Кислородный цикл

Биогеохимический круговорот кислорода

Основные резервуары и потоки — в биосфере (зеленый), морской биосфере (синий), литосфере (коричневый) и атмосфере (серый).
Основные потоки между этими резервуарами показаны цветными стрелками, где зеленые стрелки связаны с земной биосферой, синие стрелки связаны с морской биосферой, черные стрелки связаны с литосферой, а фиолетовая стрелка связана с космосом (не резервуар, но также способствует поступлению в атмосферу O ₂₎ . ^[1]
Значение фотосинтеза или чистой первичной продуктивности (ЧПП) можно оценить через изменение содержания и изотопного состава атмосферного O ₂ . ^{[2] [3]}
Скорость захоронения органического углерода была получена на основе оценок потоков вулканического и гидротермального углерода. ^{[4] [5]}

Кислородный круговорот относится к движению кислорода через атмосферу (воздух), биосферу (растения и животные) и литосферу (земную кору). Кислородный цикл демонстрирует, как свободный кислород становится доступным в каждом из этих регионов, а также как он используется. Кислородный цикл — это биогеохимический цикл атомов кислорода между различными степенями окисления в ионах , оксидах и молекулах посредством окислительно-восстановительных реакций внутри и между сферами / резервуарами планеты Земля. ^[1] Слово «кислород» в литературе обычно относится к наиболее распространенному аллотропу кислорода , элементарному/двухатомному кислороду (O ₂ ), поскольку он является распространенным продуктом или реагентом многих биогеохимических окислительно-восстановительных реакций в рамках цикла. ^[2] Процессы в кислородном цикле считаются биологическими или геологическими и оцениваются либо как источник (производство O ₂ ), либо как сток (потребление O ₂ ). ^{[1] [2]}

Кислород является одним из наиболее распространенных элементов на Земле и составляет большую часть каждого основного резервуара. Безусловно , самый большой резервуар земного кислорода находится в силикатных и оксидных минералах коры и мантии (99,5% по весу). ^{[6] Атмосфера,} гидросфера и биосфера Земли вместе содержат менее 0,05% общей массы кислорода на Земле. Помимо O ₂ , дополнительные атомы кислорода присутствуют в различных формах и распространены по поверхностным резервуарам в молекулах биомассы , H 2 O , CO 2 , HNO 3 , NO , NO 2 , CO , H 2 O 2 , O 3 , SO 2 . , H 2 SO 4 , MgO , CaO , Al2O3 , SiO 2 и PO 4 . ^[7]

Атмосфера

В атмосфере содержится 21% кислорода по объему, что соответствует примерно 34 × 10 ¹⁸ моль кислорода. ^[2] Другие кислородсодержащие молекулы в атмосфере включают озон (O ₃ ), углекислый газ (CO ₂ ), водяной пар (H ₂ O), а также оксиды серы и азота ( SO 2 , NO , N 2 O и т. д.). ).

Биосфера

Биосфера состоит из 22% кислорода по объему, присутствующего в основном в виде компонента органических молекул (C _x H _x N x O _{x ) и воды} .

Гидросфера

В гидросфере 33% кислорода по объему ^[8] присутствует в основном в составе молекул воды, растворенные молекулы включают свободный кислород и карболовые кислоты (H _x CO ₃ ).

Литосфера

Литосфера содержит 46,6% кислорода по объему, представленного главным образом в виде кремнеземных минералов (SiO ₂ ) и других оксидных минералов.

Источники и поглотители

Хотя существует множество абиотических источников и поглотителей O ₂ , наличие обильной концентрации свободного кислорода в атмосфере и океане современной Земли объясняется производством O _{2 в результате} биологического процесса оксигенного фотосинтеза в сочетании с биологическим поглотителем, известным как биологический . насос и геологический процесс захоронения углерода , включающий тектонику плит . ^{[9] [10] [11] [7]} Биология является основной движущей силой потока O ₂ на современной Земле, и считается, что эволюция кислородного фотосинтеза бактериями , которая обсуждается как часть Великого оксигенационного события , напрямую связана с отвечает за условия, обеспечивающие развитие и существование всего сложного метаболизма эукариот . ^{[12] [13] [14]}

Биологическое производство

Основным источником свободного кислорода атмосферы является фотосинтез, при котором из углекислого газа и воды образуются сахара и свободный кислород:

