מאפייני מחזור החמצן, מאגרים, שלבים וחשיבות



ה מחזור חמצן זה מתייחס תנועה הדם של חמצן על כדור הארץ. זהו מחזור ביוגיוכימי גזי. חמצן הוא האלמנט השני בשכיחותו באטמוספרה לאחר חנקן, והשני בשכיחותו בהידרוספרה לאחר המימן. במובן זה, מחזור החמצן מחובר למחזור המים.

תנועת הדם של החמצן כוללת ייצור של חמצן או חמצן מולקולרי של שני אטומים (OR2). זה קורה עקב הידרוליזה במהלך פוטוסינתזה שבוצעה על ידי אורגניזמים פוטוסינתטיים שונים.

O2 משמש אורגניזמים חיים הנשימה הסלולר, לייצר את הייצור של פחמן דו חמצני (CO)2), האחרון להיות אחד מחומרי הגלם עבור תהליך הפוטוסינתזה.

מצד שני, פוטוליזה (הידרוליזה המופעלת על ידי אנרגיה סולארית) של אדי המים הנגרמת על ידי קרינה אולטרה סגולה של השמש מתרחשת באטמוספירה העליונה. המים מתפרקים משחרר מימן שאבד בסטרטוספירה והחמצן משולב באטמוספרה.

כאשר אינטראקציה מולקולה O2 עם אטום חמצן, אוזון מיוצר (O3). אוזון מייצר את שכבת האוזון.

אינדקס

  • 1 מאפיינים
    • 1.1 מוצא
    • 1.2 אווירה פרימיטיבית
    • 1.3 אנרגיות המניעות את המחזור
    • 1.4 הקשר עם מחזורי ביוגיוכימיים אחרים
  • 2 מאגרים
    • 2.1 גאוספירה
    • 2.2 אטמוספרה
    • 2.3 הידרוספרה
    • 2.4 קריוספירה
    • 2.5 אורגניזמים חיים
  • 3 שלבים
    • 3.1 השלב הסביבתי של המאגר והמקור: אטמוספרה - קריוספרה - גאוספירה
    • 3.2 שלב פוטוסינתטי
    • 3.3 - שלב החזרה באטמוספירה
    • 3.4 - שלב הנשימה
  • 4 חשיבות
  • 5 שינויים
    • 5.1 אפקט החממה
  • 6 הפניות

תכונות

חמצן הוא אלמנט כימי שאינו מתכתי. מספר האטום שלה הוא 8, כלומר, יש 8 פרוטונים ו 8 אלקטרונים במצבו הטבעי. בתנאים רגילים של טמפרטורה ולחץ הוא נמצא בצורה של גז dioxigenic, חסר ריח. הנוסחה המולקולרית שלה היא O2.

O2 כולל שלושה איזוטופים יציבים: 16הו, 17הו ו 18O. הצורה השלטת ביקום היא 16O. על כדור הארץ הוא מייצג 99.76% מכלל החמצן. ה 18או מייצג 0.2%. הטופס 17או שזה נדיר מאוד (~ 0.04%).

מוצא

החמצן הוא היסוד השלישי בשפע ביקום. הפקת האיזוטופ 16או שזה התחיל בדור הראשון של השמש הליום שרוף שקרה לאחר המפץ הגדול.

הקמת מחזור החנקן הפחמן-חנקן בדורות מאוחרים יותר של כוכבים סיפקה את מקור החמצן השולט בכוכבי הלכת.

טמפרטורות גבוהות ולחצים מייצרים מים (H2O) ביקום על ידי יצירת התגובה של מימן עם חמצן. מים הם חלק מהקונפורמציה של הליבה של כדור הארץ.

מחשופי המגמה משחררים את המים בצורה של קיטור והיא נכנסת למחזור המים. המים מתפרקים על ידי פוטוליזה בחמצן ומימן באמצעות פוטוסינתזה, ועל ידי קרינה אולטרה סגולה ברמות העליונות של האטמוספירה.

