Hapnikutsükli omadused, reservuaarid, etapid ja tähtsus

The hapniku tsükkel see viitab hapniku vereringe liikumisele Maal. See on gaasiline biogeokeemiline tsükkel. Hapnik on lämmastiku järel atmosfääris teine ​​kõige rikkalikum element ja teine ​​vesiniku atmosfääris kõige suurem. Selles mõttes on hapnikutsükkel ühendatud veetsükliga.

Hapniku vereringe liikumine hõlmab dioksiidi või kahe aatomiga molekulaarse hapniku (OR.) Tootmist₂). See juhtub erinevate fotosünteetiliste organismide fotosünteesi käigus toimunud hüdrolüüsi tõttu.

O₂ kasutatakse elusorganismide rakulises hingamises, tekitades süsinikdioksiidi (CO) \ t₂), kusjuures viimane on fotosünteesi protsessi üks tooraine.

Teisest küljest ilmneb päikese ultraviolettkiirgusest tingitud veeauru fotolüüs (päikeseenergia poolt aktiveeritud hüdrolüüs) ülemises atmosfääris. Vesi laguneb, andes atmosfääri stratosfääris kadunud vesiniku ja hapniku.

O-molekuliga suhtlemisel₂ hapnikuaatomiga toodetakse osooni (O₃). Osoon moodustab nn osoonikihi.

Indeks

• 1 Omadused
  • 1.1 Päritolu
  • 1.2 Primitiivne õhkkond
  • 1.3 Tsüklit juhtivad energiad
  • 1.4 Seos teiste biogeokeemiliste tsüklitega
• 2 reservuaari
  • 2.1 Geosfäär
  • 2.2 Atmosfäär
  • 2.3 Hüdrosfäär
  • 2.4 Krüosfäär
  • 2.5 Elusorganismid
• 3 etappi
  • 3.1 Veehoidla ja allika keskkonnakaitse: atmosfääri-hüdrosfääri-kriosfääri geosfäär
  • 3.2 Fotosünteetiline etapp
  • 3.3
  • 3.4 - Hingamisteed
• 4 Tähtsus
• 5 Muudatused
  • 5.1 Kasvuhooneefekt
• 6 Viited

Omadused

Hapnik on mittemetalliline keemiline element. Selle aatomi number on 8, see tähendab, et sellel on 8 prootonit ja 8 elektroni oma loomulikus olekus. Tavalistes temperatuuri ja rõhu tingimustes esineb see dioksiidse, värvitu ja lõhnatu gaasi kujul. Selle molekulaarne valem on O₂.

O₂ sisaldab kolme stabiilset isotoopi: ¹⁶O, ¹⁷O ja ¹⁸O. Universumis domineeriv vorm on ¹⁶O. Maal esindab see 99,76% kogu hapnikust. The ¹⁸Või moodustab 0,2%. Vorm ¹⁷Või on see väga haruldane (~ 0,04%).

Päritolu

Hapnik on universumi kolmas arvukus. Isotoobi tootmine ¹⁶Või algas see esimese põlvkonna päikese heeliumi põletamisel, mis juhtus pärast suurt põrutust.

Süsinik-lämmastiku-hapniku nukleosünteesitsükli loomine tähtede hilisematel põlvkondadel on andnud planeedidel domineeriva hapnikuallika..

Kõrge temperatuur ja rõhk tekitavad vett (H₂O) Universumis, tekitades vesiniku reaktsiooni hapnikuga. Vesi on osa Maa tuuma konformatsioonist.

Magma paljandid vabastavad vett auruna ja sisenevad veetsüklisse. Vesi laguneb fotolüüsi teel hapnikus ja vesinikus fotosünteesi teel ning ultraviolettkiirguse kaudu atmosfääri ülemistel tasanditel..

Primitiivne õhkkond

Algne atmosfäär enne fotosünteesi arengut tsüanobakterite poolt oli anaeroobne. Sellele atmosfäärile kohandatud elusorganismide puhul oli hapnik toksiline gaas. Isegi tänapäeval tekitab puhta hapniku atmosfäär rakkudele korvamatut kahju.

Praeguse tsüanobakterite evolutsioonilises joones tekkis fotosüntees. See hakkas muutma Maa atmosfääri koosseisu umbes 2300-2,700 miljonit aastat tagasi.

Fotosünteetiliste organismide levik muutis atmosfääri koostist. Elu kujunes aeroobse atmosfääri kohanemise suunas.

