Ciclo del oxígeno: características, reservorios, etapas e importancia

El ciclo del oxígeno se refiere al movimiento circulatorio del oxígeno en la Tierra. Se trata de un ciclo biogeoquímico gaseoso. El oxígeno es el segundo elemento más abundante en la atmósfera tras el nitrógeno, y el segundo más abundante en la hidrosfera tras el hidrógeno. En este sentido, el ciclo del oxígeno se conecta con el ciclo del agua.

El movimiento circulatorio del oxígeno incluye la producción de dioxígeno u oxígeno molecular de dos átomos (O2). Esto ocurre por la hidrólisis durante la fotosíntesis realizada por los distintos organismos fotosintéticos.

Reservorio de oxígeno: Bosque nublado, Parque Nacional Waraira Repano, Venezuela. Arnaldo Noguera Sifontes [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], from Wikimedia Commons

El O2 es empleado por los organismos vivos en la respiración celular, generando la producción de dióxido de carbono (CO2), siendo este último una de las materias primas para el proceso de fotosíntesis.

Por otra parte, en la atmósfera superior ocurre la fotólisis (hidrólisis activada por la energía solar) del vapor de agua causada por la radiación ultravioleta del sol. El agua se descompone liberando el hidrógeno que se pierde en la estratósfera y el oxígeno se integra a la atmósfera.

Al interactuar una molécula de O2 con un átomo de oxígeno, se produce el ozono (O3). El ozono conforma la denominada capa de ozono.

Características

El oxígeno es un elemento químico no metálico. Su número atómico es 8, es decir, posee 8 protones y 8 electrones en su estado natural. En condiciones normales de temperatura y presión está presente en forma de gas dioxigeno, incoloro e inodoro. Su fórmula molecular es O2.

El O2 incluye tres isótopos estables: 16O, 17O y 18O. La forma predominante en el universo es el 16O. En la Tierra representa el 99,76% del total de oxígeno. El 18O representa el 0,2%. La forma 17O es muy rara (~ 0,04%).

Origen

El oxígeno es el tercer elemento en abundancia en el universo. La producción del isótopo 16O comenzó en la primera generación de quemado de helio solar que ocurrió después del Big Bang.

El establecimiento del ciclo de núcleosíntesis del carbono-nitrógeno-oxígeno en las generaciones posteriores de estrellas ha proporcionado la fuente predominante de oxígeno en los planetas.

Altas temperaturas y presiones producen el agua (H2O) en el Universo al generar la reacción del hidrógeno con el oxígeno. El agua forma parte de la conformación del núcleo de la Tierra.

Los afloramientos de magma desprenden el agua en la forma de vapor y este entra en el ciclo del agua. El agua es descompuesta por fotólisis en oxígeno e hidrógeno mediante la fotosíntesis, y por radiación ultravioleta en los niveles superiores de la atmósfera.

Atmósfera primitiva

La atmósfera primitiva antes de la evolución de la fotosíntesis por parte de las cianobacterias era anaeróbica. Para los organismos vivos adaptados a aquella atmósfera, el oxígeno era un gas tóxico. Aún hoy una atmósfera de oxígeno puro produce daños irreparables a las células.

En el linaje evolutivo de las actuales cianobacterias se originó la fotosíntesis. Esto comenzó a cambiar la composición de la atmósfera terrestre hace aproximadamente 2.300-2.700 millones de años.

La proliferación de organismos fotosintetizadores cambió la composición de la atmósfera. La vida evolucionó hacia la adaptación a una atmósfera aeróbica.

Energías que impulsan el ciclo

Las fuerzas y energías que actúan impulsando el ciclo del oxígeno pueden ser geotérmicas, cuando el magma expulsa vapor de agua, o puede provenir de la energía solar.

Esta última aporta la energía fundamental para el proceso de fotosíntesis. La energía química en forma de carbohidratos resultante de la fotosíntesis, a su vez impulsa todos los procesos vivos a través de la cadena alimenticia. De igual manera el Sol produce el calentamiento diferencial planetario y provoca las corrientes marinas y atmosféricas.

Relación con otros ciclos biogeoquímicos

Debido a su abundancia y a su alta reactividad, el ciclo del oxígeno se conecta con otros ciclos como el del CO2, el nitrógeno (N2) y el ciclo del agua (H2O). Esto le da un carácter multicíclico.

Los reservorios de O2 y de COestán vinculados por procesos que involucran la creación (fotosíntesis) y destrucción (respiración y combustión) de materia orgánica. A corto plazo, estas reacciones de oxido-reducción son la mayor fuente de variabilidad de la concentración de O2 en la atmósfera.

Las bacterias desnitrificadoras obtienen el oxígeno para su respiración de los nitratos del suelo, liberando nitrógeno.

Reservorios

Geósfera

El oxígeno es uno de los principales componentes de los silicatos. Por lo tanto, constituye una fracción importante del manto y la corteza terrestre.

  • Núcleo terrestre: en el manto externo líquido del núcleo terrestre hay, además de hierro, otros elementos, entre ellos el oxígeno.
  • El suelo: en los espacios entre partículas o poros del suelo se difunde el aire. Este oxígeno es empleado por la microbiota del suelo.

