Круговорот кислорода в природе схема и описание: схема, краткое описание и роль — Природа Мира

схема, краткое описание и роль — Природа Мира

Время чтения 4 мин.Просмотры 10.4k.Обновлено

Кислород (O, лат. oxygenium) – неотъемлемая составляющая жизни на Земле, а также наиболее распространенный элемент в нашем теле. На его долю приходится около 65% массы тела человека, большая часть из которых находится в форме воды (H2O). Также кислород присутствует в химическом составе Земли (около 30%) и атмосфере (около 20%).

Читайте также:

Круговорот азота в природе;

Круговорот углерода в природе;

Круговорот воды в природе.

Эта статья посвящена круговороту кислорода (кислородному циклу) и его важности для всего живого на Земле. Вы узнаете о бесконечном цикле производства и использования кислорода.

Что такое круговорот кислорода?

Для жизни нужен кислород. Это бесцветный газ без запаха, на который приходится более 20% атмосферы. Вы найдете кислород в озоновом слое, двуокиси углерода, воде и даже земной коре.

Круговорот кислорода – это очень важный биогеохимический цикл, при котором постоянно вырабатывается новый кислород и осуществляется его перенос между главными резервуарами/сферами Земли: атмосфера, биосфера, гидросфера и литосфера.

Кислород – это один из наиболее распространенных элементов на Земле, который присутствует в значительном количестве в каждом основном резервуаре. Безусловно, наибольшим резервуаром кислорода на планете являются силикатные и оксидные минералы в земной коре и мантии (99,5% от общей массы). В атмосфере, гидросфере и биосфере суммарно присутствует менее 0,05% общей массы кислорода на Земле. Кроме O2, дополнительные атомы кислорода присутствуют в различных формах, распределенных по всей поверхности резервуаров в молекулах биомассы, H2O, CO2, HNO3, NO, NO2, CO, H2O2, O3, SO2, H2SO4, MgO, CaO, AlO, SiO2, и PO4.

Как мы используем кислород?

Сделайте глубокий вдох, а затем выдохните. Все живые существа дышат посредством процесса, называемого дыханием, когда вдыхается кислород и выдыхается углекислый газ. Кислород также используется, когда умирают растения и животные. В процессе их разложение поглощается кислород и выделяется углекислый газ.

Для химических реакций также необходим кислород. Вы когда-нибудь оставляли свой велосипед под дождем и замечали, что на нем начинает образовываться ржавчина? Появление на железе ржавчины является следствие процесса окисления, при котором расходуется кислород. Пожар был бы невозможен без кислорода. В процессе горение используется кислород и выделяют углекислый газ.

Люди и другие живые существа непрерывно выделяют в атмосферу углекислый газ. Так же как автомобили, дымоходы, промышленные трубы, пожары. вулканы и т.д. В случае избытка углекислого газа и нехватки кислорода, большинство живых существ погибнет.

Как производится кислород?

Как мы уже упоминали, одним из ключевых ингредиентов в производстве кислорода является диоксид углерода. Растения и деревья производят кислород при помощи фотосинтеза. Фотосинтез – это процесс, при котором солнечный свет попадает на листья, а содержащийся в них хлорофилл – вместе с водой из почвы и углекислым газом из атмосферы – смешиваются вместе, образуя две очень важные вещи: питательные вещества для растений и кислород для животных. Во время фотосинтеза растения также выделяют лишнюю воду.

Фитопланктон – это крошечные водоросли, которое встречается в верхнем слое большинства водных сред, таких как озера, моря и океаны. На фитопланктон приходиться значительная часть глобальной выработки кислорода посредством фотосинтеза.

Где происходит кислородный цикл?

Производство и круговорот кислорода, как мы упоминали ранее происходит в четырех основных сферах Земли:

  • Атмосфере (воздух) – процессе фотолиза образуется кислород, который затем формирует озоновый слой, защищающий планету от вредного солнечного излучения.
  • Биосфера (глобальная экосистема Земли) – это место, где живут люди, растения и животные, и именно здесь производится наибольшее количество кислорода в процессе фотосинтеза.
  • Гидросфере – фитопланктон, обитающий на поверхности океанов и морей, также использует фотосинтез для производства кислорода.
  • Литосфера – крупнейший резервуар, где содержится больше всего кислорода. Кислород находится внутри горных пород и минералов, поэтому у нас нет доступа к нему. Но некоторые растения и животные могут извлекать минералы из горных пород, что позволяет выделять кислород.

Подведение итогов

Кислород – это газ без цвета и запаха, а растения и деревья – главные создатели кислорода на Земле. Фотосинтез – процесс, который растения используют для производства собственной пищи и кислорода. Круговорот кислорода происходит в четырех основных сферах Земли: атмосфере, биосфере, гидросфере и литосфере. Производство кислорода посредством кислородного цикла необходимо для сохранения жизни на планете.

Гугломаг

Спрашивай! Не стесняйся!

Задать вопрос

Мне нравится8Не нравится4

Не все нашли? Используйте поиск по сайту

Круговорот кислорода в природе кратко – схема, примеры, рисунок, презентация, доклад

Из-за употребления кислорода всеми организмами, количество такого газа непрерывно уменьшается, поэтому запасы кислородные запасы должны постоянно восполняться. Именно этой цели способствует кислородный круговорот. Это сложнейший биохимический процесс, в течение которого атмосфера и земная поверхность обмениваются озоном. Как проходит такое круговращение, мы предлагаем узнать в этой статье.

Понятие круговорота

Среди атмосферы, литосферы, земных органических веществ и гидросферы протекает взаимообмен всевозможными химическими веществами. Взаимообмен происходит беспрестанно, перетекая из стадии в стадию. На протяжении всей истории существования нашей планеты, такое взаимодействие длится безостановочно и насчитывает уже 4,5 миллиарда лет.

Лучше всего понятия круговорота можно понять, обратившись к такой науке как геохимия. Эта наука такое взаимодействие объясняет четырьмя важнейшими правилами, которые проверенны и подтверждены не единожды проведенными опытами:

  • беспрерывное распределение в земных оболочках всех химических элементов;
  • беспрерывное перемещение во времени всех элементов;
  • многообразное существование типов и форм;
  • доминирование компонентов в рассредоточенном состоянии, над компонентами в объединенном состоянии.

Такие циклы тесно связаны с природой и деятельностью людей. Органические элементы взаимодействуют с неорганическими и образуют беспрерывный биохимический цикл называемый круговоротом.

Схема круговорота кислорода в природе

История открытия озона

До 1 августа 1774 года человечество не подозревало о существовании кислорода. Его открытием мы обязаны ученому Джозефу Пристли, который открыл его путем разложения оксида ртути в герметически закрытом сосуде, просто концентрируя солнечные лучи через огромную линзу на ртути.

Свое вложение в мировую науку этот ученный так и не осознал до конца и считал, что открыл не новое простое вещество, а всего лишь составляющую воздуха, которую гордо именовал – дефлогистированным воздухом.

Точку в открытии кислорода поставил выдающийся французский ученный – Карл Лавуазье, взяв за основу выводы Пристли: он провел ряд опытов и доказал, что кислород – отдельное вещество. Таким образом, открытие этого газа принадлежит, сразу двоим ученым – Пристли и Лавуазье.

Кислород как элемент

Кислород (oxygenium) – в переводе из греческого означает – «рождающий кислоту». Во времена Древней Греции кислотой именовали все оксиды. Этот уникальный газ – самый востребованный в природе и составляет 47% всей массы коры земли, он хранится как в земных недрах, так и в шарах атмосферы, морях, океанах, входит как составляющая более чем в полторы тысячи соединений земных недр.

Кислородный взаимообмен

Круговорот озона – это динамичное химическое взаимодействие элементов природы, живой органики, и их определяющая роль в этом действе. Биохимический цикл – процесс планетарного масштаба, он связывает атмосферные элементы с поверхностью земли и реализуется следующим образом:

  • высвобождение свободного озона в процессе фотосинтеза из флоры, он рождается в растениях зеленого цвета;
  • употребление образовавшегося кислорода, цель которого – поддержание дыхательной функции всех дышащих организмов, а также окисление органических и неорганических субстанций;
  • другие химически преобразованные элементы, приводящие к образованию таких окислительных веществ как вода и двуокись органогена, а также повторное последовательное привлечение элементов в очередной фотосинтезирующий виток.

Кроме круговорота, происходящего за счет фотосинтеза, выделение озона также происходит из воды: из поверхности водных масс, морей, рек и океанов, дождей и других осадков. Кислород в составе воды испаряется, конденсируется и высвобождается. Кислород также получается за счет выветривания такой горной породы как известняк.

Фотосинтез как понятие

Фотосинтезом общепринято называют выделение озона в процессе высвобождения органических соединений с воды и углекислого газа. Для того чтобы процесс фотосинтеза состоялся, требуются следующие составляющие: вода, свет, тепло, углекислый газ и хлоропласты – пластиды растений, в которых содержится хлорофилл.

Благодаря фотосинтезу, образуемый кислород поднимается в атмосферные шары и образует озоновый слой. Благодаря озоновому шару, защищающему поверхность планеты от ультрафиолета, родилась жизнь на суше: морские жители смогли выйти на сушу и обосноваться на поверхности земли. Без кислорода жизнь на нашей планете прекратится.

Занимательные факты про кислород

  • Кислород используют на металлургических заводах, при электрорезке и сварке, без него процесс получения хорошего металла не состоялся бы.
  • Концентрированный в баллонах кислород позволяет исследовать морские глубины и космические просторы.
  • Всего одно взрослое дерево способно обеспечить кислородом на год сразу троих людей.
  • Из-за развития промышленности и автомобилестроения, содержание этого газа в атмосфере снизилось в два раза.
  • При волнении люди употребляют в несколько раз больше кислорода, чем в умиротворенном, спокойном самочувствии.
  • Чем выше земная поверхность над уровнем моря, тем кислорода и его содержание в атмосфере ниже, из-за этого в горах трудно дышать, с непривычки у человека может возникнуть кислородное голодании, кома и даже смерть.
  • Динозавры смогли жить благодаря тому, что уровень озона в древности превышал теперешний в трижды, сейчас их кровь просто бы не насытилась должным образом кислородом.

Круговорот кислорода в природе – презентация

Мини видео про круговорот кислорода

Круговорот кислорода в природе: схема, интересные факты

Круговорот кислорода: Pexels

Без кислорода на Земле не могли бы существовать живые организмы, не горел бы огонь, не ржавел бы металл. Мы используем его постоянно. Но почему же он не заканчивается? Потому что существует круговорот кислорода — процесс планетарного масштаба, который постоянно обеспечивает нас этим газом. Объясним, как он протекает и как кислород влияет на нашу жизнь.

Круговорот кислорода

Что такое кислород? Это один из самых распространенных химических элементов на Земле и неотъемлемая составляющая жизни на планете.

Кислород — это бесцветный газ, который присутствует повсюду и которым дышит человек. Вдыхая его, организм выделяет углекислый газ и так обеспечивает свою жизнедеятельность. Кроме этого, оксиген участвует во многих процессах:

  • Без воздуха невозможно было бы разжечь костер или зажечь спичку. Во время горения обязательно задействуется кислород и выделяется углекислый газ.
  • Он участвует в процессах окисления. Замечали, что под воздействием воды на металле появляется ржавчина? На самом деле причина не в воде, а в кислороде.
  • Когда растения или животные умирают, они также поглощают кислород. Газ участвует в процессах разложения.
Спичка горит благодаря кислороду: Unsplash

Кислород расходуется постоянно, почему же его запасы не иссякают? На самом деле он регулярно обновляется в природе, и этот процесс называют круговоротом.

Как происходит круговорот кислорода в природе? Он попадает в атмосферу из растений, воды и земной коры:

  • Фотосинтез — главная движущая сила круговорота кислорода. Наземные зеленые растения и фитопланктон океана потребляет углекислый газ и под воздействием солнечных лучей выделяет оксиген.
  • Испарение воды из водоемов — еще один источник кислорода в атмосфере. Вода содержит его атомы и под воздействием ультрафиолета распадается, выделяя этот газ.
  • Из земной коры кислород также высвобождается в атмосферу. Происходит это в результате выветривания, эрозии, движения подземных вод. Как кислород попадает в литосферу? В коре есть так называемый известняк — порода, созданная из осадков морских организмов, имеющих внешнюю оболочку, богатую кислородом.

Газ, который пришел в атмосферу из биосферы, гидросферы и литосферы, снова участвует в жизненных процессах — поглощении живыми организмами, окислении. Американские исследователи определили, что понадобится около двух тысяч лет, чтобы использованный кислород восстановился в атмосфере — такова скорость его круговорота.

Схема круговорота кислорода: Wikimedia

Интересные факты о кислороде

Где находится кислород в природе? Как пишут в учебниках по химии, этим газом насыщены все стихии:

  • Он составляет около 21% всей атмосферы планеты.
  • Моря и океаны Земли состоят из кислорода на 86%.
  • На 47% земная кора — это тоже кислород. Он входит в состав многих пород и минералов, которые формируют земную кору.

Кислород появился на Земле за миллиарды лет до нас. Согласно исследованию датских ученых, он был здесь еще 3,8 миллиарда лет назад. Хотя его концентрация в воздухе не всегда была такой высокой, как сейчас. Впрочем, выявить этот химический элемент ученым удалось только в XVIII веке.

Кто и когда открыл кислород? До 1774 года человечество не подозревало о его существовании. Открытию этого газа мы обязаны двум ученым:

  • В 1774-м английский исследователь Джозеф Пристли нагрел оксид ртути в герметически закрытом сосуде, в результате чего выделился газ. Под его воздействием свеча горела ярче, чем обычно. Пристли не понял, какое удивительное открытие совершил, и был уверен, что выявил составляющую воздуха.
  • Годом спустя, в 1775-м, француз Антуан Лавуазье взял за основу выводы Пристли, осуществил ряд опытов и доказал, что кислород — отдельное вещество.

Название кислорода — oxygenium — произошло от древнегреческого ‘рождающий кислоту’.

Кислород — то, чем мы дышим: Pexels

Какое значение имеет кислород? Этот бесцветный газ — залог жизни на планете Земля. Чтобы продемонстрировать его важность, предлагаем несколько фактов:

  • Кислород входит в состав белков, жиров и углеводов, из которого состоит организм человека. Его атомы составляют 65% массы человеческого тела.
  • Каждый человек вдыхает около 550 литров кислорода в сутки. Таким образом, планете нужно семь деревьев, чтобы обеспечить жизнедеятельность одного человека. Вот почему экологи бьют тревогу по поводу вырубки лесов.
  • Чем выше подняться над уровнем моря, тем меньшее содержание кислорода в воздухе. Поэтому многим становится плохо в горах. Это симптомы кислородного голодания. Длительная нехватка этого газа в организме приводит к коме или смерти.
  • Без кислорода не могла бы существовать важная часть современной промышленности — металлургическая, так как без него нельзя было бы обработать металл.

Кислород — бесценный ресурс, который восстанавливает себя сам. Но это не значит, что человек не должен влиять на этот процесс. Большинство оксигена приходит в атмосферу из деревьев. Уже сейчас из-за выхлопов и развития промышленности концентрация оксигена в воздухе падает. Вот почему нам всерьез стоит задуматься о состоянии экологии.

Оригинал статьи: https://www.nur.kz/family/school/1709185-krugovorot-kisloroda-v-prirode-interesnye-fakty/

Круговорот кислорода

Кислород является наиболее распространенным элементом на Земле. В морской воде содержится 85,82% кислорода, в атмосферном воздухе 23,15% по весу или 20,93% по объему, а в земной коре 47,2% по весу. Такая концентрация кислорода в атмосфере поддерживается постоянной благодаря процессу фотосинтеза. В этом процессе зеленые растения под действием солнечного света превращают диоксид углерода и воду в углеводы и кислород.

Главная масса кислорода находится в связанном состоянии; количество молекулярного кислорода в атмосфере составляет всего лишь 0,01% от общего содержания кислорода в земной коре. В жизни природы кислород имеет исключительное значение. Кислород и его соединения незаменимы для поддержания жизни. Они играют важнейшую роль в процессах обмена веществ и дыхании. Кислород входит в состав белков, жиров, углеводов, из которых «построены» организмы. В человеческом организме, например, содержится около 65% кислорода.

Большинство организмов получают энергию, необходимую для выполнения их жизненных функций, за счет окисления тех или иных веществ с помощью кислорода. Убыль кислорода в атмосфере в результате процессов дыхания, гниения и горения возмещается кислородом, выделяющимся при фотосинтезе. Вырубка лесов, эрозия почв, различные горные выработки на поверхности уменьшают общую долю фотосинтеза и снижают круговорот на значительных территориях. Наряду с этим, мощным источником

получения кислорода является, по-видимому, фотохимическое разложение водяного пара в верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовых лучей солнца. Таким образом, в природе непрерывно совершается круговорот кислорода, поддерживающий постоянство состава атмосферного воздуха (рис.3).

Кроме описанного выше круговорота кислорода в несвязанном виде, этот элемент совершает еще и важнейший круговорот, входя в состав воды. Круговорот воды (h3O) заключается в испарении воды с поверхности суши и моря, переносе ее воздушными массами и ветрами, конденсации паров с последующим выпадением осадков в виде дождя, снега, града, тумана.

Рис. 3. Круговорот кислорода

Круговорот азота

Азот является элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков, аминокислот, нуклеиновых кислот, хлорофилла, гемов и др. В связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых организмах, «мёртвой органике» и дисперсном веществе морей и океанов.

Несмотря на величайшую сложность, круговорот азота осуществляется быстро и беспрепятственно. Воздух, содержащий 78%азота, одновременно служит и огромным вместилищем и предохранительным клапаном системы. Он беспрерывно и в разных формах питает круговоротазота.

Цикл азотасостоит в следующем. Его главная роль заключается в том, что он входит в состав жизненно важных структурорганизма-аминокислотбелка, а такженуклеиновых кислот. В живыхорганизмахсодержится примерно 3% всего активного фондаазота. Растения потребляют примерно 1%азота; время его круговорота составляет 100 лет.

От растений-продуцентов азотосодержащие соединения переходят к консументам, от которых после отщепления аминовоторганических соединенийазотвыделяется в видеаммиакаилимочевины, амочевиназатем также превращается ваммиак(вследствиегидролиза).

В дальнейшем в процессах окисленияазотааммиака(нитрификации) образуютсянитраты, способные ассимилироваться корнями растений.

Часть нитритовинитратовв процессе денитрификации восстанавливается до молекулярногоазота, поступающего ватмосферу. Все эти химические превращения возможны в результате жизнедеятельности почвенныхмикроорганизмов. Эти удивительные бактерии — фиксаторыазота- способны использовать энергию своегодыханиядля прямого усвоения атмосферногоазотаи синтезирования протеинов. Таким путем в почву ежегодно вносится около 25 кгазотана 1 га.

Но самые эффективные бактерии живут в симбиозес бобовыми растениями в клубеньках, развивающихся на корнях растений. В присутствиимолибдена, который служиткатализатором, и особой формыгемоглобина(уникальный случай у растений) эти бактерии (Rhizobium) ассимилируют громадные количестваазота. Образующийся (связанный)азотпостоянно диффундирует в ризосфере (часть почвы), когда клубеньки распадаются. Но ещеазотпоступает в наземную часть растений. Благодаря этому бобовые исключительно богатыпротеинамии очень питательны для травоядных. Годовой запас, таким образом накапливаемый в культурах клевера илюцерны, составляет 150-140 кг/га.

Помимо бобовых такие бактерии живут на листьях растений (в тропиках) из семейства Rublaceae, а также актиномицеты — на корнях ольхи, фиксирующиеазот. В водной среде — это синие водоросли.

Итак, азотиз разнообразных источников поступает к корням в виденитратов, абсорбируется корнями и трансформируется в листья для синтезапротеинов.Протеиныслужат основой азотного питания животных, а также пищей некоторых бактерий (паразитов).Организмы, разлагающие органическоевеществопосле смерти, переводятазотизорганических соединенийв минеральные. Каждая группа биоредуцентов специализируется на каком-либо одном звене этого процесса. Цепь заканчивается деятельностью аминообразующихорганизмов, образующихаммиак(NН3), который далее входит в цикл нитрификации: Nitrosomonas окисляет его до нитритов, а Nitrobarter окисляетнитритывнитраты.

С другой стороны, бактерии — денитрификаторы разлагают нитраты, освобождают N2, который улетучивается в атмосферу. Но этот процесс не очень опасен, так как разлагает примерно 20% общегоазота, и то лишь в почвах, очень удобренных навозом (примерно 50-60 кгазота1 га). Общая схема круговорота азота представлена на рисунке 4.

