DEGUONIES CIKLAS: CHARAKTERISTIKOS, REZERVUARAI IR PAKOPOS - APLINKA - 2025

Deguonies ciklas susijęs su kraujotakos judėjimo deguonies Žemėje. Tai dujinis biogeocheminis ciklas. Deguonis yra antras gausiausias elementas atmosferoje po azoto, o antrasis gausiausias hidrosferoje po vandenilio. Šia prasme deguonies ciklas yra sujungtas su vandens ciklu.

Cirkuliacinis deguonies judėjimas apima dviejų atomų (O ₂ ) dioksido arba molekulinio deguonies gamybą . Tai įvyksta dėl hidrolizės fotosintezės metu, kurią vykdo skirtingi fotosintetiniai organizmai.

Deguonies rezervuaras: Debesų miškas, Waraira Repano nacionalinis parkas, Venesuela. Arnaldo Noguera Sifontes, iš „Wikimedia Commons“

O ₂ gyvieji organizmai naudoja ląsteliniame kvėpavime ir taip išskiria anglies dioksidą (CO ₂ ), kuris yra viena iš fotosintezės proceso žaliavų.

Kita vertus, viršutinėje atmosferoje vyksta vandens garų fotolizė (hidrolizė, kurią aktyvina saulės energija), kurią sukelia saulės ultravioletinė spinduliuotė. Vanduo suyra, išleisdamas stratosferoje prarastą vandenilį, o deguonis integruojasi į atmosferą.

Kai O ₂ molekulė sąveikauja su deguonies atomu, susidaro ozonas (O ₃ ). Ozonas sudaro vadinamąjį ozono sluoksnį.

charakteristikos

Deguonis yra nemetalinis cheminis elementas. Jo atominis skaičius yra 8, tai yra, natūralioje būsenoje yra 8 protonai ir 8 elektronai. Esant normalioms temperatūros ir slėgio sąlygoms, jis yra bespalvis ir bekvapis dioksido dujų pavidalu. Jo molekulinė formulė yra O ₂ .

O ₂ apima tris stabilius izotopus: ¹⁶ O, ¹⁷ O ir ¹⁸ O. Vyraujanti forma Visatoje yra ¹⁶ O. Žemėje ji sudaro 99,76% viso deguonies. ¹⁸ o reiškia 0,2%. ¹⁷ O forma yra labai reta (~ 0,04%).

Kilmė

Deguonis yra trečias gausiausias elementas visatoje. ¹⁶ O izotopo gamyba prasidėjo pirmosios kartos saulės helio deginimo metu, įvykusio po Didžiojo sprogimo.

Anglies, azoto ir deguonies nukleosintezės ciklo sukūrimas vėlesnėse žvaigždžių kartose sudarė pagrindinį deguonies šaltinį planetose.

Aukšta temperatūra ir slėgis sukuria vandenį (H ₂ O) Visatoje, sukeldami vandenilio reakciją su deguonimi. Vanduo yra Žemės branduolio makiažo dalis.

Magmos atodangos išleidžia vandenį garų pavidalu ir tai patenka į vandens ciklą. Vanduo skaidomas fotolizės būdu į deguonį ir vandenilį vykstant fotosintezei, o ultravioletiniais spinduliais - viršutiniuose atmosferos lygiuose.

Primityvi atmosfera

Primityvioji atmosfera prieš fotosintezės, vykstančios melsvabakterėms, evoliuciją buvo anaerobinė. Gyviesiems organizmams, prisitaikiusiems prie tos atmosferos, deguonis buvo toksiškos dujos. Net ir šiandien gryno deguonies atmosfera daro nepataisomą žalą ląstelėms.

Fotosintezė atsirado šiandienos melsvabakterių evoliucinėje linijoje. Tai pradėjo keisti žemės atmosferos sudėtį maždaug prieš 2,3–2,7 milijardo metų.

Fotosintezuojančių organizmų dauginimasis pakeitė atmosferos sudėtį. Gyvenimas vystėsi prisitaikydamas prie aerobinės atmosferos.

Energijos, kurios varo ciklą

Jėgos ir energijos, veikiančios deguonies ciklą, gali būti geoterminės, kai magma išskiria vandens garus, arba ji gali būti gaunama iš saulės energijos.

Pastarasis suteikia pagrindinę energiją fotosintezės procesui. Cheminė energija angliavandenių pavidalu, gauta fotosintezės metu, savo ruožtu visus maisto procesus kontroliuoja gyviems procesams. Tuo pačiu būdu Saulė sukelia skirtingą planetų atšilimą ir sukelia atmosferos bei jūrų sroves.