אווירה פרימיטיבית

האווירה הפרימיטיבית לפני האבולוציה של הפוטוסינתזה על ידי cyanobacteria היה אנאירובי. עבור אורגניזמים חיים המותאמים לאותה אווירה, החמצן היה גז רעיל. גם היום אווירה של חמצן טהור מייצר נזק בלתי הפיך לתאים.

בשושלת האבולוציונית של הצינובקטריה הנוכחית, מקור הפוטוסינתזה. זה התחיל לשנות את ההרכב של האטמוספירה של כדור הארץ על 2,300-2,700 מיליון שנה.

ריבוי האורגניזמים הפוטוסינתטיים שינה את הרכב האטמוספרה. החיים התפתחו לקראת הסתגלות לאווירה אירובית.

אנרגיות המניעות את המחזור

הכוחות והאנרגיות הפועלים על ידי נהיגה במחזור החמצן יכולים להיות גיאותרמיים, כאשר המגמה מוציאה אדי מים, או שהיא יכולה לבוא מאנרגיה סולארית.

זה האחרון מספק את האנרגיה הבסיסית עבור תהליך של פוטוסינתזה. האנרגיה הכימית בצורה של פחמימות הנובעות פוטוסינתזה, בתורו כוננים את כל התהליכים החיים דרך שרשרת המזון. באותו אופן, השמש מייצרת חימום דיפרנציאלי פלנטרי וגורמת לזרמים ימיים ואטמוספריים.

הקשר עם מחזורי ביוגיוכימיים אחרים

בשל שפע שלה תגובתיות גבוהה, מחזור החמצן מחובר למחזורים אחרים כגון CO2, חנקן (N2) ואת מחזור המים (H2O). זה נותן לו אופי רב מחזורי.

מאגרי O2 ו CO2  הם מקושרים על ידי תהליכים המערבים את היצירה (פוטוסינתזה) והרס (נשימה ושריפה) של חומר אורגני. בטווח הקצר, אלו תגובות הפחתת חמצון הם המקור העיקרי של השתנות הריכוז של O2 באווירה.

חיידקים דנטריפינג להשיג חמצן לנשימה שלהם של חנקות מהקרקע, משחרר חנקן.

מאגרים

גיאוספרה

חמצן הוא אחד המרכיבים העיקריים של silicates. לכן, הוא מהווה חלק חשוב של המעטפת ואת קרום כדור הארץ.

  • גרעין יבשתי: בתוך המעטפת החיצונית הנוזלית של הגרעין הארצי יש, מלבד ברזל, אלמנטים אחרים, ביניהם החמצן.
  • הרצפה: האוויר מתפזר ברווחים בין חלקיקים או נקבוביות באדמה. חמצן זה משמש את המיקרוביוטה אדמה.

אטמוספרה

21% מהאוויר מורכב מחמצן בצורת דו-חמצן (O2). צורות אחרות של נוכחות חמצן אטמוספרי הם אדי מים (H2O), פחמן דו חמצני (CO2) ואת האוזון (O3).

  • אדי מים: ריכוז אדי המים משתנה, בהתאם לטמפרטורה, לחץ אטמוספרי וזרמים מחזוריים באטמוספירה (מחזור מים).
  • פחמן דו חמצני: CO2 הוא מייצג כ - 0.03% מנפח האוויר. מאז תחילת המהפכה התעשייתית, הריכוז של CO גדל2 באטמוספרה ב -145%.
  • האוזון: היא מולקולה כי קיים הסטרטוספירה בסכום נמוך (0.03-0.02 חלקים למיליון לפי נפח).

הידרוספרה

71% משטח כדור הארץ מכוסים על ידי מים. באוקיינוסים, יותר מ -96% מהמים הנמצאים על פני כדור הארץ מרוכזים. 89% ממסה של האוקיינוסים הוא חמצן. המפקד2 הוא גם מומס במים והוא כפוף לתהליך של חילופי עם האטמוספירה.

