Ciclo del oxígeno

Ciclo biogeoquímico del oxígeno

Principales reservorios y flujos: en la biosfera (verde), la biosfera marina (azul), la litosfera (marrón) y la atmósfera (gris).
Los principales flujos entre estos reservorios se muestran en flechas de colores, donde las flechas verdes están relacionadas con la biosfera terrestre, las flechas azules están relacionadas con la biosfera marina, las flechas negras están relacionadas con la litosfera y la flecha violeta está relacionada con el espacio (no es un reservorio, pero también contribuye al O _{2 atmosférico)} . ^[1]
El valor de la fotosíntesis o productividad primaria neta (PPN) se puede estimar a través de la variación en la abundancia y la composición isotópica del O ₂ atmosférico . ^{[2] [3]}
La tasa de enterramiento de carbono orgánico se derivó de los flujos estimados de carbono volcánico e hidrotermal. ^{[4] [5]}

El ciclo del oxígeno se refiere al movimiento del oxígeno a través de la atmósfera (aire), la biosfera (plantas y animales) y la litosfera (la corteza terrestre). El ciclo del oxígeno demuestra cómo se hace disponible el oxígeno libre en cada una de estas regiones, así como también cómo se utiliza. El ciclo del oxígeno es el ciclo biogeoquímico de los átomos de oxígeno entre diferentes estados de oxidación en iones , óxidos y moléculas a través de reacciones redox dentro y entre las esferas/depósitos del planeta Tierra. ^[1] La palabra oxígeno en la literatura generalmente se refiere al alótropo de oxígeno más común , el oxígeno elemental/diatómico (O ₂ ), ya que es un producto o reactivo común de muchas reacciones redox biogeoquímicas dentro del ciclo. ^[2] Los procesos dentro del ciclo del oxígeno se consideran biológicos o geológicos y se evalúan como una fuente (producción de O ₂ ) o un sumidero (consumo de O ₂ ). ^{[1] [2]}

El oxígeno es uno de los elementos más comunes en la Tierra y representa una gran parte de cada reservorio principal. Con mucho, el mayor reservorio de oxígeno de la Tierra se encuentra dentro de los minerales de silicato y óxido de la corteza y el manto (99,5% en peso). ^[6] La atmósfera, la hidrosfera y la biosfera de la Tierra juntas contienen menos del 0,05% de la masa total de oxígeno de la Tierra. Además de O ₂ , hay átomos de oxígeno adicionales presentes en varias formas distribuidas por los reservorios de la superficie en las moléculas de biomasa , 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 , Al2O3 , SiO 2 y PO 4 . ^[7]

Atmósfera

La atmósfera contiene un 21% de oxígeno en volumen, lo que equivale a un total de aproximadamente 34 × 10 ¹⁸ moles de oxígeno. ^[2] Otras moléculas que contienen oxígeno en la atmósfera incluyen ozono (O ₃ ), dióxido de carbono (CO ₂ ), vapor de agua (H ₂ O) y óxidos de azufre y nitrógeno ( SO 2 , NO , N 2 O , etc.).

Biosfera

La biosfera está compuesta por un 22% de oxígeno en volumen, presente principalmente como componente de moléculas orgánicas (C _x H _x N _x O _x ) y agua.

Hidrosfera

La hidrosfera está compuesta en un 33% por oxígeno en volumen ^[8], presente principalmente como componente de las moléculas de agua, con moléculas disueltas que incluyen oxígeno libre y ácidos carbólicos (H _x CO ₃ ).

Litosfera

La litosfera está compuesta en un 46,6% por volumen de oxígeno, presente principalmente en forma de minerales de sílice (SiO ₂ ) y otros minerales de óxido .

