Кислородная катастрофа, или кислородная революция в истории земли

Озон

Присутствие атмосферного кислорода привело к образованию озона (O ₃ ) и озонового слоя в стратосфере :

О2+тыv ляграммчаст⟶2 О(λ≲200 нм){\ displaystyle \ mathrm {O_ {2} + uv ~ light \ longrightarrow 2 ~ O} \ qquad (\ lambda \ lesssim 200 ~ {\ text {nm}})}

О+О2⟶О3{\ displaystyle \ mathrm {O + O_ {2} \ longrightarrow O_ {3}}}

О + О ₂  : — О ₃

Озоновый слой чрезвычайно важен для современной жизни, поскольку он поглощает вредное ультрафиолетовое излучение:

О3+тыv ляграммчаст⟶О2+О(λ≲300 нм){\ displaystyle \ mathrm {O_ {3} + uv ~ light \ longrightarrow O_ {2} + O} \ qquad (\ lambda \ lesssim 300 ~ {\ text {nm}})}

Жизнь и кислород

Появление свободного кислорода послужило началом изменения животного мира. Некоторые ученые считают, что он начал накапливаться в воде и лишь потом перешел на сушу, но точных доказательств этому нет.

На данный момент О2 — важнейший газ на Земле, без которого мы не сможем просуществовать даже небольшое количество времени. Его количество очень большое, больше, чем любого другого вещества на Земле. Содержится он в основном в связанном виде в земной коре в виде оксидов железа, сульфатов, силикатов, карбонатов и еще в около полутора тысяч соединений. Также очень большое количество содержится его в воде — связанного и растворенного. Еще он есть в воздухе и в каждой клетке любого живого организма. 

Содержание в атмосфере пополняется за счет фотосинтеза, причем в большей степени фитопланктонов мирового океана, а не лесов, как можно подумать. Не смотря на то, что на нашей планете он появился очень давно, до сих пор остались некоторые виды анаэробов, которые обитают в воде, лишенной кислорода; иле, где создается восстановительная среда. Это бактерии, из-за того, что бескислородных мест на Земле очень мало, развиваться далее они не могут.

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.

Круговорот азота

Океан воздуха, окружающий Землю, содержит 78% азота. Однако большинство организмов неспособны непосредственно усваивать атмосферный азот. Они используют в основном связанный азот: нитраты, аммонийный и амидный азот.

Круговорот азота состоит из следующих процессов: получение связанного азота, использование его живыми организмами, преобразование соединений азота в свободный азот.

Варианты получения связанного азота (млн т/год): синтез оксидов азота в атмосфере грозовыми разрядами — 7,6; фиксирование атмосферного азота микроорганизмами — 30, бобовыми — 14, синезелеными водорослями — 10; синтез азотных удобрений человеком — 30. Всего около 92 млн т/год связанного азота.

Круговорот связанного азота в биосфере. Азот в форме нитратов используется растениями для синтеза протеинов, являющихся составной частью всех клеток растительных и животных организмов. Содержание азота в тканях около 3%. Протеины при отмирании служат питанием целой цепи почвенных организмов. Они, разлагая органическое вещество, переводят органический азот в аммиак. Другие бактерии переводят аммиак в нитраты. Последние снова используют растения, и цикл превращений азота в пищевой цепи повторяется.

Окисление азота аммиака до нитритов осуществляется с участием бактерий Nitrosomonos (реакция нитрификации):

NH3 + 1,5O2 — HNO2 + H2O + 273 кДж/моль. (1.2)

Выделяющейся при этом энергии вполне достаточно для существования этих бактерий. Это исключительный случай в живой природе, который позволяет поддерживать существование живых организмов без энергии Солнца. Они не потребляют энергию, запасенную в органических веществах, а используют энергию окисления неорганических веществ. Другие микроорганизмы способствуют окислению нитритов дальше до нитратов с выделением энергии в 71 кДж/моль, что позволяет им выживать, так же как и вышеуказанным бактериям.

Аммиак почвы может усваиваться растениями и без его нитрификации. При этом он включается в аминокислоты и становится частью белка растения, а после поедания растений переходит в животные белки. Белок возвращается в почву, где он распадается на аминокислоты, которые окисляются при участии бактерий до СО₂, Н₂О, NH₃. И цикл повторяется.

Связанный азот в количестве 2-3 млн т/год в виде растворимых соединений попадает с водой в океан и надолго теряется для биосферы в донных отложениях. Эти потери в основном компенсируются соединениями азота из вулканических газов.