קריוספירה

הקריוספרה מתייחסת למסה של מים קפואים המכסה אזורים מסוימים של כדור הארץ. מסות קרח אלה מכילות כ -1.74% מהמים בקרום כדור הארץ. מצד שני, קרח מכיל כמויות משתנות של חמצן מולקולרי לכודים.

הואורגניזמים חיים

רוב המולקולות המרכיבות את המבנה של יצורים חיים מכילים חמצן. מאידך גיסא, אחוז גבוה של יצורים חיים הוא מים. לכן, ביומסה קרקעית היא גם עתודה חמצן.

שלבים

באופן כללי, מחזור ואחריו חמצן כסוכן כימי מורכב משני אזורים גדולים המרכיבים אופי ביוגיוכימי שלה. אזורים אלה מיוצגים בארבעה שלבים.

האזור הגיאו-סביבתי כולל את ההעתקות וההכללה באטמוספרה, הידרוספרה, קריוספרה וגיאוספירה של חמצן. זה כולל את השלב הסביבתי של המאגר ואת המקור, ואת השלב של חזרה לסביבה.

בתחום הביולוגי, שני שלבים כלולים גם. הם קשורים עם פוטוסינתזה והנשימה.

-השלב הסביבתי של מאגר ומקור: אווירה-הידרוספרה-קריוספירה-גאוספרה

אטמוספרה

המקור העיקרי של חמצן אטמוספרי הוא פוטוסינתזה. אבל יש מקורות אחרים שממנה ניתן לשלב את החמצן באטמוספירה.

אחד מהם הוא המעטפת החיצונית הנוזלית של הליבה של כדור הארץ. חמצן מגיע לאטמוספירה בצורה של אדי מים דרך התפרצויות וולקניות. אדי המים עולים לסטרטוספירה שבה היא עוברת פוטוליזה כתוצאה מקרינת אנרגיה גבוהה מהשמש וחמצן חופשי מופק.

מצד שני, הנשימה פולטת חמצן בצורת CO2.  תהליכי הבעירה, בעיקר תהליכים תעשייתיים, צורכים גם חמצן מולקולרי ומספקים CO2 אל האטמוספירה.

בהחלפה בין האטמוספרה לבין ההידרוספרה, החמצן הממוסס בהמוני המים עובר לאטמוספירה. מאידך גיסא,2 האטמוספירה מומסת במים כחומצה פחמנית. החמצן הממיס במים מגיע בעיקר מהפוטוסינתזה של אצות וציאנובקטריות.

סטרטוספירה

ברמות גבוהות יותר של האטמוספרה, קרינה גבוהה של אנרגיית מים אדי מים. גלי גלי קצרים מפעילים מולקולות O2. אלה מחולקים אטומים נטולי חמצן (O).

אלה אטומים חינם O מגיבים עם מולקולות O2 לייצר אוזון (O3). תגובה זו הפיכה. בשל קרינה אולטרה סגולה O3 מתפרקת לאטומים נטולי חמצן.

חמצן כמרכיב של אוויר אטמוספרי מהווה חלק מתגובות חמצון שונות, המצטרף לתרכובות יבשתיים שונים. כיור משמעותי של חמצן הוא חמצון של גזים התפרצויות וולקניות.

הידרוספרה

הריכוז הגדול ביותר של מים על פני כדור הארץ הוא האוקיינוסים, שם יש ריכוז אחיד של איזוטופים חמצן. הסיבה לכך היא חילופי מתמיד של אלמנט זה עם קרום כדור הארץ באמצעות תהליכי מחזור הידרותרמיות.

בגבולות של לוחות טקטוניים ו רכסים האוקיינוס, תהליך מתמיד של חילופי גז נוצרת.

