- Eigenschaften
- Ursprung
- Primitive Atmosphäre
- Energien, die den Kreislauf antreiben
- Beziehung zu anderen biogeochemischen Kreisläufen
- Stauseen
- Geosphäre
- Atmosphäre
- Hydrosphäre
- Kryosphäre
- ODER
- Stufen
- -Umweltstadium von Reservoir und Quelle: Atmosphäre-Hydrosphäre-Kryosphäre-Geosphäre
- Atmosphäre
- Stratosphäre
- Hydrosphäre
- Kryosphäre
- Geosphäre
- - Photosynthesestadium
- -Atmosphärische Rückphase
- -Respiratorisches Stadium
- Photorespiration
- Bedeutung
- Änderungen
- Treibhauseffekt
- Verweise
Der Sauerstoffkreislauf bezieht sich auf die Kreislaufbewegung von Sauerstoff auf der Erde. Es ist ein gasförmiger biogeochemischer Kreislauf. Sauerstoff ist nach Stickstoff das zweithäufigste Element in der Atmosphäre und nach Wasserstoff das zweithäufigste Element in der Hydrosphäre. In diesem Sinne ist der Sauerstoffkreislauf mit dem Wasserkreislauf verbunden.
Die Kreislaufbewegung von Sauerstoff umfasst die Produktion von Disauerstoff oder molekularem Sauerstoff aus zwei Atomen (O 2 ). Dies geschieht aufgrund der Hydrolyse während der Photosynthese, die von den verschiedenen photosynthetischen Organismen durchgeführt wird.
Sauerstoffreservoir: Nebelwald, Waraira Repano National Park, Venezuela. Arnaldo Noguera Sifontes von Wikimedia Commons
O 2 wird von lebenden Organismen in der Zellatmung verwendet und erzeugt Kohlendioxid (CO 2 ), wobei letzteres einer der Rohstoffe für den Photosyntheseprozess ist.
Andererseits findet in der oberen Atmosphäre eine Photolyse (durch Sonnenenergie aktivierte Hydrolyse) von Wasserdampf statt, die durch ultraviolette Strahlung der Sonne verursacht wird. Wasser zersetzt sich und setzt Wasserstoff frei, der in der Stratosphäre verloren geht, und Sauerstoff wird in die Atmosphäre integriert.
Wenn ein O 2 -Molekül mit einem Sauerstoffatom interagiert , entsteht Ozon (O 3 ). Ozon bildet die sogenannte Ozonschicht.
Eigenschaften
Sauerstoff ist ein nichtmetallisches chemisches Element. Seine Ordnungszahl ist 8, dh es hat 8 Protonen und 8 Elektronen in seinem natürlichen Zustand. Unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen liegt es in Form von farblosem und geruchlosem Sauerstoffgas vor. Seine Summenformel lautet O 2 .
O 2 enthält drei stabile Isotope: 16 O, 17 O und 18 O. Die im Universum vorherrschende Form ist 16 O. Auf der Erde macht sie 99,76% des gesamten Sauerstoffs aus. Das 18 O entspricht 0,2%. Die 17 O- Form ist sehr selten (~ 0,04%).
Ursprung
Sauerstoff ist das dritthäufigste Element im Universum. Die Produktion des 16 O- Isotops begann in der ersten Generation der solaren Heliumverbrennung nach dem Urknall.
Die Etablierung des Kohlenstoff-Stickstoff-Sauerstoff-Nukleosynthesezyklus in späteren Sterngenerationen hat die vorherrschende Sauerstoffquelle auf den Planeten bereitgestellt.
Hohe Temperaturen und Drücke erzeugen Wasser (H 2 O) im Universum, indem sie die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff erzeugen. Wasser ist Teil der Zusammensetzung des Erdkerns.
Magma-Aufschlüsse geben Wasser in Form von Dampf ab und dieser tritt in den Wasserkreislauf ein. Wasser wird durch Photolyse durch Photosynthese in Sauerstoff und Wasserstoff sowie durch ultraviolette Strahlung in den oberen Bereichen der Atmosphäre zersetzt.
Primitive Atmosphäre
Die primitive Atmosphäre vor der Entwicklung der Photosynthese durch Cyanobakterien war anaerob. Für lebende Organismen, die an diese Atmosphäre angepasst waren, war Sauerstoff ein giftiges Gas. Noch heute verursacht eine Atmosphäre aus reinem Sauerstoff irreparable Schäden an den Zellen.
Die Photosynthese entstand in der Evolutionslinie der heutigen Cyanobakterien. Dies begann vor ungefähr 2,3 bis 2,7 Milliarden Jahren die Zusammensetzung der Erdatmosphäre zu verändern.