Структура природного цикла

Вся жизнь на планете подчиняется законам одного глобального круговорота, который можно разделить на две основные составляющие. Они отличаются структурами и характером протекающих в них процессах. Различают такие основные циклы:

• Большой либо геологический
• Малый либо биологический

Геологический

Этот вид еще зовется круговоротом воды в природе, где жидкость постоянно циркулирует между сушей и океаном.Это — сложный геологический процесс и основными его элементами являются:

• Испарение влаги;
• Ее передвижение с воздушными потоками в состоянии пара;
• Формирование облаков;
• Осадки;
• Подземный и поверхностный сток воды в Мировой океан.

Все звенья круговорота имеют однотипный характер, за исключением осадков. Выпадая, они распределяются по трем категориям:

По поверхности земной коры. Сток наполняет материковые водоемы, чьи воды стекаются в океаны. Эта вода содержит в себе растворенные химические элементы, частички почвы и гумуса.

• Оседает в верхних слоях земной коры. Вода впитывается и сохраняется на некоторое время в почвах для питания растений. Спустя время, переработанная в процессе фотосинтеза, она переходит в атмосферу в парообразном состоянии.
• Проникает в более глубокие слои коры и образует подземные воды. Попадая в глубины Земли и заполняя ее трещины, вода вымывает растворенные минеральные вещества и доставляет их в океан.

Рис. 3. Круговорот водорода в природеМатерики на данный момент находятся значительно выше уровня моря, потому рано или поздно вся влага с территории суши попадает в его воды. При этом, в литосфере Земли происходит преображение и вынос веществ, которые, оседая в океане, наполняют его осадочными породами.Совершая полный цикл, вода проделывает определенную работу по пути:

• Разрушает твердые породы;
• Растворяет минеральные вещества;
• Доставляет видоизмененные частички в океан.

Кора Земли пребывает в постоянном движении. Одни участки материковых плит, опускаясь, заливаются водами океанов. Другие — поднимаются, и те вещества, что образовались и накопились в водоемах за долгие годы, оказываются на поверхности. Есть предположение, что через сотни тысяч лет кора двинется в обратном направлении. Это будет свидетельством того, что большой геологический цикл завершен и начался новый.

Малый

Он представляет собой обмен полезными веществами в пределах всей биосферы Земли с компонентами веществ из литосферы, атмосферы и гидросферы.Этот цикл вмещает в себя такие составляющие:

• Продуценты
• Консументы
• Запас энергии и полезных веществ
• Редуценты

Продуценты преобразуют простые неорганические вещества в сложные органические соединения. Консументы модифицируют более сложные вещества. Редуценты выделяют химические элементы, которые образуют сложную органику и освобожденные ею вещества опять включаются в оборот.
Рис. 4. Круговорот углерода в природеБиологический круговорот — это циркуляция химических элементов и полезных веществ между живыми организмами и неживой природой. Весь процесс можно разделить на такие составляющие:

• Все организмы вбирают в себя атомы биогенных веществ из гидросферы, литосферы и атмосферы;
• В телах организмов проходят химические реакции с участием этих веществ;
• После переработки микроэлементы выделяются в виде продуктов распада в окружающую среду;
• Окружающий мир и все живые организмы планеты, черпая из него питательные вещества и выделяя их обратно в виде продуктов жизнедеятельности, создают общую экосистему.

На устойчивость экосистемы влияет и круговорот нисходящего и восходящего потоков, где:

• Восходящий поток образуется, благодаря взаимодействию окружающей среды с растениями. На этом этапе создается первичный продукт.
• Нисходящий поток генерируется всеми уровнями экосистемы, которые преобразуют синтезированную продукцию в неорганические вещества.

Таким образом, каждая живая субстанция поддерживает жизнь на Земле, создавая круговорот.
Рис. 5. Круговорот веществ в природе

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.

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.

Водохранилища

Кислород — один из самых распространенных элементов на Земле, который составляет значительную часть каждого основного резервуара. До сих пор самый большой резервуар кислорода Земли находится в силикатных и оксидных минералов в коре и мантии (99,5% по массе). Атмосфера, гидросфера и биосфера Земли вместе содержат менее 0,05% общей массы кислорода Земли. Помимо O ₂ , дополнительные атомы кислорода присутствуют в различных формах, разбросанных по поверхностным резервуарам в молекулах биомассы , H ₂ O , CO ₂ , HNO ₃ , NO , NO ₂ , CO , H ₂ O ₂ , O ₃ , SO _2. , H ₂ SO ₄ , MgO , CaO , AlO , SiO ₂ и PO ₄ .