Ryšys su kitais biogeocheminiais ciklais

Dėl savo gausos ir didelio reaktyvumo deguonies ciklas yra susijęs su kitais ciklais, tokiais kaip CO ₂ , azotas (N ₂ ) ir vandens ciklas (H ₂ O). Tai suteikia daugiaciklį personažą.

O ₂ ir CO ₂ rezervuarai yra sujungti procesais, kurie apima organinių medžiagų sukūrimą (fotosintezę) ir sunaikinimą (kvėpavimą ir degimą). Per trumpą laiką šios oksidacijos-redukcijos reakcijos yra pagrindinis O ₂ koncentracijos atmosferoje kintamumo šaltinis .

Denitrifikuojančios bakterijos kvėpavimui deguonį gauna iš dirvoje esančių nitratų, išskirdamos azotą.

Rezervuarai

Geosfera

Deguonis yra vienas iš pagrindinių silikatų komponentų. Todėl ji sudaro didelę dalį žemės mantijos ir plutos.

• Žemės šerdis : skystame išoriniame žemės šerdies apvalkale, be geležies, yra ir kitų elementų, įskaitant deguonį.
• Dirvožemis : erdvėse tarp dirvožemio dalelių ar porų oras pasklinda. Šį deguonį naudoja dirvožemio mikrobiota.

Atmosfera

Dioksido (O ₂ ) pavidalu 21% atmosferos sudaro deguonis . Kitos atmosferos deguonies formos yra vandens garai (H ₂ O), anglies dioksidas (CO ₂ ) ir ozonas (O ₃ ).

• Vandens garai : vandens garų koncentracija kinta, priklausomai nuo temperatūros, atmosferos slėgio ir atmosferos cirkuliacijos srovių (vandens ciklas).
• Anglies dioksidas : CO ₂ sudaro maždaug 0,03% oro tūrio. Nuo pramonės revoliucijos pradžios CO ₂ koncentracija atmosferoje padidėjo 145%.
• Ozonas : tai molekulė, kurios stratosferoje yra nedaug (0,03–0,02 milijono tūrio dalių).

Hidrosfera

71% žemės paviršiaus yra padengtas vandeniu. Daugiau kaip 96% žemės paviršiuje esančio vandens yra sutelkta vandenynuose. 89% vandenynų masės sudaro deguonis. CO _{2 taip} pat ištirpsta vandenyje ir keičiasi atmosfera.

Kriosfera

Kriosfera reiškia užšaldyto vandens masę, kuri apima tam tikras Žemės sritis. Šiose ledo masėse yra maždaug 1,74% žemės plutos vandens. Kita vertus, ledo sudėtyje yra įvairaus dydžio įstrigęs molekulinis deguonis.

ARBA

Daugelyje molekulių, sudarančių gyvų daiktų struktūrą, yra deguonies. Kita vertus, didelę gyvų daiktų dalį sudaro vanduo. Todėl sausumos biomasė taip pat yra deguonies atsarga.

Etapai

Apskritai ciklas, kurį deguonis seka kaip cheminis agentas, apima dvi dideles sritis, kurios sudaro jo kaip biogeocheminio ciklo pobūdį. Šios sritys vaizduojamos keturiais etapais.

Geoaplinkos zona apima deguonies išstūmimus ir sulaikymą atmosferoje, hidrosferoje, kriosferoje ir geosferoje. Tai apima rezervuaro ir šaltinio aplinkos ir grįžimo į aplinką etapą.

Deguonies ciklas. Eme Chicano, iš „Wikimedia Commons“

Į biologinę sritį taip pat įtrauktos dvi stadijos. Jie siejami su fotosinteze ir kvėpavimu.

- Ekologinis rezervuaro ir šaltinio etapas: atmosfera-hidrosfera-kriosfera-geosfera

Atmosfera

Pagrindinis atmosferos deguonies šaltinis yra fotosintezė. Tačiau yra ir kitų šaltinių, iš kurių deguonis gali patekti į atmosferą.

Vienas iš jų yra skystas išorinis žemės branduolio apvalkalas. Deguonis patenka į atmosferą kaip vandens garai per ugnikalnių išsiveržimus. Vandens garai pakyla į stratosferą, kur dėl didelės energijos saulės spinduliuotės vyksta fotolizė ir susidaro laisvas deguonis.

Kita vertus, kvėpavimas išskiria deguonį CO ₂ pavidalu . Degimo procesai, ypač pramoniniai, taip pat sunaudoja molekulinį deguonį ir prisideda prie atmosferos CO ₂ .

