CIKLUS KISIKA: KARAKTERISTIKE, REZERVOARI I STADIJI - OKOLIŠ - 2026

Kikik kisika odnosi se na cirkulacijsko kretanje kisika na Zemlji. To je plinoviti biogeokemijski ciklus. Kisik je drugi najbrojniji element u atmosferi nakon dušika, a drugi najzastupljeniji u hidrosferi nakon vodika. U tom je smislu ciklus kisika povezan s vodenim ciklusom.

Cirkulatorni kretanje kisika uključuje proizvodnju ili dikisika molekularnog kisika dva atoma O (₂). Do toga dolazi zbog hidrolize tijekom fotosinteze koju provode različiti fotosintetski organizmi.

Akumulacija kisika: Oblak šuma, Nacionalni park Waraira Repano, Venezuela. Arnaldo Noguera Sifontes, iz Wikimedia Commons

O ₂ koristi žive organizme staničnog disanja, generiranje proizvodnje ugljičnog dioksida (CO ₂), pri čemu su jedan od sirovina za proces fotosinteze.

S druge strane, u gornjoj atmosferi dolazi do fotolize (hidrolize aktivirane solarnom energijom) vodene pare, uzrokovane ultraljubičastim zračenjem iz sunca. Voda se razgrađuje oslobađajući vodik koji se gubi u stratosferi, a kisik se integrira u atmosferu.

Kada se O ₂ molekule djeluje zajedno s atomom kisika, ozon (O ₃) proizvodi. Ozon čini takozvani ozonski sloj.

karakteristike

Kisik je nemetalni kemijski element. Njegov atomski broj je 8, odnosno ima 8 protona i 8 elektrona u svom prirodnom stanju. U normalnim uvjetima temperature i tlaka, prisutan je u obliku dioksidenskog plina, bez boje i bez mirisa. Njegova molekulska formula je O ₂.

O ₂ uključuje tri stabilna izotopa: ¹⁶ O, ¹⁷ O i ¹⁸ O. Prevladavajući oblik u svemiru je ¹⁶ O. Na Zemlji on predstavlja 99,76% ukupnog kisika. ¹⁸ O predstavlja 0.2%. Oblik ¹⁷ O vrlo je rijedak (~ 0,04%).

Podrijetlo

Kisik je treći najzastupljeniji element u svemiru. Proizvodnja izotopa ¹⁶ O započela je u prvoj generaciji izgaranja solarnog helija koja se dogodila nakon Velikog praska.

Uspostavljanje ciklusa nukleosinteze ugljik-dušik i kisik u kasnijim generacijama zvijezda osiguralo je dominantan izvor kisika na planetama.

Visoke temperature i tlakovi proizvodnju vode (H ₂ O) u svemiru generiranjem reakciju vodika s kisikom. Voda je dio šminke Zemljine jezgre.

Izlasci magme ispuštaju vodu u obliku pare i to ulazi u vodeni ciklus. Voda se razlaže fotolizom u kisik i vodik fotosintezom i ultraljubičastim zračenjem u gornjim razinama atmosfere.

Primitivna atmosfera

Primitivna atmosfera prije evolucije fotosinteze cijanobakterijama bila je anaerobna. Za žive organizme prilagođene toj atmosferi kisik je bio otrovni plin. I danas atmosfera čistog kisika stanicama čini nepopravljivu štetu.

Fotosinteza je nastala u evolucijskoj liniji današnjih cijanobakterija. To je počelo mijenjati sastav Zemljine atmosfere prije otprilike 2,3-2,7 milijardi godina.

Širenje fotosinteziranih organizama promijenilo je sastav atmosfere. Život se razvijao prema prilagodbi aerobnoj atmosferi.

Energije koje pokreću ciklus

Sile i energije koje djeluju na pokretanje ciklusa kisika mogu biti geotermalne, kada magma izbacuje vodenu paru ili može doći iz solarne energije.

Potonje pruža temeljnu energiju za proces fotosinteze. Kemijska energija u obliku ugljikohidrata koja je posljedica fotosinteze, zauzvrat pokreće sve žive procese kroz prehrambeni lanac. Na isti način, Sunce proizvodi planetarno diferencijalno grijanje i uzrokuje morske i atmosferske struje.