Energiat, mis juhib tsüklit

Hapnikutsükli juhtimisel toimivad jõud ja energia võivad olla geotermilised, kui magma väljutab veeauru või võib see tulla päikeseenergiast.

Viimane pakub fotosünteesi protsessi põhilist energiat. Keemiline energia süsivesikute kujul, mis tuleneb fotosünteesist, viib omakorda kõik elusprotsessid läbi toiduahela. Samamoodi toodab päike planetaarset diferentsiaalkuumutust ning põhjustab merevoolu ja atmosfääri voolu.

Seos teiste biogeokeemiliste tsüklitega

Tänu oma arvukusele ja suurele reaktiivsusele on hapnikutsükkel ühendatud teiste tsüklitega, nagu CO₂, lämmastik (N₂) ja veetsükkel (H₂O). See annab talle mitmetsüklilise iseloomu.

O reservuaarid₂ ja CO₂  neid seostavad protsessid, mis hõlmavad orgaanilise aine loomist (fotosünteesi) ja hävitamist (hingamine ja põletamine). Lühiajalises perspektiivis on need oksüdatsiooni- redutseerimisreaktsioonid peamised O kontsentratsiooni varieeruvuse allikad₂ atmosfääris.

Denitrifitseerivad bakterid saavad hapnikku, et hingata nitraate pinnasest, vabastades lämmastiku.

Reservuaarid

Geosfäär

Hapnik on üks silikaatide põhikomponente. Seetõttu moodustab see olulise osa mantlist ja maakoorest.

• Maapealne tuum: maapealse tuuma vedelas välimises mantlis on peale raua ka teisi elemente, nende hulgas hapnikku..
• Põrand: pinnasesse osakeste või pooride vahelisse ruumi õhk hajub. Seda hapnikku kasutab mulla mikrobiota.

Atmosfäär

21% atmosfäärist koosneb hapnikust dioksiidina (O₂). Muud atmosfääri hapniku esinemise vormid on veeaur (H₂O), süsinikdioksiid (CO₂) ja osoon (O₃).

• Veeaur: veeauru kontsentratsioon on varieeruv sõltuvalt temperatuurist, atmosfäärirõhust ja atmosfäärirõhust (veetsükkel).
• Süsinikdioksiid: CO₂ see moodustab umbes 0,03% õhu mahust. Alates tööstusrevolutsiooni algusest on CO kontsentratsioon suurenenud₂ atmosfääris 145%.
• Osoon: on molekul, mis on stratosfääris väike (0,03–0,02 osa mahust);.

Hüdrosfäär

71% Maa pinnast on kaetud veega. Ookeanides on üle 96% maa pinnal olevast veest kontsentreeritud. 89% ookeanide massist on hapnik. CO₂ Samuti lahustatakse see vees ja see toimub atmosfääri vahetamise protsessis.

Krüosfäär

Krüosfäär viitab külmutatud vee massile, mis katab teatud Maa piirkondi. Need jäämassid sisaldavad umbes 1,74% maakoores olevast veest. Teisest küljest sisaldab jää erinevates kogustes molekulaarset hapnikku.

Oelusorganismid

Enamik elusolendite struktuuri moodustavatest molekulidest sisaldavad hapnikku. Teisest küljest on suur osa elusolenditest vesi. Seetõttu on maapealne biomass ka hapnikuvaru.

Etapid

Üldiselt on tsükkel, millele järgneb keemiline aine hapnik, koosneb kahest suurest piirkonnast, mis moodustavad selle biogeokeemilise iseloomu. Need piirkonnad on esindatud neljas etapis.

Geokeskkonnavaldkonnas on nihked ja piirangud atmosfääris, hüdrosfääris, kriosfääris ja hapniku geosfääris. See hõlmab veehoidla ja allika keskkonnakaitset ning keskkonnale tagasipöördumise etappi.

Bioloogilises piirkonnas on ka kaks etappi. Need on seotud fotosünteesi ja hingamisega.

-Veehoidla ja allika keskkonnakaitse: atmosfääri-hüdrosfääri-kriosfääri geosfäär

Atmosfäär

Õhu hapniku peamine allikas on fotosüntees. Kuid on ka teisi allikaid, millest hapnikku saab atmosfääri lisada.

Üks neist on Maa tuuma vedel välimine mantel. Hapnik jõuab atmosfääri veeauru kujul vulkaanipurskete kaudu. Veeaur tõuseb stratosfääri, kus see läbib fotolüüsi päikesekiirguse tõttu ja tekib vaba hapnikku.

