Кислородный цикл

Биогеохимический цикл 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 вносит вклад в атмосферный O ₂₎ . ^[1]
Значение фотосинтеза или чистой первичной продуктивности (NPP) можно оценить через изменение обилия и изотопного состава атмосферного O 2. _[ ^{2] [3]}
Скорость захоронения органического углерода была получена из оцененных потоков вулканического и гидротермального углерода. ^{[4] [5]}

Кислородный цикл 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 обычным продуктом или реагентом многих биогеохимических окислительно-восстановительных реакций в пределах 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 представляет собой большую часть каждого основного резервуара. Безусловно, самый большой резервуар кислорода Земли находится в силикатных и оксидных минералах коры и мантии (99,5% по весу). ^[6] Атмосфера Земли, гидросфера и биосфера вместе содержат менее 0,05% от общей массы кислорода Земли. Помимо O 2 , дополнительные атомы кислорода присутствуют в различных формах, распространенных по всем 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

Атмосфера содержит 21% кислорода по объему, что соответствует в общей сложности 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) и оксиды серы и азота ( SO 2 , NO , N 2 O и т. д.).

Биосфера

Биосфера на 22% состоит из кислорода по объему, который в основном присутствует в виде компонента органических молекул (C _x H _x N _x O _x ) и воды.

Гидросфера

Гидросфера на 33% состоит из кислорода по объему ^{[8], который в} основном присутствует в виде компонента молекул воды, а также растворенных молекул, включающих свободный кислород и карболовые кислоты (H _x CO ₃ ).

Литосфера

Литосфера на 46,6% состоит из кислорода по объему, который в основном представлен кремнеземистыми минералами (SiO ₂ ) и другими оксидными минералами.

Источники и стоки

Хотя существует множество абиотических источников и поглотителей O ₂ , наличие обильной концентрации свободного кислорода в современной атмосфере и океане Земли объясняется производством O _{2 в результате} биологического процесса кислородного фотосинтеза в сочетании с биологическим поглотителем, известным как биологический насос , и геологическим процессом захоронения углерода, включающим тектонику плит . ^{[9] [10] [11] [7]} Биология является основным двигателем потока O ₂ на современной Земле, и эволюция кислородного фотосинтеза бактериями , которая обсуждается как часть Великого события оксигенации , как полагают, напрямую отвечает за условия, позволяющие развитие и существование всего сложного эукариотического метаболизма . ^{[12] [13] [14]}

Биологическое производство

Основным источником свободного кислорода в атмосфере является фотосинтез, в ходе которого из углекислого газа и воды образуются сахара и свободный кислород:

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

Фотосинтезирующие организмы включают растительную жизнь на суше, а также фитопланктон океанов. Крошечная морская цианобактерия Prochlorococcus была обнаружена в 1986 году и отвечает за половину фотосинтеза открытых океанов. ^{[15] [16]}

Абиотическая продукция

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

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

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

Биологическое потребление

Основными путями потери свободного кислорода из атмосферы являются дыхание и распад — механизмы, при которых животные и бактерии потребляют кислород и выделяют углекислый газ.

Мощности и потоки

В следующих таблицах приведены оценки емкости резервуаров и потоков кислородного цикла. Эти цифры основаны в первую очередь на оценках (Walker, JCG): ^[10] Более поздние исследования показывают, что жизнь в океане ( морская первичная продукция ) фактически отвечает за более чем половину общего производства кислорода на Земле. ^{[17] [18]}

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

Озон

Присутствие атмосферного кислорода привело к образованию озона (O ₃ ) и озонового слоя в стратосфере :