Рис.4. Схема круговорота азота.

Очень важно изучать и контролировать круговорот азота, особенно в антропогенных биоценозах, потому что небольшой сбой в какой-либо части цикла может привести к серьёзным последствиям: сильным химическим загрязнениям почв, зарастанию водоемов и загрязнению их продуктами разложения отмершей органики (аммиак, амины и др.), высокому содержанию растворимых соединений азота в питьевой воде.

Круговорот азотав настоящее время подвергается сильному воздействию со стороны человека.

Во-первых, поступление оксидов азотаватмосферуприсжигании топливана ТЭЦ, транспорте, заводах («лисий хвост»). В промышленных районах ихконцентрацияввоздухестановится очень опасной. Под воздействием излучения происходятреакцииорганики (углеводородов) соксидами азотас образованием высокотоксичных и канцерогенных соединений. А также возникаюткислотные дожди — явление, при котором наблюдается понижение pH дождевых осадков и снега из-за загрязнений воздуха кислотными оксидами (например, оксидами азота). Химизм этого явления состоит в следующем. Для сжигания органического топлива в двигатели внутреннего сгорания и котлы подается воздух или смесь топлива с воздухом. Почти на 4/5 воздух состоит из газа азота и на 1/5 — из кислорода. При высоких температурах, создаваемых внутри установок, неизбежно происходит реакция азота с кислородом и образуется оксид азота:

N2+ O2 = 2NO — Q

Эта реакция эндотермическая и в естественных условиях происходит при грозовых разрядах, а также сопутствует другим подобным магнитным явлениях в атмосфере. В наши дни человек в результате своей деятельности сильно увеличивает накопление оксида азота (II) на планете. Оксид азота (II) легко окисляется до оксида азота (IV) уже при нормальных условиях:

2NO + O2 = 2NO2

Далее оксид азота реагирует с атмосферной водой с образованием кислот:

2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2

образуются азотная и азотистая кислоты. В капельках атмосферной воды эти кислоты диссоциируют с образованием, соответственно нитрат- и нитрит-ионов, а ионы попадают с кислотными дождями в почву.

Во-вторых, массовое производство азотных удобрений(селитра) и их использование приводит к избыточному накоплению нитратов.Азот, поступающий на поля в видеудобрений, теряется из-завыщелачиванияи денитрификации.

И наконец, сброс сточных вод, несоблюдение санитарных норм (выгул собак, неконтролируемые свалки органических отходов, плохое функционирование канализационных систем и др.) приводят к повышению уровня биологического загрязнения. Как следствие почва загрязняется аммиаком, солями аммония, мочевиной, индолом, меркаптанами и другими продуктами разложения органики. В почве образуется дополнительное количество аммиака, который затем перерабатывается бактериями в нитраты.

Круговорот кислорода в природе


Круговорот кислорода: Pexels Без кислорода на Земле не могли бы существовать живые организмы, не горел бы огонь, не ржавел бы металл. Мы используем его постоянно. Но почему же он не заканчивается? Потому что существует круговорот кислорода — процесс планетарного масштаба, который постоянно обеспечивает нас этим газом. Объясним, как он протекает и как кислород влияет на нашу жизнь.

Что такое круговорот кислорода в природе

Кислород (O2) вот уже сотни миллионов лет является веществом, обеспечивающим жизнь на Земле. Приблизительно пятая часть (около двадцати процентов) атмосферы Земли заполнена кислородом, а ещё кислород составляет около тридцати процентов химического состава планеты. Кислород может присутствовать как в свободной форме (в составе воздуха, которым дышит абсолютное большинство всех живых организмов), так и в связанной (входить в состав воды, минералов, разных химических соединений). И кислород осуществляет непрерывный биогеохимический цикл, иначе называемый круговоротом кислорода в природе.

В ходе этого цикла кислород совершает переход из атмосферы в биосферу и земную кору, после чего возвращается обратно в атмосферу. При этом кислородом обмениваются все водоёмы (и Мировой океан) и воздух, растения и животные, но также кислород выделяется во время химических реакций. И ключевую роль в этом процессе играет фотосинтез.

Особенности кругооборота воды и некоторых веществ в биосфере

Эта энергия оказывается Солнцем. Таким образом, жизнь на Земле зависит от циклических химических процессов, возможных благодаря попаданию солнечной энергии.

Применение кислорода обусловлено его химическими свойствами. Кислород широко используется как окислитель. Его применяют для сварки и резки металлов, в химической промышленности — для получения различных соединений и интенсификации некоторых производственных процессов.

В космической технике кислород применяется для сжигания водорода и других видов топлива, в авиации — при полетах на больших высотах, в хирургии — для поддержания больных с затрудненным дыханием.

Биологическая роль кислорода обусловлено его способностью поддерживать дыхание.

Человек при дыхании в течение одной минуты в среднем потребляет 0,5 дм3 кислорода, в течение суток — 720 дм3, а в течение года — 262,8 м3 кислорода.

Этапы круговорота кислорода в природе

Можно выделить некоторые этапы биогеохимического кислородного цикла, при этом эти этапы выделяются как в процессе прихода кислорода, так и в процессе его расхода. К приходу кислорода относятся следующие этапы. Вначале кислород формируется в результате процесса, называемого фотосинтезом, затем в результате ультрафиолетового излучения он может накапливаться в определённой части атмосферы, называемой озоновым слоем.

Ультрафиолетовое излучение также расщепляет молекулы испарившейся и поднявшейся высоко в атмосферу воды (то есть, происходит диссоциация) с выделением кислорода. Наконец, в результате определённых химических реакций формируется озон (O3).

Что же касается расхода кислорода, то он связан с дыханием. Живые существа (преимущественно животные, да и все живые существа, способные к кислородному дыханию) вдыхают воздух, и кислород поступает в их тела, усваивается телами, и после выдыхается углекислый газ. Также кислород в связанной форме помогает осуществлять химические реакции внутри земной коры. А в результате вулканических процессов происходит окисление окиси углерода.

Неразрывна связь кислорода и углекислого газа (CO2). И его цикл тоже имеет несколько этапов. К приходу углекислого газа относятся процессы, связанные с дыханием животных (и всех существ, способных к кислородному дыханию), разложением органических веществ в результате деятельности микроорганизмов и бактерий, брожением, сжиганием видов ископаемого топлива на фабриках, заводах, котельных и электростанциях, и вырубкой леса.

Что же касается расхода углекислого газа, то свободная его форма фиксируется растениями, питающимися им в ходе фотосинтеза, выделяя тем самым кислород. Животные могут поедать определённые виды растений и растительной пищи, и вместе с тем они потребляют углерод. Углерод фиксируется в земной коре, и это связано с формированием питательного почвенного слоя, известного как гумус, и ископаемого топлива наподобие угля, торфа, горючих сланцев (в океанической части коры это влияет на формирование других пород, таких как известняк и доломиты).

Строение молекулы

Молекула кислорода состоит из двух атомов, химическая формула имеет вид О2. Как образуется молекула кислорода? Механизм ее образования ковалентный неполярный, другими словами за счет обобществления электроном каждого атома. Связь между молекулами кислорода также ковалентная и неполярная, при этом она двойная, ведь у каждого из атомов кислорода есть по два неспаренных электрона на внешнем уровне.

Так выглядит молекула кислорода, благодаря своим характеристикам она весьма устойчива. Для многих химических реакций с ее участием нужны специальные условия: нагревание, повышенное давление, применение катализаторов.

Факторы, влияющие на круговорот кислорода в природе

На процессы, входящие в круговорот кислорода, прежде всего влияет сама жизнь на Земле. В основном, кислород потребляется и производится в результате жизнедеятельности живых организмов. И в первую очередь всё связано с растениями. Чем больше растений, тем активнее в результате фотосинтеза выделяется пригодного для дыхания кислорода. И наоборот, чем меньше растений (и цианобактерий, которые также способны осуществлять фотосинтез), тем больше риск превращения тех или иных участков Земли в зоны гипоксии (и такое больше свойственно океану, нежели суше).

Уменьшается количество кислорода не только в результате дыхания животных и людей, но также вследствие лесных пожаров, вырубки лесов, потребления топлива (с его сжиганием), а ещё при окислении пород; тем самым он заменяется, к примеру, тем же углекислым газом. Лишь благодаря растениям это удаётся компенсировать, ведь при потреблении углекислого газа растения выделяют кислород.

Химические свойства

Почти во время всех реакций кислорода с другими веществами образуется и выделяется энергия, сила которой может зависеть от температуры. Например, при обычных температурах этот газ медленно реагирует с водородом, а при температуре выше 550°С возникает реакция со взрывом.

Кислород – активный газ, который входит в реакцию с большинством металлов, кроме платиновых и золота. Сила и динамика взаимодействия, во время которого образуются оксиды, зависит от присутствия в металле примесей, состояния его поверхности и измельчения. Некоторые металлы, во время связи с кислородом, кроме основных оксидов образуют амфотерные и кислотные оксиды. Оксиды золота и платиновых металлов возникают во время их разложения.

Кислород кроме металлов, так же активно взаимодействует практически со всеми химическими элементами (кроме галогенов).

В молекулярном состоянии кислород более активен и эту особенность используют при отбеливании различных материалов.

Круговорот кислорода и фотосинтез

Как уже неоднократно было подчёркнуто выше, ключевая роль в процессах кислородного круговорота принадлежит фотосинтезу. Растения и цианобактерии поглощают углекислый газ и выделяют кислород под воздействием солнечного света. Диоксид углерода и вода подвергаются воздействию квантов света и в итоге расщепляются на углевод и кислород. Растения с помощью фотосинтеза поддерживают необходимый для всей жизни на Земле баланс, ведь ими восполняется тот объём кислорода, расходуемый при гниении отмерших существ, при дыхании, при горении (когда возникает угарный газ).

За счёт фотосинтеза углекислого газа на Земле не так много, чтобы возникала реальная опасность для всей биосферы. Речь о парниковом эффекте, когда из-за избытка углекислого газа Земля перегревается и становится опасной для жизни. Конечно, парниковый эффект уже давно не является исключительно теорией, а вполне воплощается в реальности. Но без фотосинтеза, без растений всё было бы куда серьёзнее и куда хуже для биосферы.

Получение

Для получения кислорода в лабораторных условиях применяют метод термической обработки либо пероксидов либо солей кислосодержащих кислот. Под действием высокой температуры они разлагаются с выделением чистого кислорода. Также кислород можно получить с помощью перекиси водорода, даже 3% раствор перекиси под действие катализатор мгновенно разлагается, выделяя кислород.

2KClO3 = 2KCl + 3O2↑ – вот так выглядит химическая реакция получения кислорода.

Также в промышленности в качестве еще одного способа получения кислорода применяют электролиз воды, во время которого молекулы воды раскладываются, и опять таки выделяется чистый кислород.

Крупнейший резервуар кислорода на Земле

Любопытно, что атмосфера Земли не может считаться крупнейшим резервуаром с кислородом. Свободный кислород, присутствующий в атмосфере, тот кислород, которым дышат живые существа, составляет всего лишь 0,36 процентов всего кислорода, хотя почти что весь такой кислород является результатом фотосинтеза. Поражает то, что крупнейшим кислородным резервуаром является сама Земля. А вернее, её кора и мантия, то есть, литосфера. А если точнее, то содержащиеся там оксиды и силикаты; всего они составляют 99,5 процентов всего кислорода Земли. Разумеется, кислород там связанный.

Физические свойства

В атмосфере кислород содержится в бесцветном газообразном виде. Он не имеет запаха, малорастворим в воде и других растворителях. У кислорода прочные молекулярные связи, из-за которых он химически малоактивен.

Если кислород нагревать, он начинает окислять и реагировать с большинством неметаллов и металлов. Например, железо, этот газ медленно окисляет и вызывает его ржавление.

При снижении температуры (-182,9°С), и нормальном давлении газообразный кислород переходит в другое состояние (жидкое) и приобретает бледно-синий цвет. Если температуру еще снижать (до -218,7°С) газ затвердеет и изменится до состояния синих кристаллов.

В жидком и твердом состояниях кислород приобретает синий цвет и обладает магнитными свойствами.

Древесный уголь является активным поглотителем кислорода.

Роль живых организмов в круговороте кислорода

Если говорить коротко, то за счёт живых организмов круговорот кислорода и осуществляется. В первую очередь, речь идёт о не раз уже упомянутых ранее растениях и цианобактериях (они также составляют около половины фитопланктона, обитающего в Мировом океане, равно как и в разных водоёмах), способных к фотосинтезу.

Растения помогают в создании кислорода, поглощая углекислый газ. Ранее так же было упомянуто про кислородное дыхание, ибо все, кто на это способен, могут в принципе жить на Земле: рождаться, развиваться, питаться.

А ещё кислород активно влияет на жизнедеятельность не только целых живых организмов, но и клеток в отдельности: окислительно-восстановительные реакции в рамках обмена энергии и метаболизма задействует кислород, и результатом может стать выделение воды с углекислым газом. Получается замкнутый круг: земная биосфера потребляет кислород, который сама же и выделяет.

Видео

И в завершение образовательное видео про кислород.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

Страница про автора

Эта статья доступна на английском языке – Oxygen.

Значение круговорота кислорода в природе

Был в истории Земли такой период, когда кислорода в атмосфере не было. Около 2,45 миллиардов лет тому назад атмосфера состояла из углекислого газа, метана, аммиака и сероводорода. И сравнительно молодая биосфера Земли в тот период была анаэробной, а аэробные живые существа, и прежде всего, цианобактерии, ещё не были широко распространены. Фотосинтез уже тогда существовал, но он был аноксигенным, то есть, кислород существовавшие тогда существа выделять не могли.

Однако впоследствии произошло то, что учёные назвали “кислородной катастрофой”: атмосфера оказалась заполненной кислородом (в том числе в свободной форме), и в биосфере стали доминировать аэробные существа, способные дышать кислородом, а анаэробная биосфера оказалась оттеснена в среду, куда кислород не мог проникнуть. И так много свободного кислорода выделилось после того, как кислород на тот момент закончил окислять горные породы, растворённые соединения и газы в атмосфере.

С тех пор биосфера стала преимущественно аэробного характера. Если бы “кислородная катастрофа” 2,45 миллиарда лет тому назад не произошла, жизнь была бы совсем другой, и если бы развилась цивилизация, она так же была бы совершенно не похожей на нынешнюю.

А между тем, биосфера на Земле привыкла к кислородному дыханию, важному и для жизнедеятельности отдельных клеток, и для жизни всех живых организмов, от бактерий до людей, от планктона до животных. Фотосинтез позволяет возобновлять расходуемый при дыхании, при гниении, при горении кислород, и отсутствие способных к фотосинтезу живых существ неизбежно изменит атмосферу и полностью перестроит биосферу. На это тоже могут уйти миллионы, а то и миллиарды лет.

Не стоит также забывать об озоновом слое. Он выполняет невероятно важную для Земли функцию. А именно: озон поглощает опасную для биосферы солнечную радиацию. Именно благодаря озоновому слою на Земле установлены комфортные солнечные условия, пригодные в том числе и для фотосинтеза растений.

Чрезмерное количество ультрафиолетовых лучей на Землю просто не попадает. Учёные считают, что отсутствие озонового слоя не позволило бы живым существам выйти из океана на сушу, они бы просто сгорели бы под сильным потоком солнечной радиации. Озон позволяет осуществляться круговороту кислорода как таковому, позволяет жизни на Земле существовать и дальше. И именно поэтому появление так называемых озоновых дыр в XX веке сильно перепугало человечество.

Иная эволюция

На данном этапе современная наука не опровергает возможность жизни в иных средах, отличных от земных условий, где за основу построения органической молекулы может быть взят кремний или мышьяк. А среда жидкости, как растворителя, может представлять собой смесь жидкого аммиака с гелием. Что касается атмосферы, то она может быть представлена в виде газообразного водорода с примесью гелия и других газов.

Какие метаболические процессы могут быть при таких условиях, современная наука пока не в состоянии смоделировать. Однако такое направление эволюции жизни вполне допустимо. Как доказывает время, человечество постоянно сталкивается с расширением границ нашего понимания окружающего мира и жизни в нем.

Влияние человека на круговорот кислорода в природе

Считается, что антропогенная деятельность позволила возникнуть парниковому эффекту. То есть, углекислого газа на Земле стало больше, чем это предусмотрено нормой. На это повлияло несколько факторов, среди которых: всё большие масштабы вырубки лесов для разных целей (для добычи древесины как строительного сырья или топлива, для постройки на их месте различных сооружений и объектов инфраструктуры, от транспортных до промышленных, для строительства городов и дорог, для создания сельскохозяйственных угодий), лесные пожары (которые теперь чаще происходят из-за непотушенного костра или брошенного в сухую жаркую погоду окурка сигареты или спички, то есть, из-за человеческого фактора), выбросы в атмосферу вследствие сжигания различных видов топлива (прежде всего, промышленные и транспортные выбросы).

Человек является частью биосферы, и его деятельность является частью круговорота кислорода, но его влияние на эти процессы можно считать скорее деструктивным и дестабилизирующим, нежели позитивным.

Что же касается озоновых дыр, то они не обязательно должны быть вызваны именно антропогенной деятельностью. Так, озоновая дыра над Антарктидой возникает каждый год вследствие особенностей местного климата, и дело не только в отсутствии растений вследствие постоянных минусовых температур. Дело в особом полярном вихре, осуществляющем циркуляцию воздушных потоков только в полярном районе и не допускающем смешивания этих потоков с другими воздушными массами, этот вихрь также препятствует попаданию солнечных лучей, и результатом этого становится разрушение ранее существовавших там запасов озона и отсутствие новых запасов.

Однако очевидно, что влияние человека на истончение озонового слоя стало более заметным. Активное использование хлора и брома (и содержащих эти элементы веществ) стало главной причиной сокращения содержания озона в земной атмосфере.

История открытия озона

До 1 августа 1774 года человечество не подозревало о существовании кислорода. Его открытием мы обязаны ученому Джозефу Пристли, который открыл его путем разложения оксида ртути в герметически закрытом сосуде, просто концентрируя солнечные лучи через огромную линзу на ртути.

Свое вложение в мировую науку этот ученный так и не осознал до конца и считал, что открыл не новое простое вещество, а всего лишь составляющую воздуха, которую гордо именовал – дефлогистированным воздухом.

Точку в открытии кислорода поставил выдающийся французский ученный – Карл Лавуазье, взяв за основу выводы Пристли: он провел ряд опытов и доказал, что кислород – отдельное вещество. Таким образом, открытие этого газа принадлежит, сразу двоим ученым – Пристли и Лавуазье.

Примеры круговорота кислорода в природе

И вновь можно вспомнить про самые распространённые механизмы того, как на Земле осуществляется биогеохимический кислородный цикл. А самыми распространёнными механизмами, опять же, являются дыхание и фотосинтез. Растения при солнечном свете поглощают углекислый газ и осуществляют выделение кислорода (хотя они тоже потребляют кислород в отсутствие солнечного света).

Животные, да и все способные к кислородному дыханию организмы и существа, включая членистоногих, рыб, амфибий, рептилий, птиц, млекопитающих, способны, наоборот, поглощать кислород, который помогает в жизнедеятельности всех органов и тканей, всех до единой клеток, и взамен выделять углекислый газ, который потом, весьма вероятно, поглотят окружающие растения. Выделенный при разложении отмерших тканей и при горении углекислый газ также поглощается в процессе фотосинтеза.

