KYSLÍKOVÝ CYKLUS: VLASTNOSTI, NÁDRŽE A FÁZE - ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ - 2026

Kyslík cyklus se týká cirkulačního pohybu kyslíku na Zemi. Je to plynný biogeochemický cyklus. Kyslík je druhým nejhojnějším prvkem v atmosféře po dusíku a druhým nejhojnějším prvkem v hydrosféře po vodíku. V tomto smyslu je kyslíkový cyklus spojen s vodním cyklem.

Oběhový pohyb kyslíku zahrnuje výrobu dioxygen nebo molekulárního kyslíku dvou atomů (O ₂). K tomu dochází v důsledku hydrolýzy během fotosyntézy prováděné různými fotosyntetickými organismy.

Kyslíková nádrž: oblačný les, národní park Waraira Repano, Venezuela. Arnaldo Noguera Sifontes, z Wikimedia Commons

O ₂ je používán živými organismy v buněčném dýchání a vytváří produkci oxidu uhličitého (CO ₂), který je jednou ze surovin pro fotosyntetický proces.

Na druhé straně v horní atmosféře dochází k fotolýze (hydrolýze aktivované sluneční energií) vodní páry, způsobené ultrafialovým zářením ze slunce. Voda se rozkládá a uvolňuje vodík, který je ztracen ve stratosféře, a kyslík je integrován do atmosféry.

Jestliže O ₂ molekula interaguje s atomem kyslíku, ozonu (O ₃ je produkován). Ozon tvoří tzv. Ozonovou vrstvu.

vlastnosti

Kyslík je nekovový chemický prvek. Její atomové číslo je 8, to znamená, že má 8 přirozených protonů a 8 elektronů. Za normálních podmínek teploty a tlaku je přítomen ve formě plynného dioxygenu, bezbarvé a bez zápachu. Jeho molekulární vzorec je O ₂.

O ₂ zahrnuje tři stabilní izotopy: ¹⁶ O, ¹⁷ O a ¹⁸ O. Převládající forma ve vesmíru je ¹⁶ O. Na Zemi představuje 99,76% celkového kyslíku. ¹⁸ O představuje 0,2%. ¹⁷ O forma je velmi vzácná (~ 0,04%).

Původ

Kyslík je třetím nejhojnějším prvkem ve vesmíru. Výroba izotopu ¹⁶ O začala v první generaci spalování slunečního helia, ke kterému došlo po Velkém třesku.

Vytvoření cyklu nukleosyntézy uhlík-dusík-kyslík v pozdějších generacích hvězd poskytlo převládající zdroj kyslíku na planetách.

Vysoké teploty a tlaky produkují vodu (H ₂ O) ve vesmíru generováním reakci vodíku s kyslíkem. Voda je součástí složení jádra Země.

Výstupy magmatu uvolňují vodu ve formě páry a tím vstupují do vodního cyklu. Voda se rozkládá fotolýzou na kyslík a vodík fotosyntézou a ultrafialovým zářením v horních vrstvách atmosféry.

Primitivní atmosféra

Primitivní atmosféra před vývojem fotosyntézy cyanobakteriemi byla anaerobní. Pro živé organismy přizpůsobené této atmosféře byl kyslík toxickým plynem. Dokonce i dnes atmosféra čistého kyslíku způsobuje nenapravitelné poškození buněk.

Fotosyntéza vznikla v evoluční linii dnešních sinic. To začalo měnit složení zemské atmosféry přibližně před 2,3–2,7 miliardami let.

Šíření fotosyntetizujících organismů změnilo složení atmosféry. Život se vyvinul směrem k přizpůsobení se aerobní atmosféře.

Energie, které řídí cyklus

Síly a energie, které působí na kyslíkový cyklus, mohou být geotermální, když magma vypuzuje vodní páru, nebo může pocházet ze sluneční energie.

Ten poskytuje základní energii pro proces fotosyntézy. Chemická energie ve formě uhlohydrátů, která je výsledkem fotosyntézy, zase řídí všechny živé procesy potravním řetězcem. Stejným způsobem Slunce produkuje planetární diferenciální ohřev a způsobuje mořské a atmosférické proudy.