Keičiantis atmosferai ir hidrosferai, vandens masėse ištirpęs deguonis patenka į atmosferą. Savo ruožtu atmosferos CO ₂ yra ištirpinamas vandenyje kaip anglies rūgštis. Ištirpęs deguonis vandenyje daugiausia gaunamas dumblių ir melsvadumblių fotosintezės metu.

Stratosfera

Aukštesniuose atmosferos lygiuose aukštos energijos spinduliuotė hidrolizuoja vandens garus. Trumpųjų bangų spinduliuotė suaktyvina O ₂ molekules . Jie yra suskaidomi į laisvuosius deguonies atomus (O).

Šie laisvieji O atomus reaguoja su O ₂ molekulių ir gaminti ozono (O ₃ ). Ši reakcija yra grįžtama. Dėl ultravioletinių spindulių poveikio O ₃ vėl suskyla į laisvuosius deguonies atomus.

Deguonis, kaip atmosferos oro komponentas, yra įvairių oksidacijos reakcijų, apimančių įvairius sausumos junginius, dalis. Pagrindinis deguonies šaltinis yra vulkanų išsiveržimų metu susidarančių dujų oksidacija.

Hidrosfera

Didžiausia vandens koncentracija Žemėje yra vandenynai, kur yra vienoda deguonies izotopų koncentracija. Taip yra dėl nuolatinio šio elemento keitimosi žemės pluta hidroterminės cirkuliacijos procesų metu.

Esant tektoninių plokščių ir vandenyno keterų riboms, sukuriamas nuolatinis dujų mainų procesas.

Kriosfera

Sausumos ledo masės, įskaitant poliarines ledo mases, ledynus ir amžinojo įšalo laipsnį, yra pagrindinės deguonies šaltinio kieto pavidalo vandens pavidalu.

Geosfera

Taip pat deguonis dalyvauja dujų mainuose su dirvožemiu. Ten jis yra gyvybiškai svarbus dirvožemio mikroorganizmų kvėpavimo procesams.

Svarbus grunto grimzlė yra mineralų oksidacijos ir iškastinio kuro deginimo procesai.

Deguonis, kuris yra vandens molekulės dalis (H ₂ O), seka vandens ciklą išgarinimo-transpiracijos ir kondensacijos-kritulių procesuose.

- Fotosintezės stadija

Fotosintezė vyksta chloroplastuose. Šviesios fotosintezės fazės metu reikalingas reduktorius, tai yra elektronų šaltinis. Minėtas agentas šiuo atveju yra vanduo (H ₂ O).

Iš vandens paimdamas vandenilį (H), deguonis (O ₂ ) išsiskiria kaip atliekos. Vanduo į augalą patenka iš dirvožemio per šaknis. Dumblių ir melsvadumblių atveju jie gaunami iš vandens aplinkos.

Visas molekulinis deguonis (O ₂ ), gaminamas fotosintezės metu, gaunamas iš procese naudojamo vandens. Fotosintezės metu sunaudojamas CO ₂ , saulės energija ir vanduo (H ₂ O), išsiskiria deguonis (O ₂ ).

-Atmosferos grįžimo etapas

Augalų fotosintezės metu susidaręs O ₂ yra išmetamas į atmosferą per žandikaulį. Dumbliai ir melsvadumbliai jį grąžina į aplinką difuzijos būdu. Taip pat kvėpavimo procesai grąžina į aplinką deguonį anglies dioksido (CO ₂ ) pavidalu .

-Kvėpavimo stadija

Norėdami atlikti savo gyvybines funkcijas, gyvieji organizmai turi efektyviai panaudoti cheminę energiją, kurią sukuria fotosintezė. Augaluose ši energija kaupiama sudėtingų angliavandenių (cukraus) molekulių pavidalu. Likę organizmai jį gauna iš dietos

Procesas, kurio metu gyvos būtybės išsiskleidžia cheminiais junginiais, kad išlaisvintų reikiamą energiją, yra vadinamas kvėpavimu. Šis procesas vyksta ląstelėse ir turi dvi fazes; vienas aerobinis ir vienas anaerobinis.

Aerobinis kvėpavimas vyksta augalų ir gyvūnų mitochondrijose. Bakterijose jis atliekamas citoplazmoje, nes jose trūksta mitochondrijų.

Pagrindinis kvėpavimo elementas yra deguonis kaip oksidatorius. Kvėpuojant sunaudojamas deguonis (O ₂ ), išsiskiria CO ₂ ir vanduo (H ₂ O), sukuriant naudingą energiją.

CO ₂ ir vanduo (vandens garai) išsiskiria per augalų stiebus. Gyvūnams CO ₂ išsiskiria per šnerves ir (arba) burną, o vanduo prakaituodamas. Dumbliuose ir bakterijose CO ₂ išsiskiria difuzijos būdu.

