دورة الأكسجين: الخصائص والخزانات والمراحل - بيئة - 2026

في دورة الأكسجين يشير إلى حركة الدورة الدموية من الأكسجين على الأرض. إنها دورة بيوجيوكيميائية غازية. الأكسجين هو ثاني أكثر العناصر وفرة في الغلاف الجوي بعد النيتروجين ، وثاني أكثر العناصر وفرة في الغلاف المائي بعد الهيدروجين. بهذا المعنى ، فإن دورة الأكسجين مرتبطة بدورة الماء.

تتضمن حركة الدورة الدموية للأكسجين إنتاج ثنائي الأوكسجين أو الأكسجين الجزيئي من ذرتين (O ₂). يحدث هذا بسبب التحلل المائي أثناء عملية التمثيل الضوئي التي تقوم بها كائنات التمثيل الضوئي المختلفة.

خزان الأكسجين: Cloud Forest ، منتزه Waraira Repano الوطني ، فنزويلا. Arnaldo Noguera Sifontes ، من ويكيميديا ​​كومنز

يتم استخدام O ₂ بواسطة الكائنات الحية في التنفس الخلوي ، مما ينتج عنه إنتاج ثاني أكسيد الكربون (CO ₂) ، وهذا الأخير هو أحد المواد الخام لعملية التمثيل الضوئي.

من ناحية أخرى ، في الغلاف الجوي العلوي ، يحدث التحلل الضوئي (التحلل المائي الذي تنشطه الطاقة الشمسية) لبخار الماء ، الناجم عن الأشعة فوق البنفسجية من الشمس. يتحلل الماء ويطلق الهيدروجين المفقود في طبقة الستراتوسفير ويتم دمج الأكسجين في الغلاف الجوي.

عندما يتفاعل جزيء O ₂ مع ذرة أكسجين ، ينتج الأوزون (O ₃). يشكل الأوزون ما يسمى بطبقة الأوزون.

مميزات

الأكسجين عنصر كيميائي غير معدني. عددها الذري هو 8 ، أي أنه يحتوي على 8 بروتونات و 8 إلكترونات في حالته الطبيعية. في ظل الظروف العادية لدرجة الحرارة والضغط ، فإنه موجود في شكل غاز ثنائي الأوكسجين ، عديم اللون والرائحة. صيغته الجزيئية هي O ₂.

يحتوي O _{2 على} ثلاثة نظائر مستقرة: ¹⁶ O و ¹⁷ O و ¹⁸ O. الشكل السائد في الكون هو ¹⁶ O. ويمثل على الأرض 99.76٪ من إجمالي الأكسجين. و ¹⁸ يمثل O 0.2٪. شكل ¹⁷ O نادر جدًا (~ 0.04٪).

الأصل

الأكسجين هو ثالث أكثر العناصر وفرة في الكون. بدأ إنتاج نظير ¹⁶ O في الجيل الأول من حرق الهليوم الشمسي الذي حدث بعد الانفجار العظيم.

أدى إنشاء دورة التركيب النووي للكربون والنيتروجين والأكسجين في الأجيال اللاحقة من النجوم إلى توفير المصدر السائد للأكسجين على الكواكب.

تنتج درجات الحرارة والضغوط المرتفعة الماء (H ₂ O) في الكون عن طريق توليد تفاعل الهيدروجين مع الأكسجين. الماء هو جزء من تكوين لب الأرض.

تنتج نتوءات الصهارة الماء على شكل بخار وهذا يدخل في دورة المياه. يتحلل الماء عن طريق التحلل الضوئي إلى أكسجين وهيدروجين من خلال عملية التمثيل الضوئي والأشعة فوق البنفسجية في المستويات العليا من الغلاف الجوي.

جو بدائي

كان الغلاف الجوي البدائي قبل تطور عملية التمثيل الضوئي بواسطة البكتيريا الزرقاء لا هوائي. بالنسبة للكائنات الحية التي تكيفت مع ذلك الجو ، كان الأكسجين غازًا سامًا. حتى اليوم ، يتسبب جو من الأكسجين النقي في أضرار لا يمكن إصلاحها للخلايا.

