Сегодня мы подробнее поговорим о том, откуда берется кислород.
Фотосинтез
Как известно, кислород вырабатывается зелеными растениями в процессе фотосинтеза. Фотосинтез происходит именно в зеленых частях растения, где больше всего пигмента хлорофилла. Для того чтобы произошел фотосинтез, необходимо наличие двух элементов: солнечной энергии и воды. Используя энергию солнца, растение поглощает из воздуха углекислый газ, и под действием энергии солнца этот газ вступает в реакцию с водой, которое растение поглощает корнями из земли. Продуктами фотосинтеза являются углеводы, которыми питаются сами растения, и так необходимый нам кислород. Установлено, что растения выделяют приблизительно 6 тонн кислорода на тонну вещества, израсходованного на дыхание.
Можно составить такую формулу фотосинтеза: вода + углекислый газ + солнечная энергия = углеводы + кислород.
Однако неправильно думать, что лишь наземные растения выделяют кислород. На самом деле, львиную долю кислорода (более 80 %) выделяют водоросли в морях и океанах. Эти сине-зеленые водоросли или фитопланктон поставляют кислород в атмосферу Земли сквозь толщу воды. Именно поэтому правильней называть океаны и моря "легкими нашей планеты".
Пожалуй, сейчас даже дети знают, что химическая формула воды - H 2 O. Однако это теория, а на деле в воде растворено огромное количество веществ как органического, так и неорганического происхождения. Чистая вода, как известно, не имеет вкуса и запаха, но кто угодно может убедиться в том, что в подавляющем большинстве случаев это не так. В питьевой воде, например, содержится некоторое количество минеральных солей, что придает ей солоноватый привкус. В той или иной степени в ней содержится все то, с чем она контактирует. Точный зависит от места ее забора, ведь в разных местах она контактирует с разными веществами. Кое-где химики найдут в жидкости тяжелые металлы, где-то - различные
Как же так получается?
Вода является универсальным растворителем. Дистилированная вода считается наиболее чистым в химическом смысле веществом, однако через некоторое время она утрачивает свое первоначальное состояние. И вот почему: вода является настолько хорошим растворителем, что со временем в нее попадают молекулы различных веществ из воздуха. В природе же это происходит еще и за счет жизнедеятельности различных организмов, живущих в водной среде.
Газы в воде
Наливая воду в стакан, можно увидеть пузырьки газа, которые будут находиться на стенках сосуда. Наряду с солями и другими веществами вода растворяет в себе и газы. Прежде всего из воздуха, а также кислород, а в некоторых случаях еще метан и сероводород. Причем холодная вода растворяет газы гораздо лучше, чем теплая, так что чем ниже температура, тем выше концентрация газов. И наоборот - с ростом температуры растворимость падает.
Источники растворенных в воде газов
Но откуда вообще все эти вещества берутся в воде? Азот, как правило, растворяется в процессе взаимодействия с атмосферой, метан - в результате контакта с породами и разложения донного ила, а сероводород образуется как продукт гниения органических остатков. Как правило, сероводород содержится в глубинных водных слоях и не поднимается к поверхности. При его высокой концентрации жизнь невозможна, так, например, в Черном море на глубинах более 150-200 метров из-за высокой насыщенности вод сероводором почти нет живых организмов, кроме некоторых бактерий.
Кислород также всегда содержится в воде. Он является универсальным окислителем, поэтому частично разлагает сероводород, снижая его концентрацию. Но откуда берется кислород в воде? О нем разговор пойдет особый.
Кислород
Практически все живые организмы нуждаются в кислороде. Люди дышат вохдухом, который представляет собой смесь газов, немалую часть которой составляет именно он.
Обитатели водной среды также нуждаются в этом веществе, так что концентрация кислорода в воде - это очень важный показатель. Обычно он составляет до 14 мг/л, если речь идет о природных водах, а иногда даже больше. В той же жидкости, которая течет из-под крана, кислорода содержится гораздо меньше, и это легко объяснить. Водопроводная вода после водозабора проходит через несколько этапов очистки, а растворенный кислород - крайне неустойчивое соединение. В результате газообмена с воздушной средой большая его часть просто улетучивается. Так откуда берется кислород в воде, если не из воздуха?