Fuentes y sumideros

Si bien existen muchas fuentes y sumideros abióticos de O ₂ , la presencia de la profusa concentración de oxígeno libre en la atmósfera y el océano de la Tierra moderna se atribuye a la producción de O ₂ a partir del proceso biológico de fotosíntesis oxigenada junto con un sumidero biológico conocido como bomba biológica y un proceso geológico de entierro de carbono que involucra la tectónica de placas . ^{[9] [10] [11] [7]} La ​​biología es el principal impulsor del flujo de O ₂ en la Tierra moderna, y se cree que la evolución de la fotosíntesis oxigenada por bacterias , que se analiza como parte del Gran Evento de Oxigenación , es directamente responsable de las condiciones que permiten el desarrollo y la existencia de todo el metabolismo eucariota complejo . ^{[12] [13] [14]}

Producción biológica

La principal fuente de oxígeno libre atmosférico es la fotosíntesis, que produce azúcares y oxígeno libre a partir de dióxido de carbono y agua:

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

Los organismos fotosintetizadores incluyen la vida vegetal de las zonas terrestres, así como el fitoplancton de los océanos. La diminuta cianobacteria marina Prochlorococcus fue descubierta en 1986 y es responsable de hasta la mitad de la fotosíntesis de los océanos abiertos. ^{[15] [16]}

Producción abiótica

Otra fuente de oxígeno atmosférico libre proviene de la fotólisis , mediante la cual la radiación ultravioleta de alta energía descompone el agua atmosférica y el óxido nitroso en átomos que los componen. Los átomos libres de hidrógeno y nitrógeno escapan al espacio, dejando O ₂ en la atmósfera:

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

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

Consumo biológico

La principal forma en que se pierde oxígeno libre de la atmósfera es a través de la respiración y la descomposición , mecanismos en los que la vida animal y las bacterias consumen oxígeno y liberan dióxido de carbono.

Capacidades y flujos

Las siguientes tablas ofrecen estimaciones de las capacidades y flujos de los reservorios del ciclo del oxígeno. Estas cifras se basan principalmente en estimaciones de (Walker, JCG): ^[10] Investigaciones más recientes indican que la vida oceánica ( producción primaria marina ) es en realidad responsable de más de la mitad de la producción total de oxígeno en la Tierra. ^{[17] [18]}

Tabla 2 : Ganancia y pérdida anual de oxígeno atmosférico (Unidades de 10 ¹⁰ kg O ₂ por año) ^[1]

Ozono

La presencia de oxígeno atmosférico ha provocado la formación de ozono (O ₃ ) y la capa de ozono dentro de la estratosfera :

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

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

_O +O2 _:  -O3

La capa de ozono es extremadamente importante para la vida moderna ya que absorbe la dañina radiación ultravioleta :

