Круговорот кислорода в природе

Жидкий кислород — мощный окислитель, его используют как компонент  ракетного топлива. Смесь жидкого кислорода и жидкого озона один из самых мощных окислителей ракетного топлива. Пропитанные жидким кислородом такие легко окисляющиеся материалы, как древесные опилки, вата, угольный порошок и др. (эти смеси называют оксиликвитами), используют как взрывчатые вещества, применяемые, например, при прокладке дорог в горах.

 

2.2. Круговорот кислорода.

 

Кислород является наиболее распространенным элементом на Земле. В морской воде содержится 88,8% кислорода, в атмосферном воздухе 23,15% по весу или 20,95% по объему, а в земной коре 47,4% по весу.

Кислород в атмосфере Земли  начал накапливаться в результате деятельности первичных фотосинтезирующих  организмов, появившихся, вероятно, около 2,8 млрд. лет назад. Полагают, что 2 млрд. лет назад атмосфера уже содержала около 1% кислорода; постепенно из восстановительной она превращалась в окислительную и примерно 400 млн. лет назад приобрела современный состав. Наличие в атмосфере кислорода в значительной степени определило характер биологической эволюции. Аэробный (с участием О₂) обмен веществ возник позже анаэробного (без участия О₂), но именно реакции биологического окисления, более эффективные, чем древние энергетические процессы брожения⁴ и гликолиза⁵, снабжают живые организмы большей частью необходимой им энергии. Исключение составляют облигатные анаэробы, например, некоторые паразиты, для которых кислород является ядом. Использование кислорода, обладающего высоким окислительно-восстановительным потенциалом, в качестве конечного акцептора электронов в цепи дыхательных ферментов, привело к возникновению биохимического механизма дыхания современного типа. Этот механизм и обеспечивает энергией аэробные организмы.

Указанная концентрация кислорода в атмосфере поддерживается постоянной благодаря процессу фотосинтеза (рис. 1). В этом процессе зеленые растения под действием солнечного света превращают диоксид углерода и воду в углеводы и кислород:

6CO₂ + 6H₂O + энергия света = C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Выше приведено суммарное уравнение  фотосинтеза; на самом же деле, кислород выделяется в атмосферу на первой его стадии – в процессе фотолиза воды.

Наряду с этим, мощным источником кислорода является, по-видимому, фотохимическое разложение водяного пара в верхних слоях  атмосферы под влиянием ультрафиолетовых лучей солнца.

 

Рис.1. Условная схема фотосинтеза.

Кислород - основной биогенный элемент, входящий в состав молекул всех важнейших веществ, обеспечивающих структуру и функции клеток - белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, а также множества низкомолекулярных соединений. В каждом растении или животном кислорода гораздо больше, чем любого другого элемента (в среднем около 70%). Мышечная ткань человека содержит 16% кислорода, костная ткань - 28,5%; всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 43 кг кислорода. В организм животных и человека кислород поступает в основном через органы дыхания (свободный кислород) и с водой (связанный кислород). Потребность организма в кислороде определяется уровнем (интенсивностью) обмена веществ, который зависит от массы и поверхности тела, возраста, пола, характера питания, внешних условий и др. В экологии как важную энергетическую характеристику определяют отношение суммарного дыхания (то есть суммарных окислительных процессов) сообщества организмов к его суммарной биомассе.

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. 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.

Незначительное количество атмосферного кислорода участвует в цикле образования и разрушения озона при сильном ультрафиолетовом излучении:

 

O₂ → O₂^* 

O₂^* + O₂ → O₃ + O

O + O₂ → O₃

 

2O₃ → 3O₂

 

Большая часть кислорода, вырабатываемого  в течение геологических эпох, не оставалась в атмосфере, а фиксировалась литосферой в виде карбонатов, сульфатов, оксидов железа и др.

Геохимический круговорот кислорода связывает газовую  и жидкую оболочки с земной корой. Его основные моменты: выделение  свободного кислорода при фотосинтезе, окисление химических элементов, поступление предельно окисленных соединений в глубокие зоны земной коры и их частичное восстановление, в том числе за счет соединений углерода, вынос оксида углерода и воды на поверхность земной коры и вовлечение их в реакцию фотосинтеза. Схема круговорота кислорода в несвязанном виде представлена ниже.

Рис.2. Схема круговорота  кислорода в природе.

Кроме описанного выше круговорота  кислорода в несвязанном виде, этот элемент совершает еще и  важнейший круговорот, входя в  состав воды (рис. 3). В процессе круговорота вода испаряется с поверхности океана, водяные пары перемещаются вместе с воздушными течениями, конденсируются, и вода возвращается в виде атмосферных осадков на поверхность суши и моря. Различают большой круговорот воды, при котором вода, выпавшая в виде осадков на сушу, возвращается в моря путем поверхностного и подземного стоков; и малый круговорот воды, при котором осадки выпадают на поверхность океана.

Из приведенных примеров круговоротов и миграции элемента видно, что глобальная система циклической миграции химических элементов обладает высокой способностью к саморегуляции, при этом огромную роль в круговороте химических элементов играет биосфера.

В то же время хозяйственная  деятельность человека вызывает деформацию природных циклов массообмена и, следовательно, изменение состава окружающей среды. Эти изменения происходят значительно быстрее, чем совершаются процессы генетической адаптации организмов и видообразования. Зачастую хозяйственные действия настолько непродуманны или несовершенны, что создают острую экологическую опасность. Изучение процессов массообмена, связывающих в единое целое все оболочки Земли, должно помочь в создании системы контроля за эколого-

Рис. 3. Схема круговорота воды в природе.

 

геохимическим состоянием окружающей среды и разработке научно обоснованного прогноза экологических последствий хозяйственных действий и новых технологий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы.

1. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. Учеб. пособие для геогр., биол., геол., с.-х. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1998
2. Каменский А.А., Соколова Н.А., Валовая М.А. Основы биологии. Полный курс общеобразовательной средней школы/ А.А. Каменский, Н.А. Соколова, М.А. Валовая. – М.: Издательство «Экзамен», 2004 – 448 с.
3. Интернет-ресурс http://ru.wikipedia.org/

¹ Сукцессия (от лат. succesio – преемственность) - последовательная смена экосистем, преемственно возникающих на определенном участке земной поверхности. Обычно сукцессия происходит под влиянием процессов внутреннего развития сообществ, их взаимодействия с окружающей средой. Длительность сукцессии составляет от десятков до миллионов лет.

² Флогисто́н (от греч. phlogistos - горючий, воспламеняемый) - гипотетическая «огненная субстанция», якобы наполняющая все горючие вещества и высвобождающаяся из них при горении.

³ Гем - производное порфирина, содержащего в центре молекулы атом двухвалентного железа.

⁴ Броже́ние (тж. сбра́живание, фермента́ция) - это, в наиболее строгом смысле, анаэробный метаболический распад молекул питательных веществ, например глюкозы, без окисления в чистом виде.

⁵ Глико́лиз - анаэробный ферментативный процесс последовательного расщепления глюкозы в клетках, сопровождающийся синтезом АТФ и завершающийся образованием пировиноградной кислоты или молочной кислоты. Гликолиз является основным путём катаболизма глюкозы в организме животных.

1