Круговорот кислорода

Круговорот кислорода. Основная масса кислорода на Земле находится в связанном состоянии в молекулах воды, оксидах, солях и иных твердых веществах и непосредственно для использования в экосистеме недоступна. Доступный для фотосинтеза кислород содержится в атмосфере (приблизительно 1,1 ■ 1015 т) и теоретически проходит через растительные компоненты биосферы в течение 2,5 тыс. лет. В процессе фотосинтеза С02 превращается в органическое вещество с выделением свободного 02.[ …]

Круговорот кислорода. Кислород составляет около 70 % живого вещества. Единственный поставщик свободного кислорода в биосфере -растительный покров. В процессе фотосинтеза листья растений в течение дня поглощают С02 и Еысвобоадают кислород, а в процессе дыхания, наоборот, днем и ночью поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Таким образом.растение одновременно производит и потребляет кислород, но с большим положительным балансом по этому элементу. Ежегодно в атмосферу е результате фотосинтеза поступает приблизительно 430-470 млрд. т кислорода. Основными потребителями кислорода в природе являются живые организмы — почвенные организмы, животные, сами растения, которые используют его как окислитель в процессе дыхания.[ …]

КРУГОВОРОТ КИСЛОРОДА (СВОБОДНОГО) — образование кислорода в результате фотосинтеза растений и потребление его в ходе дыхания, реакций окисления (в том числе сжигания топлива) и других химических преобразований (образование озона и т. п.). Общее количество свободного кислорода в атмосфере 1,18 x10х 5 т накопилось за все время существования зеленой растительности. Сейчас вободный кислород образуется со скоростью 1,55 х 109 т/год, а расходуется в год 2,16 х Ю10 т, т. е. расход на порядок больше прихода.[ …]

Круговорот кислорода есть ярко выраженная активная геохимическая деятельность живого вещества, его ведущая роль в этом циклическом процессе. Ежегодное продуцирование кислорода зеленой растительностью планеты составляет около 300 109 т. При этом почти 3/4 этого количества выделяется растительностью суши и лишь немногим более четверти — фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Кислорода в газовой оболочке Земли около 1,2 • 1015 т; подсчитано, что такое количество фотосинтезирующие организмы могли бы выработать за 4 тыс. лет. В океане содержание свободного кислорода намного меньше: от 2,7 до 10,9 • 10п т (согласно А. Д. Добровольскому, 1980 г.).[ …]

Круговорот кислорода — планетарный процесс, связывающий атмосферу и гидросферу с земной корой. Узловыми звеньями круговорота являются: образование свободного кислорода при фотосинтезе в зеленых растениях, потребление кислорода для осуществления дыхания всеми живыми организмами, для реакции окисления органических остатков и неорганических веществ (например, сжигание топлива) и другие химические преобразования, которые ведут к образованию таких окисленных соединений, как углекислый газ, вода, и последующему вовлечению их в новый цикл фотосинтети-ческих превращений (рис.14).[ …]

Круговорот кислорода в биосфере
Круговорот кислорода в биосфере (по П. Клауду, А. Джибору, 1972)
Круговорот кислорода (по П. Агесс, 1982)
Круговорот кислорода (по Е. А. Криксунову и др., 1995)

Скорость круговорота кислорода — две тысячи лет (см. рис. 6.3), именно за это время весь кислород атмосферы проходит через живое вещество. Основной поставщик кислорода на Земле — зеленые растения. С круговоротом кислорода тесно связано образование в высоких слоях атмосферы озона. Ежегодно они производят на суше 53-109 т кислорода, а в океанах — 414-109 т. Главный потребитель кислорода — животные, почвенные организмы и растения, расходующие его на дыхание. Но и на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23% кислорода, который освобождается в процессе фотосинтеза. Предполагается, что к 2010 г. весь продуцированный кислород будет сгорать в топках, а следовательно, необходимы усиление фотосинтеза и другие радикальные меры.[ …]

Скорость круговорота кислорода — 2000 лет (рис. 6.10), именно за это время весь кислород атмосферы проходит через живое вещество. Основной поставщик кислорода на Земле — зеленые растения. Ежегодно они производят на суше 53 ■ 109 т кислорода, а в океанах — 414-109 т.[ …]

Важное место в круговороте веществ в окружающей среде занимают атмосферные процессы. В первую очередь это касается круговорота кислорода, углерода, азота и серы. Атмосфера — наиболее подвижная часть биосферы, в силу чего воздействие на нее множества рассредоточенных источников загрязнения зачастую приобретает глобальный характер. Попадающие в атмосферу загрязняющие вещества разносятся потоками воздуха на большие расстояния, осаждаются на сушу, попадают в водоемы -происходит рассеяние загрязнителей на большие территории. К тому же продукты трансформации первично выбрасываемых в атмосферу веществ могут оказаться гораздо более опасными, чем сами выбросы.[ …]

Главный потребитель кислорода — животные, почвенные организмы и растения, использующие его в процессе дыхания. Процесс круговорота кислорода в биосфере весьма сложен, так как он содержится в очень многих химических соединениях.[ …]

В основном круговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. Процесс продуцирования и выделения кислорода во время фотосинтеза зелеными растениями противоположен процессу его потребления гетеротрофами (животными) при дыхании. Незначительное количество кислорода также образуется в процессе диссоциации молекул воды и озона в верхних слоях атмосферы под воздействием ультрафиолетовой радиации Значительная часть кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при вулканических извержениях и т.д. Подсчитано, что для полного обновления всего атмосферного кислорода потребуется примерно 2000 лет. Деятельность человека начала оказывать весьма ощутимое влияние и на биогео-химический цикл кислорода (Вронский, 1991 б).[ …]

Тем не менее можно полагать, что круговорот кислорода еще не стоит на пороге его нарушения человеком и в настоящее время в природе существует устойчивое равновесие между количествами кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза и поглощаемого при дыхании. Из каждых 10 тыс. частей фотосинтезированного О2 только четыре не поглощаются живыми организмами при дыхании. Годовой прирост содержания кислорода составляет пятнадцатимиллионную часть его количества в атмосфере. Избыток образовавшегося кислорода расходуется на окисление углерода, железа, серы и других элементов в различных геохимических процессах.[ …]

Уменьшение площади лесов вызывает нарушение круговоротов кислорода и углерода в биосфере. Хотя катастрофические последствия сведения лесов широко известны, их уничтожение продолжается. Леса на нашей планете занимают площадь около 42 млн. км2, но их площадь ежегодно уменьшается на 2%. Несмотря на то, что Россия имеет самую большую в мире площадь лесов (на каждого жителя приходится около 5 га лесных угодий), используется это богаггство не эффективно. По мнению академика М. Я. Лемешева, массовые экстенсивные лесозаготовки, базирующиеся на сплошных вырубках, к концу XX столетия охватили по существу весь гослесофонд страны. Эти рубки зачастую подрывают основы лесного воспроизводства, особенно в европейской части России и на Урале.[ …]

БАЛАНС КИСЛОРОДНЫЙ — соотношение количества кислорода, выделяемого растениями при фотосинтезе (и частично освобождаемого в ходе спонтанных химических реакций в земной коре), и количества кислорода, потребляемого живыми организмами при дыхании, идущего на процессы гниения, окисления неорганических веществ и используемого в промышленности (см. круговорот кислорода).[ …]

Примером миграции веществ в биосфере является круговорот вещества и, в частности, круговорот воды (рис. 1.1). Круговорот кислорода, необходимого для жизни животных и растений, необычно сложен, так как в биосфере к нему присоединяется большое количество органических и неорганических веществ, а также водород, с которым он образует воду. На условной схеме этого круговорота выделена лишь основная часть различных процессов (рис. 1.2).[ …]

Различные оценки показывают, что прюдолжительность круговорота кислорода составляет 2 тыс. лет. Возможное влияние человеческой цивилизации на этот процесс рассмотрено в разд. 1.6.5.[ …]

Существуют различные способы изображения биогеохимических круговоротов. Выбор способа зависит от особенностей биогео-химическогоо цикла того или иного элемента. При обсуждении круговорота кислорода экологи обычно различают пути, связанные с химическим включением кислорода в органические соединения, и пути, сопряженные с передвижением воды. Круговорот воды, или гидрологический цикл, хорошо сбалансирован в масштабе земного шара и приводится в движение энергией, в основном не связанной с организмами. Особи быстро теряют воду путем испарения и выделения; за время жизни особи содержащаяся в организме вода может обновляться сотни и тысячи раз. В то же время участие организмов в обмене воды ничтожно мало — общий объем испарения и транспирации оценивается в 59 1018 г в год, в связи с чем при изображении биогеохимического цикла воды делают акцент на резервном, а не на обменном фонде (рис. 10.2).[ …]

Планетарность фотосинтеза определяется также тем, что благодаря круговороту кислорода и углерода (в основном) поддерживается современный состав атмосферы, что в свою очередь определяет дальнейшее поддержание жизни на Земле. Можно сказать далее, что энергия, которая запасается в продуктах фотосинтеза, есть по существу основной источник энергии которым сейчас располагает человечество.[ …]

Основой динамического равновесия и устойчивости биосферы является круговорот веществ и превращение энергии. Он слагается из множества процессов превращения и перемещения вещества. Отдельные циклические процессы представляют последовательный ряд изменений вещества, чередующихся с временным состоянием равновесия. Как только вещество вышло из данной системы, в которой оно находилось в равновесии, происходит его последовательное изменение до тех пор, пока оно не возвращается к частично первоначальному состоянию. Хорошо известны глобальные процессы круговорота воды на Земле, круговорот кислорода, углерода, азота, минеральных веществ. До появления жизни на Земле действовали одни абиотические факторы. С момента появления жизни на Земле к абиотическим факторам прибавились биотические, а с появлением человека — антропогенные факторы, связанные с вмешательством человека в природные процессы, протекающие в биосфере.[ …]

Дыхание и фотосинтез — два противоположных процесса в природной среде, связанные с круговоротом кислорода и углерода.[ …]

Интенсивное сжигание органического топлийа приводит к вмешательству человека в интенсивность процесса круговорота кислорода. Ежегодное потребление кислорода на сжигание топлива в мире оценивается в 9 • 109 т, причем во многих странах расходуется кислорода больше, чем выделяется растениями при фотосинтезе. Это свидетельствует о нарушении баланса кислорода в атмосфере, что может иметь серьезные экологические последствия.[ …]

БАЛАНС ГАЗОВЫЙ — соотношение поступающих в среду ( атмосферу, водную среду, почву, подпочву) и уходящих из нее газов (см. круговорот кислорода, углерода).[ …]

Б. — саморегулирующаяся экосистема, в которой поддерживается экологическое равновесие. Жизнь в Б. осуществляется за счет постоянного потока экологически чистой и неисчерпаемой солнечной энергии и круговоротов химических элементов-биогенов (см. Круговорот воды, Круговорот углерода, Круговорот кислорода, Круговорот азота, Круговорот фосфора). При умеренном вмешательстве человека Б. в состоянии поддерживать эти круговороты, но при его усилении круговороты могут нарушаться. Опасные масштабы приняло техногенное нарушение литосферы.[ …]

Микроэлементный состав тканей тела человека еще сто лет назад почти полностью совпадал с микроэлементным составом почвы. Сегодня они существенно различаются за счет обогащения почвы микроэлементами промышленного происхождения. Человек стал инородным для земли существом, занозой на отравленной почве. Отсюда — снижение продолжительности жизни, рост заболеваемости, уменьшение деторождаемости. Особое значение имеют круговороты кислорода, углерода, азота, серы и фосфора. Биогеохимиче-ский цикл кислорода — планетарный процесс, связывающий атмосферу и гидросферу с земной корой.[ …]

Некоторые из липоидов и жирных кислот обнаруживают различную степень ассоциации с осадками. Организмы, наиболее подверженные влиянию сброса ила, являются представителями бентоса или населяют дно, и они претерпевают существенные изменения в зависимости от количества и частоты сбросов ила. Все эти особенности влияют на кислородную потребность ила, которая в свою очередь может серьезно воздействовать на биологическую систему и вызывать заметные изменения в химии водной системы. Это происходит при изменении таких параметров как окислительно-восстановительный потенциал и круговорот кислорода и серы.[ …]

углерода, азота, воды, кислорода, фосфора, серы

Понятие и краткое описание

Круговорот веществ в биосфере – это «путешествие» определённых химических элементов по пищевой цепи живых организмов, благодаря энергии Солнца. В процессе «путешествия» некоторые элемент, по разным причинам, выпадают и остаются как правила, в земле. Их место занимают такие же, которые, обычно, попадают из атмосферы. Это максимально упрощенное описание того, что является гарантией жизни на планете Земля. Если такое путешествие почему-то прервется, то и существование всего живого прекратится.

Чтобы описать кратко круговорот веществ в биосфере необходимо поставить несколько отправных точек. Во-первых, из более чем девяноста химических элементов, известных и встречающихся в природе, для живых организмов, необходимо около сорока. Во-вторых, количество этих веществ ограничено. В-третьих, речь идет только о биосфере, то есть о жизнь содержащей оболочке земли, а, значит, о взаимодействиях между живыми организмами. В-четвертых, энергией, которая способствует круговороту, является энергия, поступающая от Солнца. Энергия, рождающаяся в недрах Земли в результате различных реакций, в рассматриваемом процессе участия не принимает. И последнее. Необходимо опередить точку отсчета этого «путешествия». Она условна, так как не может быть конца и начала у круга, но это необходимо для того, чтобы с чего-то начать описывать процесс. Начнем с самого нижнего звена трофической цепи – с редуцентов или могильщиков.

Ракообразные, черви, личинки, микроорганизмы, бактерии и прочие могильщики, потребляя кислород и используя энергию, перерабатывают неорганические химические элементы в органическую субстанцию, пригодную для питания живыми организмами и дальнейшего ее движения по пищевой цепи. Далее эти, уже органические вещества, едят консументы или потребители, к которым относятся не только животные, птицы, рыбы и тому подобное, но и растения. Последние являются продуцентами или производителями. Они, используя эти питательные вещества и энергию, вырабатывают кислород, который является основным элементом, пригодным для дыхания всего живого на планете. Консументы, продуценты и, даже редуценты погибают. Их останки, вместе с органическими веществами, находящимися в них, «падают» в распоряжение могильщиков.

И все повторяется вновь. Например, весь кислород, существующий в биосфере, делает свой оборот за 2000 лет, а углекислый газ за 300. Такой кругооборот принято называть биогеохимическим циклом.

Пищевая цепь, резервный и обменный фонд

Некоторые органические вещества в процессе своего «путешествия» вступают в реакции и взаимодействия с другими веществами. В результате образуются смеси, которые в том виде, в каком они есть, не могут быть переработаны редуцентами. Такие смеси остаются «храниться» в земле. Не все органические вещества, попадающие на «стол» могильщиков, не могут ими переработаться. Не все могут перегнить при помощи бактерий. Такие неперегнившие остатки попадают на хранение. Все, что остается на хранении или в резерве, выбывает из процесса и в круговорот веществ в биосфере не входят.

Таким образом, в биосфере круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов, можно разделить на две составляющие. Одна – резервный фонд – это часть вещества, которая не связана с деятельностью живых организмов и до времени в обороте не участвует. И вторая – это оборотный фонд. Он представляет собой лишь небольшую часть вещества, которая активно используется живыми организмами.

Атомы каких основных химических элементов столь необходимы для жизни на Земле? Это: кислород, углерод, азот, фосфор и некоторые другие. Из соединений, основным в кругообороте, можно назвать воду.

Кислород

Круговорот кислорода в биосфере следует начать с процесса фотосинтеза, в результате которого миллиарды лет назад он и появился. Он выделяется растениями из молекул воды под воздействием солнечной энергии. Кислород образуется также в верхних слоях атмосферы в ходе химических реакций в парах воды, где химические соединения разлагаются под воздействие электромагнитного излучения. Но это незначительный источник кислорода. Основным является фотосинтез. Кислород содержится и в воде. Хотя его там, в 21 раз меньше, чем в атмосфере.

Образовавшийся кислород используется живыми организмами для дыхания. Он также является окислителем для различных минеральных солей.

И человек является потребителем кислорода. Но с началом научно-технической революции, это потребление многократно возросло, так как кислород сжигается или связывается при работе многочисленных промышленных производств, транспорта, для удовлетворения бытовых и иных нужд в ходе жизнедеятельности людей. Существовавший до этого так называемый обменный фонд кислорода в атмосфере в размере 5% общего его объема, то есть вырабатывалось в процессе фотосинтеза столько кислорода, сколько его потреблялось. То теперь этого объема становиться катастрофически мало. Происходит потребление кислорода, так сказать, из неприкосновенного запаса. Оттуда, куда его уже некому добавить.

Незначительно смягчает эту проблему, что некоторая часть органических отходов не перерабатывается и не попадает под воздействие гнилостных бактерий, а остается в осадочных породах, образуя торф, уголь и тому подобные ископаемые.

Если результатом фотосинтеза является кислород, то его сырьем – углерод.

Азот

Круговорот азота в биосфере связан с образованием таких важнейших органических соединений, как: белки, нуклеиновые кислоты, липопротеиды, АТФ, хлорофилл и другие. Азот, в молекулярной форме, содержится в атмосфере. Вместе с живыми организмами — это всего около 2% всего, имеющего на Земле азота. В таком виде он может употребляться только бактериями и сине-зелёными водорослями. Для остального растительного мира в молекулярной форме азот не может служить питанием, а может перерабатываться лишь в виде неорганических соединений. Некоторые виды таких соединений образуются во время гроз и с дождевыми осадками попадают в воду и почву.

Самыми активными «переработчиками» азота или азотофиксаторами являются клубеньковые бактерии. Они поселяются в клетках корней бобовых и преобразовывают молекулярный азот в его соединения, пригодные для растений. После их отмирания, азотом обогащается и почва.

Гнилостные бактерии расщепляют азотосодержащие органические соединения до аммиака. Часть его уходит в атмосферу, а другая иными видами бактерий окисляется до нитритов и нитратов. Те, в свою очередь, поступают в качестве питания для растений и нитрифицирующими бактериями восстанавливаются до оксидов и молекулярного азота. Которые вновь попадают в атмосферу.

Таким образом, видно, что основную роль в кругообороте азота, играют различные виды бактерий. И если уничтожить хотя бы 20 таких видов, то жизнь на планете прекратится.

И опять установленный кругооборот был разорван человеком. Он для целей увеличения урожайности сельскохозяйственных культур, стал активно применять азотосодержащие удобрения.

Содержание азота в различных веществах сопоставляют с содержанием там углерода. Оборотные циклы этих двух элементов крепко связаны.

Углерод

Круговорот углерода в биосфере неразрывно связан с кругооборотом кислорода и азота.

В биосфере схема круговорота углерода базируется на жизнедеятельности зеленых растений и их способности к превращению углекислого газа в кислород, то есть фотосинтезе.

Углерод взаимодействует с другими элементами различными способами и входит в состав практически всех классов органических соединений. Например, он входит в состав углекислого газа, метана. Он растворен в воде, где его содержание значительно больше чем в атмосфере.

Хотя по распространённости углерод не входит в десятку, но в живых организмах он составляет от 18 до 45% сухой массы.

Мировой океан служит регулятором содержания углекислого газа. Как только его доля в воздухе повышается, вода выравнивает положения, поглощая углекислый газ. Еще одним потребителем углерода в океане являются морские организмы, которые используют его для строительства раковин.

Круговорот углерода в биосфере основывается на наличии в атмосфере и гидросфере углекислого газа, который является своеобразным обменным фондом. Пополняется он за счет дыхания живых организмов. Бактерии, грибы и другие микроорганизмы, принимающие участие в процессе разложения органических остатков в почве, также участвуют в пополнении углекислым газом атмосферы.Углерод «консервируется» в минерализованных неперегнивших органических остатках. В каменном и буром угле, торфе, горючих сланцах и тому подобных отложениях. Но основным резервным фондом углерода являются известняки и доломиты. Содержащийся в них углерод «надежно спрятан» в глубине планеты и высвобождается лишь при тектонических сдвигах и выбросах вулканических газов при извержениях.

Благодаря тому, что процесс дыхания с выделение углерода и процесс фотосинтеза с его поглощением проходит через живые организмы очень быстро, в кругообороте участвует лишь незначительная доля всего углерода планеты. Если бы этот процесс был невзаимным, то растения только суши использовали весь углерод всего в течение 4-5 лет.

В настоящее время, благодаря деятельности человека, растительный мир не имеет недостатка с углекислым газом. Он пополняется сразу и одновременно из двух источников. Путем сжигания кислорода при работе промышленности производств и транспорта, а также в связи с использованием для работы этих видов человеческой деятельности тех «консервов» — угля, торфа, сланцев и так далее. Отчего содержание углекислого газа в атмосфере возросло на 25%.

Фосфор

Круговорот фосфора в биосфере неразрывно связан с синтезом таких органических веществ, как: АТФ, ДНК, РНК и другие.

В почве и воде содержание фосфора очень мало. Основные его запасы в горных породах, образовавшихся в далеком прошлом. С выветриванием этих пород начинается кругооборот фосфора.

Растениями фосфор усваивается лишь в виде ионов ортофосфорной кислоты. В основном это продукт переработки могильщиками органических остатков. Но если почвы имеют повышенный щелочной или кислотный фактор, то фосфаты практически в них не растворяются.

Фосфор является прекрасным питательным веществом для различного вида бактерий. Особенно сине-зеленой водоросли, которая при увеличенном содержании фосфора бурно развивается.

Тем не менее большая часть фосфора уносится с речными и другими водами в океан. Там он активно поедается фитопланктоном, а с ним морским птицам и другим видам животных. Впоследствии фосфор попадает на океаническое дно и формирует осадочные породы. То есть возвращается в землю, лишь под слоем морской воды.

Как видно кругооборот фосфора специфичен. Его трудно и назвать кругооборотом, так как он не замкнут.