קריוספירה

ההמונים של קרח יבשתי, כולל המוני קרח הקרח, קרחונים ו permafrost, מהווים כיור חשוב של חמצן בצורת מים במצב מוצק.

גיאוספרה

כמו כן, חמצן משתתף חילופי גזי עם האדמה. שם הוא מהווה את היסוד החיוני לתהליכי הנשימה של מיקרואורגניזמים בקרקע.

כיור חשוב באדמה הוא תהליכים של חמצון מינרלי שריפת דלק מאובנים.

החמצן שהוא חלק ממולקולת המים (H2O) עוקב אחר מחזור המים בתהליכים של אידוי, נשימה, משקעים-משקעים.

-שלב פוטוסינתטי

פוטוסינתזה מתבצע chloroplasts. במהלך השלב האור של הפוטוסינתזה נדרש סוכן הפחתת, כלומר, מקור של אלקטרונים. הסוכן האמור במקרה זה הוא מים (H2O).

על ידי לקיחת מימן (H) מן המים, חמצן הוא שוחרר (O2) כמוצר פסולת. מים נכנסים לקרקע מן האדמה דרך השורשים. במקרה של אצות ו cyanobacteria, זה בא מן הסביבה הימית.

כל החמצן המולקולרי (O2) המיוצר במהלך פוטוסינתזה מגיע המים המשמשים בתהליך. ב פוטוסינתזה CO הוא נצרך2, אנרגיה סולארית ומים (H2O), ואת החמצן הוא שוחרר (O2).

-שלב החזרה באטמוספירה

O2 שנוצר פוטוסינתזה הוא גורש לאטמוספרה דרך stomata במקרה של צמחים. אצות ו cyanobacteria להחזיר אותו לסביבה על ידי דיפוזיה ממברנה. באופן דומה, תהליכים הנשימה להחזיר חמצן לסביבה בצורה של פחמן דו חמצני (CO2).

-שלב הנשימה

כדי לבצע את הפונקציות החיוניות שלהם, אורגניזמים חיים צריכים לעשות את האנרגיה הכימית הנוצרת על ידי פוטוסינתזה. אנרגיה זו מאוחסנת בצורה של מולקולות מורכבות של פחמימות (סוכרים) במקרה של צמחים. שאר האורגניזמים מקבלים את זה מן הדיאטה

התהליך שבו יצורים חיים להתפתח תרכובות כימיות לשחרר את האנרגיה הנדרשת נקרא הנשימה. תהליך זה מתבצע בתאים ויש לו שני שלבים; אחד אירובי ועוד אנאירובי.

הנשימה האירובית מתרחשת במיטוכונדריה בצמחים ובעלי חיים. בחיידקים הוא מתבצע בציטופלסמה, מאחר שאין להם מיטוכונדריה.

היסוד הבסיסי לנשימה הוא חמצן כסוכן חמצון. בשנת חמצן נשימה הוא נצרך (O2) ו CO הוא שוחרר2 ומים (H2O), לייצר אנרגיה שימושית.

המפקד2 ומים (אדי מים) משוחררים דרך stomata בצמחים. אצל בעלי חיים המפקד2 הוא משוחרר דרך הנחיריים ו / או הפה, ומים מזיעה. ב אצות וחיידקים CO2 הוא שוחרר על ידי דיפוזיה ממברנה.

התפוגגות

בצמחים בנוכחות אור, תהליך זה צורכת חמצן ואנרגיה שנקרא photorespiration מפותח. Photorespiration מגביר עם עליית הטמפרטורה, בשל הגידול ריכוז CO2 לגבי ריכוז O2.

Photorespiration קובע מאזן אנרגיה שלילי עבור הצמח. לצרוך O2 ואנרגיה כימית (המיוצר על ידי פוטוסינתזה) ומשחרר CO2. לכן הם פיתחו מנגנונים אבולוציוניים כדי לנטרל אותו (C4 ו- CAN מטבוליזם).