نشأ التمثيل الضوئي في النسب التطوري للبكتيريا الزرقاء اليوم. بدأ هذا في تغيير تكوين الغلاف الجوي للأرض منذ حوالي 2.3-2.7 مليار سنة.

أدى انتشار الكائنات الحية الضوئية إلى تغيير تكوين الغلاف الجوي. تطورت الحياة نحو التكيف مع الغلاف الجوي الهوائي.

الطاقات التي تقود الدورة

يمكن أن تكون القوى والطاقات التي تعمل على دفع دورة الأكسجين طاقة حرارية أرضية ، عندما تطرد الصهارة بخار الماء ، أو يمكن أن تأتي من الطاقة الشمسية.

هذا الأخير يوفر الطاقة الأساسية لعملية التمثيل الضوئي. الطاقة الكيميائية في شكل كربوهيدرات ناتجة عن عملية التمثيل الضوئي ، بدورها تقود جميع العمليات الحية عبر السلسلة الغذائية. بنفس الطريقة ، تنتج الشمس حرارة تفاضلية كوكبية وتسبب التيارات البحرية والجوية.

العلاقة مع الدورات البيوجيوكيميائية الأخرى

نظرا لوفرته وتفاعل عالية، يتم توصيل دورة الأكسجين مع دورات أخرى مثل CO ₂ والنيتروجين (N ₂) ودورة المياه (H ₂ O). هذا يعطيها طابع متعدد الحلقات.

ترتبط مكامن O ₂ و CO ₂ بعمليات تتضمن تكوين (التمثيل الضوئي) وتدمير (التنفس والاحتراق) للمواد العضوية. على المدى القصير ، تعد تفاعلات تقليل الأكسدة هذه المصدر الرئيسي للتغير في تركيز O ₂ في الغلاف الجوي.

تحصل البكتيريا التي تعمل على إزالة النتروجين على الأكسجين لتنفسها من النترات الموجودة في التربة ، وتطلق النيتروجين.

الخزانات

الأرض

الأكسجين هو أحد المكونات الرئيسية للسيليكات. لذلك ، فهو يشكل جزءًا كبيرًا من غلاف الأرض وقشرة الأرض.

• لب الأرض: في الوشاح الخارجي السائل من لب الأرض توجد ، بالإضافة إلى الحديد ، عناصر أخرى ، بما في ذلك الأكسجين.
• التربة: في الفراغات بين الحبيبات أو مسام التربة ، ينتشر الهواء. يتم استخدام هذا الأكسجين بواسطة ميكروبات التربة.

الغلاف الجوي

21٪ من الغلاف الجوي يتكون من أكسجين على شكل ديوكسجين (O ₂). الأشكال الأخرى لوجود الأكسجين في الغلاف الجوي هي بخار الماء (H ₂ O) وثاني أكسيد الكربون (CO ₂) والأوزون (O ₃).

• بخار الماء: تركيز بخار الماء متغير حسب درجة الحرارة والضغط الجوي وتيارات الدوران الجوي (دورة الماء).
• ثاني أكسيد الكربون: CO ₂ يمثل حوالي 0.03٪ من حجم الهواء. منذ بداية الثورة الصناعية، وتركيز CO ₂ في الغلاف الجوي قد زاد بنسبة 145٪.
• الأوزون: هو جزيء موجود في الستراتوسفير بكمية منخفضة (0.03 - 0.02 جزء في المليون بالحجم).

المحيط المائي

يغطي الماء 71٪ من سطح الأرض. يتركز أكثر من 96٪ من المياه الموجودة على سطح الأرض في المحيطات. 89٪ من كتلة المحيطات تتكون من الأكسجين. CO _و2 حلت أيضا في المياه ويخضع لعملية التبادل مع الغلاف الجوي.

جليد

يشير الغلاف الجليدي إلى كتلة الماء المتجمد التي تغطي مناطق معينة من الأرض. تحتوي هذه الكتل الجليدية على حوالي 1.74٪ من الماء الموجود في القشرة الأرضية. من ناحية أخرى ، يحتوي الجليد على كميات متفاوتة من الأكسجين الجزيئي المحبوس.