Сера

В биосфере круговорот серы необходим для образования аминокислот. Он создает трехмерную структуру белков. В нем участвуют бактерии и организмы, потребляющие кислород для синтеза энергии. Они окисляют серу до сульфатов, а одноклеточные доядерные живые организмы, восстанавливают сульфаты до сероводорода. Кроме них, целые группы серобактерий, окисляют сероводород до серы и далее до сульфатов. Растения могут потреблять из почвы лишь ион серы — SO2-4. Таким образом, одни микроорганизмы являются окислителями, а другие восстановителями.

Местами накопления серы и ее производных в биосфере является океан и атмосфера. В атмосферу сера поступает с выделением сероводорода из воды. Кроме того, сера попадает в атмосферу в виде диоксида при сжигании на производствах и в бытовых нуждах горючего ископаемого топлива. В первую очередь угля. Там она окисляется и, превращаясь в серную кислоту в дождевой воде, с ней же выпадает на землю. Кислотные дожди сами по себе наносят существенный вред всему растительному и животному миру, а кроме этого, с ливневыми и талыми водами, попадают в реки. Реки несут ионы сульфатов серы в океан.

Содержится сера также в горных породах в виде сульфидов, в газообразном виде — сероводород и сернистый газ. На дне морей имеются залежи самородной серы. Но это все «резерв».

Вода

В биосфере нет более распространенного вещества. Его запасы в основном в солено-горьком виде вод морей и океанов – это около 97%. Остальное пресные воды, ледники и подземные и грунтовые воды.

Круговорот воды в биосфере условно начинается с ее испарения с поверхности водоемов и листьев растений и составляет примерно 500 000 куб. км. Обратно она возвращается в виде осадков, которые попадают либо непосредственно обратно в водоемы, либо, пройдя через почву и подземные воды.

Роль воды в биосфере и истории ее эволюции такова, что вся жизнь с момента своего появления, была полностью зависима от воды. В биосфере вода многократно через живые организмы прошла циклы разложения и рождения.

Кругооборот воды имеет под собой в большей степени физический процесс. Однако, животный и, особенно, растительный мир принимает в этом немаловажное участие. Испарения воды с поверхностных участков листьев деревьев таков, что, например, гектар леса испаряет в сутки до 50 тонн воды.

Если испарение воды с поверхностей водоемов естественно для ее кругооборота, то для континентов с их лесными зонами, такой процесс – единственный и главный способ его сохранения. Здесь кругооборот идет как бы в замкнутом цикле. Осадки образуются из испарений с поверхностей почвы и растений.

В процессе фотосинтеза растения используют водород, содержащийся в молекуле воды, для создания нового органического соединения и выделения кислорода. И, наоборот, в процессе дыхания, живые организмы, происходит процесс окисления и вода образуется снова.

Описывая кругооборот различный видов химических веществ, мы сталкиваемся с более активным влиянием человека на эти процессы. В настоящее время природа, за счет многомиллиардной истории своего выживания, справляется с регулированием и восстановлением нарушенных балансов. Но первые симптомы «болезни» уже есть. И это «парниковый эффект». Когда две энергии: солнечная и отраженная Землей, не защищают живые организмы, а, наоборот, усиливают одна другую. В результате чего повышается температура окружающей среды. Какие последствия такого повышения могут быть, кроме ускоренного таяния ледников, испарения воды с поверхностей океана, суши и растений?

Видео — Круговорот веществ в биосфере

Кислородный цикл Окружающая среда — Этапы, использование, производство и значение

Поскольку поверхность росла 4,6 миллиарда лет назад, кислорода в атмосфере не было. Когда 3,6 миллиарда лет назад на планете начала развиваться жизнь, цианобактерии и примитивные формы жизни начали синтезировать кислород. Кислород постепенно производился в течение каменноугольного периода в 299 миллионов лет, и он развивался до той степени, о которой мы знаем сейчас.

Почти 21% земной атмосферы состоит из кислорода.Это второй по распространенности газ в природе после азота. Люди вдыхают кислород и используют кислород для своей метаболической деятельности. Клетки, ткани и органы нуждаются в кислороде для своего роста и развития. У людей кислород переносится гемоглобином, присутствующим в крови, к различным органам тела. Он также имеет решающее значение для образования множества молекул, таких как углеводы, жиры, белки и витамины.

Что такое кислородный цикл?

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

Кислородный цикл является одним из наиболее важных биогеохимических циклов в природе и включает в себя производство и потребление или использование кислорода в окружающей среде.Это биологический процесс, при котором кислород проходит через литосферу, биосферу и атмосферу. Земная кора состоит из суши и воды, то есть литосферы. Это внешняя часть земной коры и самый большой резервуар кислорода. Биосфера – это живая экосистема, присутствующая на планете, в которой живет организм. Атмосфера — это воздушная оболочка вокруг Земли, состоящая из смеси газов, таких как кислород, азот и другие газы. Кислородный цикл — это поток молекул кислорода через эти сферы.Круговороты азота, кислорода, углерода и воды в природе необходимы для устойчивого развития живых компонентов экосистемы.

 

Стадии кислородного цикла

Кислородный цикл состоит из трех стадий. Вот они:

Шаг 1: Все зеленые растения производят пищу в процессе фотосинтеза. В процессе фотосинтеза зеленые растения используют углекислый газ, солнечный свет, хлорофилл, воду для образования глюкозы. Кислород образуется в качестве побочного продукта растениями в этом процессе.Этот Кислород выбрасывается в атмосферу. Кислород образует соответствующую фотодиссоциацию. Фотодиссоциация – это диссоциация молекул водяного пара в атмосфере с образованием кислорода в качестве побочного продукта. Таким образом, выбрасывая Кислород в атмосферу.

Стадия 2: Состоит из потребления и использования кислорода аэробными организмами. Кислород используется для различных биохимических процессов в организме. Несколько жизненных процессов зависят от наличия и потребления кислорода.Животные дышат кислородом, вырабатываемым в природе, что, в свою очередь, способствует их росту и развитию.

Стадия 3: Аэробные организмы, которые использовали кислород, теперь выделяют углекислый газ в атмосферу. Процесс дыхания – это вдыхание кислорода и выдыхание углекислого газа. Пища, потребляемая аэробами, переваривается с помощью кислорода с образованием воды, углекислого газа и энергии в виде калорий. Аэробы требуют энергии для любой деятельности, выполняемой их телами.Следовательно, образовавшийся углекислый газ выбрасывается обратно в атмосферу при дыхании, а углекислый газ возвращается обратно. Растения используют тот же углекислый газ, и Цикл продолжается. Этот Цикл восстанавливает содержание кислорода в биосфере, и этот период имеет решающее значение для роста и выживания жизни.

 

Использование кислорода

Кислород выполняет множество функций в природе. Вот некоторые из них:

  1. Дыхание: Люди и другие организмы используют кислород для обмена веществ и переваривания пищи.Этот процесс помогает в дифференциации клеток, расщеплении глюкозы в гликолизе, цикле Кребса, и означает, что он помогает в поглощении и образовании биомолекул в организмах. Продуктом этих процессов в организме является углекислый газ, выдыхаемый аэробами.

  2. Разложение: это один из естественных процессов, происходящих в природе. Грибы, бактерии, насекомые дополнительно разлагают мертвое и разложившееся органическое вещество в почве, а сапрофиты, присутствующие в земле.В процессе они используют атмосферный кислород и выделяют углекислый газ.

  3. Сгорание: это процесс, при котором выделяется тепло при сжигании органических веществ, древесины, ископаемого топлива в присутствии атмосферного кислорода. Кислород является важным элементом, необходимым для горения. Он выделяет углекислый газ в атмосферу.

  4. Ржавление: Окисление металлов и сплавов при длительном воздействии атмосферного кислорода и влаги называется ржавлением — оксиды железа образуются вокруг железа, когда железо находится во влажных условиях в течение длительного периода.При ржавлении на поверхности металла образуются новые соединения.

Производство кислорода

В природе кислород образуется двумя способами. Вот они:

  • Фотосинтез: это сложный процесс, используемый зелеными растениями, когда листья зеленых растений с помощью солнечного света и хлорофилла превращают углекислый газ и воду в глюкозу и кислород. Произведенная глюкоза передается плодам и съедобным частям растения. Как уже объяснялось, Кислород выбрасывается в атмосферу как побочный продукт этого процесса.

  • Фотодиссоциация: это образование молекул кислорода, когда солнечный свет взаимодействует с водяным паром, присутствующим в атмосфере. Водяной пар существует в атмосфере в результате круговорота воды. Разрушение озонового слоя различными газами также может привести к образованию молекулярного кислорода.

Некоторые интересные факты о кислороде

  • Фитопланктоны — это растения, существующие в морской экосистеме, которые могут потреблять аммиак.Это основные растения, которые выделяют большую часть кислорода, присутствующего в мире. Почти 80% кислорода, присутствующего в настоящее время в мире, связано с деятельностью фитопланктона.

  • В земной коре также есть резервуар кислорода, но его нельзя использовать для дыхания, так как весь кислород находится в форме оксидов.

  • Солнечный свет и водяной пар могут реагировать друг с другом с образованием кислорода, и этот процесс называется фотодиссоциацией.

  • Если человек длительное время не получает кислород к какому-либо органу тела, клетки органа необратимо повреждаются и не могут регенерироваться.

  • Деревья производят Кислород только в дневное время при наличии солнечного света. Ночью деревья также выделяют углекислый газ и дышат.

  • Кислород можно хранить в баллонах, а людям с дыхательной недостаточностью и проблемами с дыханием Кислород дается непосредственно для поддержания насыщения организма кислородом.

  • Кислород имеет широкий спектр применения. Сталь является наиболее распространенным применением этого материала.Его также можно использовать для обработки металла из руды, фильтрации воды, производства пластика и ракетного топлива. Кислородные баллоны также используются для лечения людей с респираторными заболеваниями, а также для обеспечения жизнедеятельности космонавтов и аквалангистов.

  • Около 21% атмосферы Земли состоит из кислорода. На его долю приходится почти половина земной коры, что делает его самым распространенным элементом на планете. Кислород является третьим по распространенности элементом во Вселенной и самым распространенным элементом в человеческом теле, на его долю приходится 65 процентов массы тела.Кислород составляет около 1% массы Солнца.

  • Для существования жизни на Земле необходим Кислород. Эту роль играет кислородный цикл, то есть поток кислорода между воздухом, живыми организмами и земной корой.

Важность кислородного цикла

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

Кислородный цикл является важным биогеохимическим циклом для поддержания концентрации и уровня кислорода в атмосфере. Круговорот кислорода является одной из основных причин существования жизни на Земле.Без кислорода биосфера не могла бы существовать. Однако анаэробы могут жить без присутствия кислорода. Немногие анаэробы, называемые облигатными анаэробами, могут даже погибнуть из-за присутствия кислорода.

Важнейшие функции кислорода включают дыхание, горение, ржавление и разложение.

 

Обзор круговорота кислорода

Сначала кислород вырабатывается растениями в процессе фотосинтеза. Этот кислород циркулирует в атмосфере, которую вдыхают организмы, нуждающиеся в кислороде для жизни.Микроорганизмы и другие животные используют кислород и используют его для своего метаболизма. В качестве побочного продукта они выделяют в атмосферу углекислый газ, который снова используется растениями.

 

Как Vedantu может помочь студентам?

Vedantu — это веб-платформа, которая обеспечивает бесплатную загрузку PDF и быстрый доступ ко всем ресурсам для решения проблем. Темы, представленные в школьной программе, просто скачиваются и читаются учащимися. Они также предоставляют онлайн-инструкции для студентов, готовящихся к вступительным экзаменам, таким как NEET и JEE.Все преподаватели являются профессионалами своего дела и могут помочь студентам спланировать будущее. Вы также можете использовать веб-сайт для подготовки к экзаменам и вступительным экзаменам. Все темы подробно объясняются, и эксперты следят за тем, чтобы они использовали легкий и простой язык при объяснении тем, чтобы учащимся было легко понимать, учиться и учиться. У нас есть специализированная и профессиональная команда экспертов, которые усердно работают над подготовкой решений и заметок для студентов.Мы хотим, чтобы каждый учащийся получал баллы, изучая наши решения, которые доступны бесплатно и в формате PDF. Его можно скачать для автономного использования.

Кислородный цикл: Очерк кислородного цикла | Земля

Прочитав это эссе, вы узнаете о круговороте кислорода.

Кислородный цикл — это биогеохимический цикл, описывающий движение кислорода внутри и между тремя его основными резервуарами; атмосфера (воздух), биосфера (живые существа) и литосфера (земная кора).Основным движущим фактором круговорота кислорода является фотосинтез, который отвечает за современную атмосферу Земли и жизнь. Количество кислорода внутри и вокруг Земли фиксировано. Но этот кислород снова и снова подается через живые системы мира по бесконечному кругу, называемому кислородным циклом.

Наши потребности — лишь часть этого цикла. Цикл включает в себя непрерывный обмен газов между воздухом и животными и растениями. В процессе, называемом дыханием, животные и растения поглощают кислород из воздуха и возвращают углекислый газ.В процессе, называемом фотосинтезом, растения поглощают углекислый газ из воздуха и воды и отдают кислород. Дыхание и фотосинтез — фактически противоположные процессы.

Дыхание – это реакция окисления, при которой кислород берется из воздуха или воды. Фотосинтез – это реакция восстановления. Он добавляет в воздух газообразный кислород. Ежедневно растения и животные поглощают огромное количество кислорода, и огромное количество кислорода возвращается растениями в воздух. Это количество точно сбалансировано, так что общее количество кислорода в воздухе остается неизменным.

Кислород, как углерод и водород, является основным элементом жизни. Кроме того, в форме озона O 3 он обеспечивает защиту жизни, отфильтровывая солнечные УФ-лучи, когда они попадают в стратосферу. Помимо того, что кислород составляет около 20% атмосферы, он присутствует повсеместно. Он также встречается в виде оксидов в земной коре и мантии и в виде воды в океанах.

Считается, что в начале эволюции Земли кислород выделялся из водяного пара под действием УФ-излучения и накапливался в атмосфере по мере того, как водород уходил под действием земного притяжения.Позже фотосинтез стал источником кислорода. Кислород также высвобождается в виде органического углерода в CHO и накапливается в отложениях. Роль кислорода в жизни описана в разделе «Биологические системы».

Кислород очень активен. Бесцветный газ без запаха при обычных температурах превращается в голубоватую жидкость при -183°C. Горение или горение по существу представляет собой окисление или соединение с атмосферным кислородом. На рис. 2.16 показан очень общий обзор круговорота кислорода в природе.Окружение кислорода в многочисленных реакциях затрудняет представление полной картины.

Кислород жизненно необходим нам во многих отношениях (помимо самого очевидного — для дыхания). Вода может растворять кислород, и именно этот растворенный кислород поддерживает водную жизнь. Кислород также необходим для разложения органических отходов. Отходы живых организмов являются «биоразлагаемыми», поскольку существуют аэробные бактерии, которые превращают органические отходы в стабильные неорганические материалы. Если для этих бактерий недоступно достаточное количество кислорода, например, из-за огромного количества отходов в водоеме, они умирают, и их место занимают анаэробные бактерии, которым кислород не нужен.

Эти бактерии превращают отходы в H 2 S и другие ядовитые и зловонные вещества. По этой причине содержание биоразлагаемых веществ в сточных водах выражается специальным показателем, называемым «биологической потребностью в кислороде» (БПК), который представляет собой количество кислорода, необходимого аэробным бактериям для разложения отходов.

Биогеохимические циклы | Центр научного образования

Есть несколько типов атомов, которые могут быть частью растения сегодня, животным на следующий день, а затем двигаться вниз по течению в составе речной воды на следующий день.Эти атомы могут быть частью как живых существ, таких как растения и животные, так и неживых существ, таких как вода, воздух и даже камни. Одни и те же атомы снова и снова перерабатываются в разных частях Земли. Этот тип круговорота атомов между живыми и неживыми существами известен как биогеохимический цикл.

Все атомы, которые являются строительными блоками живых существ, являются частью биогеохимических циклов. Наиболее распространенными из них являются циклы углерода и азота.

Крошечные атомы углерода и азота способны перемещаться по планете через эти циклы.Например, атом углерода поглощается из воздуха океанской водой, где он используется маленьким плавающим планктоном, занимающимся фотосинтезом, для получения необходимого им питания. Существует вероятность того, что этот маленький атом углерода станет частью скелета планктона или частью скелета более крупного животного, которое его поедает, а затем частью осадочной породы, когда живые существа умрут и останутся только кости. Углерод, входящий в состав горных пород и ископаемых видов топлива, таких как нефть, уголь и природный газ, может долгое время удерживаться отдельно от остальной части углеродного цикла.Эти места долговременного хранения называются «раковинами». При сжигании ископаемого топлива углерод, который находился под землей, выбрасывается в воздух в виде двуокиси углерода, парникового газа.

В последнее время люди вызывают изменение этих биогеохимических циклов. Когда мы вырубаем леса, строим больше заводов и ездим на большем количестве автомобилей, работающих на ископаемом топливе, меняется способ перемещения углерода и азота по Земле. Эти изменения добавляют больше парниковых газов в нашу атмосферу, и это вызывает изменение климата.

Круговорот углерода

Элемент углерод входит в состав морской воды, атмосферы, горных пород, таких как известняк и уголь, почвы, а также всего живого. На нашей динамичной планете углерод может перемещаться из одной из этих сфер в другую в рамках углеродного цикла.

  • Углерод переходит из атмосферы в растения. В атмосфере углерод присоединяется к кислороду в виде газа, называемого двуокисью углерода (CO 2 ). В процессе фотосинтеза углекислый газ извлекается из воздуха для производства пищи, сделанной из углерода для роста растений.
  • Углерод переходит от растений к животным. По пищевым цепям углерод, находящийся в растениях, переходит к животным, которые их едят. Животные, которые едят других животных, также получают углерод из своей пищи.
  • Углерод переходит из растений и животных в почву. Когда растения и животные умирают, их тела, древесина и листья разлагаются, перенося углерод в землю. Некоторые из них похоронены и станут ископаемым топливом через миллионы и миллионы лет.
  • Углерод переходит из живых существ в атмосферу.Каждый раз, когда вы выдыхаете, вы выпускаете в атмосферу углекислый газ (CO 2 ). Животные и растения должны избавляться от углекислого газа посредством процесса, называемого дыханием.
  • Углерод перемещается из ископаемого топлива в атмосферу при сжигании топлива. Когда люди сжигают ископаемое топливо для электростанций, автомобилей и грузовиков, большая часть углерода быстро попадает в атмосферу в виде углекислого газа. Ежегодно при сжигании ископаемого топлива выделяется пять с половиной миллиардов тонн углерода.Из этого огромного количества 3,3 миллиарда тонн остается в атмосфере. Большая часть остатка растворяется в морской воде.
  • Углерод перемещается из атмосферы в океаны. Океаны и другие водоемы поглощают некоторое количество углерода из атмосферы. Углерод растворяется в воде.

Углекислый газ является парниковым газом и задерживает тепло в атмосфере. Без него и других парниковых газов Земля была бы замороженным миром. Но с начала промышленной революции около 150 лет назад люди сожгли столько топлива и выпустили в воздух столько углекислого газа, что глобальный климат поднялся более чем на один градус по Фаренгейту.Согласно данным ледяных кернов, атмосфера не содержала столько углерода по крайней мере 420 000 лет. Недавнее увеличение количества парниковых газов, таких как двуокись углерода, оказывает значительное влияние на потепление нашей планеты.

Углерод перемещается по нашей планете и в более длительных временных масштабах. Например, выветривание горных пород на суше в течение миллионов лет может добавить углерод в поверхностные воды, которые в конечном итоге стекают в океан. С течением времени углерод удаляется из морской воды, когда на морском дне собираются раковины и кости морских животных и планктон.Эти раковины и кости сделаны из известняка, который содержит углерод. Когда они откладываются на морском дне, углерод сохраняется от остальной части углеродного цикла в течение некоторого времени. Количество известняка, отложенного в океане, в некоторой степени зависит от количества теплых, тропических, мелководных океанов на планете, потому что именно там живут продуктивные организмы, производящие известняк, такие как кораллы. Углерод может быть выброшен обратно в атмосферу, если известняк плавится или метаморфизируется в зоне субдукции.

Цикл азота

Азот — это элемент, который содержится как в живой части нашей планеты, так и в неорганических частях земной системы. Азот медленно перемещается по циклу и по пути накапливается в резервуарах, таких как атмосфера, живые организмы, почвы и океаны.