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

Véase también

• Ciclo del carbono
• Ciclo de nitrógeno
• Ciclo del hidrógeno
• Oxígeno oscuro

Referencias

1. Knoll AH, Canfield DE, Konhauser K (2012). "7". Fundamentos de geobiología . Chichester, West Sussex: John Wiley & Sons . págs. 93–104. ISBN 978-1-118-28087-4.OCLC 793103985  .
2. Petsch ST (2014). "El ciclo global del oxígeno". Tratado de geoquímica . Elsevier. págs. 437–473. doi :10.1016/b978-0-08-095975-7.00811-1. ISBN 978-0-08-098300-4.
3. Keeling RF, Shertz SR (agosto de 1992). "Variaciones estacionales e interanuales del oxígeno atmosférico e implicaciones para el ciclo global del carbono". Nature . 358 (6389): 723–727. Bibcode :1992Natur.358..723K. doi :10.1038/358723a0. S2CID  4311084.
4. Holland HD (2002). "Gases volcánicos, fumarolas negras y el gran evento de oxidación". Geochimica et Cosmochimica Acta . 66 (21): 3811–3826. Código Bibliográfico :2002GeCoA..66.3811H. doi :10.1016/S0016-7037(02)00950-X.
5. Lasaga AC, Ohmoto H (2002). "El ciclo geoquímico del oxígeno: dinámica y estabilidad". Geochimica et Cosmochimica Acta . 66 (3): 361–381. Código Bibliográfico :2002GeCoA..66..361L. doi :10.1016/S0016-7037(01)00685-8.
6. Falkowski PG, Godfrey LV (agosto de 2008). "Electrones, vida y la evolución del ciclo del oxígeno de la Tierra". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Serie B, Ciencias Biológicas . 363 (1504): 2705–16. doi :10.1098/rstb.2008.0054. PMC 2606772 . PMID  18487127. 
7. Falkowski PG (enero de 2011). "Las contingencias biológicas y geológicas para el aumento del oxígeno en la Tierra". Photosynthesis Research . 107 (1): 7–10. Bibcode :2011PhoRe.107....7F. doi : 10.1007/s11120-010-9602-4 . PMID  21190137.
8. "Hidrosfera - Origen y evolución de la hidrosfera | Britannica". www.britannica.com . Consultado el 3 de julio de 2022 .
9. Holland HD (junio de 2006). "La oxigenación de la atmósfera y los océanos". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Serie B, Ciencias Biológicas . 361 (1470): 903–15. doi :10.1098/rstb.2006.1838. PMC 1578726 . PMID  16754606. 
10. Walker JC (1980). "El ciclo del oxígeno". El medio ambiente natural y los ciclos biogeoquímicos . Manual de química ambiental. Springer Berlin Heidelberg. págs. 87-104. doi :10.1007/978-3-662-24940-6_5. ISBN 9783662229880.
11. Sigman DM, Haug GH (diciembre de 2003). "La bomba biológica en el pasado". Tratado de geoquímica . Vol. 6 (2.ª ed.). pág. 625. doi :10.1016/b978-0-08-095975-7.00618-5. ISBN 978-0-08-098300-4.
12. Fischer WW, Hemp J, Johnson JE (junio de 2016). "Evolución de la fotosíntesis oxigénica". Revista anual de ciencias de la Tierra y planetarias . 44 (1): 647–83. Bibcode :2016AREPS..44..647F. doi : 10.1146/annurev-earth-060313-054810 .
13. Lyons TW, Reinhard CT, Planavsky NJ (febrero de 2014). "El aumento del oxígeno en el océano y la atmósfera primitivos de la Tierra". Nature . 506 (7488): 307–15. Bibcode :2014Natur.506..307L. doi :10.1038/nature13068. PMID  24553238. S2CID  4443958.
14. Reinhard CT, Planavsky NJ, Olson SL, Lyons TW, Erwin DH (agosto de 2016). "El ciclo del oxígeno de la Tierra y la evolución de la vida animal". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 113 (32): 8933–8. Bibcode :2016PNAS..113.8933R. doi : 10.1073/pnas.1521544113 . PMC 4987840 . PMID  27457943. 
15. Nadis S (noviembre de 2003). "Las células que gobiernan los mares". Scientific American . 289 (6): 52–53. Bibcode :2003SciAm.289f..52N. doi :10.1038/scientificamerican1203-52. PMID  14631732.
16. Morris JJ, Johnson ZI, Szul MJ, Keller M, Zinser ER (2011). "Dependencia de la cianobacteria Prochlorococcus de los microbios que eliminan peróxido de hidrógeno para su crecimiento en la superficie del océano". PLOS ONE . ​​6 (2): e16805. Bibcode :2011PLoSO...616805M. doi : 10.1371/journal.pone.0016805 . PMC 3033426 . PMID  21304826. 
17. Roach, John (7 de junio de 2004). «La fuente de la mitad del oxígeno de la Tierra recibe poco crédito». National Geographic News . Archivado desde el original el 8 de junio de 2004. Consultado el 4 de abril de 2016 .
18. Lin, I.; Liu, W. Timothy; Wu, Chun-Chieh; Wong, George TF; Hu, Chuanmin; Chen, Zhiqiang; Wen-Der, Liang; Yang, Yih; Liu, Kon-Kee (2003). "Nueva evidencia de una mayor producción primaria oceánica provocada por ciclones tropicales". Geophysical Research Letters . 30 (13): 1718. Bibcode :2003GeoRL..30.1718L. doi : 10.1029/2003GL017141 . S2CID  10267488.

Lectura adicional

• Cloud P, Gibor A (septiembre de 1970). "El ciclo del oxígeno". Scientific American . 223 (3): 110–123. Bibcode :1970SciAm.223c.110C. doi :10.1038/scientificamerican0970-110. PMID  5459721.
• Fasullo J. "Conferencias sustitutivas para ATOC 3600". Principios del clima, Conferencias sobre el ciclo global del oxígeno .
• Morris RM. "OXYSPHERE - Guía para principiantes sobre el ciclo biogeoquímico del oxígeno atmosférico". Archivado desde el original el 3 de noviembre de 2004.