Atmósfera

El 21% de la atmósfera está compuesta de oxígeno en forma de dioxígeno (O2). Las otras formas de presencia atmosférica del oxígeno son el vapor de agua (H2O), el dióxido de carbono (CO2) y el ozono (O3).

  • Vapor de agua: la concentración de vapor de agua es variable, dependiendo de la temperatura, la presión atmosférica y corrientes de circulación atmosférica (ciclo del agua).
  • El dióxido de carbono: el CO2 representa aproximadamente el 0,03% del volumen del aire. Desde el inicio de la Revolución Industrial ha aumentado la concentración de  CO2 en la atmósfera en un 145%.
  • El ozono: es una molécula que está presente en la estratósfera en una baja cantidad (0.03 – 0.02 partes por millón por volumen).

Hidrósfera

El 71% de la superficie terrestre está cubierta por agua. En los océanos se concentra más del 96% del agua presente en la superficie de la tierra. El 89% de la masa de los océanos la constituye el oxígeno. El CO2 también esta disuelto en el agua y es objeto de un proceso de intercambio con la atmósfera.

Criósfera

La criósfera hace referencia a la masa de agua congelada que cubre determinadas áreas de la Tierra. Estas masas de hielo contienen aproximadamente el 1,74% del agua de la corteza terrestre. Por otra parte, el hielo contiene cantidades variables de oxígeno molecular atrapado.

Organismos vivos

La mayoría de las moléculas que conforman la estructura de los seres vivos contienen oxígeno. Por otra parte, una alta proporción de los seres vivos es agua. Por tanto, la biomasa terrestre es también una reserva de oxígeno.

Etapas

En términos generales, el ciclo que sigue el oxígeno como agente químico comprende dos grandes áreas que conforman su carácter de ciclo biogeoquímico. Estas áreas se representan en cuatro etapas.

El área geoambiental abarca los desplazamientos y contención en la atmósfera, hidrósfera, criósfera y geósfera del oxígeno. Esta incluye la etapa ambiental de reservorio y fuente, y la etapa de retorno al ambiente.

Ciclo del oxígeno. Eme Chicano [CC0], from Wikimedia Commons

En el área biológica se incluyen también dos etapas. Las mismas están asociadas a la fotosíntesis y la respiración.

-Etapa ambiental de reservorio y fuente: atmósfera-hidrósfera-criósfera-geósfera

Atmósfera

La principal fuente de oxígeno atmosférico es la fotosíntesis. Pero hay otras fuentes desde las que el oxígeno puede incorporarse a la atmósfera.

Una de estas  es el manto exterior líquido del núcleo terrestre. El oxígeno llega  a la atmósfera en forma de vapor de agua a través de las erupciones volcánicas. El vapor de agua sube a la estratosfera donde sufre fotolisis como consecuencia de la radiación de alta energía del sol y se produce oxígeno libre.

Por otra parte, la respiración emite oxígeno bajo la forma de CO2.  Los procesos de combustión, especialmente los procesos industriales, también consumen oxígeno molecular y aportan CO2 a la atmósfera.

En el intercambio entre la atmósfera y la hidrósfera, el oxígeno disuelto en las masas de agua pasa a la atmósfera. Por su parte, el CO2 atmosférico es disuelto en el agua como ácido carbónico. El oxígeno disuelto en el agua proviene fundamentalmente de la fotosíntesis de algas y cianobacterias.

Estratósfera

En los niveles superiores de la atmósfera las radiaciones de alta energía hidrolizan al vapor de agua. Las radiaciones de onda corta activan a las moléculas de O2. Estas se desdoblan en átomos libres de oxígeno (O).

Estos átomos libres O reaccionan con moléculas de O2 y producen ozono (O3). Esta reacción es reversible. Por efecto de la radiación ultravioleta el O3 se descompone en átomos libres de oxígeno nuevamente.

El oxígeno como componente del aire atmosférico forma parte de diversas reacciones de oxidación pasando a integrar diversos compuestos terrestres. Un sumidero importante de oxígeno es la oxidación de gases provenientes de las erupciones volcánicas.

Hidrósfera

La más grande concentración de agua en la Tierra son los océanos, donde existe una concentración uniforme de isótopos de oxígeno. Esto es debido al intercambio constante de este elemento con la corteza terrestre a través de los procesos de circulación hidrotermal.

En los límites de las placas tectónicas y las dorsales oceánicas, se genera un proceso constante de intercambio gaseoso.

Criósfera

Las masas de hielo terrestre, incluido las masas de hielos polares, los glaciares y el permafrost, constituyen un sumidero importante de oxígeno en forma de agua en estado sólido.

Geósfera

Igualmente el oxígeno participa en el intercambio gaseoso con el suelo. Allí constituye el elemento vital para los procesos respiratorios de los microorganismos del suelo.

Un sumidero importante en el suelo son los procesos de oxidación mineral y el quemado de combustible fósil.

