- caratteristiche
- Origine
- Atmosfera primitiva
- Energie che guidano il ciclo
- Relazione con altri cicli biogeochimici
- serbatoi
- geosfera
- Atmosfera
- Idrosfera
- La criosfera
- O
- fasi
- -Fase ambientale del giacimento e della sorgente: atmosfera-idrosfera-criosfera-geosfera
- Atmosfera
- Stratosfera
- Idrosfera
- La criosfera
- geosfera
- - Fase fotosintetica
- -Tappa di ritorno atmosferica
- -Fase respiratoria
- fotorespirazione
- Importanza
- alterazioni
- Effetto serra
- Riferimenti
Il ciclo dell'ossigeno si riferisce al movimento circolatorio dell'ossigeno sulla Terra. È un ciclo biogeochimico gassoso. L'ossigeno è il secondo elemento più abbondante nell'atmosfera dopo l'azoto e il secondo più abbondante nell'idrosfera dopo l'idrogeno. In questo senso, il ciclo dell'ossigeno è collegato al ciclo dell'acqua.
Il movimento circolatorio dell'ossigeno comprende la produzione di diossigeno o ossigeno molecolare di due atomi (O 2 ). Ciò si verifica a causa dell'idrolisi durante la fotosintesi effettuata dai diversi organismi fotosintetici.
Serbatoio di ossigeno: foresta pluviale, Parco Nazionale Waraira Repano, Venezuela. Arnaldo Noguera Sifontes, da Wikimedia Commons
L'O 2 viene utilizzato dagli organismi viventi nella respirazione cellulare, generando la produzione di anidride carbonica (CO 2 ), quest'ultima essendo una delle materie prime per il processo di fotosintesi.
D'altra parte, nell'atmosfera superiore, la fotolisi (idrolisi attivata dall'energia solare) del vapore acqueo si verifica a causa della radiazione ultravioletta del sole. L'acqua si decompone rilasciando l'idrogeno che si perde nella stratosfera e l'ossigeno si integra nell'atmosfera.
Quando una molecola di O 2 interagisce con un atomo di ossigeno, viene prodotto ozono (O 3 ). L'ozono costituisce il cosiddetto strato di ozono.
caratteristiche
L'ossigeno è un elemento chimico non metallico. Il suo numero atomico è 8, cioè ha 8 protoni e 8 elettroni nel suo stato naturale. In normali condizioni di temperatura e pressione è presente sotto forma di gas diossigeno, incolore e inodore. La sua formula molecolare è O 2 .
O 2 include tre isotopi stabili: 16 O, 17 O e 18 O. La forma predominante nell'universo è 16 O. Sulla Terra rappresenta il 99,76% dell'ossigeno totale. Il 18 O rappresenta lo 0,2%. La forma 17 O è molto rara (~ 0,04%).
Origine
L'ossigeno è il terzo elemento più abbondante nell'universo. La produzione dell'isotopo 16 O è iniziata nella prima generazione di combustione dell'elio solare avvenuta dopo il Big Bang.
L'istituzione del ciclo di nucleosintesi carbonio-azoto-ossigeno nelle generazioni successive di stelle ha fornito la fonte predominante di ossigeno sui pianeti.
Alte temperature e pressioni producono acqua (H 2 O) nell'universo generando la reazione dell'idrogeno con l'ossigeno. L'acqua fa parte della composizione del nucleo della Terra.
Gli affioramenti di magma emettono acqua sotto forma di vapore e questo entra nel ciclo dell'acqua. L'acqua viene decomposta dalla fotolisi in ossigeno e idrogeno attraverso la fotosintesi e dalla radiazione ultravioletta nei livelli superiori dell'atmosfera.
Atmosfera primitiva
L'atmosfera primitiva prima dell'evoluzione della fotosintesi da parte dei cianobatteri era anaerobica. Per gli organismi viventi adattati a quell'atmosfera, l'ossigeno era un gas tossico. Ancora oggi un'atmosfera di ossigeno puro provoca danni irreparabili alle cellule.
La fotosintesi ha avuto origine nel lignaggio evolutivo dei cianobatteri odierni. Ciò ha iniziato a cambiare la composizione dell'atmosfera terrestre circa 2,3-2,7 miliardi di anni fa.
La proliferazione di organismi fotosintetizzanti ha cambiato la composizione dell'atmosfera. La vita si è evoluta verso l'adattamento a un'atmosfera aerobica.
Energie che guidano il ciclo
Le forze e le energie che agiscono per guidare il ciclo dell'ossigeno possono essere geotermiche, quando il magma espelle il vapore acqueo, oppure può provenire dall'energia solare.
