酸素サイクル：特性、リザーバー、ステージ - 環境 - 2025

酸素サイクルは、地球上の酸素の循環運動を指します。それは気体の生物地球化学サイクルです。酸素は窒素に次いで大気中で2番目に豊富な元素であり、水圏では水素に次いで2番目に豊富です。この意味で、酸素循環は水循環に関連しています。

酸素の循環運動には、2原子（O ₂）の二酸素または分子状酸素の生成が含まれます。これは、異なる光合成生物によって行われる光合成中の加水分解が原因で発生します。

酸素貯留層：雲霧林、ワライラレパノ国立公園、ベネズエラ。Arnaldo Noguera Sifontes、ウィキメディア・コモンズ

O ₂は生物の細胞呼吸に使用され、二酸化炭素（CO ₂）を生成します。後者は光合成プロセスの原料の1つです。

一方、上層大気では、太陽からの紫外線により水蒸気の光分解（太陽エネルギーにより活性化される加水分解）が起こります。水は分解して、成層圏で失われた水素を放出し、酸素が大気に統合されます。

O ₂分子が酸素原子と相互作用すると、オゾン（O ₃）が生成されます。オゾンはいわゆるオゾン層を構成します。

特徴

酸素は非金属の化学元素です。その原子番号は8です。つまり、自然な状態で8つの陽子と8つの電子を持っています。通常の温度と圧力の条件下では、無色無臭の二酸素ガスの形で存在します。その分子式はO ₂です。

O _2には、¹⁶ O、¹⁷ O、¹⁸ Oの3つの安定同位体が含まれています。宇宙の主な形態は¹⁶ Oです。地球上では、全酸素の99.76％を占めています。¹⁸ Oは、0.2％を表します。¹⁷ O 型は非常にまれです（〜0.04％）。

原点

酸素は宇宙で3番目に豊富な要素です。¹⁶ O 同位体の生産は、ビッグバンの後に発生した太陽ヘリウム燃焼の第一世代で始まりました。

後の世代の星における炭素-窒素-酸素元素合成サイクルの確立は、惑星上の主要な酸素源を提供してきました。

高温と高圧は、水素と酸素の反応を発生させることにより、宇宙で水（H ₂ O）を生成します。水は地球のコアの構成の一部です。

マグマの露頭は水を蒸気の形で放出し、これが水循環に入ります。水は光合成によって酸素と水素に光分解し、大気の上層部では紫外線によって分解されます。

原始的な雰囲気

シアノバクテリアによる光合成の進化の前の原始的な大気は嫌気性でした。その大気に適応した生物にとって、酸素は有毒ガスでした。今日でも、純粋な酸素の雰囲気は細胞に回復不可能な損傷を与えます。

光合成は、今日のシアノバクテリアの進化系統に由来します。これにより、約23〜27億年前に地球の大気の構成が変化し始めました。

光合成生物の増殖により、大気の組成が変化しました。生活は好気性雰囲気への適応に向けて進化しました。

サイクルを動かすエネルギー

マグマが水蒸気を排出するとき、酸素サイクルを駆動するように作用する力とエネルギーは地熱であるかもしれません、またはそれは太陽エネルギーから来ることができます。

後者は、光合成プロセスの基本的なエネルギーを提供します。光合成から生じる炭水化物の形の化学エネルギーは、次に、食物連鎖を通してすべての生活プロセスを推進します。同じように、太陽は惑星の温暖化を引き起こし、大気および海流を引き起こします。

他の生物地球化学サイクルとの関係

その豊富さと高い反応性により、酸素サイクルは、CO ₂、窒素（N ₂）、水サイクル（H ₂ O）などの他のサイクルと関連しています。これにより、多環式の特性が得られます。

O ₂とCO _2の貯留層は、有機物の生成（光合成）と破壊（呼吸と燃焼）を伴うプロセスによってリンクされています。短期的には、これらの酸化還元反応は、大気中のO ₂濃度の変動の主な原因です。

脱窒菌は、土壌中の硝酸塩から呼吸のための酸素を得て、窒素を放出します。

貯水池

地球圏

酸素はケイ酸塩の主成分の一つです。したがって、地球のマントルと地殻のかなりの部分を構成しています。

• 地球のコア：地球のコアの液体の外側のマントルには、鉄に加えて、酸素を含む他の要素があります。
• 土壌：土壌の粒子や細孔の間の空間に空気が拡散します。この酸素は土壌微生物相によって使用されます。