Vztah k jiným biogeochemickým cyklům

Vzhledem k jeho množství a vysokou reaktivitu, kyslík cyklus je spojen s dalšími cykly, jako je CO ₂, dusík (N ₂) a koloběhu vody (H ₂ O). To mu dává multicyklický charakter.

Zásobníky O ₂ a CO ₂ jsou spojeny procesy, které zahrnují vytváření (fotosyntéza) a ničení (dýchání a spalování) organické hmoty. Z krátkodobého hlediska jsou tyto oxidačně-redukční reakce hlavním zdrojem proměnlivosti koncentrace O ₂ v atmosféře.

Denitrifikační bakterie získávají kyslík pro své dýchání z dusičnanů v půdě a uvolňují dusík.

Nádrže

Geosféra

Kyslík je jednou z hlavních složek silikátů. Proto představuje významný zlomek zemského pláště a kůry.

• Jádro Země: V tekutém vnějším plášti jádra Země jsou kromě železa další prvky, včetně kyslíku.
• Půda: V mezerách mezi částicemi nebo póry půdy je vzduch rozptýlen. Tento kyslík se používá v půdní mikrobiotě.

Atmosféra

21% atmosféry je tvořeno kyslíkem ve formě dioxygenu (O ₂). Ostatní formy atmosférického přítomnosti kyslíku, jsou vodní pára (H ₂ O), oxid uhličitý (CO ₂) a ozón (O ₃).

• Vodní pára: koncentrace vodní páry je variabilní v závislosti na teplotě, atmosférickém tlaku a atmosférických cirkulačních proudech (vodní cyklus).
• Oxid uhličitý: CO ₂ představuje přibližně 0,03% objemu vzduchu. Od počátku průmyslové revoluce se koncentrace CO ₂ v atmosféře zvýšila o 145%.
• Ozon: je to molekula, která je ve stratosféře přítomna v malém množství (0,03 - 0,02 dílů na milion objemově).

Hydrosféra

71% zemského povrchu je pokryto vodou. Více než 96% vody přítomné na zemském povrchu je koncentrováno v oceánech. 89% hmotnosti oceánů je tvořeno kyslíkem. C02 _je také rozpuštěn ve vodě a podléhá procesu výměny s atmosférou.

Kryosféra

Kryosféra odkazuje na množství zmrzlé vody, která pokrývá určité oblasti Země. Tyto ledové masy obsahují přibližně 1,74% vody v zemské kůře. Na druhé straně led obsahuje různá množství zachyceného molekulárního kyslíku.

NEBO

Většina molekul, které tvoří strukturu živých věcí, obsahuje kyslík. Na druhou stranu, velká část živých věcí je voda. Zemská biomasa je proto také kyslíkovou rezervou.

Fáze

Obecně řečeno, cyklus, který kyslík následuje jako chemické činidlo, zahrnuje dvě velké oblasti, které vytvářejí jeho charakter jako biogeochemický cyklus. Tyto oblasti jsou zastoupeny ve čtyřech fázích.

Geoenvironmentální oblast zahrnuje přemístění a zadržování v atmosféře, hydrosféře, kryosféře a geosféře kyslíku. To zahrnuje environmentální fázi nádrže a zdroje a fázi návratu do životního prostředí.

Kyslíkový cyklus. Eme Chicano, z Wikimedia Commons

V biologické oblasti jsou také zahrnuty dvě fáze. Jsou spojeny s fotosyntézou a dýcháním.

-Ekologická fáze nádrže a zdroje: atmosféra-hydrosféra-kryosféra-geosféra

Atmosféra

Hlavním zdrojem atmosférického kyslíku je fotosyntéza. Existují však i jiné zdroje, ze kterých může kyslík vstupovat do atmosféry.

Jedním z nich je tekutý vnější plášť zemského jádra. Kyslík se dostává do atmosféry jako vodní pára prostřednictvím vulkanických erupcí. Vodní pára stoupá do stratosféry, kde podléhá fotolýze v důsledku vysokoenergetického záření ze slunce a vzniká volný kyslík.

Na druhé straně, dýchání uvolňuje kyslík ve formě CO ₂. Spalovací procesy, zejména průmyslové procesy, také spotřebují molekulární kyslík a přispívají CO ₂ do atmosféry.