Большая часть азота на Земле находится в атмосфере. Примерно 80% молекул атмосферы Земли состоят из двух связанных вместе атомов азота (N 2 ).Всем растениям и животным нужен азот для производства аминокислот, белков и ДНК, но азот в атмосфере находится не в той форме, которую они могут использовать. Молекулы азота в атмосфере могут стать пригодными для использования живыми существами, когда они разрушаются во время ударов молнии или пожаров некоторыми видами бактерий или бактериями, связанными с бобовыми растениями. Другие растения получают необходимый им азот из почвы или воды, в которой они живут, в основном в виде неорганического нитрата (NO 3 -).Азот является лимитирующим фактором для роста растений. Животные получают необходимый им азот, потребляя растения или других животных, которые содержат органические молекулы, частично состоящие из азота. Когда организмы умирают, их тела разлагаются, перенося азот в почву на суше или в океаны. По мере разложения мертвых растений и животных азот превращается в неорганические формы, такие как соли аммония (NH 4 +), в результате процесса, называемого минерализацией. Соли аммония поглощаются глиной в почве, а затем химически преобразуются бактериями в нитрит (NO 2 -), а затем в нитрат (NO 3 -).Нитраты — это форма, обычно используемая растениями. Легко растворяется в воде и вымывается из почвенной системы. Растворенные нитраты могут возвращаться в атмосферу некоторыми бактериями посредством процесса, называемого денитрификацией.

Определенные действия человека вызывают изменения азотного цикла и количества азота, хранящегося в резервуарах. Использование богатых азотом удобрений может привести к перегрузке близлежащих водоемов питательными веществами, поскольку нитраты из удобрений смываются в ручьи и пруды.Повышенный уровень нитратов заставляет растения быстро расти, пока они не израсходуют запас нитратов и не погибнут. Количество травоядных будет увеличиваться, когда увеличивается запас растений, а затем, когда растения умирают, травоядные остаются без источника пищи. Таким образом, изменения в снабжении питательными веществами повлияют на всю пищевую цепочку. Кроме того, люди изменяют круговорот азота, сжигая ископаемое топливо и леса, в результате чего выделяются различные твердые формы азота. Сельское хозяйство также влияет на круговорот азота.Отходы, связанные с животноводством, выделяют большое количество азота в почву и воду. Точно так же сточные воды добавляют азота в почву и воду.

Азот и загрязнение воздуха

Неприглядная дымка смога, видимая из лаборатории NCAR Mesa, покоится над Долиной Валунов.

УКАР

Оксид азота (NO) и диоксид азота (NO 2 ) вместе известны как оксиды азота. Эти оксиды азота усугубляют проблему загрязнения воздуха, играя роль в образовании как смога, так и кислотных дождей.Они выбрасываются в атмосферу Земли как естественными, так и антропогенными источниками.

Оксид азота представляет собой бесцветный легковоспламеняющийся газ со слабым запахом. Двуокись азота представляет собой темно-красно-оранжевый газ, ядовитый, но не огнеопасный. Он, наряду с аэрозолями, отвечает за красновато-коричневый цвет смога. В высоких концентрациях он очень токсичен и может вызвать серьезное повреждение легких. Двуокись азота является сильным окислителем и, таким образом, очень реакционноспособна с другими соединениями.

По оценкам ученых, от 20 до 90 миллионов тонн оксидов азота ежегодно образуется естественным путем из таких источников, как вулканы, океаны, биологический распад и удары молнии.Деятельность человека ежегодно добавляет в нашу атмосферу еще 24 миллиона тонн оксидов азота.

И NO, и NO 2 образуются при высокотемпературном сгорании в атмосфере, когда кислород соединяется с азотом. Выхлопные газы легковых и грузовых автомобилей являются основными источниками оксидов азота, как и выбросы электростанций. Автомобильные выхлопы содержат больше NO, чем NO 2 , но как только NO выбрасывается в атмосферу, он быстро соединяется с кислородом воздуха, образуя NO 2 .

Оксиды азота, по крайней мере, частично ответственны за несколько видов загрязнения воздуха. Двуокись азота придает цвет красновато-коричневому туману, который мы называем смогом. Фотодиссоциация диоксида азота солнечным светом приводит к образованию оксида азота и озона в тропосфере, который является еще одним компонентом смога. Серия химических реакций превращает летучие органические соединения (ЛОС) в вещества, которые в сочетании с диоксидом азота образуют ПАН (пероксиацетилнитрат), еще один элемент смога.Диоксид азота в воздухе также реагирует с водяным паром с образованием азотной кислоты, одного из видов кислот в кислотных дождях. Концентрация оксида азота в незагрязненном воздухе составляет около 0,01 ppm. В смоге концентрация возрастает в двадцать раз и составляет примерно 0,2 промилле.

Хотя оксиды азота получили сомнительное признание как загрязняющие вещества, они также с пользой используются в некоторых промышленных процессах. Оксид азота производится в больших масштабах и впоследствии используется для производства азотной кислоты (HNO 3 ).Чтобы создать оксид азота для промышленных целей, химики объединяют аммиак (NH 3 ) с кислородом (O 2 ), выделяя воду (H 2 O) в качестве побочного продукта. Соединения азота, полученные из азотной кислоты, используются для создания химических удобрений, взрывчатых веществ и других полезных веществ.

© 2011 NESTA с изменениями UCAR

Кислородный цикл — Universe Today

Кислородный цикл — это цикл, который помогает перемещать кислород через три основные области Земли: атмосферу, биосферу и литосферу.Атмосфера — это, конечно, область газов, которая находится над поверхностью Земли, и это один из крупнейших резервуаров свободного кислорода на Земле. Биосфера – это совокупность всех экосистем Земли. Здесь также есть некоторое количество свободного кислорода, образующегося в результате фотосинтеза и других жизненных процессов. Крупнейшим резервуаром кислорода является литосфера. Большая часть этого кислорода не находится сама по себе или свободно перемещается, а является частью химических соединений, таких как силикаты и оксиды.

Атмосфера на самом деле является самым маленьким источником кислорода на Земле, состоящим всего из 0.35% всего кислорода Земли. Самый маленький происходит из биосфер. Самый большой, как упоминалось ранее, находится в земной коре. Кислородный цикл — это то, как кислород фиксируется для освобождения в каждой из этих основных областей.

В атмосфере кислород высвобождается в результате процесса, называемого фотолизом. Это когда высокоэнергетический солнечный свет расщепляет молекулы, содержащие кислород, с образованием свободного кислорода. Один из самых известных фотолизов – это озоновый цикл. Молекула кислорода O2 расщепляется до атомарного кислорода ультрафиолетовым излучением солнечного света.Затем этот свободный кислород рекомбинирует с существующими молекулами O2, образуя O3 или озон. Этот цикл важен, потому что он помогает защитить Землю от большей части вредного ультрафиолетового излучения, превращая ее в безвредное тепло до того, как она достигнет поверхности Земли.

В биосфере основными циклами являются дыхание и фотосинтез. Дыхание – это когда животные и люди дышат, потребляя кислород для использования в обменных процессах и выдыхая углекислый газ. Фотосинтез является обратным этому процессу и в основном осуществляется растениями и планктоном.

Литосфера в основном фиксирует кислород в минералах, таких как силикаты и оксиды. Большую часть времени процесс происходит автоматически, все, что требуется, — это чистая форма элемента, вступающего в контакт с кислородом, как это происходит, когда железо ржавеет. Часть кислорода высвобождается при химическом выветривании. Когда минерал, содержащий кислород, подвергается воздействию элементов, происходит химическая реакция, которая изнашивает его и в процессе вырабатывает свободный кислород.

Это основные кислородные циклы, и каждый из них играет важную роль в защите и поддержании жизни на Земле.

Если вам понравилась эта статья, есть еще несколько статей на Universe Today, которые вам понравятся. Есть отличная статья о углеродном цикле. Есть также интересный материал об утечке земной атмосферы в космос.

В Интернете также есть отличные ресурсы. На сайте Нью-Йоркского университета есть схема кислородного цикла с некоторыми пояснениями. Вам также следует ознакомиться со слайд-лекцией о кислородном цикле в формате PowerPoint, размещенной на веб-сайте Университета Колорадо.

Вы также должны проверить Astronomy Cast.Эпизод 151 посвящен атмосфере.

Нравится:

Нравится Загрузка…

Влияние глобальной дезоксигенации на физиологические процессы человека

J Physiol Sci. 2017; 67(1): 97–106.

, , 1, 2, 2, 3 , 1, 3 и 4 и 4

Daniel Martin

1 USTH NIHR Биомедицинский исследовательский центр, Институт спортивных и физических упражнений, Университетский колледж Лондонский центр высотно-космической и экстремальной медицины, первый этаж, 170 Tottenham Court Road, London, W1T 7HA UK

2 Отделение интенсивной терапии, Royal Free Hospital, Pond Street, London, NW3 2QG UK

3 Royal Бесплатная больница Университетского колледжа Лондона Отделение хирургии и интервенционной науки, Pond Street, London, NW3 2QG UK

Helen McKenna

1 Центр биомедицинских исследований UCLH NIHR, Институт здоровья спорта и физических упражнений, Университетский колледж Лондонского центра высотных исследований и Extreme Environment Medicine, First Floor, 170 Tottenham Court Road, London, W1T 7HA UK

3 Royal Free Hospital, University College Lo ndon Division of Surgery and Intervention Science, Pond Street, London, NW3 2QG UK

Valerie Livina

4 Национальная физическая лаборатория, Hampton Road, Teddington, TW11 0LW UK

1 UCLH NIHR Research Center, Институт биомедицинских исследований Спорт и здоровье при физических упражнениях, Университетский колледж Лондона, Центр высотно-космической и экстремальной медицины, первый этаж, 170 Tottenham Court Road, London, W1T 7HA UK

2 Отделение интенсивной терапии, Royal Free Hospital, Pond Street, London, NW3 2QG UK

3 Королевская бесплатная больница, Лондонский университетский колледж Отделение хирургии и интервенционных наук, Pond Street, London, NW3 2QG UK

4 Национальная физическая лаборатория, Hampton Road, Teddington, TW11 0LW UK

Corres .

Поступила в редакцию 17 августа 2016 г.; Принято 28 октября 2016 г.

Открытый доступ Эта статья распространяется в соответствии с условиями международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии вы должным образом указываете автора (авторов) и источник, предоставляете ссылку на лицензию Creative Commons и указываете, были ли внесены изменения. Эта статья цитировалась в других статьях в PMC.

Abstract

За последние 20 лет произошло явное снижение объема кислорода в атмосфере Земли. Хотя величина этого уменьшения кажется небольшой по сравнению с количеством кислорода в атмосфере, трудно предсказать, как может развиваться этот процесс, из-за краткости собранных записей. Недавно предложенная модель предсказывает нелинейный распад, который приведет к все более быстрому падению концентрации кислорода в атмосфере с потенциально разрушительными последствиями для здоровья человека.Мы обсуждаем влияние, которое глобальная деоксигенация на протяжении сотен поколений может оказать на физиологию человека. Изучение изменений между различными местными высокогорными популяциями дает парадигму того, как люди могут переносить ухудшение гипоксии с течением времени. Используя эту модель атмосферных изменений, мы прогнозируем, что люди могут продолжать выживать в незащищенной атмосфере в течение примерно 3 600 лет. Соответственно, без кардинальных изменений в том, как мы взаимодействуем с нашей планетой, люди могут потерять свое господство на Земле в течение следующих нескольких тысячелетий.

Ключевые слова: Кислород, Гипоксия, Акклиматизация, Физиологическая адаптация.

Введение. Утрата естественной растительности и сжигание ископаемого топлива изменяют нашу атмосферу угрожающими темпами [1]. Наибольшее внимание привлекли две взаимосвязанные темы: ускоренное повышение концентрации углекислого газа в атмосфере и повышение глобальной температуры.Эти изменения сопровождаются природными явлениями с потенциально катастрофическими последствиями, такими как все более непредсказуемые климатические подсистемы и повышение уровня моря в результате отступления полярных льдов [2–4]. Если такие экологические опасности не представляли достаточной угрозы для выживания 7 миллиардов жителей Земли с лишним, есть еще одно изменение, которое уже происходит, — глобальная деоксигенация. Хотя текущий объем кислорода в нашей атмосфере огромен, он неумолимо уменьшается, и все же это не кажется приоритетом для заботы об окружающей среде.В то время как динамика снижения содержания кислорода является весьма спорной, новая модель ее нелинейной природы предсказывает полное истощение кислорода в течение нескольких тысяч лет [5]. Это разрушение хрупкой экосистемы Земли может стать последней каплей для людей и многих других форм жизни, которые используют кислород для производства энергии. Здесь мы обсуждаем биологическое значение атмосферного кислорода, предлагаемую модель его снижения и его потенциальное влияние на выживание человека.

Кислород и атмосфера Земли

Молекулярный кислород (O 2 ), возможно, является одним из наиболее важных элементов на Земле, особенно для аэробных организмов, которые зависят от него в высвобождении энергии из макромолекул на основе углерода.Концентрация кислорода в атмосфере составляет 20,95% (209 460 частей на миллион), но она заметно колебалась на протяжении всей истории (рис. ). Земле около 4,5 миллиардов лет, и ее ранняя атмосфера практически не содержала кислорода. Вместо этого примитивная атмосфера была сформирована в основном из водорода со следами метана и аммиака. Затем вулканы выщелачивали азот и углекислый газ в эту смесь, но только во время «великого события насыщения кислородом» ~ 2,3 миллиарда лет назад кислород был выброшен в атмосферу цианобактериями, которые использовали углекислый газ и солнечный свет для выработки энергии посредством фотосинтеза [6]. , 7].По мере того как фотосинтезирующие клетки распространялись по планете, они со временем превратились в сложные многоклеточные комплексные растения. Это решающее событие в развивающейся экосистеме превратило мир из едва пригодной для жизни скалы в сочную зеленую среду, которую мы знаем сегодня. Со временем кислород стал преобладающим механизмом выработки энергии нефотосинтезирующими клетками посредством окислительного фосфорилирования в митохондриях. По прошествии миллиардов лет установилось равновесие, при котором концентрация кислорода колебалась в обитаемом диапазоне, между примерно 15 и 35%, которое сохранялось с начала кембрийского периода 540 миллионов лет назад до наших дней (рис. .). Каждый всплеск концентрации кислорода в атмосфере сопровождался новым всплеском жизни, а впадины были связаны с уменьшением масштаба и вымиранием видов. Колебание концентрации атмосферного кислорода вокруг уровня, оптимально способствующего развитию многоклеточных организмов, называется глобальным кислородным циклом [8] — но каковы пределы существования сложной жизни на Земле, особенно человека? Поскольку глобальная деоксигенация является реальностью, понимание влияния снижения содержания кислорода в атмосфере на физиологию человека приобретает все большее значение.Определение нижнего предела атмосферного кислорода, совместимого с выживанием человека, даст информацию о прогнозах того, как долго наш вид сможет существовать на планете, подвергающейся прогрессирующей асфиксии.

Приблизительное изменение концентрации кислорода в атмосфере Земли за последние 4 миллиарда лет [7]

Снижение глобальной концентрации кислорода

диоксид и кислород.Записи наблюдений концентрации кислорода в атмосфере с нескольких станций по всему миру ведутся в рамках Кислородной программы Института Скриппса (http://scrippso2.ucsd.edu/). Об измерениях кислорода сообщают как об изменениях соотношения кислород/азот (O 2 /N 2 ) в отобранном воздухе по сравнению с эталоном (воздух, откачанный в середине 1980-х годов и хранящийся в лаборатории Скриппса). Единицей для этих измерений является «на мегабайт», что означает, что снижение на 1 на мегабайт эквивалентно 0.0001% снижение концентрации кислорода. Иными словами, 1 на мегабайт означает одну молекулу из 1 000 000 молекул кислорода или примерно одну молекулу из 4,8 миллиона молекул воздуха. Поскольку естественная вариация концентрации азота значительно меньше, чем концентрация кислорода, а его концентрация значительно выше, изменения отношения O 2 /N 2 в первую очередь отражают изменения концентрации кислорода [9]. По данным Института Скриппса, концентрация кислорода в настоящее время снижается примерно на 19 на мкг в год, что эквивалентно 4 частям на миллион в год (рис.).

a Изменение соотношения концентрации кислорода с течением времени, зарегистрированное на «Alert Station» в Канаде, с параболической кривой затухания [9]. b Прогнозируемое снижение концентрации кислорода с течением времени с использованием данных девяти регистрирующих станций в программе Скриппса [9]. Неопределенность прогноза, основанного на девяти записях наблюдений по всему земному шару, показана в области , заштрихованной серым цветом . Красная пунктирная линия обозначает самую низкую концентрацию кислорода, которая может быть допустима для людей, и время, через которое это произойдет.

Обе цифры воспроизведены с разрешения [9]

Исходя из исходных данных Института Скриппса, было высказано предположение, что снижение концентрации кислорода в атмосфере было линейным, однако по мере роста набора данных было высказано предположение, что это может быть не так. кейс. Один из возможных сценариев – параболический спад [5]. Поскольку наблюдаемые записи охватывают всего несколько десятилетий, прогноз этого распада весьма неопределенен, а сложность биогеохимических взаимодействий делает такой прогноз сложной задачей.Однако эта новая математическая модель предполагает, что горизонт снижения содержания кислорода будет достигнут намного раньше, чем предполагалось ранее на основе линейной модели, и до полного истощения кислорода останется всего несколько тысяч лет [5]. Если мы применим эту параболическую проекцию к имеющимся в настоящее время наблюдаемым данным, она предсказывает, что концентрация кислорода в атмосфере достигнет нуля через ~4400 лет, пройдя половину пути через ~3600 лет (рис. ).

Динамика снижения кислорода аппроксимируется с использованием стохастической модели:

9015 Z ( T ) = T ( T ) + A ( T ) COS (2 π Φ ( T ) + T ) + τ ( T ) Φ ( T ),

Здесь, тенденция T ( T ) — это реальная функция, Φ ( t ) является стационарным обобщенным случайным процессом, а τ ( t ) является положительной гладкой функцией с действительным знаком, используемой для моделирования гетероскедастичности члена ошибки.Например, Φ ( t ) может быть непрерывным авторегрессионным скользящим средним случайным процессом порядка ( p , q ). Модель реалистично воспроизводит данные о кислороде как комбинацию снижающегося глобального тренда, сезонной периодичности и более мелких колебаний более высокой частоты. Это колебательное снижение можно четко увидеть в данных Института Скриппса (рис. ), и гипотезы, объясняющие его, были представлены ранее [10].

Почему снижается концентрация кислорода в атмосфере?

Атмосфера Земли, как и большинство биологических систем, находится в постоянном движении, обусловленном образованием и разрушением кислорода; естественные процессы, которые окружают нас каждый день (рис.). Основным источником кислорода на Земле является фотосинтез, образование углеводов из углекислого газа и воды с использованием солнечного света в качестве катализатора (уравнение 1). Высшие растения, водоросли, цианобактерии и прохлорофиты способны к фотосинтезу. Небольшое количество молекулярного кислорода также образуется в результате фотолиза водяного пара в верхних слоях атмосферы (уравнение 2). Конечными пользователями молекулярного кислорода являются аэробные формы жизни, в том числе люди, которые используют его для производства большей части своих энергетических потребностей (уравнение 1).3). Кислород также используется во время фотодыхания, при котором органические субстраты окисляются с образованием АТФ для энергетических процессов в некоторых фотосинтезирующих клетках. Атмосфера и море действуют как основные резервуары кислорода, и крупные события, такие как природные пожары, могут изменить баланс в незначительной степени. Поэтому, говоря простым языком, если количество растений уменьшается, снижается кислородогенерирующая способность Земли; а если количество животных (включая человека) увеличится, то возрастет и потребление кислорода.Сжигание ископаемого топлива оказывает большое влияние на уровни кислорода и углекислого газа в атмосфере, при этом существует корреляция между глобальным потеплением, связанным с ископаемым топливом, и истощением кислорода в океанах [11]. Кроме того, кислород потребляется не только при сжигании ископаемого топлива, поэтому зависимость между снижением содержания кислорода и увеличением содержания углекислого газа не является линейной. Например, кислород потребляется во многих процессах окисления в промышленности при производстве материалов, где не происходит прямого сжигания ископаемого топлива.Один из неопределенных факторов в модели снижения содержания кислорода заключается в появлении новых технологий, которые могут показаться «зелеными» с точки зрения выбросов углекислого газа, но в то же время будут истощать кислород — их необходимо отслеживать в контексте понижение содержания кислорода в атмосфере. Уменьшение концентрации кислорода в атмосфере также окажет влияние на океаны. Закон Генри определяет количество газа, которое растворяется в жидкости, и по мере снижения атмосферного парциального давления кислорода (PatO 2 ) кислород будет диффундировать из воды, что приведет к дальнейшему обескислороживанию океана, лишая подводный мир необходимого ему кислорода. выжить.Подсчитано, что около 70% атмосферного кислорода производится в океанах путем фотосинтеза в фитопланктоне [12]. Есть опасения, что неконтролируемое глобальное потепление может привести к катастрофической потере этого жизненно важного источника атмосферного кислорода из-за ингибирования фотосинтеза [13].