Povezanost s drugim biogeokemijskim ciklusima

Zbog obilja velike reaktivnosti, ciklus kisik povezan s druge cikluse kao što je CO ₂, dušik (N ₂) i ciklus vode (H ₂ O). To mu daje multiciklički karakter.

O ₂ i CO ₂ spremnici su povezani pomoću postupaka koji uključuju stvaranje (fotosinteze) i razaranja (disanje i izgaranja) organske tvari. U kratkom roku, reakcije oksidacijsko-redukcijske su glavni izvor varijabilnosti u koncentraciji od O ₂ u atmosferi.

Denitrificirajuće bakterije dobivaju kisik za disanje iz nitrata u tlu, oslobađajući dušik.

spremnici

geosfere

Kisik je jedna od glavnih komponenti silikata. Stoga, on predstavlja značajan dio Zemljine plašteve i kore.

• Zemljina jezgra: u tekućem vanjskom plaštu Zemljine jezgre se pored željeza nalaze i drugi elementi, uključujući kisik.
• Tlo: u prostorima između čestica ili pora tla diše zrak. Taj kisik koristi mikrobiota tla.

Atmosfera

21% atmosfere se sastoji od kisika, u obliku dikisika (O ₂). Ostali oblici atmosferskog prisutnosti kisika vodene pare (H ₂ O), ugljičnog dioksida (CO ₂) i ozon (O ₃).

• Vodena para: koncentracija vodene pare je promjenjiva, ovisno o temperaturi, atmosferskom tlaku i atmosferskim cirkulacijskim strujama (vodeni ciklus).
• Ugljični dioksid: CO ₂ predstavlja približno 0,03% volumena zraka. Od početka industrijske revolucije koncentracija CO ₂ u atmosferi povećala se za 145%.
• Ozon: to je molekula koja je prisutna u stratosferi u maloj količini (0,03 - 0,02 vol.% Na milijun).

hidrosfera

71% zemljine površine prekrivena je vodom. Više od 96% vode prisutne na zemljinoj površini koncentrirano je u oceanima. 89% mase oceana čini kisik. CO _{2 se} također rastvara u vodi i podliježe procesu razmjene s atmosferom.

Cryosphere

Kriosfera se odnosi na masu smrznute vode koja prekriva određena područja Zemlje. Ove ledene mase sadrže otprilike 1,74% vode u zemljinoj kori. S druge strane, led sadrži različite količine zarobljenog molekularnog kisika.

ILI

Većina molekula koje čine strukturu živih bića sadrži kisik. S druge strane, visok udio živih bića je voda. Stoga je zemaljska biomasa također rezerva kisika.

Faze

Općenito govoreći, ciklus koji kisik slijedi kao kemijsko sredstvo sastoji se od dva velika područja koja čine svojstvo biogeokemijskog ciklusa. Ta su područja predstavljena u četiri faze.

Geo-okolišno područje obuhvaća izmještanja i zadržavanje kisika u atmosferi, hidrosfere, kriosfere i geosfere. To uključuje fazu okoliša akumulacije i izvora i fazu povratka u okoliš.

Ciklus kisika. Eme Chicano, iz Wikimedia Commonsa

Dvije faze su također uključene u biološko područje. Povezani su s fotosintezom i disanjem.

-Ekološki stupanj akumulacije i izvora: atmosfera-hidrosfera-kriosfera-geosfera

Atmosfera

Glavni izvor atmosferskog kisika je fotosinteza. Ali postoje i drugi izvori iz kojih kisik može ući u atmosferu.

Jedan od njih je tekući vanjski plašt Zemljine jezgre. Kisik u atmosferu dospijeva u obliku vodene pare vulkanskim erupcijama. Vodena para se diže u stratosferu gdje prolazi fotolizu kao rezultat visokoenergetskog zračenja sunca i stvaranja slobodnog kisika.

S druge strane, disanje emitira kisik u obliku CO ₂. Procesi izgaranja, posebno industrijski, također troše molekulski kisik i doprinose CO ₂ u atmosferi.