На самом деле это не совсем правда, из воздуха он тоже берется, но его доля, растворенная в результате контакта с атмосферой, крайне мала. Для того чтобы взаимодействие кислорода с водой было достаточно эффективным, необходимы особые условия: низкая температура, высокое давление и относительно низкая минерализация. Они соблюдаются далеко не всегда, и жизнь вряд ли бы существовала в нынешнем виде, если бы единственным способом образования этого газа в водной среде было взаимодействие с атмосферой. К счастью, есть еще два источника, откуда берется кислород в воде. Во-первых, растворенные молекулы газа в большом количестве содержатся в снеговых и дождевых водах, а во-вторых - и это основной источник - в результате фотосинтеза, осуществляемого водной растительностью и фитопланктоном.
Кстати, несмотря на то, что содержит кислород, извлечь его оттуда живые организмы, конечно, не в состоянии. Поэтому им остается довольствоваться именно растворенной долей.
О значении водорослей
Мало кто в обычной жизни задумывается, чем мы дышим и почему именно такой, какой он есть. Практически все знают, что большинство живых организмов, дышащих воздухом, приспособлено именно к такой смеси. Но если речь идет о наземно-воздушной среде, то вопросов не возникает. А откуда в воде кислород? Как и на земле, там много растений, которые с помощью процесса, который называют фотосинтезом, потребляя свет и углекислый газ, выделяют O 2 .
Если же быть точнее, в последние десятилетия по тем или иным причинам человечество уничтожило огромную часть лесов. Но речи о глобальном кризисе пока нет, хотя население планеты постоянно растет, и потребление кислорода
огромно. И огромное значение в этом вопросе имеют водоросли, которые обитают в Мировом океане, большей частью именно за их счет происходит насыщение воды кислородом. Некоторые их виды люди и морские обитатели употребляют в пищу, но их количество остается достаточным для эффективного фотосинтезирования. Вот откуда берется кислород в воде, а значит, благодаря газообмену с атмосферой, и в воздухе. Именно фотосинтез водорослей - его основной источник. Кстати, именно за счет процессов, происходящих в растениях, был накоплен первичный кислород в атмосфере, а сейчас происходит только поддержание ее неизменного состава.
Роль растворенного кислорода (РК)
Несмотря на то что дыхательная система водных обитателей устроена иначе, чем у жителей наземно-воздушной среды, они нуждаются все в тех же веществах. Прежде всего речь идет о кислороде, который играет важную роль в жизнедеятельности подавляющего большинства организмов. И если мы извлекаем его из атмосферы, где его доля более или менее стабильна и составляет около 21%, то жители рек, морей и океанов сильно зависят от того, сколько кислорода в воде содержится в месте их обитания. Помимо рыб, кислород нужен и растениям. Однако его продукция обычно выше, чем уровень потребления, так что это не должно вызывать беспокойства.
Нормальные показатели
Из-за своей значительной роли в нормальном функционировании экосистем, уровень РК часто подвергается контролю со стороны биологов и экологов. Ведь в природе все связано, нарушение газового баланса в одном водоеме может вызвать проблемы и в соседних, если они связаны. Как правило, замеры проводятся до полудня, в этот период концентрация газа в поверхностных водах становится максимальной и составляет до 14 мг/л. Этот показатель подвержен серьезным суточным и сезонным колебаниям, но он не должен опускаться ниже 4 мг/л.
Уменьшение концентрации до 2 мг/л и менее вызывает массовую гибель обитателей гидросферы. Фактически - от удушья. Постепенное снижение показателя может говорить о загрязнении водоема и также может со временем закончиться гибелью водных жителей.
