Caractéristiques du cycle de l'oxygène, réservoirs et étapes
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- Prof Noah Collet
Il cycle d'oxygène Il se réfère au mouvement circulatoire de l'oxygène sur Terre. C'est un cycle biogéochimique gazeux. L'oxygène est le deuxième élément le plus abondant de l'atmosphère après l'azote, et le deuxième plus abondant de l'hydrosphère après l'hydrogène. En ce sens, le cycle d'oxygène est lié au cycle de l'eau.
Le mouvement circulatoire d'oxygène comprend la production de dioxygène ou d'oxygène moléculaire de deux atomes (ou2). Cela se produit pour l'hydrolyse pendant la photosynthèse réalisée par les différents organismes photosynthétiques.
Le o2 Il est utilisé par les organismes vivants dans la respiration cellulaire, générant une production de dioxyde de carbone (CO2), Ce dernier étant l'une des matières premières du processus de photosynthèse.
D'un autre côté, dans la haute atmosphère, la fotolyse (hydrolyse activée par l'énergie solaire) de vapeur d'eau causée par le rayonnement ultraviolet du soleil se produit. L'eau se décompose en libérant l'hydrogène perdu dans la stratosphère et l'oxygène est intégré dans l'atmosphère.
Lors de l'interaction d'une molécule de o2 Avec un atome d'oxygène, l'ozone se produit (ou3). L'ozone forme la couche d'ozone si appelée.
Caractéristiques
L'oxygène est un élément chimique non métallique. Son nombre atomique est de 8, c'est-à-dire qu'il a 8 protons et 8 électrons à son état naturel. Dans des conditions de température et de pression normales, il est présent sous forme de dioxygène, de gaz incolore et de toilette. Sa formule moléculaire est ou2.
Le o2 Comprend trois isotopes stables: 16SOIT, 17Ou et 18SOIT. La manière prédominante de l'univers est le 16SOIT. Sur terre il représente 99,76% de l'oxygène total. Il 18Ou représente 0,2%. La forme 17O C'est très rare (~ 0,04%).
Origine
L'oxygène est le troisième élément de l'abondance de l'univers. Production d'isotopes 16Ou a commencé dans la première génération de brûlures solaires Helio qui se sont produites après le Big Bang.
L'établissement du cycle du noyau carbone-azote-oxygène dans les générations ultérieures d'étoiles a fourni la source prédominante d'oxygène sur les planètes.
Des températures et des pressions élevées produisent de l'eau (h2O) dans l'univers lors de la génération de la réaction de l'hydrogène avec l'oxygène. L'eau fait partie de la conformation du cœur de la Terre.
Les affleurements magma dégagent l'eau sous la forme de vapeur et cela entre dans le cycle de l'eau. L'eau est décomposée par l'oxygène et la fotolyse d'hydrogène par photosynthèse et le rayonnement ultraviolet aux niveaux supérieurs de l'atmosphère.
Atmosphère primitive
L'atmosphère primitive avant l'évolution de la photosynthèse par les cyanobactéries était anaérobie. Pour les organismes vivants adaptés à cette atmosphère, l'oxygène était un gaz toxique. Aujourd'hui encore, une atmosphère d'oxygène pur produit des dommages irréparables aux cellules.
Dans la lignée évolutive des cyanobactéries actuelles, la photosynthèse est née. Cela a commencé à changer la composition de l'atmosphère terrestre environ 2.300-2.700 millions d'années.
La prolifération des organismes de photosynthèse a changé la composition de l'atmosphère. La vie a évolué vers l'adaptation à une atmosphère aérobie.
Énergies qui conduisent le cycle
Les forces et les énergies qui agissent en favorisant le cycle d'oxygène peuvent être géothermiques, lorsque le magma expulse la vapeur d'eau, ou peut provenir de l'énergie solaire.
Ce dernier fournit l'énergie fondamentale du processus de photosynthèse. L'énergie chimique sous forme de glucides résultant de la photosynthèse, entraîne à son tour tous les processus de vie à travers la chaîne alimentaire. De même, le soleil produit un chauffage différentiel planétaire et provoque des courants marins et atmosphériques.