أو

تحتوي معظم الجزيئات التي تتكون منها بنية الكائنات الحية على الأكسجين. من ناحية أخرى ، فإن نسبة عالية من الكائنات الحية هي الماء. لذلك ، فإن الكتلة الحيوية الأرضية هي أيضًا احتياطي للأكسجين.

مراحل

بشكل عام ، تتكون الدورة التي يتبعها الأكسجين كعامل كيميائي من منطقتين كبيرتين تشكلان طابعها كدورة بيوجيوكيميائية. يتم تمثيل هذه المناطق في أربع مراحل.

تشمل المنطقة الجغرافية البيئية عمليات الإزاحة والاحتواء في الغلاف الجوي والغلاف المائي والغلاف الجليدي والغلاف الأرضي للأكسجين. ويشمل ذلك المرحلة البيئية للخزان والمصدر ، ومرحلة العودة إلى البيئة.

دورة الأكسجين. Eme Chicano ، من ويكيميديا ​​كومنز

يتم تضمين مرحلتين أيضًا في المنطقة البيولوجية. ترتبط مع التمثيل الضوئي والتنفس.

- المرحلة البيئية للخزان والمصدر: الغلاف الجوي - الغلاف المائي - الغلاف الجليدي - الغلاف الأرضي

الغلاف الجوي

المصدر الرئيسي للأكسجين الجوي هو التمثيل الضوئي. لكن هناك مصادر أخرى يمكن من خلالها دخول الأكسجين إلى الغلاف الجوي.

أحد هذه العناصر هو الوشاح الخارجي السائل من نواة الأرض. يصل الأكسجين إلى الغلاف الجوي كبخار ماء من خلال الانفجارات البركانية. يرتفع بخار الماء إلى طبقة الستراتوسفير حيث يخضع للتحلل الضوئي نتيجة للإشعاع عالي الطاقة من الشمس وينتج الأكسجين الحر.

من ناحية أخرى، تنفس الأكسجين تنبعث في شكل CO ₂. عمليات الاحتراق، وخاصة العمليات الصناعية، وأيضا تستهلك الأكسجين الجزيئي والمساهمة CO ₂ إلى الغلاف الجوي.

في التبادل بين الغلاف الجوي والغلاف المائي ، يمر الأكسجين المذاب في كتل الماء إلى الغلاف الجوي. من جانبها، في الغلاف الجوي CO ₂ يذوب في الماء مثل حمض الكربونيك. يأتي الأكسجين المذاب في الماء أساسًا من عملية التمثيل الضوئي للطحالب والبكتيريا الزرقاء.

الستراتوسفير

في المستويات العليا من الغلاف الجوي ، يعمل الإشعاع عالي الطاقة على تحلل بخار الماء. ينشط إشعاع الموجة القصيرة جزيئات O ₂. يتم تقسيم هذه إلى ذرات أكسجين حرة (O).

تتفاعل ذرات O الحرة هذه مع جزيئات O ₂ وتنتج الأوزون (O ₃). رد الفعل هذا قابل للعكس. بسبب تأثير الأشعة فوق البنفسجية ، يتحلل O ₃ إلى ذرات أكسجين حرة مرة أخرى.

الأكسجين كعنصر من مكونات الهواء الجوي هو جزء من تفاعلات الأكسدة المختلفة ، التي تدمج العديد من المركبات الأرضية. حوض الأكسجين الرئيسي هو أكسدة الغازات الناتجة عن الانفجارات البركانية.

المحيط المائي

تمثل المحيطات أكبر تركيز للمياه على الأرض ، حيث يوجد تركيز موحد لنظائر الأكسجين. ويرجع ذلك إلى التبادل المستمر لهذا العنصر مع قشرة الأرض من خلال عمليات الدوران الحراري المائي.

عند حدود الصفائح التكتونية وتلال المحيط ، يتم إنشاء عملية مستمرة لتبادل الغازات.

جليد

تشكل كتل الجليد الأرضية ، بما في ذلك الكتل الجليدية القطبية والأنهار الجليدية والتربة الصقيعية ، حوضًا رئيسيًا للأكسجين في شكل ماء صلب.