РК в искусственно созданных экосистемах
Важное значение хорошая аэрация имеет, например, в аквариумистике. Именно поэтому необходимо не только устанавливать специальные насосы, закачивающие воздух в воду и насыщающие его кислородом, но и, например, при необходимости высаживать на дне различные водоросли. Конечно, тем, кто имеет подобное хобби, в первую очередь интересна эстетика экосистемы, однако нельзя забывать о ее устойчивости и некой долговечности.
Если же речь идет о производстве жемчуга и других специфических отраслях подобного типа, то помимо различных мер, направленных на сохранение достаточной концентрации растворенного кислорода в воде, необходимо регулярно проводить измерение этого показателя с помощью специальных проб. При их заборе крайне важно, чтобы не произошло контакта с воздухом, это может исказить результаты анализа.
Существует мнение, что "легкими планеты" являются леса, поскольку считается, что именно они — основные поставщики кислорода в атмосферу. Однако на самом деле это не так. Главные производители кислорода живут в океане. Этих малышей невозможно увидеть без помощи микроскопа. Но все живые организмы Земли зависят от их жизнедеятельности.
Никто не спорит, что леса, конечно же, надо сохранять и оберегать. Однако вовсе не из-за того, что они являются этими пресловутыми "легкими". Потому что на самом деле их вклад в обогащение нашей атмосферы кислородом практически равен нулю.
Никто не будет отрицать тот факт, что кислородную атмосферу Земли создали и продолжают поддерживать именно растения. Это случилось потому, что они научились создавать органические вещества из неорганических, используя при этом энергию солнечного света (как мы помним из школьного курса биологии, подобный процесс называется фотосинтез). В результате этого процесса листья растений выделяют свободный кислород как побочный продукт производства. Этот необходимый нам газ поднимается в атмосферу и потом равномерно распределяется по ней.
По данным различных институтов, таким образом, на нашей планете ежегодно выбрасывается в атмосферу около 145 млрд тонн кислорода. При этом большая часть его расходуется, как это не удивительно, вовсе не на дыхание обитателей нашей планеты, а на разложение погибших организмов или, попросту говоря, на гниение (примерно 60 процентов от используемого живыми существами). Так что, как видите, кислород не только дает нам возможность дышать полной грудью, но и выступает в роли своеобразной печки для сжигания мусора.
Как мы знаем, любое дерево не вечно, поэтому, когда, наступает время, оно умирает. Когда ствол лесного гиганта падает на землю, его организм разлагают тысячи грибов и бактерий в течение весьма длительного времени. Все они используют при этом кислород, который вырабатывается оставшимися в живых растениями. Согласно подсчетам исследователей, на подобную "уборку территории" уходит около восьмидесяти процентов "лесного" кислорода.
Но оставшиеся 20 процентов кислорода вовсе не поступают в "общий атмосферный фонд", а также используются лесными жителями "на местах" в своих целях. Ведь животным, растениям, грибам и микроорганизмам тоже нужно дышать (без участия кислорода, как мы помним, многие живые существа не смогли бы получать из пищи энергию). Поскольку все леса, как правило, являются весьма густонаселенными зонами, этого остатка хватает только для того, что бы удовлетворить кислородные потребности лишь своих собственных обитателей. Для соседей (например, жителей городов, где собственной растительности мало) уже ничего не остается.
Кто же тогда является на нашей планете основным поставщиком этого необходимого для дыхания газа? На суше это, как ни странно… торфяные болота. Всем известно, когда на болоте погибают растения, их организмы не разлагаются, поскольку бактерии и грибы, делающие эту работу, не могут жить в болотной воде — там много природных антисептиков, выделяемых мхами.
Итак, отмершие части растений, не разлагаясь, опускаются на дно, образуя залежи торфа. А если нет разложения, то и кислород не тратится. Поэтому болота отдают в общий фонд около 50 процентов вырабатываемого ими кислорода (другую половину используют сами обитатели этих неприветливых, но весьма полезных мест).
Тем не менее взнос болот в общий "благотворительный фонд кислорода" не очень-то и велик, ведь их на Земле не так много. Куда активнее участвуют в "кислородной благотворительности" микроскопические океанические водоросли, совокупность которых ученые называют фитопланктоном. Эти существа настолько малы, что простым глазом их разглядеть практически невозможно. Однако их общее количество весьма велико, счет идет на миллионы миллиардов.
