酸素サイクル

酸素循環とは、地球の大気（空気）、生物圏（動植物）、水圏（水域と氷河）、岩石圏（地殻）における酸素の様々な移動を指します。酸素循環は、これらの各領域で遊離酸素がどのように生成され、どのように利用されるかを示しています。これは、地球の各圏/貯蔵庫内および圏間での酸化還元反応によって、イオン、酸化物、分子の異なる酸化状態間の酸素原子の生物地球化学的循環です。 ^[¹^]文献における酸素という言葉は、通常、最も一般的な酸素同素体である元素/二原子酸素（O₂ _）を指します。これは、循環内の多くの生物地球化学的酸化還元反応の一般的な生成物または反応物であるためです。 ^[²^]酸素循環内のプロセスは、生物学的または地質学的であると考えられ、供給源（O₂_の生成）またはシンク（O₂_の消費）として評価されます。^[¹^]^[²^]

酸素は地球上で最も一般的な元素の1つであり、各主要貯蔵庫の大部分を占めています。地球の酸素の最大の貯蔵庫は、地殻とマントルのケイ酸塩と酸化物鉱物の中にあります（重量比で99.5%）。^[⁶^]地球の大気圏、水圏、生物圏を合わせても、地球の酸素総質量の0.05%未満しか存在しません。O ₂の他に、酸素原子は、バイオマス、H ₂ O、CO ₂、HNO ₃、NO、NO 2、 CO、H ₂ O ₂、 O 3、SO _{2、H 2 SO 4}、MgO _、 CaO 、 Al 2 O 3 _、 SiO ₂、PO ₃₋ 4の分子_など、さまざまな形で地表貯蔵庫全体に_分布 _しています。^[⁷^]

酸素の分布場所

ソースとシンク

O _{2には多くの}非生物的発生源と吸収源があるが、現代の地球の大気と海洋に遊離酸素が大量に存在することは、酸素発生型光合成の生物学的プロセスにおけるO ₂生成と、生物ポンプとして知られる生物学的吸収源、およびプレートテクトニクスを伴う炭素埋没の地質学的プロセスが関連していると考えられている。^[⁹^]^[¹⁰^]^[¹¹^]^[⁷^]生物は現代の地球におけるO ₂フラックスの主な原動力であり、大酸化イベントの一部として議論されている細菌による酸素発生型光合成の進化は、すべての複雑な真核生物代謝の発達と存在を可能にする条件に直接責任があると考えられている。^[¹²^]^[¹³^]^[¹⁴^]

生物生産

大気中の遊離酸素の主な供給源は光合成であり、光合成は二酸化炭素と水から糖と遊離酸素を生成する。

\mathrm {6\ CO_{2}+6H_{2}O+energy\longrightarrow C_{6}H_{12}O_{6}+6\ O_{2}}

光合成を行う生物には、陸上の植物だけでなく、海洋の植物プランクトンも含まれます。微小な海洋シアノバクテリアであるプロクロロコッカスは1986年に発見され、外洋の光合成の最大半分を占めています。^{[ 15 ]}^{[ 16 ]}

非生物的生産

大気中の遊離酸素のもう一つの供給源は光分解です。光分解とは、高エネルギーの紫外線が大気中の水と亜酸化窒素を構成原子に分解する過程です。遊離した水素原子と窒素原子は宇宙空間に逃げ出し、大気中には _{O₂が残ります。}

\mathrm {2\ H_{2}O+energy\longrightarrow 4\ H+O_{2}}

\mathrm {2\ N_{2}O+energy\longrightarrow 4\ N+O_{2}}

生物学的消費

大気中から遊離酸素が失われる主な方法は、呼吸と分解という、動物や細菌が酸素を消費して二酸化炭素を放出するメカニズムによるものである。

容量と流量

以下の表は、酸素循環の貯蔵容量と流量の推定値を示しています。これらの数値は主に (Walker、JCG) の推定値に基づいています。^{[ 10 ]}最近の研究では、海洋生物 (海洋一次生産) が地球上の酸素生産量の半分以上を担っていることが示されています。^{[ 17 ]}^{[ 18 ]}

オゾン

大気中の酸素の存在により、成層圏にオゾン（O₃ _）とオゾン層が形成されました。

\mathrm {O_{2}+uv~light\longrightarrow 2~O} \qquad (\lambda \lesssim 200~{\text{nm}})

\mathrm {O+O_{2}\longrightarrow O_{3}}

オゾン層は有害な紫外線を吸収するため、現代生活にとって極めて重要です。

\mathrm {O_{3}+uv~light\longrightarrow O_{2}+O} \qquad (\lambda \lesssim 300~{\text{nm}})

参考文献

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さらに読む

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