${\displaystyle \mathrm {6\ CO_{2}+6H_{2}O+energy\longrightarrow C_{6}H_{12}O_{6}+6\ O_{2}} }$

К фотосинтезирующим организмам относятся растительный мир суши, а также фитопланктон океанов . Крошечная морская цианобактерия Prochromococcus была открыта в 1986 году и обеспечивает до половины фотосинтеза открытого океана. ^{[15] [16]}

Абиотическое производство

Дополнительным источником свободного кислорода в атмосфере является фотолиз , при котором высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение расщепляет атмосферную воду и закись азота на составляющие атомы. Свободные атомы водорода и азота улетают в космос, оставляя в атмосфере О _{2 :}

${\displaystyle \mathrm {2\ H_{2}O+energy\longrightarrow 4\ H+O_{2}} }$

${\displaystyle \mathrm {2\ N_{2}O+energy\longrightarrow 4\ N+O_{2}} }$

Биологическое потребление

Основной способ потери свободного кислорода из атмосферы — это дыхание и распад — механизмы, при которых животные и бактерии потребляют кислород и выделяют углекислый газ.

Емкости и потоки

В следующих таблицах представлены оценки емкости и потоков резервуаров кислородного цикла. Эти цифры основаны в первую очередь на оценках (Уокер, Дж.К.Г.): ^[10] Более поздние исследования показывают, что океанская жизнь ( первичное производство морского кислорода ) на самом деле ответственна за более чем половину общего производства кислорода на Земле. ^{[17] [18]}

Таблица 2 : Годовой прирост и потеря атмосферного кислорода (единицы 10 ¹⁰ кг O ₂ в год) ^[1]

Озон

Присутствие атмосферного кислорода привело к образованию озона (О ₃ ) и озонового слоя внутри стратосферы :

${\displaystyle \mathrm {O_{2}+uv~light\longrightarrow 2~O} \qquad (\lambda \lesssim 200~{\text{nm}})}$

${\displaystyle \mathrm {O+O_{2}\longrightarrow O_{3}} }$

О + О ₂  :- О ₃

Озоновый слой чрезвычайно важен для современной жизни, поскольку он поглощает вредное ультрафиолетовое излучение:

${\displaystyle \mathrm {O_{3}+uv~light\longrightarrow O_{2}+O} \qquad (\lambda \lesssim 300~{\text{nm}})}$