Весь мировой фитопланктон вырабатывает в 10 раз больше кислорода, чем нужно ему самому для дыхания. Хватает для того, что бы обеспечить полезным газом и всех остальных обитателей вод, и в атмосферу попадает немало. Что касается затрат кислорода на разложение трупов, то в океане они весьма низки — примерно 20 процентов от общей выработки.
Происходит это из-за того, что мертвые организмы сразу же поедаются падальщиками, которых в морской воде живет великое множество. Тех, в свою очередь, после смерти съедят другие падальщики, и так далее, то есть трупы в воде практически никогда не залеживаются. Те же останки, на которые уже ни для кого не представляют особого интереса, падают на дно, где мало кто живет, и разлагать их просто некому (так образуется всем известный ил), то есть и в данном случае кислород не расходуется.
Итак, океан поставляет в атмосферу около 40 процентов того кислорода, которое произвел фитопланктон. Именно этот запас и расходуется в тех областях, где кислорода вырабатывается очень мало. К последним, кроме городов и деревень относятся пустыни, степи и луга, а также горы.
Так что, как это ни странно, род человеческий живет и здравствует на Земле именно за счет микроскопических "кислородных фабрик", плавающих по поверхности океана. Именно их-то и следует называть "легкими планеты". И всячески оберегать от нефтяных загрязнений, отравлений тяжелыми металлами и т. п., поскольку, если они вдруг прекратят свою деятельность, нам с вами будет просто нечем дышать.
В которой экспериментально подтверждают свою гипотезу, объясняющую появление на Земле кислорода нерастительного происхождения.
Почти все живое использует для дыхания кислород. Не вникая особенно в физику и химию процессов клеточного дыхания, скажем, что выбор эволюции пал на кислород из-за его высокой способности к окислению, то есть тому, чтобы легко присоединять лишний электрон. Электрон поступает в электротранспортную цепь от НАДH или ФАДH 2 путешествует по ней, и все заканчивается синтезом молекулы АТФ - материальным эквивалентом запасенной энергии и присоединением электрона к кислороду. Вся эта реакция становится возможной, потому что такой перенос электрона энергетически выгоден, а это частично обусловлено свойствами кислорода.
Когда жизнь на Земле зарождалась, кислорода в атмосфере практически не было, как нет его сегодня на Венере или Марсе. Древние бактерии были вынуждены использовать другие окислители , зачастую энергетически менее выгодные, зато доступные. NO 3 - , NO 2 - , Fe 3+ , фумарат и диметилсульфоксид, используемые некоторыми видами бактерий, обладают более высоким окислительно-восстановительным потенциалом и менее выгодны в качестве окислителей. Многие бактерии, использующие один из этих окислителей, способны также и к кислородному дыханию. При наличии кислорода они дышат им (это выгоднее), а когда кислорода нет, - другим своим окислителем (надо же как-то). Серосодержащие окислители (S, SO 4 -) обладают более низким окислительно-восстановительным потенциалом. Это, однако, делает кислород токсичным для соответствующих микроорганизмов, и в атмосфере, содержащей кислород, они погибают. У более высокоорганизованных жизненных форм анаэробное дыхание встречается редко и почти никогда не служит основным источником энергии.
Могли ли высокоразвитые формы жизни использовать в качестве окислителя не кислород? Кислород в качестве окислителя энергетически выгоднее большинства других субстратов (чем ниже окислительно-восстановительный потенциал окислителя, тем больше энергии выделяется при прохождении электрона через электротранспортную цепь). Значит, дышащие кислородом организмы обладали более эффективным метаболизмом, были лучше адаптированы. С энергетической точки зрения серосодержащие субстраты тоже вполне выгодны. Проблема, правда, заключается в том, что обладатели такого типа дыхания гибнут в присутствии кислорода. До сих пор не вполне понятно , почему именно это происходит. То есть, если бы в атмосфере Земли не появился кислород, со временем обладатели сульфатного дыхания могли бы эволюционировать и дальше. Но кислород появился, и им пришлось отправиться в «резервации», куда кислород не поступает.