процессы, которые влияют на глобальный цикл кислорода и, следовательно, атмосферную концентрацию кислорода

фотосинтез:

6CO 2 + 6H 2 O → 60133 2 + C 6 H 12 O 6 .

1

Фотолиз:

2H 2 O → 4H + + e + O 2 .

2

Аэробное метаболизм:

C 6 h 12 o 12 o 2 + 6O 2 → 60CO 2 → 60CO 2 + 6H 2 O.

2 O.

3

Биологическое воздействие атмосферного дезоксигенации

Биологическое действие газа определяется его парциальным давлением, которое по закону Дальтона равно произведению барометрического давления на долю концентрации газа в смеси (уравнение4). Например, на уровне моря PatO 2 составляет ~21 кПа (барометрическое давление на уровне моря 101 кПа × относительная концентрация кислорода 0,21). Таким образом, атмосферная гипоксия может быть следствием либо снижения концентрации кислорода (нормобарическая гипоксия), либо снижения барометрического давления (гипобарическая гипоксия). Различия в биологических реакциях на эти ситуации тонкие, но не совсем незначительные [14]. Для человека основным последствием падения PatO 2 является гипоксемия (недостаток кислорода в крови), приводящая к уменьшению доставки кислорода к тканям (тканевая гипоксия).Это происходит во время подъема на большую высоту из-за экспоненциального снижения барометрического давления. Выше ~ 1500–2500 м, в зависимости от человека, гипоксемия может привести к заболеваниям, связанным с высотой, таким как острая горная болезнь (ОГБ). Гипоксемия и тканевая гипоксия также могут быть результатом многих патофизиологических состояний, нарушающих транспорт кислорода, таких как респираторные и сердечно-сосудистые заболевания. Люди обладают способностью адаптироваться к гипоксемии посредством процесса, известного как акклиматизация, но степень, в которой адаптация может компенсировать дефицит кислорода, зависит от величины дефицита и времени, в течение которого он возникает.

Парциальное давление газа A = барометрическое давление × фракционная концентрация газа A.

4

Адаптация к острой гипоксии

Не существует четких определений для определения воздействия гипоксии в зависимости от времени, но были предприняты попытки унифицировать язык используется [15]. Значительное и резкое падение PatO 2 нельзя терпеть более чем за несколько минут до того, как церебральная гипоксия приведет к потере сознания. Описания смерти после внезапного кислородного голодания были обычным явлением среди первых летчиков-высотников во время Второй мировой войны [16].«Время полезного сознания» при внезапном воздействии моделируемой высоты 7620 м над уровнем моря (PatO 2 ~8 кПа) составляет ~4–5 мин) [17]. Быстрота падения PatO 2 предотвращает любую значимую адаптацию, кроме гипервентиляции и тахикардии, отчаянной попытки повысить уровень кислорода в циркулирующей крови. Это почти немедленное физиологическое изменение вызывается ощущением кислорода в каротидных тельцах и их последующим влиянием на дыхательный и сердечно-сосудистый центры головного мозга.

Адаптация к подострой гипоксии

При более постепенном воздействии гипоксии, которое может возникнуть во время подъема на большую высоту, другие биологические системы могут внести свой вклад посредством процесса, известного как акклиматизация. Помимо усиленных вентиляционных и сердечно-сосудистых реакций, гипоксия ощущается на клеточном уровне, вызывая повышенную концентрацию генного регулятора, известного как фактор, индуцируемый гипоксией (HIF). Комплекс HIF активирует множество специфических генов, все из которых имеют отношение к выживанию при длительном воздействии гипоксии (рис.). Эта кислородочувствительная система является одним из старейших и наиболее надежных клеточных регуляторов и сохраняется почти на протяжении всей жизни на Земле, что свидетельствует о важности способности быстро реагировать на изменения доступности кислорода [18]. Одной из важных функций HIF является увеличение количества циркулирующих эритроцитов посредством повышающей регуляции эритропоэтина. Это увеличивает способность крови переносить кислород в течение периода от нескольких дней до недель и формирует основу краткосрочной гипоксической адаптации.Именно благодаря этому процессу вершина горы Эверест (8848 м), где давление PatO 2 падает до 7 кПа, может быть достигнута без использования дополнительного кислорода [19].

Примеры генов (в красном ) в пути HIF, в которых положительный отбор был идентифицирован в высокогорных популяциях. Активация ответа HIF включает пролилгидроксилазы (PHD), которые в присутствии кислорода гидроксилируют HIFα, тем самым нацеливая его на разрушение убиквитин-протеасомным путем.В условиях гипоксии HIFα продолжает объединяться с конститутивно присутствующим HIFβ, и этот димер действует как фактор транскрипции, влияя на экспрессию более 100 генов, которые имеют элементы ответа на гипоксию в своих промоторных областях и играют роль в клеточных и системных процессах. реакция на гипоксию. Реакция HIF включает увеличение доставки кислорода к гипоксическим тканям (путем воздействия на ангиогенез, тонус сосудов и эритропоэз), а также модификацию клеточного метаболизма, путей пролиферации и выживания.Высотный положительный отбор был продемонстрирован во всех частях этого пути, но ни один из затронутых аллелей не был продемонстрирован более чем в одной популяции. Данные обобщены из [31]. HIF Фактор, индуцируемый гипоксией, HRE Элементы реакции на гипоксию, PHD пролилгидроксилаза

Пожизненное воздействие гипоксии

Хронические заболевания или длительное пребывание на большой высоте могут подвергать человека гипоксемии на протяжении всей жизни. ~140 миллионов человек постоянно живут на большой высоте (условно определяемой как >2500 м: высота, на которой у большинства людей наблюдается падение насыщения гемоглобина кислородом, SpO 2 ) [20]; и хотя это совместимо с жизнью, для многих это не без последствий.С увеличением высоты проживания хроническая горная болезнь (ХГБ) и задержка внутриутробного развития (ЗВУР) становятся более распространенными, наблюдается ускорение ранее существовавших хронических заболеваний органов дыхания [21]. Глобальная атмосферная деоксигенация приведет к тому, что такие осложнения будут встречаться на все более низких высотах, и мы ожидаем, что их частота и серьезность возрастут в глобальном масштабе. CMS характеризуется чрезмерной полицитемией, прогрессирующей до легочной гипертензии, правожелудочковой недостаточности и смерти [22].Существует ограниченная информация о частоте и смертности от этого заболевания в настоящее время, поскольку оно не является признанной классификацией в свидетельствах о смерти [21], но оно, несомненно, приведет к значительному и прогрессирующему бремени болезни по мере продолжения деоксигенации. Воздействие на репродукцию человека может иметь еще более серьезные последствия для роста населения и здоровья. Гипоксия плода из-за снижения оксигенации матери и маточно-плацентарного кровотока снижает массу тела при рождении в среднем на 100 г на каждые 1000 м над уровнем моря [20, 23].ЗВУР имеет широкомасштабные и тяжелые последствия на протяжении всей жизни. Низкий вес при рождении связан с более высокой смертностью в младенчестве, детстве и в более позднем возрасте. Поздняя (взрослая) заболеваемость и смертность могут быть связаны с повышенным риском системной гипертензии, ишемической болезни сердца и диабета, наблюдаемым в группах с низкой массой тела при рождении [24]. Снижение PatO 2 на высоте также связано с повышенной распространенностью преэклампсии, синдрома материнской гипертензии и протеинурии, которая может прогрессировать до угрожающих жизни судорог, а также ЗВУР [25].Хроническое заболевание легких следует ускоренному течению в условиях гипоксии, что приводит к сокращению интервала между началом и смертью и дальнейшему увеличению частоты правожелудочковой сердечной недостаточности [26]. Короче говоря, воздействие низкого содержания PatO 2 в течение всей жизни оказывает пагубное воздействие, которое может ограничивать продолжительность жизни, повышать заболеваемость и нарушать репродукцию человека. Однако некоторые популяции процветали на высоте, и, возможно, выживание будущих поколений людей зависит от долговременной адаптации, наблюдаемой у этих людей.

Адаптация к гипоксии на протяжении поколений

Популяции, жившие в условиях гипоксии на протяжении сотен поколений, по-видимому, претерпели генетическую адаптацию, ведущую к проявлению фенотипов, передающих повышенную способность к выживанию и размножению в условиях хронического гипоксического стресса. Популяции, проживающие в течение длительного времени, имеют меньшую частоту и тяжесть высотных осложнений, таких как CMS и IUGR [20], по сравнению с жителями высокогорья, не являющимися предками, и их превосходная физическая работоспособность на высоте широко сообщается анекдотически и подтверждается повышенным максимальным потреблением кислорода. по нагрузочному тестированию [27, 28].

На протяжении тысячелетий три популяции населяют высокогорья на высоте 3500–4000 м над уровнем моря. Наилучшие текущие оценки помещают сначала заселение Тибетского плато (25 000 лет назад), за которым следует заселение Альтиплано в Андах (12 000 лет назад) с диапазоном значений, данных для колонизации Эфиопского плато (между 5000 и 70 000 лет назад), хотя мы не можем доказать генетическая преемственность между первоначальными колонизаторами и современными популяциями [29]. В этих популяциях были идентифицированы специфические физиологические черты, связанные с путями транспорта кислорода или использованием кислорода, но совокупность признаков у каждой из них разная.Например, концентрация гемоглобина повышена в высокогорных Андах, но остается близкой к типичным значениям для низин на уровне моря у горцев Тибета и Эфиопии до высоты 4000 м с минимальным увеличением при дальнейшем подъеме [30]. С другой стороны, SpO 2 ниже у высокогорных тибетцев и жителей Анд по сравнению с эфиопами [30]. Тибетские и андские горцы были изучены наиболее широко, при этом имеется сравнительно ограниченная информация об их эфиопских собратьях, а основные фенотипические различия между тремя популяциями обобщены в таблице.Относительно некоторых из этих различий нет единого мнения, и нам предстоит многое узнать о том, как и в какой степени каждый фенотип на самом деле способствует улучшению функции или выживанию в условиях гипоксии.

Таблица 1

Физиологические реакции на длительное воздействие гипобарической гипоксии у различных местных популяций (по сравнению со значениями, наблюдаемыми на уровне моря) [29, 46, 47].

Взято из [33]

90 м)
фенотип Анд тибетском Эфиопские
Отдыхая вентиляции Нет увеличения 50% выше Не сообщалось
гипоксического ответ вентиляторной Тупится (низко) , похожий на уровень моря (высокий) не сообщается
насыщенность артериального кислорода повышено без увеличения не увеличивается
концентрация гемоглобина повышенный До 4000 м) Без увеличения (до 4000 м)
легочное артериальное давление повышенные Minific повышено
уровни оксида азота повышены .
Вес при рождении 905 76 Повышенные Повышенные не сообщают
CMS CASCENCE Частые Редкие Очень редкие

Многие подходы были применены к раскрытию генетической основы этих фенотипов адаптированных гипоксией.Высокогорные популяции, по-видимому, подверглись положительному отбору во многих генах, которые участвуют в сигнальном каскаде HIF, который координирует клеточный и системный ответ на гипоксию. Примеры таких генов приведены на рис. В большинстве случаев точная функция этих генетических вариантов еще не раскрыта, но в некоторых случаях начинают проявляться предполагаемые механизмы. Например, вариант гена EPAS1 (который кодирует альфа-субъединицу фактора транскрипции HIF-2) был продемонстрирован с повышенной частотой у высокогорных тибетцев.Выбранный вариант фактически подавляет мишени HIF, включая эритропоэтин, и связан с более низкими концентрациями гемоглобина [31]. Таким образом, было высказано предположение, что он может способствовать выживанию в условиях гипоксии, защищая от CMS и улучшая микроциркуляторный поток и локальную доставку кислорода из-за снижения вязкости крови. Тибетцы унаследовали этот ген от древней человеческой расы, называемой денисовцами, до их исчезновения 40 000 лет назад [32]. Он был обнаружен только у одной другой популяции на Земле, ханьцев, от которой тибетцы отделились менее 3000 лет назад.За это время частота гена в двух популяциях значительно разошлась: он присутствует только у 9% ханьцев, но у 87% тибетцев, что является самым быстрым из известных примеров дарвиновской эволюции человека [32]. Временные рамки, в течение которых произошло это значительное генетическое изменение популяции, примерно эквивалентны времени, в течение которого модель предсказывает, что глобальный PatO 2 уменьшится вдвое, и дают некоторое представление о том, как быстро человечество сможет адаптироваться к приближающемуся давлению гипоксического отбора.

Любые прогнозы о природе человеческой расы в будущем с дефицитом кислорода с использованием генетики современных высокогорных популяций затруднены тем фактом, что разные гены, по-видимому, подверглись положительному отбору в каждом из них, при этом варианты не перекрываются. выражается тибетцами, андцами или эфиопскими горцами [33]. Геномный анализ популяций Анд выявил не менее 40 генов-кандидатов, участвующих в пути HIF или генов, связанных с гипоксией, включая PRKAA1 (который кодирует субъединицу протеинкиназы, активируемой аденозинмонофосфатом, и может влиять на рост плода) [33, 34] .Естественный отбор по многим генам, участвующим в одних и тех же путях, был продемонстрирован у высокогорных тибетцев, но конкретные гены находятся в разных локусах или представляют собой разные варианты, такие как EGLN1 (который кодирует пролилгидроксилазу 2, кислородзависимый модулятор HIF). альфа-субъединицы [35]). У эфиопских горцев снова наблюдается положительная селекция по разным генам, на этот раз включающим BHLHE41, который может быть как мишенью, так и модификатором HIF-1 альфа [33, 36]. Одна из возможностей заключается в том, что разные популяции пошли разными путями к адаптации к гипоксии под влиянием других переменных окружающей среды в каждом месте (таких как температура или доступность пищи) и популяционных факторов, таких как генетическая изменчивость в первоначальных поселенцах (способствующая генетическому дрейфу) и доступ к другим генофондам (способствуя генетическому потоку).Второе объяснение заключается в том, что они представляют разные временные точки на одном и том же пути к оптимально адаптированному фенотипу, при этом продолжительность и степень воздействия гипоксии различаются в каждом регионе. Если мы примем второе объяснение, то тибетцы, подвергавшиеся наибольшей степени гипоксического стресса в течение самого длительного времени, представляют собой нынешнюю вершину долговременной гипоксической адаптации. Это подтверждается тем фактом, что тибетцы имеют более низкую заболеваемость CMS и IUGR, чем их коллеги из Анд, проживающие меньше [20].Природа и скорость адаптации человека к будущей атмосферной гипоксии будут зависеть от стохастических событий, и делать прогнозы мешает неопределенность, но скорость снижения содержания кислорода, прогнозируемая параболической моделью (PatO 2 , падает на 50% в течение следующих 3500 лет). лет) может не хватить времени для развития тибетского фенотипа, но, возможно, достаточно, чтобы позволить проявиться андскому образцу признаков.

Пределы выживания при гипоксии и вымирание человека

Даже при генетической и фенотипической адаптации параболический спад, описываемый этой математической моделью, предсказывает сценарий, при котором концентрация кислорода в атмосфере падает до уровней ниже порогового, при котором могут поддерживаться выживание и воспроизводство человека.Определить эту точку с точки зрения концентрации кислорода сложно, и наша гипотеза основана на самых высоких высотах, которые, как известно, поддерживают существование людей на протяжении всей жизни. Самым высокогорным постоянным поселением на сегодняшний день является перуанская деревня Ла Риконада на высоте 5100 м, в которой проживает около 30 000 жителей [37]. Местные жители выжили там по крайней мере 40 лет, а нынешние жители успешно пережили рождение детей, чтобы создать следующее поколение на этой высоте [38], однако неизвестно, сможет ли уровень рождаемости поддерживать это население на неопределенный срок.Самым высоким постоянным поселением в истории наблюдений является (теперь заброшенная) чилийская шахтерская деревня Килча (5340 м), которая была обнаружена в 1935 году Международной высотной экспедицией в Чили [39]. Утверждалось, что это представляет собой верхний предел длительного проживания людей, потому что жители решили спать на этой высоте и ежедневно подниматься в шахту наверху. ПатО 2 в поселке Квилча составляет 11,3 кПа (чуть больше 50% от действующего ПатО 2 на уровне моря).Описанная здесь параболическая модель деоксигенации предсказывает, что PatO 2 на уровне моря достигнет этого порога примерно через 3600 лет. В течение этого времени человеческий вид, вероятно, подвергнется дальнейшей положительной селекции по физиологическим фенотипам, дающим преимущество в выживании в условиях гипоксии. Исследования высокогорных жителей говорят нам, что хотя такая адаптация может позволить нам относительно хорошо функционировать в атмосфере, которая содержит чуть более половины кислорода, которым мы дышим сегодня; многие будут страдать от долгосрочных последствий.Более высокие показатели материнской преэклампсии и смертности, повышенная перинатальная смертность, низкая масса тела при рождении (и множество последствий этого во взрослом возрасте) и эскалация легочных заболеваний сократят ожидаемую продолжительность жизни и рост населения. У лиц с независимыми сопутствующими заболеваниями, в частности с хроническими респираторными и сердечными заболеваниями, может наблюдаться обострение симптомов, снижение функции и сокращение продолжительности жизни. Горцы могут быть вынуждены спуститься вниз, поскольку жизнь на гипобарических высотах становится невыносимой, что сокращает поверхность Земли, которую мы можем заселить.Бремя плохого здоровья начнет подавлять возможности служб здравоохранения. Последние преобладающие человеческие фенотипы могут напоминать фенотипы нынешних высокогорных популяций: с улучшенными способностями извлекать драгоценный кислород из атмосферы или доставлять его в ткани и, возможно, с превосходными клеточными механизмами для повышения эффективности использования кислорода и защиты от гипоксического стресса.

Важно подчеркнуть, что описанная здесь параболическая модель является скорее математической, чем геофизической [5].Другие авторы оспаривают идею о том, что возможна глобальная дезоксигенация в катастрофических масштабах [40]. Одной из ключевых причин этого является то, что определяющим фактором глобального снижения содержания кислорода является использование ископаемого топлива, и текущие оценки предсказывают, что запасов нефти, угля и газа хватит на 35, 107 и 37 лет соответственно [41]. Таким образом, возможно ли, что увеличение использования ископаемого топлива в последние годы вызвало временное ускорение явления деоксигенации, которое исчезнет, ​​когда запасы будут исчерпаны.Этот сценарий предсказывает совершенно другое снижение содержания кислорода в атмосфере, чем то, которое мы описали, с падением всего на доли процента за 4400 лет [42]. Консенсус в этой области еще не достигнут, но необходимость понимания пределов долговременного выживания человека в условиях прогрессирующей гипоксии не может быть поставлена ​​под сомнение, рассматриваем ли мы сохранение человеческой расы в обсуждаемой здесь математической модели или другую контексты, в которых атмосферный кислород может стать дефицитным, например, будущие долгосрочные космические экспедиции.Другие изменения окружающей среды также могут повлиять на способность людей акклиматизироваться к гипоксии во время глобальной деоксигенации, включая повышение как температуры, так и концентрации углекислого газа. Трудно предсказать точный эффект этих дополнительных физиологических стрессоров, но оба они, вероятно, еще больше уменьшат наши шансы на долгосрочное выживание. В частности, повышение уровня углекислого газа может привести к проблемам с обменом веществ, если люди не смогут к этому адекватно адаптироваться. Высокий уровень углекислого газа в крови (гиперкарбия) может вызвать ацидоз, гипертензию и тахикардию.Больше всего от этого могут пострадать люди с хроническими заболеваниями легких. В простой краткосрочной экспериментальной модели атмосферы Земли в новом эксперименте, в котором использовались растения для выработки кислорода и потребления углекислого газа в герметичной гипоксической камере, была отмечена высокая концентрация углерода (0,66%) к концу 48-часового эксперимента. 43].

Атмосферные изменения повлияют и на других животных на Земле, и неспособность адаптироваться приведет к вымиранию как на суше, так и в морях и океанах.Все аэробные формы жизни пострадают, поскольку кислород будет удален из атмосферы. Кроме того, может быть нарушен метаболизм растений. Уже было предсказано, что повышение концентрации углекислого газа снижает скорость фотодыхания, а падение концентрации кислорода может его усугубить. Хотя общий эффект снижения фотодыхания остается неясным, мы знаем, что полное удаление этого пути может привести к метаболической катастрофе у растений, которые его используют [44].