Смотрите также

• Углеродный цикл
• Азотный цикл
• Водородный цикл

Рекомендации

1. Knoll AH, Canfield DE, Konhauser K (2012). «7». Основы геобиологии . Чичестер, Западный Суссекс: John Wiley & Sons. стр. 93–104. ISBN 978-1-118-28087-4. ОСЛК  793103985.
2. Petsch ST (2014). «Глобальный кислородный цикл». Трактат по геохимии . Эльзевир. стр. 437–473. дои : 10.1016/b978-0-08-095975-7.00811-1. ISBN 978-0-08-098300-4.
3. Килинг Р.Ф., Шерц С.Р. (август 1992 г.). «Сезонные и межгодовые изменения содержания кислорода в атмосфере и последствия для глобального углеродного цикла». Природа . 358 (6389): 723–727. Бибкод : 1992Natur.358..723K. дои : 10.1038/358723a0. S2CID  4311084.
4. Голландия HD (2002). «Вулканические газы, черные курильщики и великое событие окисления». Geochimica et Cosmochimica Acta . 66 (21): 3811–3826. Бибкод : 2002GeCoA..66.3811H. doi : 10.1016/S0016-7037(02)00950-X.
5. Ласага AC, Омото Х (2002). «Кислородный геохимический цикл: динамика и стабильность». Geochimica et Cosmochimica Acta . 66 (3): 361–381. Бибкод : 2002GeCoA..66..361L. дои : 10.1016/S0016-7037(01)00685-8.
6. Фальковски П.Г., Годфри Л.В. (август 2008 г.). «Электроны, жизнь и эволюция кислородного цикла Земли». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 363 (1504): 2705–16. дои : 10.1098/rstb.2008.0054. ПМК 2606772 . ПМИД  18487127. 
7. Фальковски П.Г. (январь 2011 г.). «Биологические и геологические причины появления кислорода на Земле». Исследования фотосинтеза . 107 (1): 7–10. дои : 10.1007/s11120-010-9602-4 . ПМИД  21190137.
8. «Гидросфера - Происхождение и эволюция гидросферы | Британника» . www.britanica.com . Проверено 3 июля 2022 г.
9. Голландия HD (июнь 2006 г.). «Окисление атмосферы и океанов». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 361 (1470): 903–15. дои : 10.1098/rstb.2006.1838. ПМЦ 1578726 . ПМИД  16754606. 
10. Уокер Дж. К. (1980). «Кислородный цикл». Природная среда и биогеохимические циклы . Справочник по химии окружающей среды. Шпрингер Берлин Гейдельберг. стр. 87–104. дои : 10.1007/978-3-662-24940-6_5. ISBN 9783662229880.
11. Сигман Д.М., Хауг Г.Х. (декабрь 2003 г.). «Биологический насос в прошлом». Трактат по геохимии . Том. 6 (2-е изд.). п. 625. дои : 10.1016/b978-0-08-095975-7.00618-5. ISBN 978-0-08-098300-4.
12. Фишер WW, Хэмп Дж, Джонсон Дж. Э. (июнь 2016 г.). «Эволюция кислородного фотосинтеза». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 44 (1): 647–83. Бибкод : 2016AREPS..44..647F. doi : 10.1146/annurev-earth-060313-054810 .
13. Лайонс Т.В., Рейнхард К.Т., Планавски, штат Нью-Джерси (февраль 2014 г.). «Повышение содержания кислорода в раннем океане и атмосфере Земли». Природа . 506 (7488): 307–15. Бибкод : 2014Natur.506..307L. дои : 10.1038/nature13068. PMID  24553238. S2CID  4443958.
14. Рейнхард Коннектикут, Планавски, Нью-Джерси, Олсон С.Л., Лайонс Т.В., Эрвин Д.Х. (август 2016 г.). «Кислородный цикл Земли и эволюция животной жизни». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 113 (32): 8933–8. Бибкод : 2016PNAS..113.8933R. дои : 10.1073/pnas.1521544113 . ПМЦ 4987840 . ПМИД  27457943. 
15. Надис С (ноябрь 2003 г.). «Клетки, управляющие морями». Научный американец . 289 (6): 52–53. Бибкод : 2003SciAm.289f..52N. doi : 10.1038/scientificamerican1203-52. ПМИД  14631732.
16. Моррис Дж.Дж., Джонсон З.И., Зул М.Дж., Келлер М., Зинсер Э.Р. (2011). «Зависимость цианобактерии прохлорококка от микробов, поглощающих перекись водорода, для роста на поверхности океана». ПЛОС ОДИН . 6 (2): e16805. Бибкод : 2011PLoSO...616805M. дои : 10.1371/journal.pone.0016805 . ПМК 3033426 . ПМИД  21304826. 
17. Роуч, Джон (7 июня 2004 г.). «Источник кислорода на половине Земли получает мало внимания». Национальные географические новости . Архивировано из оригинала 8 июня 2004 года . Проверено 4 апреля 2016 г.
18. Лин, И.; Лю, В. Тимоти; Ву, Чун-Чье; Вонг, Джордж Т.Ф.; Ху, Чуанмин; Чен, Чжицян; Вэнь-Дер, Лян; Ян, Йи; Лю, Кон-Ки (2003). «Новые доказательства увеличения первичной продукции океана, вызванной тропическим циклоном». Письма о геофизических исследованиях . 30 (13): 1718. Бибкод : 2003GeoRL..30.1718L. дои : 10.1029/2003GL017141 . S2CID  10267488.

дальнейшее чтение

• Клауд П., Гибор А. (сентябрь 1970 г.). «Кислородный цикл». Научный американец . 223 (3): 110–123. Бибкод : 1970SciAm.223c.110C. doi : 10.1038/scientificamerican0970-110. ПМИД  5459721.
• Фасулло Дж. «Лекции-заменители ATOC 3600». Принципы климата, Лекции о глобальном кислородном цикле .
• Моррис Р.М. «ОКСИСФЕРА - Руководство для начинающих по биогеохимическому круговороту атмосферного кислорода». Архивировано из оригинала 3 ноября 2004 г.