Kyslíkový cyklus - Oxygen cycle

Hlavní nádrže a toky (v jednotce 1012 mol / rok) moderního globálního O2 cyklus na Zemi. Existují čtyři hlavní nádrže: suchozemská biosféra (zelená), mořská biosféra (modrá), litosféra (hnědá) a atmosféra (šedá). Hlavní toky mezi těmito nádržemi jsou zobrazeny barevnými šipkami, kde zelené šipky souvisejí se suchozemskou biosférou, modré šipky souvisejí s mořskou biosférou, černé šipky souvisejí s litosférou, fialové šipky souvisejí s prostorem (nikoli rezervoárem) , ale také přispívá k atmosférickému O2).[1] Hodnota fotosyntézy nebo čistá primární produktivita (NPP) lze odhadnout pomocí variace v hojnosti a izotopovém složení atmosférického O2.[2][3] Rychlost pohřbu organického uhlíku byla odvozena z odhadovaných toků vulkanického a hydrotermálního uhlíku.[4][5]

The kyslíkový cyklus je biogeochemické přechody z kyslík atomy mezi různými oxidační stavy v ionty, oxidy, a molekuly přes redoxní reakce uvnitř a mezi koule / nádrže planety Země.[1] Slovo kyslík v literatuře obvykle odkazuje na nejběžnější kyslík allotrope, elementární / diatomický kyslík (O2), protože je to běžné produkt nebo reaktant mnoha biogeochemických redoxních reakcí v cyklu.[2] Procesy v kyslíkovém cyklu jsou považovány za biologický nebo geologický a jsou hodnoceny jako a zdroj (Ó2 výroba) nebo dřez (O.2 spotřeba).[1][2]

Nádrže

Kyslík je jedním z nejhojnějších prvků na Zemi a představuje velkou část každé hlavní nádrže. Zdaleka největší rezervoár zemského kyslíku je uvnitř křemičitan a kysličník minerály z kůra a plášť (99,5% hmotnostních).[6] Atmosféra Země, hydrosféra a biosféra drží dohromady méně než 0,05% celkové hmotnosti kyslíku na Zemi. Kromě O2, další atomy kyslíku jsou přítomny v různých formách rozšířených po povrchových nádržích v molekulách biomasa, H2Ó, CO2, HNO3, NE, NE2, CO, H2Ó2, Ó3, TAK2, H2TAK4, MgO, CaO, AlO, SiO2, a PO4.[7]

Atmosféra

The atmosféra je 20,9% objemových kyslíku, což se rovná celkem zhruba 34 × 1018 mol kyslíku.[2] Mezi další molekuly obsahující kyslík v atmosféře patří ozon (O3), oxid uhličitý (CO2), vodní pára (H2O) a oxidy síry a dusíku (SO2„NE, N2O atd.).

Biosféra

The biosféra je 22% objemového kyslíku přítomného hlavně jako složka organických molekul (CXHXNXÓX) a molekuly vody.

Hydrosféra

The hydrosféra je 33% objemových kyslíku[Citace je zapotřebí ] přítomný hlavně jako složka molekul vody s rozpuštěnými molekulami včetně volného kyslíku a kyselin uhličitých (HXCO3).

Litosféra

The litosféra je 46,6% objemového kyslíku přítomného hlavně jako minerály křemíku (SiO2) a další oxidové minerály.

Zdroje a jímky

I když jich je mnoho abiotický zdroje a jímky pro O2, přítomnost hojné koncentrace volného kyslíku v moderní Atmosféra Země a oceán je přičítán O2 výroba z biologický proces z kyslíková fotosyntéza ve spojení s biologickým propadem známým jako biologické čerpadlo a geologický proces uhlíkový pohřeb zahrnující tektonika desek.[8][9][10][7] Biologie je hlavní hnací silou O2 tok na moderní Zemi a vývoj kyslíkové fotosyntézy bakterie, o kterém se diskutuje v rámci Velká událost okysličení, je považována za přímo odpovědnou za podmínky umožňující rozvoj a existenci všech komplex eukaryotický metabolismus.[11][12][13]

Biologická produkce

Hlavním zdrojem atmosférického volného kyslíku je fotosyntéza, která produkuje cukry a volný kyslík z oxidu uhličitého a vody:

Fotosyntetizující organismy zahrnují rostlinný život suchozemských oblastí i fytoplankton oceánů. Malý námořní sinice Prochlorococcus byl objeven v roce 1986 a představuje až polovinu fotosyntézy otevřeného oceánu.[14][15]

Abiotická produkce

Dodatečný zdroj atmosférického volného kyslíku pochází z fotolýza, přičemž vysokoenergetické ultrafialový záření rozkládá atmosférickou vodu a oxid dusný na atomy složek. Zdarma H a N atomů[vyjasnit ] uniknout do vesmíru a nechat O2 v atmosféře:

Biologická spotřeba

Hlavní cestou je ztráta volného kyslíku z atmosféry dýchání a rozklad, mechanismy, ve kterých zvíře život a bakterie spotřebovávají kyslík a uvolňují oxid uhličitý.