Выводы

Прогрессирующая асфиксия планеты в конечном итоге приведет к гибели человечества из-за роста детской смертности и, в конечном счете, к полной неспособности воспроизводиться.Возможно, технологический прогресс позволил бы в краткосрочной перспективе сохранить жизнь в биосферах [45], но в дальнейшем внешний мир стал бы бесплодным и негостеприимным местом. Невозможно с уверенностью предсказать пороговое значение, при котором массовое вымирание становится неизбежным, но у нас нет доказательств того, что люди могут существовать более одного поколения в атмосфере, содержащей половину количества кислорода, доступного в настоящее время на уровне моря, что , согласно новой модели, может появиться через несколько тысяч лет.Если не обратить вспять процесс глобального обескислороживания либо за счет увеличения производства кислорода, либо за счет сокращения его потребления, человеческая раса, как облигатные аэробы, навсегда останется позади, а наше господство над этой планетой — всего лишь краткая сноска в ее истории.

Соответствие этическим стандартам

Информированное согласие

Эта статья не содержит исследований с участием людей, проведенных кем-либо из авторов.

Конфликт интересов

DM оказывает оплачиваемые консультационные услуги компаниям Siemens Healthcare и Masimo, а также получает оплату за лекции от Deltex Medical.

Ссылки

1. Hartmann DL, Klein Tank AMG, Rusticucci M, Alexander LV, Brönnimann S, Charabi Y, Dentener FJ, Dlugokencky EJ, Easterling DR, Kaplan A, Soden BJ, Thorne PW, Wild M, Zhai PM ( 2013) Наблюдения: атмосфера и поверхность. В: Stocker TF, Qin D, Plattner GK, Tignor M, Allen SK, Boschung J, Nauels A, Xia Y, Bex V, Midgley PM (eds) Изменение климата 2013: основы физической науки. Вклад рабочей группы I в пятый оценочный отчет межправительственной группы экспертов по изменению климата.Издательство Кембриджского университета, Кембридж, Великобритания и Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США

2. Галлант А., Льюис С. Стохастические и антропогенные воздействия на повторяющиеся рекордные экстремальные температуры весной 2013 и 2014 гг. в Австралии. Geophysical Res Lett. 2016;43:2182–2191. doi: 10.1002/2016GL067740. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]3. Мил Г.А., Годдард Л., Мерфи Дж., Стоуффер Р.Дж., Бур Г., Данабасоглу Г., Диксон К., Джорджетта М.А., Грин А.М., Хокинс Э. Десятилетнее предсказание: может ли оно быть искусным? Bull Am Meteorol Soc. 2009;90:1467.дои: 10.1175/2009BAMS2778.1. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]4. Post E, Bhatt US, Bitz CM, Brodie JF, Fulton TL, Hebblewhite M, Kerby J, Kutz SJ, Stirling I, Walker DA. Экологические последствия сокращения морского льда. Наука. 2013; 341: 519–524. doi: 10.1126/science.1235225. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]5. Ливина В.Н., Мартинс Т.М., Forbes AB. Анализ критической точки концентрации кислорода в атмосфере. Хаос. 2015;25:036403. doi: 10.1063/1.4

5. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]6. Лайонс Т.В., Рейнхард К.Т., Планавский Н.Дж.Повышение содержания кислорода в раннем океане и атмосфере Земли. Природа. 2014;506:307–315. doi: 10.1038/nature13068. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]7. Голландия HD. Вулканические газы, черные курильщики и Великое событие окисления. Геохим Космохим Акта. 2002;66:3811–3826. doi: 10.1016/S0016-7037(02)00950-X. [CrossRef] [Google Scholar]

8. Petsch ST (2005) Глобальный кислородный цикл. В: Шлезингер В.Х. (ред.) Биогеохимия. Трактат по геохимии, т. 8. Elsevier, Амстердам, стр. 515–557

9.Килинг Р.Ф. (1988) Разработка интерферометрического анализатора кислорода для точного измерения мольной доли O 2 в атмосфере. Кандидат наук. Тезис. Гарвардский университет, Кембридж, Массачусетс

10. Килинг Р.Ф., Шерц С.Р. Сезонные и межгодовые колебания атмосферного кислорода и последствия для глобального углеродного цикла. Природа. 1992; 358: 723–727. дои: 10.1038/358723a0. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 11. Матеар Р.Дж., Херст А.С. Долгосрочные изменения концентрации растворенного кислорода в океане, вызванные затяжным глобальным потеплением.Глоб биогеохимические циклы. 2003;17(4):1125. [Google Академия] 12. Мосс БР. Экология пресных вод: человек и среда, прошлое в будущее. 3. Малден, Массачусетс, США: издательство Blackwell; 2009. [Google Академия]13. Секерчи Ю., Петровский С. Математическое моделирование планктонно-кислородной динамики при изменении климата. Бык Математика Биол. 2015;77:2325–2353. doi: 10.1007/s11538-015-0126-0. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 14. Коппел Дж., Хеннис П., Гилберт-Каваи Э., Грокотт М.П. Физиологические эффекты гипобарической гипоксии по сравнению с нормобарической гипоксией: систематический обзор перекрестных испытаний.Экстремальная Физиол Мед. 2015;4:2. doi: 10.1186/s13728-014-0021-6. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]15. Мартин Д.С., член парламента Грокотта. Кислородная терапия при критических состояниях: точный контроль артериальной оксигенации и допустимая гипоксемия. Крит Уход Мед. 2013;41:423–432. doi: 10.1097/CCM.0b013e31826a44f6. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 16. Rb L, Haymaker W. Высотная гипоксия; наблюдения при вскрытии в 75 случаях и анализ причин гипоксии. Дж Авиат Мед. 1948; 19: 306–336.[PubMed] [Google Scholar] 17. Израэли С., Авгар Д., Гликсон М., Шочат И., Гловинский Ю., Рыбак Дж. Определение «времени полезного сознания» (TUC) при повторных воздействиях на смоделированной высоте 25 000 футов (7 620 м) Aviat Space Environ Med. 1988; 59: 1103–1105. [PubMed] [Google Scholar] 18. Айер Н.В., Леунг С.В., Семенца Г.Л. Ген индуцируемого гипоксией фактора 1альфа человека: структура HIF1A и эволюционная консервация. Геномика. 1998; 52: 159–165. doi: 10.1006/geno.1998.5416. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 19.Вест Джей Би. Человеческие пределы гипоксии. Физиологическая проблема восхождения на Эверест. Энн Н.Ю. Академия наук. 2000;899:15–27. doi: 10.1111/j.1749-6632.2000.tb06173.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 20. Мур Л.Г., Нирмейер С., Замудио С. Адаптация человека к большой высоте: региональные перспективы и перспективы жизненного цикла. Am J Phys Anthropol Suppl. 1998; 27:25–64. doi: 10.1002/(SICI)1096-8644(1998)107:27+<25::AID-AJPA3>3.0.CO;2-L. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 21. Мур ЛГ. Генетическая адаптация человека к высокогорью.High Alt Med Biol. 2001; 2: 257–279. doi: 10.1089/1527020265341. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 22. Monge-C C, Arregui A, Leon-Velarde F. Патофизиология и эпидемиология хронической горной болезни. Int J Sports Med. 1992; 13 (Приложение 1): S79–S81. doi: 10.1055/s-2007-1024603. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 23. Мур Л.Г., Раундс С.С., Джаниген Д., Гровер Р.Ф., Ривз Дж.Т. Масса тела младенца при рождении связана с оксигенацией артериальной оксигенации матери на большой высоте. J Appl Physiol Respir Environ Exerc Physiol.1982; 52: 695–699. [PubMed] [Google Scholar] 25. Палмер С.К., Мур Л.Г., Янг Д., Креггер Б., Берман Дж.С., Замудио С. Изменение курса артериального давления во время нормальной беременности и усиление преэклампсии на большой высоте (3100 м) в Колорадо. Am J Obstet Gynecol. 1999; 180:1161–1168. doi: 10.1016/S0002-9378(99)70611-3. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 26. Мур Л.Г., Рор А.Л., Майзенбах Дж.К., Ривз Дж.Т. Смертность от эмфиземы увеличивается у жителей Колорадо на большой высоте. Ам преподобный Респир Дис. 1982; 126: 225–228.[PubMed] [Google Scholar] 27. Гилберт-Каваи Э.Т., Милледж Дж.С., Грокотт М.П., ​​Мартин Д.С. Царь гор: физиологические приспособления тибетцев и шерпов к жизни на большой высоте. Физиология (Bethesda) 2014; 29: 388–402. [PubMed] [Google Scholar] 28. Frisancho AR, Frisancho HG, Milotich M, Brutsaert T, Albalak R, Spielvogel H, Villena M, Vargas E, Soria R. Развивающие, генетические и экологические компоненты аэробной способности на большой высоте. Am J Phys Антропол. 1995; 96: 431–442. дои: 10.1002/аджпа.1330960408. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 31. Beall CM, Cavalleri GL, Deng L, Elston RC, Gao Y, Knight J, Li C, Li JC, Liang Y, McCormack M, Montgomery HE, Pan H, Robbins PA, Shianna KV, Tam SC, Tsering N, Veeramah KR , Wang W, Wangdui P, Weale ME, Xu Y, Xu Z, Yang L, Zaman MJ, Zeng C, Zhang L, Zhang X, Zhaxi P, Zheng YT. Естественный отбор по EPAS1 (HIF2alpha) связан с низкой концентрацией гемоглобина у тибетских горцев. Proc Natl Acad Sci USA. 2010;107:11459–11464. doi: 10.1073/pnas.1002443107. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]32. Huerta-Sánchez E, Jin X, Asan Bianba Z, Peter BM, Vinckenbosch N, Liang Y, Yi X, He M, Somel M, Ni P, Wang B, Ou X, Huasang Luosang J, Cuo ZX, Li K, Gao G, Yin Y, Wang W, Zhang X, Xu X, Yang H, Li Y, Wang J, Wang J, Nielsen R. Адаптация к высоте у тибетцев, вызванная интрогрессией денисовской ДНК. Природа. 2014; 512:194–197. doi: 10.1038/nature13408. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]34. Бигхэм А.В., Мао Х, Мей Р., Брутсарт Т., Уилсон М.Дж., Джулиан К.Г., Парра Э.Дж., Эйки Дж.М., Мур Л.Г., Шрайвер М.Д.Выявление локусов-кандидатов положительного отбора для адаптации к высокогорью в популяциях Анд. Гум Геномика. 2009; 4: 79–90. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]35. Саймонсон Т.С., Макклейн Д.А., Джорде Л.Б., Прчал Дж.Т. Генетические детерминанты тибетской высокогорной адаптации. Хам Жене. 2012; 131:527–533. doi: 10.1007/s00439-011-1109-3. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 36. Уэрта-Санчес Э., Деджорджио М., Пагани Л., Тарекегн А., Эконг Р., Антао Т., Кардона А., Монтгомери Х.Э., Каваллери Г.Л., Роббинс П.А., Уил М.Е., Брэдман Н., Бекеле Э., Кивисилд Т., Тайлер-Смит С., Нильсен Р.Генетические сигнатуры показывают адаптацию к высокогорью в ряде эфиопских популяций. Мол Биол Эвол. 2013; 30:1877–1888. doi: 10.1093/molbev/mst089. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]37. Вест Джей Би. Наивысшее постоянное человеческое жилище. High Alt Med Biol. 2002; 3: 401–407. doi: 10.1089/152702

512882. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 38. Леон-Веларде Ф., Гамбоа А., Чукиса Дж. А., Эстеба В. А., Ривера-Чира М., Монж К. С. Гематологические показатели у жителей высокогорья, проживающих на высотах 4355, 4660 и 5500 м над уровнем моря.High Alt Med Biol. 2000; 1:97–104. doi: 10.1089/152702

074233. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 39. Укроп БД. Международная высокогорная экспедиция в Чили, 1935 г. Prog Clin Biol Res. 1983; 136: 201–204. [PubMed] [Google Scholar]40. Брокер WS. Запасы кислорода человека. Наука. 1970; 168: 1537–1538. doi: 10.1126/science.168.3939.1537. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]41. Шафи С., Топал Э. Когда сократятся запасы ископаемого топлива. Энергетическая политика. 2009; 37: 181–189. doi: 10.1016/j.enpol.2008.08.016. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 42. Шаффер Г., Олсен С., Педерсен Дж. Долгосрочное истощение кислорода в океане в ответ на выбросы углекислого газа от ископаемого топлива. Нат Геоски. 2009;2:105–109. doi: 10.1038/ngeo420. [CrossRef] [Google Scholar]43. Мартин Д., Томпсон А., Стюарт И., Гилберт Э., Хоуп К., Каваи Г., Гриффитс А. Парадигма хрупкой Земли в стеклянном стекле Пристли. Экстремальная Физиол Мед. 2012;1(1):1. doi: 10.1186/2046-7648-1-4. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]44. Foyer CH, Bloom AJ, Queval G, Noctor G.Фотодыхательный метаболизм: гены, мутанты, энергетика и окислительно-восстановительная передача сигналов. Annu Rev Plant Biol. 2009; 60: 455–484. doi: 10.1146/annurev.arplant.043008.091948. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]45. Аллен Дж., Нельсон М. Обзор и проектирование биосферы и биосферы 2, миссия первая (1991-1993) Ecol Eng. 1999; 13:15–29. doi: 10.1016/S0925-8574(98)00089-5. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 46. Билл К.М., Строл К.П., Блангеро Дж., Уильямс-Блангеро С., Алмаси Л.А., Декер М.Дж., Уортман К.М., Гольдштейн М.С., Варгас Э., Виллена М., Сориа Р., Аларкон А.М., Гонсалес К.Вентиляция и гипоксическая дыхательная реакция высокогорных жителей Тибета и Аймара. Am J Phys Антропол. 1997; 104: 427–447. doi: 10.1002/(SICI)1096-8644(199712)104:4<427::AID-AJPA1>3.0.CO;2-P. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]47. Гроувз Б.М., Дрома Т., Саттон Дж. Р., Маккалоу Р. Г., Маккалоу Р. Е., Чжуан Дж., Рапмунд Г., Сан С., Джейнс С., Мур Л. Г. Минимальная гипоксическая легочная гипертензия у нормальных тибетцев на высоте 3658 м. J Appl Physiol. 1993; 74: 312–318. doi: 10.1152/jappl.1993.74.1.312. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

Земля без кислорода? Планета, которая когда-то была

Кислород составляет около одной пятой объема земной атмосферы сегодня и является центральным элементом жизни, какой мы ее знаем.

Но так было не всегда. Кислород, хотя он всегда присутствует в соединениях недр Земли, атмосферы и океанов, начал накапливаться в атмосфере в виде газообразного кислорода (O2) только в истории планеты. На что была похожа атмосфера до появления кислорода, — это загадка, которую земные ученые только начали собирать воедино.

Земля образовалась немногим более 4,5 миллиардов лет назад из кусочков космического мусора. Жидкие океаны существовали на планете практически с самого начала, хотя, по всей вероятности, они неоднократно испарялись массивными метеоритами, регулярно обрушивавшимися на планету в течение первых 700 миллионов лет ее существования.Все утряслось 3,8 миллиарда лет назад, когда в геологической летописи появились первые горные породы, сформировавшиеся под водой. (Они существуют на территории нынешней юго-западной Гренландии.)

Если на Земле была вода, то должна была быть и атмосфера, а если была атмосфера, то и климат. Из чего состояла ранняя атмосфера Земли? Азот (N2), конечно.Азот составляет основную часть сегодняшней атмосферы и, вероятно, существовал с самого начала. Водяной пар (h3O), возможно, в результате вулканических выбросов. Углекислый газ (CO2), также выделяемый при извержениях вулканов, которых в то время было много. И метан (Ch5), генерируемый внутри Земли и, возможно, производящими метан микробами, которые процветали на морском дне и в нем, как и сегодня.

Углекислый газ, водяной пар и метан сыграли важную роль в последующем развитии Земли.Четыре миллиарда лет назад Солнце было на 30 процентов тусклее и, следовательно, холоднее, чем сегодня. В таких условиях вода на Земле должна была замерзнуть, но это явно не так. Водяной пар, углекислый газ и метан действовали как парниковые газы, улавливая тепло и изолируя раннюю Землю в критический период ее развития.

Между тем кислорода в ранней атмосфере почти не осталось. То, что действительно существовало, вероятно, образовалось, когда солнечное излучение расщепило переносимые по воздуху молекулы воды (h3O) на водород (h3) и кислород (O2).Водород, легкий газ, должен был подняться над атмосферой и медленно исчезнуть в космосе. Оставшийся более тяжелый газообразный кислород быстро вступал в реакцию с атмосферными газами, такими как метан, или с минералами на поверхности Земли, и вытягивался из атмосферы обратно в кору и мантию. Кислород мог начать накапливаться в атмосфере только в том случае, если он производился быстрее, чем удалялся, — другими словами, если его производило еще что-то.

Это что-то было жизнью.Хотя ископаемые свидетельства отрывочны, микробы, производящие метан, могли населять Землю уже 3,8 миллиарда лет назад. 2,7 миллиарда лет назад утвердился новый вид жизни: фотосинтезирующие микробы, называемые цианобактериями, которые были способны использовать энергию Солнца для преобразования углекислого газа и воды в пищу с газообразным кислородом в качестве побочного продукта. Они жили в мелководных морях, защищенных от полного воздействия вредного солнечного излучения. (Чтобы узнать больше об этих организмах и их ископаемых свидетельствах, посмотрите сопровождающее видео «Ранняя ископаемая жизнь.»)

Эти организмы стали настолько многочисленными, что 2,4 миллиарда лет назад свободный кислород, который они производили, начал накапливаться в атмосфере. Эффект был глубоким. Высоко в атмосфере кислород образовывал защитный слой озона (O3), который экранировал разрушительное ультрафиолетовое излучение Солнца и делал поверхность Земли пригодной для жизни.Ближе к земле присутствие пригодного для дыхания кислорода (O2) открыло дверь для эволюции совершенно новых форм жизни. Одним из непреходящих чудес жизни на Земле является то, что, производя кислород, самые ранние организмы создали условия, которые позволили процветать последующим, более сложным формам жизни. (Чтобы узнать больше об этом предмете, прочитайте сопроводительное эссе «Жизнь оставляет след».)

Повышение содержания кислорода происходило медленно, в течение сотен миллионов лет, и не без сбоев. Джей Кауфман, геолог из Мэрилендского университета, указывает на серию ледниковых периодов — по крайней мере, три из них — которые произошли между 2.4 миллиарда и 2,2 миллиарда лет назад, когда началась эра кислорода. Жизнь, как подозревают Кауфман и другие, могла быть частично ответственна за эти периоды похолодания. Пока микробы были заняты выработкой кислорода, они поглощали углекислый газ из атмосферы, возможно, истончая тепловой покров Земли; кислород, который они производили, вступал в реакцию с метаном, уменьшая еще один парниковый газ. Возникший в результате ледниковый период мог, в свою очередь, снизить микробную активность, позволив углекислому газу, испускаемому вулканами, снова накапливаться, а планета снова нагревалась.Этот цикл мог произойти по крайней мере три раза, каждый раз приводя к несколько более высокому уровню атмосферного кислорода. Но, как подчеркивает Кауфман, многое остается неизвестным об этих периодах оледенения, и потребуется работа многих исследователей, чтобы пролить дополнительный свет на эту эпоху.

«Я бы предположил, что связь ледниковых периодов с атмосферной химией является биологической», — говорит Кауфман. «Мы знаем, что биология может влиять на атмосферу. И если биология вытянет парниковые газы из атмосферы, это может привести к ледниковым периодам и увеличению содержания кислорода.

Трудно сказать, почему рост кислорода произошел именно тогда, когда это произошло. Вместо этого ученые работали над тем, чтобы сузить точное время трансформации. «В сегодняшней атмосфере у нас много кислорода», — говорит Кауфман. «В какой-то момент истории Земли количество кислорода было намного меньше. В какой момент это было? Насколько она была меньше, чем сегодня?» Ответить на эти вопросы — одна из многих задач, стоящих перед земными учеными. Как исследователь изучает атмосферу, которой больше не существует?

«Это очень трудоемкий процесс, «, — говорит Кауфман.«Итак, мы делаем маленькие шажки, как, я думаю, должны делать все ученые, и выстраиваем историю. Придем ли мы когда-нибудь к заключению» — станут ли когда-нибудь наши гипотезы теориями — мы не знаем. Мы просто хотим медленно строить историю. история, основанная на хороших эмпирических данных».

Чтобы узнать больше о том, как земные ученые изучают древнюю атмосферу, прочитайте сопроводительное эссе «Следы в воздухе».