Атмосфера

Атмосфера 20,9% кислорода по объему, что соответствует в общей сложности примерно 34 × 10 18 моль кислорода. Другие кислородсодержащие молекулы в атмосфере включают озон (O ₃ ), диоксид углерода (CO ₂ ), водяной пар (H ₂ O), а также оксиды серы и азота (SO ₂ , NO, N ₂ O и т. Д.).

Биосфера

Биосферы составляет 22% кислорода по объему , главным образом , настоящее в качестве компонента органических молекул (С _х Н _х Н _х О _х ) и молекул воды.

Гидросфера

Гидросферы составляют 33% кислорода по объему настоящего времени в основном как компонент молекул воды с растворенными молекулами , включая свободный кислород и карбоновые кислоты (Н _х СО ₃ ).

Литосфера

Литосфера 46,6% кислорода по объему , главным образом , настоящее как диоксид кремния минералов (SiO ₂ ) и других оксидов минералов.

Особенности круговорота углерода

Углерод — это элемент, который встречается во многих различных формах и местах нашей Земли и атмосферы. Как упоминалось ранее, он в больших количествах содержится в живых организмах. Без этого элемента мы бы даже не существовали. Ключевые молекулы, из которых состоит наш организм, такие как белки, углеводы и ДНК, содержат углерод в качестве основного компонента. Углерод также в изобилии присутствует в нашей атмосфере в форме углекислого газа или CO2. Кроме того, углерод также содержится в Земле в виде ископаемого топлива.

Круговорот углерода — это, по сути, естественный способ повторного использования атомов углерода различными способами и в разных местах. Это процесс, при котором углерод перемещается из атмосферы в живые организмы и Землю, а затем обратно в атмосферу. Но как он работает и что заставляет углерод циркулировать?

Важно понимать, что наша Земля и ее атмосфера в целом являются замкнутой средой. Материя, которая существует сейчас, — это все, что у нас когда-либо будет

Вы когда-нибудь слышали фразу: «Материю невозможно создать или уничтожить»? Возьмем, к примеру, воду. Вода постоянно циркулирует на Земле и атмосфере. Она испаряется из океанов и других водоемов и удерживается в облаках. Затем выпадает в виде дождя или снега. Вода никогда не создается и не уничтожается, она лишь перерабатывается.

Точно так же у нас есть фиксированное количество углерода на Земле и в атмосфере. Мы находимся в нашем собственном пузыре, и, по сути, практически ничто не выходит из нашего мира и не входит в него. Мы не получаем межгалактических поставок необходимых элементов, таких как углерод. Это означает, что весь углерод на Земле и в атмосфере, равен тому количеству, которое у нас всегда было. Итак, когда формируются новые организмы, необходим углерод для образования ключевых молекул, таких как белок и ДНК. Но откуда он берется? Вот тут и начинает работать круговорот углерода в природе.

Какой же был источник кислорода на Земле?

Не одно столетие между учеными длятся дебаты о реальном источнике кислорода на Земле. По предварительным данным первую половину жизни планета Земля вообще была без кислорода. Большая часть ученых выдвигает теорию о том, что 2,4 млрд лет назад кислород на Земле был незначительным. Кислородом наша атмосфера наполнялась постепенно.

Как на Земле появился кислород? Считается, что основной источник кислорода на Земле — цианобактерии. Это фотосинтезирующий микроб, который порождает кислород. И благодаря цианобактерии произошел резкий скачек содержания кислорода в атмосфере. Но когда и благодаря чему появились эти микробы пока до конца не известно. Также до конца еще не понятно как именно происходил процесс наполнения атмосферы Земли кислородом. Известно, что это было сочетание резкого глобального похолодания, зарождение новых видов, и появление новых минеральных пород. Как заявил Доминик Папине (специалист института Карнеги, Вашингтон), учение пока не в силах четко определить, что было причиной, а что следствием. Многое произошло практически одновременно и по этой причине так много разных несостыковок и противоречий. Чтобы больше прояснить геологическую сторону этого вопроса, Доминик Папине детально изучает процесс образование железа, а также осадочных пород, что формируются на самом дне древних морей .