Fotorezpiracija

Augaluose, esant šviesai, vystosi procesas, kuris sunaudoja deguonį ir energiją, vadinamą fotorespiracija. Fotorezpiracija didėja didėjant temperatūrai, nes padidėja CO ₂ koncentracija, palyginti su O ₂ .

Fotorespiracija nustato neigiamą augalo energijos balansą. Jis sunaudoja O ₂ ir cheminę energiją (kurią gamina fotosintezė) ir išskiria CO ₂ . Dėl šios priežasties jie sukūrė evoliucijos mechanizmus, leidžiančius jai neutralizuoti (C4 ir CAN metabolizmai).

Svarba

Šiandien didžioji gyvenimo dalis yra aerobinė. Be O ₂ cirkuliacijos planetų sistemoje gyvenimas, kokį šiandien žinome, būtų neįmanomas.

Be to, deguonis sudaro didelę žemės oro masės dalį. Todėl jis prisideda prie su juo susijusių atmosferos reiškinių ir jų padarinių: erozinio poveikio, klimato reguliavimo, be kita ko.

Tiesiogiai jis sukelia oksidacijos procesus dirvožemyje, vulkaninių dujų ir dirbtinėse metalo konstrukcijose.

Deguonis yra elementas, pasižymintis dideliu oksidaciniu pajėgumu. Nors deguonies molekulės yra labai stabilios dėl to, kad sudaro dvigubą jungtį, kadangi deguonis turi aukštą elektronegatyvumą (gebėjimą pritraukti elektronus), jis turi aukštą reaktyviąją galią. Dėl šio didelio elektronegatyvumo deguonis dalyvauja daugelyje oksidacijos reakcijų.

Pakeitimai

Daugelio gamtoje vykstančių degimo procesų metu reikalingas deguonis. Panašiai ir tie, kuriuos sukuria žmonės. Šie procesai antropiškai atlieka tiek teigiamas, tiek neigiamas funkcijas.

Iškastinio kuro (anglies, naftos, dujų) deginimas prisideda prie ekonominio vystymosi, tačiau kartu yra rimta problema, nes ji prisideda prie globalinio atšilimo.

Dideli miškų gaisrai daro įtaką biologinei įvairovei, nors kai kuriais atvejais jie yra natūralių procesų dalis tam tikrose ekosistemose.

Šiltnamio efektas

Stratosferoje esantis ozono sluoksnis (O ₃ ) yra apsauginis atmosferos skydas nuo perteklinio ultravioletinių spindulių patekimo. Ši labai energinga radiacija padidina Žemės atšilimą.

Kita vertus, jis yra labai mutageniškas ir žalingas gyviesiems audiniams. Žmonėms ir kitiems gyvūnams jis yra kancerogeninis.

Įvairių dujų išsiskyrimas sunaikina ozono sluoksnį, todėl lengviau patekti į ultravioletinę spinduliuotę. Kai kurios iš šių dujų yra chlorfluorangliavandeniliai, hidrochlorfluorangliavandeniliai, etilo bromidas, trąšų azoto oksidai ir halonai.

Nuorodos

1. Anbar AD, Y Duan, TW Lyons, GL Arnold, B Kendall, RA Creaser, AJ Kaufman, WG Gordon, S Clinton, J Garvin ir R Buick (2007) Deguonies kvapas prieš didįjį oksidacijos įvykį? Mokslas 317: 1903–1906.
2. „Bekker A“, „HD Holland“, PL „Wang“, „D Rumble“, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee ir NJ Beukes. (2004) Susipažinimas su atmosferos deguonies padidėjimu. Gamta 427: 117–120.
3. Farquhar J ir DT Johnston. (2008) Antžeminių planetų deguonies ciklas: Įžvalgos apie deguonies apdorojimą ir istoriją paviršinėje aplinkoje. Atsiliepimai mineralogijoje ir geochemijoje 68: 463–492.
4. Keeling RF (1995) Atmosferos deguonies ciklas: Atmosferos atmosferos CO ₂ ir O ₂ deguonies izotopai ir O ₂ / N ₂ geofizikos apžvalgos, priedas. JAV: Nacionalinė ataskaita Tarptautinei geodezijos ir geofizikos sąjungai, 1991–1994. psl. 1253–1262.
5. Apsaugo WK, D Sadava, GH Orians ir HC Heller (2003) gyvenimą. Biologijos mokslas. 6-asis edtas. „Sinauer Associates, Inc.“ ir „WH Freeman and Company“. 1044 psl.