какое значение имеет кислород для биосферы
Круговорот кислорода: схема, описание процесса и его значение для жизни на Земле
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%).
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:
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.
Кислородный этап эволюции – дыхание, его сущность. Роль кислорода в эволюции биоты и биосферы
Накопление в атмосфере свободного кислорода привело к коренному преобразованию условий жизни на Земле. К моменту появления первых живых организмов Земля сильно остывает, снижается количество грозовых разрядов в атмосфере, затухает вулканическая деятельность. Практически единственным источником энергии для абиогенного синтеза органических веществ является ультрафиолетовое излучение Солнца.
С появлением кислорода в верхних слоях атмосферы, на высоте 15-30 км, сформировался озоновый экран, защитивший живые организмы от губительного действия ультрафиолетового излучения, что послужило предпосылкой возникновения жизни не только в воде, но и на суше. Одновременно озоновый экран, снизив интенсивность падающего на Землю ультрафиолетового излучения, практически остановил абиогенный синтез органических веществ, вследствие чего дальнейшее существование жизни на Земле стало полностью зависеть от дея тельности фотосинтезирующих организмов.
Фотосинтезирующие бактерии, в первую очередь цианобактерии, и в настоящее время широко распространенная и процветающая группа живых организмов. «Цветение» воды в конце лета обусловлено главным образом бурным развитием циано- бактерий. Они способны не только к автотрофному питанию путем фотосинтеза, но и к гетеротрофному питанию готовыми органическими веществами. Поэтому загрязнение водоемов органическими веществами под воздействием хозяйственной деятельности человека создает благоприятные условия для развития цианобактерий (сине-зеленых водорослей), которые, бурно размножаясь, вытесняют эукариотические водоросли, что снижает продуктивность водоемов, приводя к гибели планктонных организмов и рыб.
Биологические преимущества кислородного дыхания очевидны: при кислородном окислении органических веществ из единицы (например, из 1 г) органических веществ можно извлечь в 19 раз больше энергии, чем при бескислородном дыхании. Вследствие этою бактерии-аэробы оказались способными значительно экономнее расходовать органические вещества, чем анаэробы, что, в свою очередь, позволило им существовать в условиях относительно низких концентраций органических веществ.
Сущность дыхания— окисление органических веществ в клетках с освобождением энергии, необходимой для процессов жизнедеятельности. Поступление необходимого для дыхания кислорода в клетки тела растений и животных: у растений через устьица, чечевички, трещины в коре деревьев; у животных — через поверхность тела (например, у дождевого червя), через органы дыхания (трахеи у насекомых, жабры у рыб, легкие у наземных позвоночных и человека). Транспорт кислорода кровью и поступление его в клетки различных тканей и органов у многих животных и человека.
2. Участие кислорода в окислении органических веществ до неорганических, освобождение при этом полученной с пищей энергии, использование ее во всех процессах жизнедеятельности. Поглощение кислорода организмом и удаление из него углекислого газа через поверхность тела или органы дыхания — газообмен.
3. Взаимосвязь строения и функций органов дыхания. Приспособленность органов дыхания, например у животных и человека, к выполнению функций поглощения кислорода и выделения углекислого газа: увеличение объема легких человека и млекопитающих животных за счет огромного числа легочных пузырьков, пронизанных капиллярами, возрастание поверхности соприкосновения крови с воздухом, повышение за счет этого интенсивности газообмена. Приспособленность строения стенок дыхательных путей к движению воздуха при вдохе и выдохе, очищению его от пыли (реснитчатый эпителий, наличие хрящей).
4. Газообмен в легких. Обмен газов в организме путем диффузии. Поступление в легкие по артериям малого круга кровообращения венозной крови, содержащей небольшое количество кислорода и большое количество углекислого газа. Проникновение в плазму венозной крови кислорода из легочных пузырьков и капилляров путем диффузии через их тонкие стенки, а затем в эритроциты. Образование непрочного соединения кислорода с гемоглобином — оксигемоглобина. Постоянное насыщение плазмы крови кислородом и одновременное выделение из крови в воздух легких углекислого газа, превращение венозной крови в артериальную.
5. Газообмен в тканях. Поступление по большому кругу кровообращения артериальной, насыщенной кислородом и бедной углекислым газом крови в ткани. Поступление кислорода в межклеточное вещество и клетки тела, где его концентрация значительно ниже, чем в крови. Одновременное насыщение крови углекислым газом, превращение ее из артериальной в венозную. Транспорт углекислого газа, образующего непрочное соединение с гемоглобином, в легкие.
Кислород — сильный окислитель и губителен для анаэробных (живущих в бескислородной среде) организмов. Поэтому для живых организмов того времени он был сильным ядом. Практически кислород стал загрязнителем атмосферы, что привело к экологическому кризису. Живые организмы должны были погибнуть или приспособиться к новым условиям среды. У них стали появляться различные механизмы обезвреживания ядов. Некоторые из них выполняют у современных живых организмов совершенно иные функции. Например, ученые считают, что биохимический механизм, при помощи которого светлячок вырабатывает световую энергию, появился у древних организмов как средство обезвреживания губительного воздействия кислорода. В конечном итоге природн ни пит наиболее рациональный путь решения э,той проблемы. Живые организмы уже не боролись против кислорода, а использовали его для получения энергии. Появился процесс дыхания.
Фотосинтез сыграл огромную роль в развитии органического мира и эволюции биосферы.
Круговорот кислорода в природе
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.
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).
Скорость круговорота кислорода
Если какие-то отдельные процессы, входящие в данный биогеохимический цикл, могут осуществляться достаточно быстро (например, вдох и выдох в течение нескольких секунд), то целиком круговорот кислород, с учётом всех входящих в него процессов, может осуществляться около двух тысяч лет. За этот промежуток времени весь атмосферный кислород проходит через всю биосферу целиком.
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.
Кислородный цикл
Кислородный цикл ‒ это синоним к термину “круговорот кислорода в природе”. Ведь круговорот всегда означает цикл. Кислород, однажды потреблённый или расходованный из атмосферы, неизбежно вернётся обратно в атмосферу.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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:
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:
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:
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:
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 — 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.
Узнавайте обо всем первыми
Подпишитесь и узнавайте о свежих новостях Казахстана, фото, видео и других эксклюзивах.