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

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

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
• Темный кислород

Ссылки

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. OCLC  793103985.
2. Petsch ST (2014). «Глобальный цикл кислорода». Трактат по геохимии . Elsevier. стр. 437–473. doi :10.1016/b978-0-08-095975-7.00811-1. ISBN 978-0-08-098300-4.
3. Keeling RF, Shertz SR (август 1992 г.). «Сезонные и межгодовые изменения в атмосферном кислороде и их влияние на глобальный цикл углерода». Nature . 358 (6389): 723–727. Bibcode :1992Natur.358..723K. doi :10.1038/358723a0. S2CID  4311084.
4. Холланд HD (2002). «Вулканические газы, черные курильщики и великое событие окисления». Geochimica et Cosmochimica Acta . 66 (21): 3811–3826. Bibcode : 2002GeCoA..66.3811H. doi : 10.1016/S0016-7037(02)00950-X.
5. Lasaga AC, Ohmoto H (2002). «Кислородный геохимический цикл: динамика и стабильность». Geochimica et Cosmochimica Acta . 66 (3): 361–381. Bibcode : 2002GeCoA..66..361L. doi : 10.1016/S0016-7037(01)00685-8.
6. Falkowski PG, Godfrey LV (август 2008 г.). «Электроны, жизнь и эволюция цикла кислорода Земли». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences . 363 (1504): 2705–16. doi :10.1098/rstb.2008.0054. PMC 2606772. PMID  18487127 . 
7. Falkowski PG (январь 2011 г.). «Биологические и геологические обстоятельства повышения уровня кислорода на Земле». Photosynthesis Research . 107 (1): 7–10. Bibcode : 2011PhoRe.107....7F. doi : 10.1007/s11120-010-9602-4 . PMID  21190137.
8. "гидросфера - Происхождение и эволюция гидросферы | Britannica". www.britannica.com . Получено 2022-07-03 .
9. Холланд HD (июнь 2006 г.). «Оксигенация атмосферы и океанов». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия B, Биологические науки . 361 (1470): 903–15. doi :10.1098/rstb.2006.1838. PMC 1578726. PMID  16754606 . 
10. Walker JC (1980). "Кислородный цикл". Природная среда и биогеохимические циклы . Справочник по химии окружающей среды. Springer Berlin Heidelberg. стр. 87–104. doi :10.1007/978-3-662-24940-6_5. ISBN 9783662229880.
11. Sigman DM, Haug GH (декабрь 2003 г.). "Биологический насос в прошлом". Трактат по геохимии . Том 6 (2-е изд.). С. 625. doi :10.1016/b978-0-08-095975-7.00618-5. ISBN 978-0-08-098300-4.
12. Fischer WW, Hemp J, Johnson JE (июнь 2016 г.). «Эволюция оксигенного фотосинтеза». Annual Review of Earth and Planetary Sciences . 44 (1): 647–83. Bibcode : 2016AREPS..44..647F. doi : 10.1146/annurev-earth-060313-054810 .
13. Lyons TW, Reinhard CT, Planavsky NJ (февраль 2014 г.). «Подъем кислорода в раннем океане и атмосфере Земли». Nature . 506 (7488): 307–15. Bibcode :2014Natur.506..307L. doi :10.1038/nature13068. PMID  24553238. S2CID  4443958.
14. Reinhard CT, Planavsky NJ, Olson SL, Lyons TW, Erwin DH (август 2016 г.). «Кислородный цикл Земли и эволюция животной жизни». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 113 (32): 8933–8. Bibcode : 2016PNAS..113.8933R. doi : 10.1073/pnas.1521544113 . PMC 4987840. PMID  27457943 . 
15. Nadis S (ноябрь 2003 г.). «Клетки, правящие морями». Scientific American . 289 (6): 52–53. Bibcode : 2003SciAm.289f..52N. doi : 10.1038/scientificamerican1203-52. PMID  14631732.
16. Morris JJ, Johnson ZI, Szul MJ, Keller M, Zinser ER (2011). "Зависимость роста цианобактерий Prochlorococcus от микробов, поглощающих перекись водорода, на поверхности океана". PLOS ONE . 6 (2): e16805. Bibcode : 2011PLoSO...616805M. doi : 10.1371/journal.pone.0016805 . PMC 3033426. PMID  21304826 . 
17. Роач, Джон (7 июня 2004 г.). «Источник половины кислорода Земли получает мало доверия». National Geographic News . Архивировано из оригинала 8 июня 2004 г. Получено 2016-04-04 .
18. Линь, И.; Лю, В. Тимоти; Ву, Чун-Чи; Вонг, Джордж ТФ; Ху, Чуанминь; Чэнь, Чжицян; Вэнь-Дер, Лян; Ян, Йих; Лю, Кон-Ки (2003). "Новые доказательства усиления первичной продукции океана, вызванной тропическим циклоном". Geophysical Research Letters . 30 (13): 1718. Bibcode :2003GeoRL..30.1718L. doi : 10.1029/2003GL017141 . S2CID  10267488.

Дальнейшее чтение

• Cloud P, Gibor A (сентябрь 1970 г.). «Кислородный цикл». Scientific American . 223 (3): 110–123. Bibcode : 1970SciAm.223c.110C. doi : 10.1038/scientificamerican0970-110. PMID  5459721.
• Фасулло Дж. «Запасные лекции для ATOC 3600». Основы климата, Лекции о глобальном кислородном цикле .
• Моррис Р.М. "ОКСИСФЕРА - Руководство для начинающих по биогеохимическому циклу атмосферного кислорода". Архивировано из оригинала 2004-11-03.