משמעות

כיום הרוב המכריע של החיים הוא אירובי. ללא התפוצה של O2 במערכת הפלנטרית, החיים כפי שאנו מכירים אותו היום יהיו בלתי אפשריים.

בנוסף, החמצן מהווה חלק משמעותי של ההמונים האוויר יבשתי. לכן הוא תורם לתופעות האטמוספריות הקשורות אליו ולתוצאותיו: השפעות חמקמק, רגולציה של אקלים, בין היתר.

באופן ישיר, הוא מייצר תהליכי חמצון בקרקע, גזים וולקניים ומבנים מלאכותיים מתכתיים.

חמצן הוא מרכיב בעל יכולת חמצון גבוהה. למרות מולקולות חמצן יציבים מאוד כי הם יוצרים קשר כפול, לאחר חמצן electronegativity גבוהה (היכולת למשוך אלקטרונים), יש יכולת תגובתי גבוהה. בשל זה electronegativity חמצן גבוהה מתערב תגובות חמצון רבות.

שינויים

הרוב המכריע של תהליכי הבעירה המתרחשים בטבע דורשים את ההשתתפות של חמצן. גם אלה שנוצרו על ידי האדם. תהליכים אלה ממלאים תפקידים חיוביים ושליליים במונחים אנתרופיים.

הבעירה של דלקים פוסיליים (פחם, נפט, גז) תורמת לפיתוח כלכלי, אך בו בזמן מייצגת בעיה רצינית בשל תרומתה להתחממות הגלובלית.

שריפות יער גדולות משפיעות על המגוון הביולוגי, למרות שבמקרים מסוימים הן חלק מתהליכים טבעיים במערכות אקולוגיות מסוימות.

אפקט החממה

שכבת האוזון (O3) בסטרטוספירה, הוא מגן המגן של האטמוספירה כנגד כניסת קרינה אולטרה-סגולה עודפת. זה קרינה אנרגטית מאוד מגביר את ההתחממות של כדור הארץ.

מצד שני, זה מאוד mutagenic ומזיק לרקמות חיות. אצל בני אדם ובעלי חיים אחרים, הוא מסרטן.

פליטת גזים שונים גורמת להרס שכבת האוזון, ולכן מקלה על כניסתם של קרינה אולטרה-סגולה. חלק מהגזים האלה הם כלורופלואורוקרבון, הידרוכלורופלורוקרבון, אתיל ברומיד, תחמוצות חנקן מדשנים והלונים.

הפניות

  1. לספירה אנבאר, ואת דואן, TW ליונס, GL ארנולד, B קנדל, RA גזירה-, AJ קאופמן, WG גורדון, S קלינטון, J גארבין ו R ביואיק (2007) ניחוח אבק חמצן לפני האירוע חימצון הגדול? מדע 317: 1903-1906.
  2. Bekker A, HD הולנד, PL Wang, D Rumble, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee ו- NJ Beukes. (2004) הכרויות את עליית החמצן באטמוספירה. טבע 427: 117-120.
  3. פרקוואר י. ד. ו. ג 'ונסטון. (2008) מחזור חמצן של כוכבי הלכת: תובנות לתוך עיבוד והיסטוריה של חמצן בסביבות פני השטח. ביקורות במינרלוגיה וגיאוכימיה 68: 463-492.
  4. Keeling RF (1995) מחזור החמצן האטמוספרי: האיזוטופים של חמצן CO2 ו O2 ואת O2/ N2 ריוויים של הגיאופיסיקה, תוספת. ארה"ב: דו"ח לאומי לאיחוד הגיאודזיה והגיאופיזיקה הבינלאומית 1991-1994. עמ ' 1253-1262.
  5. Purves WK, D Sadava, GH Orians ו HC Heller (2003) החיים. מדע הביולוגיה. אדט 6. Sinuer Associates, Inc ו WH פרימן וחברה. 1044 עמ '.