Quest'ultimo fornisce l'energia fondamentale per il processo di fotosintesi. L'energia chimica sotto forma di carboidrati risultante dalla fotosintesi, a sua volta guida tutti i processi viventi attraverso la catena alimentare. Allo stesso modo, il Sole produce un riscaldamento planetario differenziale e provoca correnti atmosferiche e marine.
Relazione con altri cicli biogeochimici
Grazie alla sua abbondanza e elevata reattività, il ciclo dell'ossigeno è collegato con altri cicli quali CO 2 , azoto (N 2 ) e il ciclo dell'acqua (H 2 O). Questo gli conferisce un carattere multiciclico.
I serbatoi di O 2 e CO 2 sono collegati da processi che comportano la creazione (fotosintesi) e la distruzione (respirazione e combustione) di materia organica. A breve termine, queste reazioni di riduzione dell'ossidazione sono la principale fonte di variabilità nella concentrazione di O 2 nell'atmosfera.
I batteri denitrificanti ottengono ossigeno per la loro respirazione dai nitrati nel terreno, rilasciando azoto.
serbatoi
geosfera
L'ossigeno è uno dei componenti principali dei silicati. Pertanto, costituisce una frazione significativa del mantello e della crosta terrestre.
- Nucleo terrestre : nel mantello liquido esterno del nucleo terrestre sono presenti, oltre al ferro, altri elementi, compreso l'ossigeno.
- Il suolo : negli spazi tra particelle o pori del suolo, l'aria si diffonde. Questo ossigeno è utilizzato dal microbiota del suolo.
Atmosfera
Il 21% dell'atmosfera è costituito da ossigeno sotto forma di diossigeno (O 2 ). Le altre forme di presenza di ossigeno atmosferico sono il vapore acqueo (H 2 O), l'anidride carbonica (CO 2 ) e l'ozono (O 3 ).
- Vapore acqueo : la concentrazione del vapore acqueo è variabile, a seconda della temperatura, della pressione atmosferica e delle correnti di circolazione atmosferica (ciclo dell'acqua).
- Anidride carbonica : la CO 2 rappresenta circa lo 0,03% del volume d'aria. Dall'inizio della rivoluzione industriale, la concentrazione di CO 2 nell'atmosfera è aumentata del 145%.
- Ozono : è una molecola presente nella stratosfera in bassa quantità (0,03 - 0,02 parti per milione in volume).
Idrosfera
Il 71% della superficie terrestre è coperta dall'acqua. Più del 96% dell'acqua presente sulla superficie terrestre è concentrata negli oceani. L'89% della massa degli oceani è costituito da ossigeno. La CO 2 è anche disciolta in acqua ed è soggetta a un processo di scambio con l'atmosfera.
La criosfera
La criosfera si riferisce alla massa di acqua ghiacciata che copre alcune aree della Terra. Queste masse di ghiaccio contengono circa l'1,74% dell'acqua nella crosta terrestre. D'altra parte, il ghiaccio contiene quantità variabili di ossigeno molecolare intrappolato.
O
La maggior parte delle molecole che compongono la struttura degli esseri viventi contengono ossigeno. D'altra parte, un'alta percentuale di esseri viventi è l'acqua. Pertanto, la biomassa terrestre è anche una riserva di ossigeno.
fasi
In termini generali, il ciclo che l'ossigeno segue come agente chimico comprende due grandi aree che costituiscono il suo carattere di ciclo biogeochimico. Queste aree sono rappresentate in quattro fasi.
L'area geoambientale comprende gli spostamenti e il contenimento nell'atmosfera, nell'idrosfera, nella criosfera e nella geosfera dell'ossigeno. Ciò include la fase ambientale del serbatoio e della sorgente e la fase del ritorno all'ambiente.
Ciclo dell'ossigeno. Eme Chicano, da Wikimedia Commons
Nell'area biologica sono comprese anche due fasi. Sono associati alla fotosintesi e alla respirazione.
-Fase ambientale del giacimento e della sorgente: atmosfera-idrosfera-criosfera-geosfera
Atmosfera
La principale fonte di ossigeno atmosferico è la fotosintesi. Ma ci sono altre fonti da cui l'ossigeno può entrare nell'atmosfera.
Uno di questi è il mantello esterno liquido del nucleo terrestre. L'ossigeno raggiunge l'atmosfera sotto forma di vapore acqueo attraverso le eruzioni vulcaniche. Il vapore acqueo sale nella stratosfera dove subisce la fotolisi a causa della radiazione ad alta energia del sole e viene prodotto ossigeno libero.