Die Proliferation von photosynthetisierenden Organismen veränderte die Zusammensetzung der Atmosphäre. Das Leben entwickelte sich zur Anpassung an eine aerobe Atmosphäre.
Energien, die den Kreislauf antreiben
Die Kräfte und Energien, die den Sauerstoffkreislauf antreiben, können geothermisch sein, wenn Magma Wasserdampf ausstößt, oder es kann aus Sonnenenergie stammen.
Letzteres liefert die grundlegende Energie für den Photosynthesevorgang. Die chemische Energie in Form von Kohlenhydraten aus der Photosynthese treibt wiederum alle lebenden Prozesse durch die Nahrungskette. Auf die gleiche Weise erzeugt die Sonne die planetare Differenzheizung und verursacht die Meeres- und Atmosphärenströme.
Beziehung zu anderen biogeochemischen Kreisläufen
Aufgrund seiner Häufigkeit und hohen Reaktivität ist der Sauerstoffkreislauf mit anderen Kreisläufen wie CO 2 , Stickstoff (N 2 ) und dem Wasserkreislauf (H 2 O) verbunden. Dies gibt ihm einen multizyklischen Charakter.
Die O 2 - und CO 2 -Reservoirs sind durch Prozesse verbunden, bei denen organische Stoffe erzeugt (Photosynthese) und zerstört (Atmung und Verbrennung) werden. Kurzfristig sind diese Oxidations-Reduktions-Reaktionen die Hauptursache für die Variabilität der O 2 -Konzentration in der Atmosphäre.
Denitrifizierende Bakterien erhalten Sauerstoff für ihre Atmung aus Nitraten im Boden und setzen Stickstoff frei.
Stauseen
Geosphäre
Sauerstoff ist einer der Hauptbestandteile von Silikaten. Daher macht es einen erheblichen Teil des Erdmantels und der Erdkruste aus.
- Erdkern : Im flüssigen Außenmantel des Erdkerns befinden sich neben Eisen noch andere Elemente, einschließlich Sauerstoff.
- Der Boden : In den Räumen zwischen Partikeln oder Poren des Bodens wird die Luft diffundiert. Dieser Sauerstoff wird von der Bodenmikrobiota verwendet.
Atmosphäre
21% der Atmosphäre besteht aus Sauerstoff in Form von Disauerstoff (O 2 ). Die anderen Formen der Anwesenheit von Luftsauerstoff sind Wasserdampf (H 2 O), Kohlendioxid (CO 2 ) und Ozon (O 3 ).
- Wasserdampf : Die Wasserdampfkonzentration ist abhängig von Temperatur, Luftdruck und atmosphärischen Zirkulationsströmen (Wasserkreislauf) variabel.
- Kohlendioxid : CO 2 macht ungefähr 0,03% des Luftvolumens aus. Seit Beginn der industriellen Revolution hat die CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre um 145% zugenommen .
- Ozon : Es ist ein Molekül, das in geringer Menge in der Stratosphäre vorhanden ist (0,03 - 0,02 Volumenteile pro Million).
Hydrosphäre
71% der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt. Mehr als 96% des auf der Erdoberfläche vorhandenen Wassers ist in den Ozeanen konzentriert. 89% der Masse der Ozeane besteht aus Sauerstoff. CO 2 ist ebenfalls in Wasser gelöst und unterliegt einem Austauschprozess mit der Atmosphäre.
Kryosphäre
Die Kryosphäre bezieht sich auf die Masse an gefrorenem Wasser, die bestimmte Bereiche der Erde bedeckt. Diese Eismassen enthalten ungefähr 1,74% des Wassers in der Erdkruste. Andererseits enthält Eis unterschiedliche Mengen an eingeschlossenem molekularem Sauerstoff.
ODER
Die meisten Moleküle, aus denen die Struktur von Lebewesen besteht, enthalten Sauerstoff. Andererseits ist ein hoher Anteil an Lebewesen Wasser. Daher ist die terrestrische Biomasse auch eine Sauerstoffreserve.
Stufen
Im Allgemeinen umfasst der Kreislauf, dem Sauerstoff als chemisches Mittel folgt, zwei große Bereiche, die seinen Charakter als biogeochemischer Kreislauf ausmachen. Diese Bereiche sind in vier Stufen dargestellt.
Das Geoumweltgebiet umfasst die Verschiebungen und Eindämmungen von Sauerstoff in der Atmosphäre, der Hydrosphäre, der Kryosphäre und der Geosphäre. Dies umfasst die Umweltphase des Reservoirs und der Quelle sowie die Phase der Rückkehr in die Umwelt.
Sauerstoffkreislauf. Eme Chicano von Wikimedia Commons
Der biologische Bereich umfasst auch zwei Stadien. Sie sind mit Photosynthese und Atmung verbunden.