Il peut vous servir: 10 conséquences de la pollution de l'airRelation avec d'autres cycles biogéochimiques
En raison de son abondance et de sa forte réactivité, le cycle d'oxygène est lié à d'autres cycles tels que le CO2, Azote (n2) et le cycle de l'eau (h2SOIT). Cela donne un personnage multicyclique.
Les réservoirs de o2 et de CO2 Ils sont liés par des processus qui impliquent la création (photosynthèse) et la destruction (respiration et combustion) de la matière organique. À court terme, ces réactions de réduction d'oxyde sont la plus grande source de variabilité de la concentration de ou2 dans l'atmosphère.
Les bactéries dénitrifiantes obtiennent de l'oxygène pour respirer des nitrates du sol, libérant de l'azote.
Réservoirs
Géosphère
L'oxygène est l'un des principaux composants des silicates. Par conséquent, il constitue une fraction importante du manteau et de la croûte de la Terre.
- Noyau terrestre: Dans le manteau liquide extérieur du cœur de la Terre, il y a, en plus du fer, d'autres éléments, y compris l'oxygène.
- Le sol: Dans les espaces entre les particules ou les pores du sol, l'air se propage. Cet oxygène est utilisé par le microbiote du sol.
Atmosphère
21% de l'atmosphère est composée d'oxygène sous forme de dioxygène (ou2). Les autres formes de présence atmosphérique d'oxygène sont la vapeur d'eau (H2O), dioxyde de carbone (CO2) et l'ozone (ou3).
- Vapeur d'eau: La concentration de vapeur d'eau est variable, selon la température, la pression atmosphérique et les courants de circulation atmosphérique (cycle de l'eau).
- Gaz carbonique: CO2 représente environ 0,03% du volume d'air. Depuis le début de la révolution industrielle, la concentration de CO a augmenté2 Dans l'atmosphère en 145%.
- L'ozone: C'est une molécule qui est présente dans la stratosphère en faible quantité (0.03 - 0.02 parties par million par volume).
Hydrosphère
71% de la surface de la Terre est recouverte d'eau. Dans les océans, plus de 96% de l'eau présente à la surface de la terre est concentrée. 89% de la masse océanique est de l'oxygène. Le CO2 Il est également dissous dans l'eau et est soumis à un processus d'échange avec l'atmosphère.
Criosphère
La Criosphère fait référence à la masse d'eau congelée qui couvre certaines zones de la terre. Ces masses de glace contiennent environ 1,74% de l'eau du cortex terrestre. D'un autre côté, la glace contient des quantités variables d'oxygène moléculaire piégé.
SOITles organismes vivants
La plupart des molécules qui composent la structure des êtres vivants contiennent de l'oxygène. D'un autre côté, une forte proportion d'êtres vivants est l'eau. Par conséquent, la biomasse terrestre est également une réserve d'oxygène.
Étapes
En termes généraux, le cycle qui suit l'oxygène en tant qu'agent chimique comprend deux grandes zones qui composent son caractère de cycle biogéochimique. Ces zones sont représentées en quatre étapes.
La zone géo-environnementale couvre les déplacements et le confinement dans l'atmosphère, l'hydrosphère, la criosphère et la géosphère de l'oxygène. Cela comprend le réservoir environnemental et la scène source, et le stade du retour à l'environnement.
Dans la zone biologique, deux étapes sont également incluses. Ils sont associés à la photosynthèse et à la respiration.
-Réservoir environnemental et stade source: atmosphère-hydrosphère-chóosphère-géosphère
Atmosphère
La principale source d'oxygène atmosphérique est la photosynthèse. Mais il existe d'autres sources à partir desquelles l'oxygène peut être incorporé dans l'atmosphère.