D'altra parte, la respirazione emette ossigeno sotto forma di CO 2 . Anche i processi di combustione, in particolare i processi industriali, consumano ossigeno molecolare e apportano CO 2 all'atmosfera.
Nello scambio tra l'atmosfera e l'idrosfera, l'ossigeno disciolto nelle masse d'acqua passa nell'atmosfera. Da parte sua, la CO 2 atmosferica viene sciolta in acqua come acido carbonico. L'ossigeno disciolto nell'acqua proviene principalmente dalla fotosintesi di alghe e cianobatteri.
Stratosfera
Nei livelli superiori dell'atmosfera, le radiazioni ad alta energia idrolizzano il vapore acqueo. La radiazione a onde corte attiva le molecole di O 2 . Questi sono suddivisi in atomi di ossigeno libero (O).
Questi atomi di O liberi reagiscono con le molecole di O 2 e producono ozono (O 3 ). Questa reazione è reversibile. A causa dell'effetto della radiazione ultravioletta, l'O 3 si decompone nuovamente in atomi di ossigeno libero.
L'ossigeno come componente dell'aria atmosferica fa parte di varie reazioni di ossidazione, integrando vari composti terrestri. Un importante pozzo di ossigeno è l'ossidazione dei gas dalle eruzioni vulcaniche.
Idrosfera
La più grande concentrazione di acqua sulla Terra sono gli oceani, dove c'è una concentrazione uniforme di isotopi di ossigeno. Ciò è dovuto al costante scambio di questo elemento con la crosta terrestre attraverso processi di circolazione idrotermale.
Ai limiti delle placche tettoniche e delle dorsali oceaniche, viene generato un processo costante di scambio di gas.
La criosfera
Le masse di ghiaccio terrestre, comprese le masse di ghiaccio polare, i ghiacciai e il permafrost, costituiscono un importante pozzo per l'ossigeno sotto forma di acqua allo stato solido.
geosfera
Allo stesso modo, l'ossigeno partecipa allo scambio di gas con il suolo. Lì costituisce l'elemento vitale per i processi respiratori dei microrganismi del suolo.
Un importante pozzo nel suolo sono i processi di ossidazione minerale e combustione di combustibili fossili.
L'ossigeno che fa parte della molecola d'acqua (H 2 O) segue il ciclo dell'acqua nei processi di evaporazione-traspirazione e condensazione-precipitazione.
- Fase fotosintetica
La fotosintesi avviene nei cloroplasti. Durante la fase leggera della fotosintesi, è necessario un agente riducente, cioè una fonte di elettroni. Detto agente in questo caso è l'acqua (H 2 O).
Prendendo l'idrogeno (H) dall'acqua, l'ossigeno (O 2 ) viene rilasciato come prodotto di scarto. L'acqua entra nella pianta dal terreno attraverso le radici. Nel caso di alghe e cianobatteri proviene dall'ambiente acquatico.
Tutto l'ossigeno molecolare (O 2 ) prodotto durante la fotosintesi proviene dall'acqua utilizzata nel processo. Nella fotosintesi, CO 2 , l'energia solare e acqua (H 2 O) sono consumati , e ossigeno (O 2 ) viene rilasciato.
-Tappa di ritorno atmosferica
L'O 2 generato nella fotosintesi viene espulso nell'atmosfera attraverso gli stomi nel caso delle piante. Alghe e cianobatteri lo restituiscono all'ambiente per diffusione su membrana. Allo stesso modo, i processi respiratori restituiscono ossigeno all'ambiente sotto forma di anidride carbonica (CO 2 ).
-Fase respiratoria
Per svolgere le loro funzioni vitali, gli organismi viventi devono rendere efficace l'energia chimica generata dalla fotosintesi. Questa energia viene immagazzinata sotto forma di molecole complesse di carboidrati (zuccheri) nel caso delle piante. Il resto degli organismi lo ricava dalla dieta
Il processo mediante il quale gli esseri viventi dispiegano composti chimici per rilasciare l'energia richiesta è chiamato respirazione. Questo processo avviene nelle cellule e ha due fasi; uno aerobico e uno anaerobico.
La respirazione aerobica avviene nei mitocondri di piante e animali. Nei batteri viene effettuato nel citoplasma, poiché mancano di mitocondri.