Při výměně mezi atmosférou a hydrosférou rozpuštěný kyslík ve vodních masách přechází do atmosféry. Pro jeho část, v atmosféře CO ₂, se rozpustí ve vodě, jako kyseliny uhličité. Rozpuštěný kyslík ve vodě pochází hlavně z fotosyntézy řas a sinic.

Stratosféra

V horních vrstvách atmosféry vysoce energetické záření hydrolyzuje vodní páru. Záření krátkou vlnou aktivuje molekuly O ₂. Ty se dělí na volné atomy kyslíku (O).

Tyto volné atomy O reagují s molekulami O ₂ a vytvářejí ozon (O ₃). Tato reakce je reverzibilní. V důsledku působení ultrafialového záření, O ₃ rozkládá na volných kyslíkových atomů znovu.

Kyslík jako součást atmosférického vzduchu je součástí různých oxidačních reakcí, které integrují různé pozemské sloučeniny. Hlavním záchytem kyslíku je oxidace plynů ze sopečných erupcí.

Hydrosféra

Největší koncentrací vody na Zemi jsou oceány, kde je stejná koncentrace izotopů kyslíku. Důvodem je neustálá výměna tohoto prvku se zemskou kůrou prostřednictvím hydrotermálních cirkulačních procesů.

Na hranici tektonických desek a oceánských hřebenů se vytváří neustálý proces výměny plynu.

Kryosféra

Masy suchozemského ledu, včetně polárních ledových mas, ledovců a permafrostu, představují hlavní dřez pro kyslík ve formě vody v pevném stavu.

Geosféra

Podobně se kyslík podílí na výměně plynu s půdou. Tam představuje životně důležitý prvek pro respirační procesy půdních mikroorganismů.

Důležitým dřezem v půdě jsou procesy oxidace minerálů a spalování fosilních paliv.

Kyslík, který je součástí molekuly vody (H ₂ O), sleduje vodní cyklus v procesech odpařování - transpirace a srážení kondenzací.

- Fotosyntetická fáze

Fotosyntéza probíhá v chloroplastech. Během světelné fáze fotosyntézy je zapotřebí redukčního činidla, to znamená zdroje elektronů. Uvedené činidlo je v tomto případě voda (H ₂ O).

Odběrem vodíku (H) z vody se kyslík (O ₂) uvolňuje jako odpadní produkt. Voda vstupuje do rostliny z půdy skrze kořeny. V případě řas a sinic pochází z vodního prostředí.

Veškerý molekulární kyslík (O ₂) produkovaný během fotosyntézy pochází z vody použité v procesu. Ve fotosyntéze, CO ₂, sluneční energie a vody (H ₂ O) jsou konzumovány, a kyslík (O ₂) se opět uvolní.

- Atmosférická návratová fáze

O ₂ generovaný fotosyntézou se v případě rostlin vytlačí do atmosféry stomatou. Řasy a sinice se vracejí do prostředí prostřednictvím membránové difúze. Podobně dýchací procesy vracejí kyslík do životního prostředí ve formě oxidu uhličitého (CO ₂).

-Dýchací fáze

Aby živé organismy mohly plnit své životně důležité funkce, musí zefektivnit chemickou energii generovanou fotosyntézou. Tato energie je uložena ve formě komplexních molekul uhlohydrátů (cukrů) v případě rostlin. Zbytek organismů je získává ze stravy

Proces, kterým živé bytosti rozvíjejí chemické sloučeniny k uvolnění požadované energie, se nazývá dýchání. Tento proces probíhá v buňkách a má dvě fáze; jeden aerobní a jeden anaerobní.

Aerobní dýchání probíhá v mitochondriích u rostlin a zvířat. U bakterií se provádí v cytoplazmě, protože jim chybí mitochondrie.

Základním prvkem pro dýchání je kyslík jako oxidační činidlo. V dýchání, kyslík (O ₂) se spotřebovává a CO ₂ a vody (H ₂ O) se uvolní, produkující užitečné energie.