-Umweltstadium von Reservoir und Quelle: Atmosphäre-Hydrosphäre-Kryosphäre-Geosphäre
Atmosphäre
Die Hauptquelle für Luftsauerstoff ist die Photosynthese. Es gibt aber auch andere Quellen, aus denen Sauerstoff in die Atmosphäre gelangen kann.
Einer davon ist der flüssige Außenmantel des Erdkerns. Sauerstoff gelangt durch Vulkanausbrüche als Wasserdampf in die Atmosphäre. Wasserdampf steigt in die Stratosphäre auf, wo er infolge energiereicher Sonnenstrahlung einer Photolyse unterzogen wird und freier Sauerstoff erzeugt wird.
Andererseits gibt die Atmung Sauerstoff in Form von CO 2 ab . Verbrennungsprozesse, insbesondere industrielle Prozesse, verbrauchen ebenfalls molekularen Sauerstoff und tragen CO 2 zur Atmosphäre bei.
Beim Austausch zwischen Atmosphäre und Hydrosphäre gelangt der in den Wassermassen gelöste Sauerstoff in die Atmosphäre. Atmosphärisches CO 2 wird seinerseits als Kohlensäure in Wasser gelöst. In Wasser gelöster Sauerstoff stammt hauptsächlich aus der Photosynthese von Algen und Cyanobakterien.
Stratosphäre
In den oberen Ebenen der Atmosphäre hydrolysiert energiereiche Strahlung Wasserdampf. Kurzwellige Strahlung aktiviert O 2 -Moleküle . Diese werden in freie Sauerstoffatome (O) aufgeteilt.
Diese freien O-Atome reagieren mit O 2 -Molekülen und produzieren Ozon (O 3 ). Diese Reaktion ist reversibel. Aufgrund der Wirkung von ultravioletter Strahlung zersetzt sich O 3 wieder in freie Sauerstoffatome.
Sauerstoff als Bestandteil der Luft ist Teil verschiedener Oxidationsreaktionen, bei denen verschiedene terrestrische Verbindungen integriert werden. Eine wichtige Senke für Sauerstoff ist die Oxidation von Gasen aus Vulkanausbrüchen.
Hydrosphäre
Die größte Wasserkonzentration auf der Erde sind die Ozeane, in denen es eine gleichmäßige Konzentration an Sauerstoffisotopen gibt. Dies ist auf den ständigen Austausch dieses Elements mit der Erdkruste durch hydrothermale Zirkulationsprozesse zurückzuführen.
An den Grenzen der tektonischen Platten und Ozeankämme wird ein konstanter Prozess des Gasaustauschs erzeugt.
Kryosphäre
Landeismassen, einschließlich polarer Eismassen, Gletscher und Permafrost, bilden eine wichtige Senke für Sauerstoff in Form von Festkörperwasser.
Geosphäre
Ebenso ist Sauerstoff am Gasaustausch mit dem Boden beteiligt. Dort ist es das entscheidende Element für die Atmungsprozesse von Bodenmikroorganismen.
Eine wichtige Senke im Boden sind die Prozesse der Mineraloxidation und der Verbrennung fossiler Brennstoffe.
Der Sauerstoff, der Teil des Wassermoleküls ist (H 2 O), folgt dem Wasserkreislauf bei den Prozessen der Verdampfung-Transpiration und Kondensation-Ausfällung.
- Photosynthesestadium
Die Photosynthese findet in Chloroplasten statt. Während der Lichtphase der Photosynthese wird ein Reduktionsmittel benötigt, dh eine Elektronenquelle. Das Mittel ist in diesem Fall Wasser (H 2 O).
Durch die Entnahme von Wasserstoff (H) aus Wasser wird Sauerstoff (O 2 ) als Abfallprodukt freigesetzt. Wasser gelangt über die Wurzeln aus dem Boden in die Pflanze. Bei Algen und Cyanobakterien stammt es aus der aquatischen Umwelt.
Der gesamte bei der Photosynthese entstehende molekulare Sauerstoff (O 2 ) stammt aus dem dabei verwendeten Wasser. Bei der Photosynthese werden CO 2 , Sonnenenergie und Wasser (H 2 O) verbraucht und Sauerstoff (O 2 ) freigesetzt.
-Atmosphärische Rückphase
Das bei der Photosynthese entstehende O 2 wird bei Pflanzen über die Stomata in die Atmosphäre ausgestoßen. Algen und Cyanobakterien geben es durch Membrandiffusion an die Umwelt zurück. In ähnlicher Weise geben Atmungsprozesse Sauerstoff in Form von Kohlendioxid (CO 2 ) an die Umwelt zurück .