Вопрос в том, откуда появился кислород. На сегодняшний день в атмосфере Земли примерно 20% кислорода. В таких огромных количествах его выделяют фотосинтезирующие растения, в основном, деревья и водоросли. Но фотосинтезирующие растения сами теперь в большинстве своем дышат кислородом. Чтобы в ходе эволюции мутации, позволяющие дышать кислородом, закрепились, это должно быть выгодно, значит, должен быть кислород. В большом количестве кислород на Земле появился благодаря цианобактериям . Это азотфиксирующие бактерии, умеющие фотосинтезировать. То есть массово кислород появился на Земле как побочный продукт фотосинтеза. Это событие называют «Кислородной катастрофой », видимо, за масштаб последствий.
А вот на вопрос о том, был ли кислород до этого, остается открытым. Последние 40 лет все увереннее стали говорить, что кислород был и до Кислородной катастрофы, и вот теперь возможность его существования подтверждена экспериментально.
До сегодняшнего дня был известен только один способ возникновения молекулярного кислорода в тогдашних условиях. Он состоит из двух стадий: диссоциации углекислого газа под воздействием солнечного ультрафиолета на угарный газ и атомарный кислород и реакции двух атомов кислорода, требующей третьего участника: атомы объединяются в молекулу, а носитель (M) уносит лишнюю энергию.
CO 2 + hν(UV) → CO + O
O+O+M → O 2 + M
Однако же расчеты, а затем и эксперимент, проведенные авторами обсуждаемой статьи показали, что кислород может под действием ультрафиолета образовываться из углекислого газа в один шаг:
CO 2 + hν(UV) → C+O 2
В эксперименте использовался лазер с длиной волны 200 нм, свет с такой длиной волны обычно поглощается атмосферой, поэтому реакция должна была протекать в верхних ее слоях. Такая реакция может и сейчас, когда содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается, происходить в верхних слоях атмосферы Земли, а может и в атмосферах других планет.
Всем известно, откуда берется кислород, но многие не знают истории появления этого элемента на планете. Это очень интересно, и, конечно, в двух словах невозможно описать этот сложный процесс, но я попробую рассказать о главных этапах.
Откуда на Земле появился кислород
Для того, чтобы разобраться в этом вопросе, необходимо понять, как формировалась Вселенная. Итак, первыми элементами в ее первоначальном составе были гелий и водород, которые образовали и зажгли звезды. По мере выгорания синтезировались иные элементы, но вот соотношение водорода к кислороду составляло 1 к 1000. То есть лишь малая часть их молекул вступила в реакцию, создав воду. Она превратилась в лед, который до сих пор содержится в кометах. На момент формирования Земли кислорода было более чем достаточно, однако, он был связан в минеральных соединениях и с водородом: в виде твердой и газообразной воды.
Выходит, что кислород присутствовал на планете еще задолго до первых растений, а уже они путем химических реакций начали высвобождать его в атмосферу. Поскольку молекулы кислорода весьма активно вступают в химические реакции, растения - ключевое условие для поддержания необходимого баланса в атмосфере.
Кислород: история элемента в эволюции
Первые организмы питались тем, что присутствовало в «первичном бульоне», то есть простейшей органикой. Побочным продуктом был углекислый газ, который накапливался в атмосфере. Но вскоре запасы органики истощились, и организмы эволюционировали, став анаэробными - способными самостоятельно синтезировать питательные вещества из CO2 и водорода, выделяя метан. Далее было следующее:
- водород давал энергию для жизненных процессов, но запасы его стали истощаться;
- возникла новая форма жизни с использованием фотосинтеза, где в качестве побочного элемента стал кислород;
- он стал накапливаться в атмосфере.
Биологи утверждают, что кислород тогда был настоящим ядом для всего живого, а потому возникла необходимость в новых формах, которые стали применять его для поддержания жизни - возникло кислородное дыхание.