U zamjenu atmosfere i hidrosfere otopljeni kisik u vodenim masama prelazi u atmosferu. Sa svoje strane, atmosferski CO ₂ je otopljen u vodi kao ugljična kiselina. Otopljeni kisik u vodi uglavnom dolazi od fotosinteze algi i cijanobakterija.

Stratosfera

U gornjim razinama atmosfere visokoenergetsko zračenje hidrolizira vodenu paru. Ukratko zračenje aktivira O ₂ molekule. Podijeljeni su u atome slobodnog kisika (O).

Ti slobodni O atoma, reagira s O ₂ molekule i proizvode ozon (O ₃). Ta je reakcija reverzibilna. Zbog djelovanja ultraljubičastog zračenja, O ₃ raspada na slobodnih kisikovih atoma ponovno.

Kisik kao sastavni dio atmosferskog zraka dio je različitih reakcija oksidacije, integrirajući različite zemaljske spojeve. Glavni sudoper za kisik oksidacija plinova iz vulkanskih erupcija.

hidrosfera

Najveća koncentracija vode na Zemlji su oceani, gdje postoji jednolika koncentracija izotopa kisika. To je zbog stalne razmjene ovog elementa sa zemljinom korsom kroz procese hidrotermalne cirkulacije.

Na granicama tektonskih ploča i oceanskih grebena nastaje stalan proces izmjene plina.

Cryosphere

Kopne ledene mase, uključujući polarne ledene mase, ledenjake i permafrost, predstavljaju glavni sudoper za kisik u obliku vode u čvrstom stanju.

geosfere

Isto tako, kisik sudjeluje u razmjeni plina sa tlom. Tamo predstavlja vitalni element za respiratorne procese mikroorganizama u tlu.

Važan potop u tlu su procesi oksidacije minerala i izgaranje fosilnih goriva.

Kisik koji je dio molekule vode (H ₂ O) slijedi ciklus vode u procesima isparavanja-isparavanje i kondenzaciju-precipitacije.

- Faza fotosinteze

Fotosinteza se odvija u kloroplastima. Tijekom svjetlosne faze fotosinteze potreban je redukcijski agens, odnosno izvor elektrona. Je sredstvo za je u ovom slučaju voda (H ₂ O).

Uzimanje vodika (H) iz vode, kisik (O ₂) se oslobađa kao otpadni produkt. Voda ulazi u biljku iz tla kroz korijenje. U slučaju algi i cijanobakterija dolazi iz vodenog okoliša.

Sve molekularni kisik (O ₂) proizveden tijekom fotosinteze dolazi iz vode koja se koristi u procesu. U fotosintezi se troši CO ₂, solarna energija i voda (H ₂ O), te se oslobađa kisik (O ₂).

-Atmosferski stupanj povratka

O ₂ generirana fotosinteze izbacuje u atmosferu kroz puči u slučaju biljaka. Alge i cijanobakterije vraćaju ih u okoliš difuzijom membrane. Slično tome, respiratorni procesi vraćaju kisik u okoliš u obliku ugljičnog dioksida (CO ₂).

-Respiratorna faza

Da bi izvršili svoje vitalne funkcije, živi organizmi moraju učiniti učinkovitom kemijsku energiju nastalu fotosintezom. Ta se energija pohranjuje u obliku složenih molekula ugljikohidrata (šećera) u slučaju biljaka. Ostatak organizama dobiva iz prehrane

Proces pomoću kojeg živa bića razvlače kemijske spojeve radi oslobađanja potrebne energije naziva se disanjem. Taj se proces odvija u stanicama i ima dvije faze; jedan aerobni i jedan anaerobni.

Aerobno disanje odvija se u mitohondrijama u biljaka i životinja. U bakterijama se provodi u citoplazmi, jer im nedostaje mitohondrije.

Temeljni element za disanje je kisik kao oksidacijsko sredstvo. U disanju, kisik (O ₂) je potrošen i CO ₂ i voda (H ₂ O) oslobađaju, proizvode korisnu energiju.

CO ₂ i voda (vodena para) ispuštaju se kroz stomate u biljkama. U životinja, CO ₂ je pušten kroz nosnice i / ili u ustima, i vode do znojenja. U algama i bakterijama, CO ₂ se oslobađa difuzijom membrane.