L'un d'eux est le manteau extérieur liquide du cœur de la Terre. L'oxygène atteint l'atmosphère sous forme de vapeur d'eau à travers des éruptions volcaniques. La vapeur d'eau s'élève à la stratosphère où la photolyse souffre à la suite du rayonnement énergétique élevé du soleil et de l'oxygène libre se produit.
Peut vous servir: principes de durabilité environnementaleD'un autre côté, la respiration émet de l'oxygène sous forme de CO2. Les processus de combustion, en particulier les processus industriels, consomment également l'oxygène moléculaire et fournissent du CO2 à l'atmosphère.
Dans l'échange entre l'atmosphère et l'hydrosphère, l'oxygène dissous dans les masses d'eau passe à l'atmosphère. Pour sa part, le CO2 L'atmosphère est dissoute dans l'eau sous forme d'acide carbonique. L'oxygène dissous dans l'eau provient principalement de la photosynthèse des algues et des cyanobactéries.
Stratosphère
Aux niveaux supérieurs de l'atmosphère, le rayonnement à haute énergie hydrolyse la vapeur. Le rayonnement d'onde court active les molécules de ou2. Ceux-ci sont dépliés dans les atomes sans oxygène (O).
Ces atomes libres ou réagissent avec les molécules de ou2 et produire de l'ozone (ou3). Cette réaction est réversible. En raison du rayonnement ultraviolet, O3 Il se décompose à nouveau dans les atomes sans oxygène.
L'oxygène en tant que composant d'air atmosphérique fait partie de diverses réactions d'oxydation pour intégrer divers composés terrestres. Un puits d'oxygène important est l'oxydation des gaz à partir des éruptions volcaniques.
Hydrosphère
La plus grande concentration d'eau sur Terre est les océans, où il y a une concentration uniforme d'isotopes d'oxygène. Cela est dû à l'échange constant de cet élément avec le cortex terrestre à travers des processus de circulation hydrothermale.
Dans les limites des plaques tectoniques et du dorsal océanique, un processus constant d'échange de gaz est généré.
Criosphère
Les masses de glace terrestre, y compris les masses de glace polaire, les glaciers et le pergélisol, constituent un important puits d'oxygène sous forme d'eau solide.
Géosphère
L'oxygène participe également à l'échange gazeux avec le sol. Il constitue l'élément vital des processus respiratoires des micro-organismes du sol.
Un évier important sur le sol est les processus d'oxydation des minéraux et de combustion de combustibles fossiles.
L'oxygène qui fait partie de la molécule d'eau (H2O) Suivez le cycle de l'eau dans les processus d'évaporation-transpiration et de condensation.
-Étape photosynthétique
La photosynthèse est réalisée en chloroplastes. Pendant la phase lumineuse de la photosynthèse, un agent réducteur est nécessaire, c'est-à-dire une source d'électrons. Cet agent dans ce cas est l'eau (h2SOIT).
Lorsque vous prenez de l'eau (H) de l'eau, l'oxygène est libéré (ou2) En tant que déchet. L'eau entre dans la plante à travers les racines. Dans le cas des algues et des cyanobactéries, il provient de l'environnement aquatique.
Tout oxygène moléculaire (ou2) produit pendant la photosynthèse provient de l'eau utilisée dans le processus. En photosynthèse, il est consommé avec2, Énergie solaire et eau (H2O), et l'oxygène est libéré (ou2).
-Étape de retour atmosphérique
Le o2 Généré dans la photosynthèse est expulsé vers l'atmosphère à travers les stomates dans le cas des plantes. Les algues et les cyanobactéries le renvoient dans l'environnement en raison de la diffusion de la membrane. De même, les processus respiratoires renvoient l'oxygène à l'environnement sous forme de dioxyde de carbone (CO2).
-Stade respiratoire
Pour remplir leurs fonctions vitales, les organismes vivants doivent rendre efficace l'énergie chimique générée par la photosynthèse. Cette énergie est stockée sous forme de molécules complexes de glucides (sucres) dans le cas des plantes. Le reste des organismes l'obtient de la nourriture
Peut vous servir: Érosion de l'eau: facteurs, types, conséquences, solutionsLe processus par lequel les êtres vivants déplient des composés chimiques pour libérer l'énergie requise, est appelée respiration. Ce processus est effectué dans les cellules et a deux phases; un aérobie et un autre anaérobie.