L'elemento fondamentale per la respirazione è l'ossigeno come agente ossidante. Nella respirazione viene consumato ossigeno (O 2 ) e vengono rilasciate CO 2 e acqua (H 2 O), producendo energia utile.
CO 2 e acqua (vapore acqueo) vengono rilasciati attraverso gli stomi nelle piante. Negli animali, la CO 2 viene rilasciata attraverso le narici e / o la bocca e l'acqua attraverso il sudore. Nelle alghe e nei batteri, la CO 2 viene rilasciata per diffusione su membrana.
fotorespirazione
Nelle piante, in presenza di luce, si sviluppa un processo che consuma ossigeno ed energia chiamato fotorespirazione. La fotorespirazione aumenta con l'aumentare della temperatura, a causa dell'aumento della concentrazione di CO 2 rispetto alla concentrazione di O 2 .
La fotorespirazione stabilisce un bilancio energetico negativo per la pianta. Consuma O 2 ed energia chimica (prodotta dalla fotosintesi) e rilascia CO 2 . Per questo motivo, hanno sviluppato meccanismi evolutivi per contrastarlo (metabolismo C4 e CAN).
Importanza
Oggi la stragrande maggioranza della vita è aerobica. Senza la circolazione di O 2 nel sistema planetario, la vita come la conosciamo oggi sarebbe impossibile.
Inoltre, l'ossigeno costituisce una parte significativa delle masse d'aria della terra. Pertanto, contribuisce ai fenomeni atmosferici ad esso collegati e alle sue conseguenze: effetti erosivi, regolazione del clima, tra gli altri.
Direttamente, genera processi di ossidazione nel suolo, di gas vulcanici e su strutture metalliche artificiali.
L'ossigeno è un elemento con un'elevata capacità ossidativa. Sebbene le molecole di ossigeno siano molto stabili a causa del fatto che formano un doppio legame, poiché l'ossigeno ha un'elevata elettronegatività (la capacità di attrarre elettroni), ha un'elevata capacità reattiva. A causa di questa elevata elettronegatività, l'ossigeno prende parte a molte reazioni di ossidazione.
alterazioni
La stragrande maggioranza dei processi di combustione che avvengono in natura richiedono la partecipazione di ossigeno. Allo stesso modo in quelli generati dall'uomo. Questi processi svolgono funzioni sia positive che negative in termini antropici.
La combustione dei combustibili fossili (carbone, petrolio, gas) contribuisce allo sviluppo economico, ma allo stesso tempo rappresenta un grave problema per il suo contributo al riscaldamento globale.
I grandi incendi boschivi influenzano la biodiversità, sebbene in alcuni casi facciano parte di processi naturali in alcuni ecosistemi.
Effetto serra
Lo strato di ozono (O 3 ) nella stratosfera è lo scudo protettivo dell'atmosfera contro l'ingresso di radiazioni ultraviolette in eccesso. Questa radiazione altamente energetica aumenta il riscaldamento della Terra.
D'altra parte, è altamente mutageno e dannoso per i tessuti viventi. Nell'uomo e in altri animali è cancerogeno.
L'emissione di vari gas provoca la distruzione dello strato di ozono e quindi facilita l'ingresso della radiazione ultravioletta. Alcuni di questi gas sono clorofluorocarburi, idroclorofluorocarburi, bromuro di etile, ossidi di azoto da fertilizzanti e halon.
Riferimenti
- Anbar AD, Y Duan, TW Lyons, GL Arnold, B Kendall, RA Creaser, AJ Kaufman, WG Gordon, S Clinton, J Garvin e R Buick (2007) A Whiff of Oxygen Before the Great Oxidation Event? Science 317: 1903-1906.
- Bekker A, HD Holland, PL Wang, D Rumble, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee e NJ Beukes. (2004) Datando l'aumento dell'ossigeno atmosferico. Natura 427: 117-120.
- Farquhar J e DT Johnston. (2008) The Oxygen Cycle of the Terrestrial Planets: Insights into the Processing and History of Oxygen in Surface Environments. Recensioni in Mineralogia e Geochimica 68: 463–492.
- Keeling RF (1995) Il ciclo dell'ossigeno atmosferico: gli isotopi dell'ossigeno di CO 2 e O 2 atmosferici e O 2 / N 2 Reviws of Geophysics, supplemento. USA: Rapporto nazionale all'Unione internazionale di geodesia e geofisica 1991-1994. pp. 1253-1262.
- Purves WK, D Sadava, GH Orians e HC Heller (2003) Life. La scienza della biologia. 6a edizione Sinauer Associates, Inc. e WH Freeman and Company. 1044 p.