Teisest küljest, hingamine tekitab hapnikku CO kujul₂.  Ka põlemisprotsessid, eriti tööstuslikud protsessid, tarbivad molekulaarset hapnikku ja pakuvad CO₂ atmosfääri.

Vahetuses atmosfääri ja hüdrosfääri vahel läheb vesimassides lahustunud hapnik atmosfääri. Teisalt, CO₂ Atmosfääri lahustatakse vees süsinikhappena. Vees lahustunud hapnik tuleneb peamiselt vetikate ja tsüanobakterite fotosünteesist.

Stratosfäär

Kõrgema atmosfääri tasemel hüdrolüüsivad suure energiaga kiirgused veeauru. Lühike laineline kiirgus aktiveerib O-molekule₂. Need jagatakse hapnikuvabadeks aatomiteks (O).

Need O-vabad aatomid reageerivad O-molekulidega₂ ja toota osooni (O₃). See reaktsioon on pöörduv. Ultraviolettkiirguse tõttu on O₃ laguneb jälle hapnikuvabaks aatomiks.

Hapnik kui atmosfääriõhu komponent moodustab osa erinevatest oksüdatsioonireaktsioonidest, mis ühendavad erinevaid maismaaühendeid. Oluline hapniku valamu on vulkaanipurskete gaaside oksüdatsioon.

Hüdrosfäär

Suurim vee kontsentratsioon Maa peal on ookeanid, kus on hapniku isotoopide ühtlane kontsentratsioon. Selle põhjuseks on selle elemendi pidev vahetamine maakoorega hüdrotermiliste ringlusprotsesside abil.

Tektoniliste plaatide ja ookeanipiiride piirides tekib pidev gaasivahetusprotsess.

Krüosfäär

Maapealse jää mass, sealhulgas jääkivi, liustike ja igikeltsade mass, kujutab endast olulist hapniku valamut tahkes olekus vees..

Geosfäär

Samuti osaleb hapnik gaasivahetuses mullaga. Seal moodustab see mulla mikroorganismide hingamisteede protsesside olulise elemendi.

Oluline mulda pinnasesse on mineraalide oksüdatsiooni ja fossiilkütuste põletamise protsessid.

Hapnik, mis on osa veemolekulist (H₂O) järgib veetsüklit aurustumise-transpiratsiooni ja kondenseerumise sadestamise protsessides.

-Fotosünteetiline etapp

Fotosüntees viiakse läbi kloroplastides. Fotosünteesi valguse faasis on vaja redutseerivat ainet, st elektronide allikat. Nimetatud aine on sel juhul vesi (H₂O).

Vesiniku (H) võtmisega veest vabaneb hapnik (O₂) jäätmena. Vesi siseneb mullast pinnasesse juurte kaudu. Vetikate ja tsüanobakterite puhul pärineb see veekeskkonnast.

Kogu molekulaarne hapnik (O₂), mis on toodetud fotosünteesi käigus, saadakse protsessis kasutatud veest. Fotosünteesi korral tarbitakse CO₂, päikeseenergia ja vesi (H. \ t₂O) ja hapnik vabaneb (O₂).

-Atmosfääri tagasipöördumise etapp

O₂ fotosünteesil tekkinud taimedest saadetakse atmosfääri stomata kaudu. Vetikad ja tsüanobakterid tagastavad selle membraani difusiooni teel keskkonda. Samamoodi tagastavad hingamisteed hapnikku keskkonnale süsinikdioksiidi kujul (CO₂).

-Hingamisteed

Oluliste funktsioonide täitmiseks peavad elusorganismid fotosünteesi käigus tekkinud keemilist energiat tõhusaks tegema. Seda energiat säilitatakse taimede puhul süsivesikute (suhkrute) komplekssete molekulidena. Ülejäänud organismid saavad selle toidust

Protsessi, mille käigus elavad olendid avavad vajaliku energia vabastamiseks keemilisi ühendeid, nimetatakse hingamiseks. See protsess viiakse läbi rakkudes ja sellel on kaks faasi; üks aeroobne ja teine ​​anaeroobne.

Aeroobne hingamine toimub mitokondrites taimedes ja loomades. Bakterites viiakse see läbi tsütoplasmas, kuna neil puuduvad mitokondrid.

Hingamise põhielement on hapnik oksüdeerijana. Hingamisel tarbitakse hapnikku (O₂) ja CO vabaneb₂ ja vesi (H₂O), mis annab kasulikku energiat.