La respiration aérobie est effectuée dans les mitochondries chez les plantes et les animaux. Dans les bactéries, il est effectué dans le cytoplasme, car ils manquent de mitochondries.
L'élément fondamental pour la respiration est l'oxygène en tant qu'agent oxydant. Dans la respiration, l'oxygène est consommé (ou2) Et co-liés2 et l'eau (h2O), produisant une énergie utile.
Le CO2 et l'eau (vapeur d'eau) sont libérées par des stomates dans les plantes. Dans les animaux le CO2 Il est libéré par les narines et / ou la bouche, et l'eau par transpiration. Dans les algues et les bactéries, le CO2 est libéré par la diffusion membranaire.
Photoorerspiration
Dans les plantes en présence de lumière, un processus est développé qui consomme de l'oxygène et de l'énergie appelée photoorerspiration. Photorerspiration augmente avec l'augmentation de la température, en raison de l'augmentation de la co-concentration2 Concernant la concentration de o2.
Photorerspiration établit un bilan énergétique négatif pour la plante. Consommer ou2 et l'énergie chimique (produite par la photosynthèse) et libère le CO2. C'est pourquoi ils ont développé des mécanismes évolutifs pour le contrer (C4 et Metabolismes).
Importance
Actuellement, la grande majorité de la vie est aérobie. Sans la circulation de O2 Dans le système planétaire, la vie telle que nous le connaissons aujourd'hui serait impossible.
De plus, l'oxygène constitue une proportion importante des masses d'air terrestre. Par conséquent, il contribue aux phénomènes atmosphériques qui lui sont liés et à ses conséquences: effets érosifs, régulation du climat, entre autres.
Directement, génère les processus d'oxydation dans le sol, des gaz volcaniques et sur les structures artificielles métalliques.
L'oxygène est un élément avec une capacité oxydative élevée. Bien que les molécules d'oxygène soient très stables car elles forment une double liaison, ayant de l'oxygène une électronégativité élevée (capacité à attirer des électrons), a une capacité réactive élevée. En raison de cette électronégativité élevée, l'oxygène intervient dans de nombreuses réactions d'oxydation.
Modifications
La grande majorité des processus de combustion qui se produisent dans la nature nécessitent une participation à l'oxygène. Aussi dans ceux générés par l'être humain. Ces processus remplissent des fonctions positives et négatives en termes anthropes.
La combustion des combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz) contribue au développement économique, mais en même temps, il représente un problème grave pour sa contribution au réchauffement climatique.
De grands incendies de forêt affectent la biodiversité, bien que dans certains cas, ils font partie des processus naturels dans certains écosystèmes.
Effet de serre
La couche d'ozone (ou3) Dans la stratosphère, c'est le bouclier protecteur de l'atmosphère contre l'excès de rayonnement ultraviolet. Ce rayonnement hautement énergique augmente le chauffage des terres.
D'un autre côté, il est très mutagène et nocif pour les tissus vivants. Dans l'être humain et d'autres animaux est cancérigène.
L'émission de divers gaz provoque la destruction de la couche d'ozone et facilite donc l'entrée du rayonnement ultraviolet. Certains de ces gaz sont des chlorofluorocarbures, du chlorhynthylofluorocarbures, du bromure d'éthyle, des oxydes d'azote des engrais et des halons.
Les références
- Bekker A, HD Holland, PL Wang, D Rumble, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee et NJ BEUKES. (2004) Datant la montée de l'oxygène atmosphérique. Nature 427: 117-120.
- Purves WK, D Sadava, Gh Orians et HC Heller (2003) Life. La science de la biologie. 6e EDT. Sinauer Associates, Inc. et Wh Freeman et Company. 1044 P.