الأرض

وبالمثل ، يشارك الأكسجين في تبادل الغازات مع التربة. هناك يشكل العنصر الحيوي للعمليات التنفسية للكائنات الحية الدقيقة في التربة.

حوض مهم في التربة هو عمليات أكسدة المعادن وحرق الوقود الأحفوري.

الأكسجين الذي هو جزء من جزيء الماء (H ₂ O) يتبع دورة الماء في عمليات التبخر - النتح والتكثيف - الترسيب.

- مرحلة التمثيل الضوئي

يحدث التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء. أثناء مرحلة الضوء من عملية التمثيل الضوئي ، يلزم وجود عامل اختزال ، أي مصدر للإلكترونات. الوكيل المذكور في هذه الحالة هو الماء (H ₂ O).

بأخذ الهيدروجين (H) من الماء ، يتم إطلاق الأكسجين (O ₂) كمنتج نفايات. يدخل الماء النبات من التربة عبر الجذور. في حالة الطحالب والبكتيريا الزرقاء ، تأتي من البيئة المائية.

يأتي كل الأكسجين الجزيئي (O ₂) الناتج أثناء عملية التمثيل الضوئي من الماء المستخدم في العملية. في عملية التمثيل الضوئي، CO ₂ ، والطاقة الشمسية والماء (H ₂ O) يتم استهلاكها ، والأكسجين (O ₂ يتم تحريرها).

- مرحلة العودة الجوية

يتم طرد O ₂ المتولد في عملية التمثيل الضوئي إلى الغلاف الجوي من خلال الثغور في حالة النباتات. تعيدها الطحالب والبكتيريا الزرقاء إلى البيئة عن طريق انتشار الغشاء. وبالمثل ، فإن عمليات التنفس تعيد الأكسجين إلى البيئة على شكل ثاني أكسيد الكربون (CO ₂).

- مرحلة الجهاز التنفسي

لأداء وظائفها الحيوية ، تحتاج الكائنات الحية إلى جعل الطاقة الكيميائية الناتجة عن عملية التمثيل الضوئي فعالة. يتم تخزين هذه الطاقة في شكل جزيئات معقدة من الكربوهيدرات (السكريات) في حالة النباتات. تحصل عليه باقي الكائنات الحية من النظام الغذائي

تسمى العملية التي تتكشف بها الكائنات الحية المركبات الكيميائية لإطلاق الطاقة المطلوبة التنفس. تحدث هذه العملية في الخلايا ولها مرحلتان ؛ هوائي واحد والآخر لا هوائي.

يحدث التنفس الهوائي في الميتوكوندريا في النباتات والحيوانات. في البكتيريا يتم تنفيذه في السيتوبلازم ، لأنها تفتقر إلى الميتوكوندريا.

العنصر الأساسي للتنفس هو الأكسجين كعامل مؤكسد. في التنفس، والأكسجين (O ₂) ويستهلك وCO ₂ والماء (H ₂ يتم الافراج O)، وإنتاج طاقة مفيدة.

CO ₂ يتم الافراج والماء (بخار الماء) من خلال الثغور في النباتات. في الحيوانات، CO ₂ ويطلق سراحهم من خلال فتحتي الأنف و / أو الفم، والماء من خلال العرق. في الطحالب والبكتيريا، CO ₂ يتم تحريرها عن طريق الانتشار غشاء.

التنفس الضوئي

في النباتات ، في وجود الضوء ، تتطور عملية تستهلك الأكسجين والطاقة تسمى التنفس الضوئي. زيادات تنفس ضوئي الإحداث مع ارتفاع درجة الحرارة، وذلك بسبب الزيادة في تركيز CO ₂ فيما يتعلق تركيز O ₂.

ينشئ التنفس الضوئي توازن طاقة سلبيًا للنبات. أنها تستهلك O ₂ والكيميائية الطاقة (التي تنتجها عملية التمثيل الضوئي) والنشرات CO ₂. لهذا السبب ، فقد طوروا آليات تطورية لمواجهته (استقلاب C4 و CAN).

