddychania z azotanów w glebie, uwalniając azot.

Zbiorniki

Geosfera

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

• Jądro Ziemi : w płynnym płaszczu zewnętrznym jądra Ziemi oprócz żelaza znajdują się inne pierwiastki, w tym tlen.
• Gleba : w przestrzeniach między cząstkami lub porami gleby następuje dyfuzja powietrza. Tlen ten jest wykorzystywany przez mikrobiotę glebową.

Atmosfera

21% atmosfery składa się z tlenu w postaci tlenu (O ₂ ). Inne formy obecności tlenu w atmosferze to para wodna (H ₂ O), dwutlenek węgla (CO ₂ ) i ozon (O ₃ ).

• Para wodna : stężenie pary wodnej jest zmienne w zależności od temperatury, ciśnienia atmosferycznego i atmosferycznych prądów cyrkulacyjnych (obieg wody).
• Dwutlenek węgla : CO ₂ stanowi około 0,03% objętości powietrza. Od początku rewolucji przemysłowej stężenie CO ₂ w atmosferze wzrosło o 145%.
• Ozon : to cząsteczka obecna w stratosferze w niewielkiej ilości (0,03 - 0,02 części na milion objętościowo).

Hydrosfera

71% powierzchni ziemi pokrywa woda. Ponad 96% wody obecnej na powierzchni ziemi koncentruje się w oceanach. 89% masy oceanów składa się z tlenu. CO ₂ również rozpuszcza się w wodzie i podlega procesowi wymiany z atmosferą.

Kriosfera

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

LUB

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

Gradacja

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

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

Cykl tlenowy. Eme Chicano, źródło Wikimedia Commons

Obszar biologiczny obejmuje również dwa etapy. Są związane z fotosyntezą i oddychaniem.

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

Atmosfera

Głównym źródłem tlenu atmosferycznego jest fotosynteza. Ale są też inne źródła, z których tlen może dostać się do atmosfery.

Jednym z nich jest płynny płaszcz zewnętrzny jądra Ziemi. Tlen dostaje się do atmosfery w postaci pary wodnej podczas erupcji wulkanów. Para wodna unosi się do stratosfery, gdzie ulega fotolizie w wyniku wysokoenergetycznego promieniowania słonecznego i produkcji wolnego tlenu.

Z drugiej strony oddychanie wydziela tlen w postaci CO ₂ . Procesy spalania, zwłaszcza procesy przemysłowe, również zużywają tlen cząsteczkowy i emitują CO ₂ do atmosfery.

Podczas wymiany między atmosferą a hydrosferą rozpuszczony w masach wody tlen przechodzi do atmosfery. Z kolei atmosferyczny CO ₂ rozpuszcza się w wodzie jako kwas węglowy. Tlen rozpuszczony w wodzie pochodzi głównie z fotosyntezy alg i cyjanobakterii.

Stratosfera

W górnych warstwach atmosfery promieniowanie wysokoenergetyczne hydrolizuje parę wodną. Promieniowanie krótkofalowe aktywuje cząsteczki O ₂ . Są one podzielone na wolne atomy tlenu (O).

Te wolne atomy O reagują z cząsteczkami O ₂ i wytwarzają ozon (O ₃ ). Ta reakcja jest odwracalna. Pod wpływem promieniowania ultrafioletowego O _{3 ponownie} rozkłada się na wolne atomy tlenu.

Tlen jako składnik powietrza atmosferycznego bierze udział w różnych reakcjach utleniania, integrując różne związki naziemne. Głównym źródłem tlenu jest utlenianie gazów z erupcji wulkanów.

Hydrosfera

Największym stężeniem wody na Ziemi są oceany, w których występuje jednakowe stężenie izotopów tlenu. Wynika to z ciągłej wymiany tego pierwiastka ze skorupą ziemską w procesach cyrkulacji hydrotermalnej.

Na granicach płyt tektonicznych i grzbietów oceanicznych generowany jest ciągły proces wymiany gazowej.

Kriosfera

Lądowe masy lodu, w tym polarne masy lodu, lodowce i wieczna zmarzlina, stanowią główne zbiorniki tlenu w postaci wody w stanie stałym.

Geosfera

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

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

Tlen będący częścią cząsteczki wody (H ₂ O) podąża za obiegiem wody w procesach parowania - transpiracji i kondensacji - wytrącania.

- Etap fotosyntezy

W chloroplastach zachodzi fotosynteza. W fazie świetlnej fotosyntezy potrzebny jest środek redukujący, czyli źródło elektronów. Wspomnianym środkiem w tym przypadku jest woda (H ₂ O).

Pobierając wodór (H) z wody, tlen (O ₂ ) jest uwalniany jako produkt odpadowy. Woda wnika do rośliny z gleby przez korzenie. W przypadku alg i cyjanobakterii pochodzi ze środowiska wodnego.

Cały tlen cząsteczkowy (O ₂ ) wytwarzany podczas fotosyntezy pochodzi z wody używanej w procesie. Podczas fotosyntezy zużywane są CO ₂ , energia słoneczna i woda (H ₂ O), a tlen (O ₂ ) jest uwalniany.