CO ₂ a vody (vodní pára) se uvolňují prostřednictvím průduchů v rostlinách. U zvířat, CO ₂ se uvolňuje přes nozdry a / nebo v ústech, a vody pocením. V řas a bakterií, CO ₂ se uvolní pomocí membránové difúzí.

Fotorepirace

V rostlinách se v přítomnosti světla vyvíjí proces, který spotřebovává kyslík a energii zvanou fotorezi. Zvyšuje Fotorespirace s rostoucí teplotou, v důsledku zvýšení koncentrace CO _2, s ohledem na koncentraci O ₂.

Fotorepirace vytváří negativní energetickou rovnováhu pro rostlinu. Spotřebuje O ₂ a chemickou energii (produkovanou fotosyntézou) a uvolňuje CO ₂. Z tohoto důvodu vyvinuli evoluční mechanismy, které proti němu působí (C4 a CAN metabolismy).

Důležitost

Dnes je většina života aerobní. Bez oběhu O ₂ v planetárním systému by život, jak ho známe dnes, byl nemožný.

Kromě toho kyslík představuje významnou část zemských vzdušných hmot. Přispívá proto k atmosférickým jevům, které jsou s ním spojeny, a jeho důsledkům: erozivní účinky, regulace klimatu, mimo jiné.

Přímo vytváří oxidační procesy v půdě, sopečných plynech a na umělých kovových strukturách.

Kyslík je prvek s vysokou oxidační schopností. Ačkoli molekuly kyslíku jsou velmi stabilní díky skutečnosti, že tvoří dvojnou vazbu, protože kyslík má vysokou elektronegativitu (schopnost přitahovat elektrony), má vysokou reaktivní kapacitu. Kvůli této vysoké elektronegativitě se kyslík účastní mnoha oxidačních reakcí.

Úpravy

Převážná většina spalovacích procesů, které se vyskytují v přírodě, vyžaduje účast kyslíku. Podobně u těch, které vytvářejí lidé. Tyto procesy plní pozitivní i negativní funkce v antropickém smyslu.

Spalování fosilních paliv (uhlí, ropa, plyn) přispívá k hospodářskému rozvoji, ale zároveň představuje vážný problém, protože přispívá ke globálnímu oteplování.

Velké lesní požáry ovlivňují biologickou rozmanitost, i když v některých případech jsou součástí určitých přírodních procesů v určitých ekosystémech.

Skleníkový efekt

Ozonová vrstva (O ₃) ve stratosféře je ochranným štítem atmosféry před vstupem nadměrného ultrafialového záření. Toto vysoce energetické záření zvyšuje oteplování Země.

Na druhé straně je vysoce mutagenní a poškozuje živé tkáně. U lidí a jiných zvířat je karcinogenní.

Emise různých plynů způsobují destrukci ozonové vrstvy a usnadňují tak vstup ultrafialového záření. Některé z těchto plynů jsou chlorfluoruhlovodíky, hydrochlorfluoruhlovodíky, ethylbromid, oxidy dusíku z hnojiv a halony.

Reference

1. Anbar AD, Y Duan, TW Lyons, GL Arnold, B Kendall, RA Creaser, AJ Kaufman, WG Gordon, S Clinton, J Garvin a R Buick (2007) Whiff of kyslík před velkou oxidační událostí? Science 317: 1903-1906.
2. Bekker A, HD Holland, PL Wang, D Rumble, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee a NJ Beukes. (2004) Datování vzestupu atmosférického kyslíku. Nature 427: 117-120.
3. Farquhar J a DT Johnston. (2008) Kyslíkový cyklus pozemských planet: vhled do zpracování a historie kyslíku v povrchových prostředích. Recenze v mineralogii a geochemii 68: 463–492.
4. Keeling RF (1995) Atmosférický kyslíkový cyklus: Kyslíkové izotopy atmosférických CO ₂ a O ₂ a O ₂ / N ₂ Reviws of Geofyzics, doplněk. USA: Národní zpráva Mezinárodnímu svazu geodézie a geofyziky 1991-1994. str. 1253-1262.
5. Purves WK, D Sadava, GH Orians a HC Heller (2003) Life. Science of Biology. 6. Edt. Sinauer Associates, Inc. a WH Freeman and Company. 1044 str.