Кислород — Энциклопедия Нового Света

Общие
Название, символ, номер кислород, О, 8
Химическая серия Неметаллы, халькогены
Группа, период, блок 16, 2, п
Внешний вид бесцветный
Атомная масса 15.9994(3) г/моль
Электронная конфигурация 1s 2 2s 2 2p 4
Электронов на оболочку 2, 6
Физические свойства
Фаза газ
Плотность (0 °C, 101,325 кПа)
1,429 г/л
Температура плавления 54,36 К
(-218,79 °С, -361,82 °F)
Температура кипения 90.20 К
(-182,95 ° С, -297,31 ° F)
Критическая точка 154,59 К, 5,043 МПа
Теплота плавления 2 ) 0,444 кДж/моль
Теплота парообразования 2 ) 6,82 кДж/моль
Теплоемкость (25 °C) (O 2 )
29,378 Дж/(моль·K)
Атомные свойства
Кристаллическая структура куб.
Степени окисления 2 , −1
(нейтральный оксид)
Электроотрицательность 3.44 (шкала Полинга)
Энергия ионизации
(подробнее)
1-й: 1313,9 кДж/моль
2-я: 3388,3 кДж/моль
3-й: 5300,5 кДж/моль
Атомный радиус 60 вечера
Атомный радиус (расч.) 48 часов
Ковалентный радиус 73 вечера
Радиус Ван-дер-Ваальса 152 вечера
Разное
Магнитное упорядочение парамагнитный
Теплопроводность (300 К) 26.58 мВт/(м·К)
Скорость звука (газ, 27 °С) 330 м/с
Регистрационный номер CAS 7782-44-7
Известные изотопы

Кислород (химический символ O , атомный номер 8) является вторым наиболее распространенным элементом на Земле и третьим наиболее распространенным элементом во Вселенной. При обычных температуре и давлении свободный кислород (не связанный ни с каким другим элементом) представляет собой бесцветный газ без запаха и вкуса, который составляет около 21% (по объему) воздуха.В сочетании с другими элементами кислород образует разнообразные соединения, важнейшим из которых является вода. Кислород Земли постоянно циркулирует в атмосфере, биосфере и литосфере под влиянием таких процессов, как фотосинтез и поверхностное выветривание.

Кислород необходим для дыхательной функции человека, животных, растений и некоторых видов бактерий. Если человеческое тело лишено кислорода более чем на несколько минут, мозг, сердце и другие органы человека пострадают, что приведет к потере сознания и смерти.С другой стороны, относительно высокие концентрации кислорода при вдыхании при относительно высоком давлении или в течение длительного времени могут оказывать токсическое воздействие.

Возникновение

Кислород является наиболее распространенным компонентом земной коры (46,6 % по массе), вторым по распространенности компонентом Земли в целом (28,2 % по массе) и вторым по распространенности компонентом земной атмосферы (20,947 % по массе). объем). Большая часть кислорода связана с другими элементами.

Считается, что несвязанный кислород (называемый молекулярным кислородом или молекулярным дикислородом, O 2 ) впервые появился в значительных количествах на нашей планете в палеопротерозойскую эру (2500–1600 миллионов лет назад) в результате метаболического действия раннего одиночного кислорода. одноклеточные организмы, классифицированные как археи и бактерии .По мнению экспертов, это новое присутствие большого количества свободного кислорода привело к вымиранию большинства тогда живших организмов. Обилие свободного кислорода в атмосфере в более поздние геологические эпохи вплоть до настоящего времени определялось в основном фотосинтезирующими организмами — примерно на три четверти фитопланктоном и водорослями в океанах и на одну четверть наземными растениями.

Открытие

Кислород был впервые открыт польским алхимиком и философом Михалом Сендзивоем в конце шестнадцатого века.Сендзивой понял, что воздух представляет собой смесь веществ, одно из которых (позже названное кислородом) является животворящим веществом. Он правильно приравнял этот «эликсир жизни» к газу, выделяемому при нагревании селитры (или селитры, минеральной формы нитрата калия).

Кислород был заново открыт шведским фармацевтом Карлом Вильгельмом Шееле незадолго до 1773 года, но его открытие не было опубликовано до независимого открытия Джозефа Пристли 1 августа 1774 года. Пристли опубликовал свое открытие в 1775 году, а Шееле — в 1777 году; следовательно, Пристли обычно отдают должное.

Интерпретация Пристли своих наблюдений была омрачена господствовавшей тогда «теорией флогистона». Согласно этой теории, горящий материал выделяет невидимое невесомое вещество, называемое флогистон , и окружающий воздух (или газ) должен обладать способностью поглощать этот флогистон. Пристли обнаружил, что открытый им газ может поддерживать горение дольше, чем обычный воздух. Он предположил, что этот газ не содержит флогистона и может поглощать его больше, чем обычный воздух.Поэтому он назвал газ дефлогистированным воздухом .

Антуан Лоран Лавуазье, который помог опровергнуть теорию флогистона, назвал этот газ кислородом. Он придумал этот термин из двух греческих слов — οξυς (oxys) , что означает «кислота» или «острый», и γεινομαι (geinomai) , что означает «порождать», основываясь на убеждении, что все кислоты содержат кислород и образуются из кислорода. С тех пор определение кислоты было пересмотрено, так что кислород не обязательно является частью молекулярной структуры каждой кислоты.

Примечательные характеристики

Наиболее распространенная форма кислорода в воздухе обозначается как O 2 , что указывает на то, что каждая молекула состоит из двух атомов кислорода, связанных друг с другом.

Кислород классифицируется как неметалл. В периодической таблице он расположен в верхней части группы 16 (ранее группа 6А), которая представляет собой семейство элементов, называемых халькогенами или семейством кислорода . Кроме того, он находится между азотом и фтором в периоде 2.

При обычных температуре и давлении свободный кислород (не связанный ни с каким другим элементом) представляет собой бесцветный газ без запаха и вкуса, составляющий около 21% (по объему) воздуха.Обычно каждая молекула газообразного кислорода состоит из двух атомов кислорода, связанных друг с другом, поэтому молекулярная формула записывается как O 2 .

Этот молекулярный кислород (O 2 ) необходим для метаболических процессов в организме человека, которые поддерживают нашу жизнь. Человеческое тело не может хранить кислород для последующего использования, как это происходит с пищей. Если организм лишен кислорода более чем на несколько минут, наступает потеря сознания. Ткани и органы тела (особенно сердце и мозг) повреждаются, если лишены кислорода в течение гораздо более длительного времени, чем четыре минуты.

Газообразный кислород становится жидким при температуре ниже -297°F (-183°C) и затвердевает примерно при -362°F (-219°C). Жидкая и твердая формы O 2 имеют светло-голубой цвет и сильно парамагнитны (притягиваются внешним магнитным полем).

Кислород может растворяться в воде при низких концентрациях, но даже этого небольшого количества кислорода достаточно для поддержания дыхания рыб и других водных организмов.

Легко соединяясь с другими элементами, кислород может образовывать различные соединения, как указано ниже.Он классифицируется как 90 976 электроотрицательный элемент с высокой степенью электроотрицательности — другими словами, когда он участвует в химической связи, он сильно притягивает к себе связывающие электроны.

Пожалуй, самая известная реакция кислорода с другими материалами — горение . Для протекания этой реакции необходимо разорвать относительно прочную двойную связь между каждой парой атомов кислорода (в O 2 ). Сгорание обычных видов топлива, таких как древесина, уголь и нефть, приводит к образованию углекислого газа, водяного пара и тепла.

Аллотропы

Озон, обозначаемый как O 3 , представляет собой аллотроп кислорода, в котором каждая молекула состоит из 3 атомов кислорода.

Озон, второстепенный компонент атмосферы Земли, классифицируется как аллотроп кислорода. Каждая молекула озона состоит из трех атомов кислорода, поэтому его молекулярная формула O 3 . При обычных температуре и давлении озон представляет собой бледно-голубой газ. В жидком и твердом состояниях озон имеет темно-синий цвет.

Озон образуется при воздействии электростатического разряда на двухатомный кислород.Он также образуется, когда оксиды азота (выбрасываемые автомобилями) реагируют с летучими органическими соединениями (такими как пары бензина и химические растворители) в присутствии солнечного света.

Повышение концентрации озона вблизи уровня земли может нанести вред здоровью. Он может раздражать легкие и вызывать воспаление, хрипы, кашель и затрудненное дыхание, а повторное воздействие может необратимо повредить легкие. Озон является основным компонентом городского смога.

Напротив, озон в стратосфере играет важную роль в поддержании жизни.Он образует «озоновый слой», который поглощает ультрафиолетовое (УФ) излучение, которое в противном случае могло бы повредить живые ткани и генетический материал.

Поглощенная солнечная энергия также повышает температуру атмосферы внутри озонового слоя, создавая тепловой барьер, который помогает удерживать атмосферу внизу (в отличие от утечки в космос).

Недавно был открыт другой аллотроп кислорода, тетракислород (O 4 ). Это темно-красное твердое вещество, созданное путем повышения давления O 2 до порядка 20 гигапаскалей (ГПа).Его свойства изучаются для использования в ракетном топливе и подобных применениях, поскольку он является гораздо более сильным окислителем, чем O 2 или O 3 .

Изотопы

Кислород имеет 17 известных изотопов с атомными массами от 12,03 u до 28,06 u (где u = единая атомная единица массы). Три из этих изотопа — 16 O, 17 O и 18 O — являются стабильными, а 16 O является наиболее распространенным (более 99,7%). Остальные изотопы радиоактивны с периодом полураспада менее трех минут.

Кислородный цикл

Круговорот кислорода на Земле проходит через три основных резервуара: (а) атмосферу; б) биосфера, часть земной оболочки, в которой возникает жизнь; и (c) литосфера, которая представляет собой земную кору и самый верхний слой мантии. Это циклическое движение, называемое кислородным циклом , классифицируется как биогеохимический цикл , то есть оно включает в себя биологические, геологические и химические процессы.

Подавляющее большинство (99.5%) молекулярного кислорода содержится в горных породах и минералах Земли. Лишь небольшие его доли встречаются в биосфере (0,01%) и атмосфере (0,49%).

Основным источником кислорода в биосфере и атмосфере является фотосинтез, который отвечает за современную атмосферу Земли и жизнь, какой мы ее знаем. Если бы все процессы фотосинтеза прекратились, атмосфера была бы полностью лишена кислорода, кроме следовых количеств, в течение 5000 лет. Фотосинтез превращает углекислый газ и воду в присутствии световой энергии в сахара и кислород.В упрощенной форме это преобразование можно записать так:

CO 2 + H 2 O + энергия → CH 2 O + O 2

Дополнительный источник атмосферного кислорода включает реакции, известные как фотолиз некоторые молекулы в атмосфере:

2H 2 O + энергия → 4H + O 2
2N 2 O + энергия → 4N + O 2

Свободные атомы H и N, образовавшиеся в результате этих процессов, улетучиваются в космос, оставляя O 2 в атмосфере.

Атмосфера теряет кислород различными способами. Основной путь состоит из механизмов дыхания и разложения, при которых жизнь животных потребляет кислород и выделяет углекислый газ. Кроме того, поверхностное выветривание обнаженных пород требует потребления кислорода. Примером химического выветривания поверхности является образование оксидов железа (ржавчины), обнаруженное в красных песках Австралии:

4FeO + O 2 → 2Fe 2 O 3

Кислород также циркулирует между биосферой и литосферой.Морские организмы в биосфере создают карбонатный материал оболочки (CaCO 3 ), богатый молекулярным кислородом. Когда организм умирает, его панцирь откладывается на мелководье морского дна и со временем погребается, образуя известняковую породу в литосфере.

Процессы выветривания, инициированные организмами, могут высвобождать кислород из литосферы. Растения и животные извлекают питательные вещества из горных пород и при этом выделяют кислород.

В следующих таблицах представлены оценки емкости и потоков кислородного цикла.(Эти цифры основаны главным образом на оценках JCG Walker, 1980, ссылки на которые приведены ниже.)


Таблица 1 : Основные резервуары, участвующие в круговороте кислорода

Резервуар Вместимость
(кг O 2 )
Флюс вход/выход
(кг O 2 в год)
Время пребывания
(лет)
Атмосфера 1,4 * 10 18 30 000 * 10 10 4 500
Биосфера 1.6 * 10 16 30 000 * 10 10 50
Литосфера 2,9 * 10 20 60 * 10 10 500 000 000


Таблица 2 : Годовой прирост и потеря атмосферного кислорода (единицы 10 10 кг O 2 в год)

Прибыль
Фотосинтез (суша)
Фотосинтез (океан)
Фотолиз N2O
Фотолиз h3O
16 500
13 500
1.3
0,03
Общая прибыль ~ 30 000
Потери — дыхание и разложение
Аэробное дыхание
Микробное окисление
Сжигание ископаемого топлива (антропологическое)
Фотохимическое окисление
Фиксация N2 молнией
Фиксация N2 промышленностью (антропологическая)
Окисление вулканических газов
23 000
5 100
1 200
600
12
10
5
Потери — Выветривание
Химическое выветривание
Поверхностная реакция O3
50
12
Всего потерь ~ 30 000

Приложения

Обогащенная кислородом смесь газов полезна для нескольких видов лечения.Например, «гипербарическая оксигенотерапия» предполагает использование высоких уровней кислорода для лечения определенных состояний, при которых тканям тела требуется повышенное снабжение кислородом. Кроме того, смесь 30-процентного кислорода с 70-процентной закисью азота является распространенной базовой анестезирующей смесью, а 50-процентная смесь тех же газов (энтонокс) часто используется в качестве анальгетика.

С другой стороны, высокие уровни кислорода, вводимые новорожденным, могут вызвать слепоту, способствуя разрастанию новых кровеносных сосудов в глазу, затрудняя зрение.Кроме того, высокие уровни кислорода, даваемые пациентам с тяжелой эмфиземой и высоким содержанием углекислого газа в крови, снижают дыхательную активность, вызывая задержку большего количества углекислого газа. (См. Кислородную токсичность ниже.)

Кислород должен присутствовать в каждом типе «газа для дыхания», включая газовые смеси, используемые в подводных лодках, аквалангах и космических костюмах. Кроме того, люди, которые лазают по горам или летают на самолетах, иногда имеют дополнительные запасы кислорода.

В промышленности воздух, обогащенный кислородом, используется при производстве таких продуктов, как сталь и метанол.Кроме того, высокотемпературная кислородно-ацетиленовая горелка, используемая при сварке, предполагает сжигание ацетилена в кислороде. Кроме того, жидкий кислород используется в ракетных двигателях.

Соединения

Кислород образует химические связи почти со всеми другими элементами. Он связывается с неметаллами через ковалентные связи, а с металлами через ионные связи. Например, оксиды углерода, азота и серы включают ковалентную связь, тогда как оксиды металлов включают ионную связь. Самый известный оксид – вода (H 2 O).Другим хорошо известным примером является двуокись углерода (CO 2 ). Железо образует два типа оксидов: оксид железа (II) (FeO) и оксид железа (III) (Fe 2 O 3 ). Однако кислород не соединяется с некоторыми благородными газами.

Атомы кислорода входят в состав многих неорганических кислот, таких как серная, азотная и угольная кислоты, и щелочных веществ, таких как гидроксид натрия и гидроксид калия. Кроме того, атомы кислорода входят в состав анионов многих солей, в том числе карбонатов, нитратов и сульфатов.

Кроме того, кислород входит в состав многочисленных классов органических соединений, включая аминокислоты (строительные блоки белков), нуклеотиды (строительные блоки нуклеиновых кислот), углеводы, спирты, альдегиды, кетоны, простые эфиры, эпоксиды и карбоновые кислоты. .

Одним из неожиданных соединений кислорода является гексафторплатинат дикислорода (O 2 + PtF 6 ). Нил Бартлет обнаружил его при изучении свойств гексафторида платины (PtF 6 ), который меняет цвет при воздействии воздуха.

Окислительно-восстановительные реакции

В прошлом химики использовали термин «окисление» для описания реакции, в которой кислород соединяется с другим элементом. Кислород называли «окислителем», а о другом элементе говорили, что он «окисляется». Позже термин «окисление» был переопределен для обозначения потери электронов элементом (в ходе реакции). Химики признали, что происходит одновременный отвод электронов кислородом или другим элементом, и этот прирост назвали «восстановлением».Совсем недавно определение окисления было дополнительно расширено и теперь относится к увеличению «степени окисления» элемента, тогда как термин «восстановление» относится к уменьшению степени окисления элемента. Каждому элементу в молекуле можно присвоить степень окисления, которая представляет собой теоретический заряд элемента, если все присоединенные атомы и общие электронные пары были (теоретически) удалены из него.

Меры предосторожности

Пожароопасность

Высококонцентрированные источники кислорода способствуют быстрому воспламенению и поэтому представляют опасность пожара и взрыва в присутствии топлива.Пожар, унесший жизни экипажа «Аполлона-1» на испытательной стартовой площадке, распространился чрезвычайно быстро, потому что капсула была заполнена чистым кислородом при давлении, немного превышающем атмосферное, вместо 1/3 давления, которое использовалось бы в полете. Подобные опасности также относятся к соединениям кислорода с высоким «окислительным потенциалом», таким как хлораты, перхлораты и дихроматы; они также могут вызывать химические ожоги.

Токсичность кислорода

Если человек вдыхает чистый кислород или богатую кислородом смесь газов при повышенном давлении или при нормальном атмосферном давлении в течение длительного периода времени, ткани организма повреждаются.Говорят, что человек страдает от отравления кислородом , синдрома отравления кислородом или тяжелой гипероксии . Этот синдром может возникнуть, например, когда дайвер вдыхает какой-либо дыхательный газ на глубине, превышающей максимальную рабочую глубину для этого газа.

Существует несколько видов отравления кислородом:

  • Кислородное отравление центральной нервной системы (ЦНС) проявляется головокружением, тошнотой и подергиваниями (особенно лица), приводящими к судорогам.Дайвер, столкнувшийся с такими проблемами, может утонуть или получить смертельное повреждение от давления при быстром всплытии на поверхность.
  • Легочная кислородная токсичность вызывается воздействием высоких концентраций кислорода (при парциальном давлении 0,5 бар или выше) в течение более 16 часов. Это может привести к затруднению дыхания, боли и необратимому повреждению легких. Это редкое осложнение у дайверов, но может беспокоить пациентов, находящихся в реанимации.
  • Ретинопатическая токсичность кислорода вызывает повреждение сетчатки.

Существует повышенный риск отравления кислородом ЦНС при глубоких и длительных погружениях, а также при погружениях с использованием обогащенных кислородом дыхательных газов. Для этих типов дайвинга некоторые курсы обучения дайверов учат дайверов планировать и контролировать «кислородные часы» своих погружений.

Токсичность производных кислорода

Некоторые производные кислорода, такие как озон, синглетный кислород, перекись водорода, гидроксильные радикалы и супероксид, также высокотоксичны. Однако организм разработал механизмы для защиты от этих токсичных соединений.Например, глутатион может действовать как антиоксидант, как и билирубин, продукт распада гемоглобина. Для защиты от разрушительного действия пероксидов почти каждый организм выработал ту или иную форму фермента каталазы, который быстро превращает пероксид в воду и двухатомный кислород.

Производные кислорода склонны к образованию свободных радикалов, особенно в метаболических процессах. Поскольку они могут вызывать серьезные повреждения клеток и их ДНК, они являются частью теорий канцерогенеза и старения.

См. также

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

  • Лос-Аламосская национальная лаборатория – Кислород
  • База данных атомных спектров Nist
  • Нуклиды и изотопы Четырнадцатое издание: Таблица нуклидов, General Electric Company, 1989
  • Клауд, П. и Гибор, А. 1970, Кислородный цикл, Scientific American, сентябрь, с. 110-123
  • Моррис, Р.М., OXYSPHERE – Руководство для начинающих по биогеохимическому круговороту атмосферного кислорода, http://seis.natsci.csulb.edu/rmorris/oxy/Oxy.htm
  • Уокер, Дж. К. Г., 1980, Кислородный цикл в природной среде и биогеохимические циклы, Springer-Verlag, Берлин, Федеративная Республика Германия (DEU)
  • Липпманн, Джон, и Багг, Стэн. Справочник по чрезвычайным ситуациям для дайвинга (ISBN0946020183)

Внешние ссылки

Все ссылки получены 8 января 2019 г.

Кредиты

New World Encyclopedia авторов и редакторов переписали и дополнили статью Wikipedia в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с надлежащим указанием авторства. Упоминание должно осуществляться в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на авторов New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования.

0 comments on “Круговорот кислорода в природе схема и описание: схема, краткое описание и роль — Природа Мира

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.