雰囲気

大気の21％は、二酸素（O ₂）の形の酸素で構成されています。酸素の大気中の他の存在形態は、水蒸気（H ₂ O）、二酸化炭素（CO ₂）、およびオゾン（O ₃）です。

• 水蒸気：水蒸気の濃度は、温度、大気圧、大気圧の循環流（水循環）によって異なります。
• 二酸化炭素：CO ₂は空気量の約0.03％を占めます。産業革命の開始以来、大気中のCO ₂濃度は145％増加しました。
• オゾン：成層圏に少量（0.03〜0.02百万分量）で存在する分子です。

水圏

地表の71％は水で覆われています。地表に存在する水の96％以上が海に集中しています。海の質量の89％は酸素でできています。CO ₂も水に溶解し、大気との交換プロセスを受けます。

雪氷圏

雪氷圏とは、地球の特定の領域を覆う凍った水の塊を指します。これらの氷塊は地球の地殻にある水の約1.74％を含んでいます。一方、氷にはさまざまな量のトラップされた分子状酸素が含まれています。

または

生物の構造を構成する分子のほとんどは酸素を含んでいます。一方、生物の多くは水です。したがって、陸上バイオマスは酸素の貯蔵量でもあります。

ステージ

一般的に、化学物質として酸素がたどるサイクルは、生物地球化学サイクルとしての特性を構成する2つの大きな領域で構成されています。これらの領域は4つの段階で表されます。

地球環境領域は、大気、水圏、雪氷圏、および酸素の地球圏における変位と封じ込めを包含しています。これには、貯水池と水源の環境段階、および環境に戻る段階が含まれます。

酸素サイクル。ウィキメディア・コモンズのエメ・チカーノ

生物学的領域には2つの段階も含まれます。彼らは光合成と呼吸に関連付けられています。

-貯水池と発生源の環境段階：大気-水圏-寒冷圏-地圏

雰囲気

大気中の酸素の主な供給源は光合成です。しかし、酸素が大気に入ることができる他の源があります。

これらの1つは、地球のコアの液体の外側のマントルです。酸素は火山噴火によって水蒸気として大気に到達します。水蒸気は成層圏に上昇し、太陽からの高エネルギー放射の結果として光分解を受け、自由酸素が生成されます。

一方、呼吸はCO _2の形で酸素を放出します。燃焼プロセス、特に工業プロセスも分子状酸素を消費し、大気にCO ₂をもたらします。

大気と水圏の間の交換では、水塊の溶存酸素が大気中に移動します。一方、大気中のCO ₂は炭酸として水に溶解します。水中の溶存酸素は、主に藻類とシアノバクテリアの光合成に由来します。

成層圏

大気の上層では、高エネルギー放射線が水蒸気を加水分解します。短波放射はO ₂分子を活性化します。これらは遊離酸素原子（O）に分割されます。

これらの遊離O原子はO ₂分子と反応してオゾン（O ₃）を生成します。この反応は可逆的です。紫外線の影響により、O _3は再び遊離酸素原子に分解されます。

大気の成分としての酸素は、さまざまな地球上の化合物を統合するさまざまな酸化反応の一部です。酸素の主要な吸収源は、火山噴火によるガスの酸化です。

水圏

地球上での水の最大濃度は海洋であり、そこでは酸素同位体の均一な濃度があります。これは、この要素が熱水循環プロセスを通じて地殻と常に交換されているためです。

構造プレートと海嶺の境界では、ガス交換の一定のプロセスが生成されます。

雪氷圏

極地の氷塊、氷河、永久凍土などの陸氷塊は、固体水の形で酸素の主要なシンクを構成します。

地球圏

同様に、酸素は土壌とのガス交換に参加します。そこでは土壌微生物の呼吸過程に不可欠な要素を構成します。

土壌の重要なシンクは、鉱物の酸化と化石燃料の燃焼のプロセスです。

水分子（H ₂ O）の一部である酸素は、蒸発-蒸散および凝縮-沈殿のプロセスで水循環に従います。

-光合成段階

光合成は葉緑体で行われます。光合成の明るい段階では、還元剤、つまり電子源が必要です。この場合の前記薬剤は水（Ｈ_２Ｏ）である。

水から水素（H）を奪うことにより、酸素（O ₂）が廃棄物として放出されます。水は土から根を通って植物に入ります。藻類とシアノバクテリアの場合、それは水生環境に由来します。

