Биогеохимический цикл кислорода¶
Кислород — один из самых распространенных элементов в биосфере. Его кларк в литосфере составляет 47 %, в гидросфере — 86,82 %, в живом веществе — 70 %. По классификации В.И. Бгатова кислород относится к биогенным элементам, входя в группу первоэлементов.
Первостепенная роль кислорода в биосфере определяется рядом его особенностей. Наряду с углеродом, кислород играет важнейшую роль трансформатора и аккумулятора энергии Солнца. При фотосинтезе происходит зарядка этого геохимического аккумулятора, а при дыхании и процессах окисления — разрядка.
Вторая особенность — «свободный кислород — самый могущественный деятель из всех нам известных химических тел земной коры. Поэтому в большинстве систем биосферы, например, в почвах, грунтах, речных и морских водах, кислород является геохимическим диктатором, определяет геохимическое своеобразие системы».
Пути поступления кислорода в биосферу и изъятия из нее¶
Существует гипотеза о двух основных источниках поступления кислорода в биосферу. Первый источник — эндогенный. При подводных излияниях базальтов в придонные слои поступает свободный кислород (0,5 % от излившейся массы). Затем он распространяется по всей толще океанических вод, а уже из нее — в атмосферу. Ежегодно поступает 16 × 1016 г эндогенного кислорода. Второй источник — процесс фотосинтеза, осуществляемый зелеными растениями. Водные растения поставляют ежегодно 5 × 1016 г кислорода, а сухопутные — 1,25 × 1016 г. Кроме того, незначительная часть кислорода в верхних слоях атмосферы может получаться за счет фотохимического разложения молекул воды под воздействием ультрафиолетовых лучей. Всего ежегодно в атмосферу поступает около 2,23 × 1017 г кислорода.
Существует только один путь изъятия свободного кислорода из биосферы — разнообразные реакции окисления. К ним относится дыхание живых организмов, а также процессы, идущие в зоне гипергенеза. Возникающие при этом минеральные новообразования, обогащенные кислородом, слагают осадочные горные породы, которые нисходящими тектоническими движениями погружаются в недра Земли. Там при метаморфизме и магматических процессах при восстановительных реакциях и происходит возгонка свободного кислорода, который затем снова поступает в биосферу. В этом процессе, вероятно, велика роль железа, которое окисляется в зоне гипергенеза, а в недрах Земли его окисли восстанавливаются.
Пути миграции кислорода в биосфере¶
В современной атмосфере содержится, по подсчетам В.И. Вернадского, 1,5 × 1021 г свободного кислорода. В океанических водах 1,4 × 1019 г (в верхнем 200-метровом слое, где идет фотосинтез 5 × 1016 г, а в промежуточных и глубинных водах ~ 1,4 × 1019 г). Таким образом, основным резервуаром свободного кислорода является атмосфера. Из поступающего ежегодно 2,3 × 1017 г свободного кислорода на дыхание растений расходуется 0,94 × 1016 г (15 % от массы фотосинтетического кислорода), а все остальное идет на дыхание животных и многочисленные реакции окисления, идущие во всех средах биосферы, в том числе 1,4 × 1016 г/год на сжигание органического топлива.
Наблюдаются региональные различия в судьбе фотосинтетического кислорода. Так, в тропических и экваториальных лесах, где развита пышная растительность, весь фотосинтетический кислород расходуется на дыхание и на окисление большой массы отмерших растительных остатков. Кроме того, в этих местах процессы окисления в зоне гипергенеза идут наиболее интенсивно, создавая кору выветривания до 200 метров мощности. В таежных лесах северного полушария (северная половина Евразии и Северной Америки) благодаря захоронению растительной массы в болотах, расход на окисление органического углерода значительно меньше. Менее интенсивно идут и процессы окисления в зоне гипергенеза. Поэтому именно леса умеренной зоны Северного полушария и являются основным поставщиком фотосинтетического кислорода в атмосферу.
Наблюдаются региональные различия в содержании свободного кислорода в глубинных океанических водах. В Атлантическом океане содержание кислорода — 5,15–5,39 мл/л, в Индийском океане — 3,34–4,3 мл/л и в Тихом — 2,8–4,3 мл/л. В.И. Бгатов (1985) объясняет это разной степенью развития подводных излияний базальтовой магмы (максимум приходится на Атлантический океан, а минимум — на Тихий).