-Respiratorisches Stadium
Um ihre lebenswichtigen Funktionen zu erfüllen, müssen lebende Organismen die durch die Photosynthese erzeugte chemische Energie wirksam machen. Diese Energie wird bei Pflanzen in Form komplexer Kohlenhydratmoleküle (Zucker) gespeichert. Der Rest der Organismen bezieht es aus der Nahrung
Der Prozess, bei dem Lebewesen chemische Verbindungen entfalten, um die erforderliche Energie freizusetzen, wird als Atmung bezeichnet. Dieser Prozess findet in Zellen statt und hat zwei Phasen; eine aerobe und eine anaerobe.
Die aerobe Atmung findet in den Mitochondrien bei Pflanzen und Tieren statt. Bei Bakterien wird es im Zytoplasma durchgeführt, da ihnen Mitochondrien fehlen.
Das Grundelement für die Atmung ist Sauerstoff als Oxidationsmittel. Bei der Atmung wird Sauerstoff (O 2 ) verbraucht und CO 2 und Wasser (H 2 O) freigesetzt, wodurch nützliche Energie erzeugt wird.
CO 2 und Wasser (Wasserdampf) werden in Pflanzen durch Stomata freigesetzt. Bei Tieren wird CO 2 durch die Nasenlöcher und / oder den Mund und Wasser durch Schweiß freigesetzt. In Algen und Bakterien wird CO 2 durch Membrandiffusion freigesetzt.
Photorespiration
In Pflanzen entwickelt sich in Gegenwart von Licht ein Prozess, der Sauerstoff und Energie verbraucht, der als Photorespiration bezeichnet wird. Die Photorespiration nimmt mit zunehmender Temperatur aufgrund der Zunahme der CO 2 -Konzentration in Bezug auf die O 2 -Konzentration zu .
Die Photorespiration stellt eine negative Energiebilanz für die Pflanze her. Es verbraucht O 2 und chemische Energie (durch Photosynthese erzeugt) und setzt CO 2 frei . Aus diesem Grund haben sie evolutionäre Mechanismen entwickelt, um dem entgegenzuwirken (C4- und CAN-Metabolismus).
Bedeutung
Heute ist die überwiegende Mehrheit des Lebens aerob. Ohne die Zirkulation von O 2 im Planetensystem wäre ein Leben, wie wir es heute kennen, unmöglich.
Darüber hinaus macht Sauerstoff einen erheblichen Anteil der Luftmassen der Erde aus. Daher trägt es zu den damit verbundenen atmosphärischen Phänomenen und ihren Folgen bei: unter anderem erosive Effekte, Klimaregulierung.
Direkt erzeugt es Oxidationsprozesse im Boden, von vulkanischen Gasen und auf künstlichen Metallstrukturen.
Sauerstoff ist ein Element mit einer hohen Oxidationskapazität. Obwohl Sauerstoffmoleküle aufgrund der Tatsache, dass sie eine Doppelbindung bilden, sehr stabil sind, hat Sauerstoff eine hohe Reaktionsfähigkeit, da er eine hohe Elektronegativität (die Fähigkeit, Elektronen anzuziehen) aufweist. Aufgrund dieser hohen Elektronegativität ist Sauerstoff an vielen Oxidationsreaktionen beteiligt.
Änderungen
Die überwiegende Mehrheit der in der Natur ablaufenden Verbrennungsprozesse erfordert die Beteiligung von Sauerstoff. Ebenso bei denen, die vom Menschen erzeugt werden. Diese Prozesse erfüllen sowohl anthropische als auch negative Funktionen.
Die Verbrennung fossiler Brennstoffe (Kohle, Öl, Gas) trägt zur wirtschaftlichen Entwicklung bei, stellt jedoch gleichzeitig aufgrund ihres Beitrags zur globalen Erwärmung ein ernstes Problem dar.
Große Waldbrände beeinträchtigen die biologische Vielfalt, obwohl sie in einigen Fällen Teil natürlicher Prozesse in bestimmten Ökosystemen sind.
Treibhauseffekt
Die Ozonschicht (O 3 ) in der Stratosphäre ist der Schutzschild der Atmosphäre gegen das Eindringen von überschüssiger ultravioletter Strahlung. Diese hochenergetische Strahlung erhöht die Erwärmung der Erde.
Andererseits ist es stark mutagen und schädlich für lebendes Gewebe. Bei Menschen und anderen Tieren ist es krebserregend.
Die Emission verschiedener Gase bewirkt die Zerstörung der Ozonschicht und erleichtert somit den Eintritt von ultravioletter Strahlung. Einige dieser Gase sind Fluorchlorkohlenwasserstoffe, Fluorchlorkohlenwasserstoffe, Ethylbromid, Stickoxide aus Düngemitteln und Halone.
Verweise
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