Kapacity a toky

Následující tabulky nabízejí odhady kapacit a toků zásobníku kyslíkového cyklu. Tato čísla jsou založena především na odhadech od (Walker, J. C. G.):[9]

NádržKapacita
(kg O2)		Flux dovnitř / ven
(kg O2 za rok)		Doba pobytu
(roky)
Atmosféra1.4×10183×10144500
Biosféra1.6×10163×101450
Litosféra2.9×10206×1011500000000


Tabulka 2: Roční zisk a ztráta atmosférického kyslíku (jednotky 1010 kg O.2 za rok)[1]

Fotosyntéza (země)
Fotosyntéza (oceán)
Fotolýza N.2Ó
Fotolýza H.2Ó		16,500
13,500
1.3
0.03
Celkové zisky~ 30,000
Ztráty - dýchání a rozklad
Aerobní dýchání
Mikrobiální oxidace
Spalování fosilních paliv (antropogenní)
Fotochemická oxidace
Fixace N2 bleskem
Fixace N2 podle odvětví (antropogenní)
Oxidace sopečných plynů		23,000
5,100
1,200
600
12
10
5
Ztráty - zvětrávání
Chemické zvětrávání
Povrchová reakce O3		50
12
Celkové ztráty~ 30,000

Ozón

Hlavní článek: Ozon-kyslíkový cyklus

Přítomnost atmosférického kyslíku vedla k tvorbě ozón (Ó3) a ozónová vrstva v rámci stratosféra:

O + O2 : - O3

Ozonová vrstva je pro moderní život nesmírně důležitá, protože pohlcuje škodlivé látky ultrafialový záření:

Reference

  1. ^ A b C d Knoll AH, Canfield DE, Konhauser K (2012). „7“. Základy geobiologie. Chichester, West Sussex: John Wiley & Sons. 93–104. ISBN  978-1-118-28087-4. OCLC  793103985.
  2. ^ A b C d Petsch ST (2014). „Globální kyslíkový cyklus“. Pojednání o geochemii. Elsevier. 437–473. doi:10.1016 / b978-0-08-095975-7.00811-1. ISBN  978-0-08-098300-4.
  3. ^ Keeling RF, Shertz SR (srpen 1992). "Sezónní a meziroční rozdíly v atmosférickém kyslíku a důsledky pro globální uhlíkový cyklus". Příroda. 358 (6389): 723–727. Bibcode:1992 Natur.358..723K. doi:10.1038 / 358723a0.
  4. ^ Holland HD (2002). „Sopečné plyny, černí kuřáci a velká oxidační událost“. Geochimica et Cosmochimica Acta. 66 (21): 3811–3826. Bibcode:2002 GeCoA..66,3811H. doi:10.1016 / S0016-7037 (02) 00950-X.
  5. ^ Lasaga AC, Ohmoto H (2002). "Kyslíkový geochemický cyklus: dynamika a stabilita". Geochimica et Cosmochimica Acta. 66 (3): 361–381. Bibcode:2002 GeCoA..66..361L. doi:10.1016 / S0016-7037 (01) 00685-8.
  6. ^ Falkowski PG, Godfrey LV (srpen 2008). „Elektrony, život a vývoj kyslíkového cyklu Země“. Filozofické transakce Královské společnosti v Londýně. Série B, Biologické vědy. 363 (1504): 2705–16. doi:10.1098 / rstb.2008.0054. PMC  2606772. PMID  18487127.
  7. ^ A b Falkowski PG (leden 2011). „Biologické a geologické události pro vzestup kyslíku na Zemi“. Fotosyntetický výzkum. 107 (1): 7–10. doi:10.1007 / s11120-010-9602-4. PMID  21190137.
  8. ^ Holland HD (červen 2006). „Okysličení atmosféry a oceánů“. Filozofické transakce Královské společnosti v Londýně. Série B, Biologické vědy. 361 (1470): 903–15. doi:10.1098 / rstb.2006.1838. PMC  1578726. PMID  16754606.
  9. ^ A b Walker JC (1980). "Cyklus kyslíku". Přírodní prostředí a biogeochemické cykly. Příručka chemie životního prostředí. Springer Berlin Heidelberg. str. 87–104. doi:10.1007/978-3-662-24940-6_5. ISBN  9783662229880.
  10. ^ Sigman DM, Haug GH (prosinec 2003). „Biologická pumpa v minulosti.“ Pojednání o geochemii. 6 (2. vyd.). str. 625. doi:10.1016 / b978-0-08-095975-7.00618-5. ISBN  978-0-08-098300-4.
  11. ^ Fischer WW, Hemp J, Johnson JE (červen 2016). „Vývoj kyslíkové fotosyntézy“. Výroční přehled o Zemi a planetárních vědách. 44 (1): 647–83. Bibcode:2016AREPS..44..647F. doi:10.1146 / annurev-earth-060313-054810.
  12. ^ Lyons TW, Reinhard CT, Planavsky NJ (únor 2014). "Vzestup kyslíku v počátečním oceánu a atmosféře Země". Příroda. 506 (7488): 307–15. Bibcode:2014 Natur.506..307L. doi:10.1038 / příroda13068. PMID  24553238.
  13. ^ Reinhard CT, Planavsky NJ, Olson SL, Lyons TW, Erwin DH (srpen 2016). „Zemský kyslíkový cyklus a vývoj života zvířat“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 113 (32): 8933–8. Bibcode:2016PNAS..113,8933R. doi:10.1073 / pnas.1521544113. PMC  4987840. PMID  27457943.
  14. ^ Nadis S (listopad 2003). „Buňky, které vládnou mořím“. Scientific American. 289 (6): 52–53. Bibcode:2003SciAm.289f..52N. doi:10.1038 / scientificamerican1203-52. PMID  14631732.
  15. ^ Morris JJ, Johnson ZI, Szul MJ, Keller M, Zinser ER. (2011). „Závislost sinice Prochlorococcus o mikrobech zachycujících peroxid vodíku pro růst na povrchu oceánu “. PLoS One. 6 (2): e16805. doi:10.1371 / journal.pone.0016805. PMC  3033426. PMID  21304826.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)

Další čtení