Характер изменений круговоротов кислорода с течением времени¶
В.И. Бгатов (1985) указывает, что в геологической истории не раз происходили изменения в поступлении и расходе кислорода в биосфере. Это связано с циклическим чередованием талассократических и теократических эпох.
В талассократические эпохи (венд, средний кембрий, средний ордовик, ранний карбон, поздняя юра, поздний мел, средний палеоген) развивались трансгрессии и усиливался базальтоидный магматизм. Это вело к увеличению поступления как эндогенного, так и фотосинтетического кислорода. Но одновременно происходили процессы, препятствующие росту содержания кислорода в атмосфере. Так, известно, что при увеличении концентрации в атмосфере кислорода снижается фотосинтез и усиливаются окислительные процессы, особенно в зоне гипергенеза.
Теократическим эпохами (раннему силуру, раннему девону, перми и триасу, раннему мелу, неогену) свойственны регрессии моря, ослабление базальтоидного вулканизма. Для них характерно снижение поступления как фотосинтетического, так и эндогенного кислорода. С уменьшением концентрации кислорода в атмосфере усиливался фотосинтез и замирали процессы окисления, особенно в зоне гипергенеза.
Эти прямые и обратные связи, действующие в системе круговорота кислорода в биосфере, приводили к тому, что во всей геологической истории содержание кислорода в атмосфере колебалось незначительно. В.И. Бгатов пишет: «Исходя из наших построений, максимальное уменьшение или увеличение в атмосфере кислорода в любой геологической эпохе по отношению к предшествующей или будущей может быть не более чем на 10 %». Но даже такие небольшие колебания имели существенные последствия для живых организмов. Массовое вымирание организмов приурочено к теократическим эпохам, к которым приурочено снижение поступления кислорода в биосферу.
«В течение фанерозойской истории Земли количество продуцировавшегося кислорода в расчете на современный год составляло от 2 × 1017 г в теократические эпохи до 2,3 × 1017 г в эпохи талассократичесие. Таким образом, количество продуцировавшегося кислорода изменялось относительно незначительно. В сближенных по времени геологических эпохах эти величины составляли не более 4–5 %».
«Из всех возможных внешних причин всеобщего вымирания животных единственной может быть газ. Любые изменения состава атмосферы немедленно сказываются во всех экологических нишах. Мелкие животные сильнее нуждаются в повышенном содержании кислорода в атмосфере, так как они обычно ведут более активный образ жизни. Порогом вентиляторной реакции у человека, например, считают содержание кислорода во вдыхаемом воздухе 16–18 %».
Все сказанное об изменениях в круговороте кислорода в течение геологической истории биосферы можно резюмировать следующим образом. «Эпохи вымирания проконтролированы эпохами снижения продуцирования кислорода. На переходе от эпох относительно мощного продуцирования кислорода к эпохам относительного его снижения животные организмы вынуждены были эволюционировать, то есть приспосабливаться к меняющемуся газовому режиму атмосферы. Жизнь необходимо, в первую очередь, рассматривать как борьбу за газ, за кислород. Кислороду обязаны и расцвет и угасание жизни. Он является ее основой».
Влияние человека¶
Хозяйственная деятельность человека воздействует на сложившийся круговорот кислорода в биосфере несколькими способами.
Во-первых, вырубка лесов в умеренной зоне Северного полушария ведет к уменьшению поступления в атмосферу фотосинтетического кислорода.
Во-вторых, осушение болот в Северном полушарии, что было модно в нашей стране во второй половине XX века, способствует повышенному расходу кислорода на окисление отмершей растительной массы.
В-третьих, разливы нефти в морях и океанах образуют на обширных площадях тонкую пленку, которая препятствует фотосинтетической деятельности фитопланктона.
В-четвертых, использование органического и минерального топлива создало еще один канал изъятия кислорода из атмосферы. Этим способом в начале XXI века изымается порядка 22 % поступающего фотосинтетического кислорода, и величина этого изъятия растет. Поэтому особое значение приобретает увеличение в энергетике доли использования возобновляемых источников энергии (силы ветра и движущейся воды), чтобы снизить сжигание органического топлива.
Немаловажное значение для сохранения сложившегося круговорота кислорода имеет возобновление лесов, борьба с лесными пожарами и сохранение болот.