光合成中に生成されるすべての分子酸素（O ₂）は、プロセスで使用される水から発生します。光合成では、CO ₂、太陽エネルギー、水（H ₂ O）が消費され、酸素（O ₂）が放出されます。

-大気圏復帰段階

植物の場合、光合成で生成されたO ₂は気孔を通って大気中に放出されます。藻類とシアノバクテリアは、膜拡散によって環境に戻します。同様に、呼吸プロセスは酸素を二酸化炭素（CO ₂）の形で環境に戻します。

-呼吸ステージ

生命体は、生命機能を発揮するために、光合成によって生み出される化学エネルギーを有効に活用する必要があります。植物の場合、このエネルギーは炭水化物（糖）の複雑な分子の形で保存されます。残りの生物は食事からそれを得ます

生物が化学物質を展開して必要なエネルギーを放出するプロセスは、呼吸と呼ばれます。このプロセスはセルで行われ、2つのフェーズがあります。1つは好気性、もう1つは嫌気性です。

有酸素呼吸は、植物や動物のミトコンドリアで起こります。細菌ではミトコンドリアがないため、細胞質で行われます。

呼吸の基本要素は、酸化剤としての酸素です。呼吸では、酸素（O ₂）が消費され、CO ₂と水（H ₂ O）が放出され、有用なエネルギーが生成されます。

CO ₂と水（水蒸気）は、植物の気孔から放出されます。動物では、CO ₂は鼻孔や口から放出され、水は汗を通して放出されます。藻類や細菌では、CO ₂は膜拡散によって放出されます。

光呼吸

植物では、光の存在下で、酸素と光呼吸と呼ばれるエネルギーを消費するプロセスが発達します。O _2の濃度に対するCO ₂の濃度の増加により、光呼吸は温度の上昇とともに増加します。

光呼吸は植物に負のエネルギーバランスを確立します。O ₂と化学エネルギー（光合成によって生成される）を消費し、CO ₂を放出します。このため、彼らはそれを打ち消す進化的メカニズムを開発しました（C4およびCAN代謝）。

重要性

今日、人生の大部分は好気性です。惑星系でのO ₂の循環がなければ、今日の生活は不可能です。

さらに、酸素は地球の気団のかなりの部分を占めています。したがって、それはそれに関連する大気現象とその結果に貢献します。とりわけ、侵食効果、気候調整などです。

直接、土壌、火山ガス、人工金属構造物で酸化プロセスを生成します。

酸素は酸化力の高い元素です。酸素分子は二重結合を形成しているため、非常に安定していますが、酸素は電気陰性度（電子を引き付ける能力）が高いため、反応容量が高くなります。この高い電気陰性度のため、酸素は多くの酸化反応に関与します。

改造

自然界で発生する燃焼プロセスの大部分は、酸素の関与を必要とします。同様に人間によって生成されたもので。これらのプロセスは、人為的な観点から、正と負の両方の機能を果たします。

化石燃料（石炭、石油、ガス）の燃焼は経済発展に貢献しますが、同時に地球温暖化への貢献のために深刻な問題を表しています。

大規模な森林火災は生物多様性に影響を与えますが、場合によっては特定の生態系の自然プロセスの一部です。

温室効果

成層圏のオゾン層（O ₃）は、過剰な紫外線の侵入に対する大気の保護シールドです。この非常にエネルギッシュな放射は地球の温暖化を増大させます。

一方、変異原性が高く、生体組織に有害です。人間や他の動物では発がん性があります。

さまざまなガスの放出はオゾン層の破壊を引き起こし、したがって紫外線の侵入を促進します。これらのガスの一部は、クロロフルオロカーボン、ハイドロクロロフルオロカーボン、臭化エチル、肥料からの窒素酸化物、およびハロンです。

参考文献

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