CO₂ ja vesi (veeaur) vabaneb taimede stomata kaudu. Loomadel CO₂ see vabaneb ninasõõrmetest ja / või suust ning vesi läbi higi. Vetikates ja bakterites CO₂ vabastatakse membraani difusiooni teel.

Fotorespiratsioon

Taimedes valguse juures töötatakse välja protsess, mis tarbib hapnikku ja mida nimetatakse fotorespiratsiooniks. CO-kontsentratsiooni suurenemise tõttu suureneb temperatuuri tõusuga fotorespiratsioon₂ O kontsentratsiooni kohta₂.

Fotorespiratsioon tekitab taimele negatiivse energia tasakaalu. Tarbige O₂ ja keemiline energia (toodetud fotosünteesiga) ja vabastab CO₂. Seetõttu on nad välja töötanud evolutsioonilised mehhanismid selle vastu võitlemiseks (C4 ja CAN metabolismid)..

Olulisus

Praegu on enamik elust aeroobne. Ilma O ringluseta₂ planeedisüsteemis oleks elu, nagu me seda täna teame, võimatu.

Lisaks moodustab hapnik olulise osa maapealse õhu massist. Seetõttu aitab see kaasa sellega seotud atmosfääri nähtustele ja selle tagajärgedele: erosiveefektid, kliima reguleerimine, muu hulgas.

Otseselt tekitab see pinnases, vulkaanilistes gaasides ja metallist kunstlikes struktuurides oksüdatsiooniprotsesse.

Hapnik on kõrge oksüdeerimisvõimega element. Kuigi hapniku molekulid on väga stabiilsed, kuna nad moodustavad kaksiksideme, millel on kõrge elektronegatiivsus (elektronide ligitõmbavus), on kõrge reaktiivvõime. Selle kõrge elektronegatiivsuse tõttu mõjutab hapnik paljudes oksüdatsioonireaktsioonides.

Muudatused

Enamik looduses esinevatest põlemisprotsessidest eeldab hapniku osalemist. Ka need, mis on loodud inimese poolt. Need protsessid täidavad nii positiivseid kui ka negatiivseid funktsioone antropiliselt.

Fossiilkütuste (kivisüsi, nafta, gaas) põletamine aitab kaasa majandusarengule, kuid samas kujutab see endast tõsist probleemi tänu oma panusele globaalsesse soojenemisse.

Suured metsatulekahjud mõjutavad bioloogilist mitmekesisust, kuigi mõnel juhul on need osa teatud ökosüsteemide looduslikest protsessidest.

Kasvuhooneefekt

Osoonikiht (O₃) stratosfääris on atmosfääri kaitsekilp liigse ultraviolettkiirguse sisenemise vastu. See väga energiline kiirgus suurendab Maa soojenemist.

Teisest küljest on see väga mutageensed ja kahjulikud eluskudedele. Inimestel ja teistel loomadel on see kantserogeenne.

Erinevate gaaside emissioon põhjustab osoonikihi hävimist ja hõlbustab seega ultraviolettkiirguse sisenemist. Mõned neist gaasidest on klorofluorosüsivesinikud, klorofluorosüsivesinikud, etüülbromiid, väetiste lämmastikoksiidid ja haloonid..

Viited

1. Anbar AD, Duan, TW Lyons, GL Arnold, B Kendall, RA Creaser, AJ Kaufman, WG Gordon, S Clinton, J Garvin ja R Buick (2007) Hapniku hapnik enne suurt oksüdeerumist? Science 317: 1903-1906.
2. Bekker A, HD Holland, PL Wang, D Rumble, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee ja NJ Beukes. (2004) Tutvustab atmosfääri hapniku tõusu. Nature 427: 117-120.
3. Farquhar J ja DT Johnston. (2008) Maapealse planeedi hapnikutsükkel: ülevaade hapniku töötlemisest ja ajaloost pinnakeskkonnas. Ülevaated Mineralogy ja Geochemistry 68: 463-492.
4. Keeling RF (1995) Õhu hapniku tsükkel: atmosfääri CO hapniku isotoopid₂ ja O₂ ja O₂/ N₂ Geofüüsika Reviws, täiendus. USA: riiklik aruanne rahvusvahelisele geodeesia ja geofüüsika liidule 1991-1994. lk. 1253-1262.
5. Purves WK, D Sadava, GH Orians ja HC Heller (2003) Elu. Bioloogia teadus. 6. Edt. Sinauer Associates, Inc. ja WH Freeman ja Company. 1044 lk.