Его исследования направлены на особые минералы. Эти минералы содержаться именно в образованиях железа, и они вполне могут быть связаны с возникновением жизни древних микробов и их смерти. Минералы железа, которые находятся довольно на дне морей – самый большой источник железной руды. И это не просто материал для изготовления стали. По словам геологов именно в нем скрыта богатая история зарождения жизни на планете Земле.

А происхождение этого источника до сих пор остается большой загадкой. Ученые выяснили, что для его формирования нужна помощь особых микроэлементов, но, правда, пока неизвестно каких именно. Эти морские организмы простые одноклеточные, но к сожалению никакой информации они не оставили после себя. И исследователи не могут теперь узнать, какими именно они были, и что из себя представляли.

Предполагают, что строителем таких железных минералов была именно цианобактерия. Кислород, который выходил из нее окислял железо в морях и океанах еще далеко до того как произошел великий кислородный взрыв. Но остается не ясным одно. Цианобактерия, появилась на планете Земля задолго до накопления кислорода. Выходит, что прошли сотни миллионов лет, перед тем как наша атмосфера наполнилась кислородом?

https://youtube.com/watch?v=_EING_B8boA

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.

Изучение круговорота веществ в начальной школе

Чтобы дети имели представление о том, какие циклические изменения происходят в природе, рассказывать им об этом следует еще с начальных ступеней обучения. Ребята должны иметь знания о том, что такое круговорот веществ. 3 класс — вполне подходящее для этого время. В этот период дети достаточно взрослые, чтобы полностью осознать и усвоить информацию подобного рода.

Во многих образовательных программах по окружающему миру представлена хорошая схема «Круговорот веществ. 3 класс». Она отражает основные типы преобразований воды, вещества, пищевые цепи, которые характерны для каждой экосистемы.

Примерная схема круговорота веществ для младших школьников может иметь вид: вода и минеральные вещества в растениях — органическое вещество в животных — вода и минеральные соли после отмирания растений и животных.

Каждый этап следует пояснить примерами и подробным описанием для формирования четкого представления о происходящих природных процессах.

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.

Круговорот углерода

Общие запасы углерода в биосфере составляют около 20 000 000 млрд т. Они более чем на 99% состоят из отложений СаСО₃. Лишь около 10 000 млрд т углерода находится в виде ископаемого топлива (уголь, нефть, газ). В неживой органике углерода: в океане — 3000 млрд т, в почве — 700 млрд т. Содержание углерода в биомассе (млрд т): наземные растения — 450, поверхностные слои моря — 500, фито-, зоопланктон и рыбы — 1020. В атмосфере воздуха в виде СО₂ — около 1000 млрд т.

Запасов углерода очень много, но лишь диоксид углерода СО₂ воздуха представляет источник углерода, который усваивается растениями в количестве около 35 млрд т в год.

В процессе фотосинтеза СО₂ превращается в сахара, жиры и другие вещества. Например:

6CO₂ + 6H₂O + hv— С6H_12O6 + 6O₂. (1.1)

Возврат углерода в атмосферу происходит в процессе дыхания животных и растений (около 10 млрд т), разложения организмов в почве (в виде СО₂, углеводородов, меркаптанов; около 25 млрд т). Сверх биогенного, сбалансированного углерода в атмосферу поступает антропогенный диоксид углерода после сжигания углеродного топлива (уголь, нефть, газ, сланцы, лес и т.п.; 5 млрд т) и природный его диоксид — при извержении вулканов.

В морях и океанах некоторые организмы, умирая, опускаются на дно (в частности, скелеты фитопланктона) и образуют карбонатные осадочные породы, а неразложившееся органическое вещество — ископаемое углеродное топливо. Обмен СО₂ воздуха с поверхностными морскими водами составляет: растворение в воде 100 млрд т, выделение из воды — 97 млрд т.

Быстрый круговорот углерода связан с живыми организмами: а) потребление СО₂ в процессе фотосинтеза органических веществ, б) выделение СО₂ при дыхании организмов и разложении органики. Его длительность зависит от времени жизни организма. Так, углерод лесов совершает круговорот примерно за 30 лет средний срок жизни дерева. Леса являются главным потребителем СО₂ на суше и основным хранилищем биологически связанного углерода. Они содержат около 2/3 его атмосферного запаса.

Медленный круговорот углерода включает ископаемое топливо, что исключает углерод из оборота на длительное время миллионы лет. Он возвращается в атмосферу в виде СО₂ в результате сжигания ископаемого топлива человеком и при извержении вулканов.