Photorespiration

U biljkama se u prisutnosti svjetlosti razvija proces koji troši kisik i energiju zvan fotorespiracija. Photorespiration povećava s povećanjem temperature zbog porasta koncentracije CO ₂ s obzirom na koncentraciju O ₂.

Fotorespiracija uspostavlja negativnu energetsku bilancu za biljku. Troši O ₂ i kemijsku energiju (proizveden fotosinteze) i oslobađa CO ₂. Zbog toga su razvili evolucijske mehanizme za suzbijanje toga (metabolizmi C4 i CAN).

Važnost

Danas je velika većina života aerobna. Bez cirkulacije O ₂ u planetarnom sustavu, život kakav poznajemo danas ne bi bilo moguće.

Osim toga, kisik čini značajan udio zemaljskih zračnih masa. Stoga doprinosi atmosferskim pojavama koje su s njim povezane i posljedicama: erozivnim učincima, regulaciji klime, među ostalim.

Izravno stvara oksidacijske procese u tlu, vulkanskim plinovima i umjetnim metalnim strukturama.

Kisik je element visoke oksidacijske sposobnosti. Iako su molekule kisika vrlo stabilne zbog činjenice da formiraju dvostruku vezu, budući da kisik ima visoku elektronegativnost (sposobnost privlačenja elektrona), on ima visoku reaktivnu sposobnost. Zbog ove visoke elektronegativnosti, kisik sudjeluje u mnogim reakcijama oksidacije.

promjene

Velika većina procesa izgaranja koji se događaju u prirodi zahtijeva sudjelovanje kisika. Isto tako i kod onih koje generiraju ljudi. Ovi procesi ispunjavaju i pozitivne i negativne funkcije u antropičnom smislu.

Izgaranje fosilnih goriva (ugljen, nafta, plin) doprinosi ekonomskom razvoju, ali istodobno predstavlja ozbiljan problem zbog njegovog doprinosa globalnom zatopljenju.

Veliki šumski požari utječu na biološku raznolikost, iako su u nekim slučajevima dio prirodnih procesa u određenim ekosustavima.

Efekt staklenika

Ozonski omotač (O ₃) u stratosferi je zaštitni štit atmosfere protiv ulaska viška ultraljubičastoga zračenja. Ovo visoko energetsko zračenje povećava zagrijavanje Zemlje.

S druge strane, visoko je mutagena i štetna za živa tkiva. U ljudi i drugih životinja je kancerogena.

Emisija raznih plinova uzrokuje uništavanje ozonskog omotača i stoga olakšava ulazak ultraljubičastoga zračenja. Neki od tih plinova su klor-fluoro-ugljikovodici, hidrokloro-fluoro-ugljikovodici, etil-bromid, dušikovi oksidi iz gnojiva i haloni.

Reference

1. Anbar AD, Y Duan, TW Lyons, GL Arnold, B Kendall, RA Creaser, AJ Kaufman, WG Gordon, S Clinton, J Garvin i R Buick (2007) Whiff of Oxygen prije velikog događaja oksidacije? Znanost 317: 1903-1906.
2. Bekker A, HD Holland, PL Wang, D Rumble, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee i NJ Beukes. (2004) Između porasta atmosferskog kisika. Priroda 427: 117-120.
3. Farquhar J i DT Johnston. (2008) Kikik kisika zemaljskih planeta: Uvid u obradu i povijest kisika u površinskim okruženjima. Kritike u mineralogiji i geokemiji 68: 463–492.
4. Keeling RF (1995) Atmosferski kisik ciklus: U kisika izotope atmosferskog CO ₂ i O ₂ i O ₂ / N ₂ Reviws geofizike, dodatak. SAD: Nacionalno izvješće Međunarodnoj uniji za geodeziju i geofiziku 1991.-1994. str. 1253-1262.
5. Purves WK, D Sadava, GH Orians i HC Heller (2003) Život. Znanost o biologiji. 6. Edt. Sinauer Associates, Inc. i WH Freeman and Company. 1044. str.