-Atmosferyczny etap powrotu

O ₂ powstający w procesie fotosyntezy jest wydalany do atmosfery przez aparaty szparkowe w przypadku roślin. Glony i cyjanobakterie przywracają je do środowiska poprzez dyfuzję membranową. Podobnie procesy oddechowe przywracają tlen do środowiska w postaci dwutlenku węgla (CO ₂ ).

-Stan oddechowy

Aby pełnić swoje życiowe funkcje, organizmy żywe muszą efektywnie wykorzystywać energię chemiczną generowaną przez fotosyntezę. W przypadku roślin energia ta jest magazynowana w postaci złożonych cząsteczek węglowodanów (cukrów). Reszta organizmów pozyskuje go z pożywienia

Proces, w którym żywe istoty rozwijają związki chemiczne w celu uwolnienia wymaganej energii, nazywa się oddychaniem. Proces ten zachodzi w komórkach i ma dwie fazy; jeden tlenowy i jeden beztlenowy.

Oddychanie tlenowe zachodzi w mitochondriach roślin i zwierząt. U bakterii odbywa się to w cytoplazmie, ponieważ brakuje im mitochondriów.

Podstawowym elementem oddychania jest tlen jako środek utleniający. Podczas oddychania tlen (O ₂ ) jest zużywany, a CO ₂ i woda (H ₂ O) są uwalniane, wytwarzając użyteczną energię.

CO ₂ i woda (para wodna) są uwalniane przez aparaty szparkowe w roślinach. U zwierząt CO ₂ jest uwalniany przez nozdrza i / lub usta, a woda poprzez pocenie się. W algach i bakteriach CO ₂ jest uwalniany na drodze dyfuzji przez błonę.

Fotooddychanie

W roślinach w obecności światła rozwija się proces, który zużywa tlen i energię, zwany fotooddychaniem. Fotooddychanie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, na skutek wzrostu stężenia CO ₂ w stosunku do stężenia O ₂ .

Fotooddychanie ustanawia ujemny bilans energetyczny rośliny. Zużywa O ₂ i energię chemiczną (wytwarzaną w procesie fotosyntezy) oraz uwalnia CO ₂ . Dlatego opracowali ewolucyjne mechanizmy przeciwdziałania temu (metabolizm C4 i CAN).

Znaczenie

Obecnie większość życia to aerobik. Bez cyrkulacji O ₂ w systemie planetarnym życie, jakie znamy dzisiaj, byłoby niemożliwe.

Ponadto tlen stanowi znaczną część mas powietrza na Ziemi. W związku z tym przyczynia się do związanych z nią zjawisk atmosferycznych i ich następstw: m.in. efektów erozyjnych, regulacji klimatu.

Bezpośrednio wywołuje procesy utleniania w glebie, gazach wulkanicznych i na sztucznych konstrukcjach metalowych.

Tlen to pierwiastek o dużej zdolności utleniającej. Chociaż cząsteczki tlenu są bardzo stabilne ze względu na to, że tworzą podwójne wiązanie, ponieważ tlen ma wysoką elektroujemność (zdolność przyciągania elektronów), ma wysoką zdolność reaktywną. Z powodu tej wysokiej elektroujemności tlen bierze udział w wielu reakcjach utleniania.

Zmiany

Zdecydowana większość procesów spalania zachodzących w przyrodzie wymaga udziału tlenu. Podobnie w przypadku stworzonych przez ludzi. W kategoriach antropicznych procesy te spełniają zarówno funkcje pozytywne, jak i negatywne.

Spalanie paliw kopalnych (węgiel, ropa, gaz) przyczynia się do rozwoju gospodarczego, ale jednocześnie stanowi poważny problem ze względu na swój udział w globalnym ociepleniu.

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

Efekt cieplarniany

Warstwa ozonowa (O ₃ ) w stratosferze jest tarczą ochronną atmosfery przed przedostawaniem się nadmiernego promieniowania ultrafioletowego. To wysokoenergetyczne promieniowanie zwiększa ocieplenie Ziemi.

Z drugiej strony jest silnie mutagenny i szkodliwy dla żywych tkanek. U ludzi i innych zwierząt ma działanie rakotwórcze.

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

Bibliografia

1. Anbar AD, Y Duan, TW Lyons, GL Arnold, B Kendall, RA Creaser, AJ Kaufman, WG Gordon, S Clinton, J Garvin i R Buick (2007) A Whiff of Oxygen Before the Great Oxidation Event? 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 zawartości tlenu w atmosferze. Naturę 427: 117-120.
3. Farquhar J i DT Johnston. (2008) The Oxygen Cycle of the Terrestrial Planets: Insights into the Processing and History of Oxygen in Surface Environments. Reviews in Mineralogy and Geochemistry 68: 463–492.
4. Keeling RF (1995) Atmosferyczny cykl tlenowy: Izotopy tlenu atmosferycznego CO ₂ i O ₂ oraz O ₂ / N ₂ Reviws of Geophysics, dodatek. USA: National Report to International Union of Geodesy and Geophysics 1991-1994. s. 1253-1262.
5. Purves WK, D Sadava, GH Orians i HC Heller (2003) Life. Nauka o biologii. 6th Edt. Sinauer Associates, Inc. oraz WH Freeman and Company. 1044 pkt.