أهمية

اليوم الغالبية العظمى من الحياة الهوائية. بدون دوران O ₂ في نظام الكواكب ، ستكون الحياة كما نعرفها اليوم مستحيلة.

بالإضافة إلى ذلك ، يشكل الأكسجين نسبة كبيرة من الكتل الهوائية للأرض. لذلك ، فهو يساهم في ظواهر الغلاف الجوي المرتبطة به وعواقبه: آثار التآكل ، وتنظيم المناخ ، من بين أمور أخرى.

بشكل مباشر ، يولد عمليات الأكسدة في التربة والغازات البركانية والهياكل المعدنية الاصطناعية.

الأكسجين عنصر ذو قدرة أكسدة عالية. على الرغم من أن جزيئات الأكسجين مستقرة جدًا لأنها تشكل روابط مزدوجة ، نظرًا لأن الأكسجين يتمتع بقدرة عالية على جذب الإلكترونات ، فإنه يتمتع بقدرة تفاعلية عالية. بسبب هذه القدرة الكهربية العالية ، يشارك الأكسجين في العديد من تفاعلات الأكسدة.

التعديلات

تتطلب الغالبية العظمى من عمليات الاحتراق التي تحدث في الطبيعة مشاركة الأكسجين. وبالمثل في تلك التي يولدها البشر. تفي هذه العمليات بالوظائف الإيجابية والسلبية على حد سواء من الناحية البشرية.

يساهم احتراق الوقود الأحفوري (الفحم والنفط والغاز) في التنمية الاقتصادية ، ولكنه في الوقت نفسه يمثل مشكلة خطيرة بسبب مساهمته في ظاهرة الاحتباس الحراري.

تؤثر حرائق الغابات الكبيرة على التنوع البيولوجي ، على الرغم من أنها في بعض الحالات جزء من العمليات الطبيعية في بعض النظم البيئية.

الاحتباس الحراري

طبقة الأوزون (O ₃) في الستراتوسفير هي الدرع الواقي للغلاف الجوي ضد دخول الأشعة فوق البنفسجية الزائدة. يزيد هذا الإشعاع عالي الطاقة من ارتفاع درجة حرارة الأرض.

من ناحية أخرى ، فهو مطفر للغاية وضار للأنسجة الحية. وهي مادة مسرطنة في البشر والحيوانات الأخرى.

يتسبب انبعاث الغازات المختلفة في تدمير طبقة الأوزون وبالتالي تسهيل دخول الأشعة فوق البنفسجية. بعض هذه الغازات هي مركبات الكربون الكلورية فلورية ، ومركبات الكربون الهيدروكلورية فلورية ، وبروميد الإيثيل ، وأكاسيد النيتروجين من الأسمدة ، والهالونات.

المراجع

1. Anbar AD، Y Duan، TW Lyons، GL Arnold، B Kendall، RA Creaser، AJ Kaufman، WG Gordon، S Clinton، J Garvin and R Buick (2007) A Whiff of Oxygen قبل حدث الأكسدة العظيم؟ Science 317: 1903-1906.
2. Bekker A و HD Holland و PL Wang و D Rumble و HJ Stein و JL Hannah و LL Coetzee و NJ Beukes. (2004) يؤرخ صعود الأكسجين الجوي. Nature 427: 117-120.
3. Farquhar J و DT Johnston. (2008) دورة الأكسجين في الكواكب الأرضية: رؤى في معالجة وتاريخ الأكسجين في البيئات السطحية. مراجعات في علم المعادن والجيوكيمياء 68: 463-492.
4. كيلينغ RF (1995) ودورة الأكسجين في الغلاف الجوي: ونظائر الأكسجين في الغلاف الجوي من CO ₂ و O ₂ وO ₂ / N ₂ Reviws الجيوفيزياء، الملحق. الولايات المتحدة: التقرير الوطني للاتحاد الدولي للجيوديسيا والجيوفيزياء 1991-1994. ص. 1253-1262.
5. Purves WK، D Sadava، GH Orians and HC Heller (2003) Life. علم الأحياء. 6th Edt. سيناوير أسوشيتس ، وشركة دبليو إتش فريمان وشركاه. 1044 ص.