El oxígeno que forma parte de la molécula de agua (H2O) sigue el ciclo del agua en los procesos de evaporación-transpiración y condensación-precipitación.

-Etapa fotosintética

La fotosíntesis se realiza en los cloroplastos. Durante la fase lumínica de la fotosíntesis se requiere un agente reductor, es decir, una fuente de electrones. Dicho agente en este caso es el agua (H2O).

Al tomar el hidrógeno (H) del agua, se libera oxígeno (O2) como producto de desecho. El agua ingresa del suelo a la planta a través de las raíces. En el caso de algas y cianobacterias proviene del entorno acuático.

Todo el oxígeno molecular (O2) producido durante la fotosíntesis proviene del agua empleada en el proceso. En la fotosíntesis se consume CO2, energía solar y agua (H2O), y se libera oxígeno (O2).

-Etapa de retorno atmosférico

El O2 generado en la fotosíntesis es expulsado a la atmósfera a través de los estomas en el caso de las plantas. Las algas y cianobacterias lo retornan al ambiente por difusión de membrana. De igual forma, los procesos respiratorios devuelven oxígeno al ambiente en forma de dióxido de carbono (CO2).

-Etapa respiratoria

Para realizar sus funciones vitales, los organismos vivos necesitan hacer efectiva la energía química generada por la fotosíntesis. Esta energía está almacenada en forma de moléculas complejas de carbohidratos (azúcares) en el caso de las plantas. El resto de los organismos la obtienen de la alimentación

El proceso mediante el cual los seres vivos desdoblan los compuestos químicos para liberar la energía requerida, se denomina respiración. Este proceso se realiza en las células y tiene dos fases; una aeróbica y otra anaeróbica.

La respiración aeróbica se lleva a cabo en las mitocondrias en plantas y animales. En las bacterias se realiza en el citoplasma, ya que carecen de mitocondrias.

El elemento fundamental para la respiración es el oxígeno como agente oxidante. En la respiración se consume oxígeno (O2) y se libera CO2 y agua (H2O), produciendo energía útil.

El CO2 y el agua (vapor de agua) son liberados a través de los estomas en las plantas. En animales el CO2 es liberado por las fosas nasales y/o la boca, y el agua por transpiración. En algas y bacterias el CO2 es liberado por difusión de membrana.

Fotorrespiración

En las plantas en presencia de la luz se desarrolla un proceso que consume oxígeno y energía llamado fotorrespiración. La fotorrespiración se incrementa con el aumento de la temperatura, debido al aumento de la concentración de CO2 respecto a la concentración de O2.

La fotorrespiración establece un balance energético negativo para la planta. Consume O2 y energía química (producida por la fotosíntesis) y libera CO2. Por ello han desarrollado mecanismos evolutivos para contrarrestarla (metabolismos C4 y CAN).

Importancia

Actualmente la gran mayoría de la vida es aeróbica. Sin la circulación de O2 en el sistema planetario, la vida tal como la conocemos hoy sería imposible.

Además, el oxígeno constituye una proporción importante de las masas de aire terrestre. Por lo tanto, contribuye a los fenómenos atmosféricos vinculados al mismo y sus consecuencias: efectos erosivos, regulación climática, entre otros.

De forma directa, genera los procesos de oxidación en el suelo, de los gases volcánicos y sobre estructuras artificiales metálicas.

El oxígeno es un elemento con una alta capacidad oxidativa. Aunque las moléculas de oxígeno son muy estables debido a que forman doble enlace, al tener el oxígeno una alta electronegatividad (capacidad de atraer electrones), tiene una alta capacidad reactiva. Debido a esa alta electronegatividad el oxígeno interviene en muchas reacciones de oxidación.

Alteraciones

La gran mayoría de los procesos de combustión que se presentan en la naturaleza requieren la participación del oxígeno. Igualmente en aquellos generados por el ser humano. Estos procesos cumplen funciones tanto positivas como negativas en términos antrópicos.

La combustión de combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas) contribuye al desarrollo económico, pero al mismo tiempo representa un grave problema por su contribución al calentamiento global.

Los grandes incendios forestales afectan la biodiversidad, aunque en algunos casos son parte de procesos naturales en determinados ecosistemas.

Efecto invernadero

La capa de ozono (O3) en la estratósfera, es el escudo protector de la atmósfera contra la entrada en exceso de la radiación ultravioleta. Esta radiación altamente energética aumenta el calentamiento de la Tierra.

Por otra parte, es altamente mutagénica y dañina para los tejidos vivos. En el ser humano y otros animales es cancerígena.

La emisión de diversos gases provoca la destrucción de la capa de ozono y por ende facilitan la entrada de la radiación ultravioleta. Algunos de estos gases son los clorofluorocarbonos, hidroclorofluorocarbonos, bromuro de etilo, óxidos de nitrógeno de los fertilizantes y  halones.

Referencias

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  4. Keeling RF (1995) The atmospheric oxygen cycle: The oxygen isotopes of atmospheric CO2 and O2 and the O2/N2 Reviws of Geophysics, supplement. U.S: National Report to International Union of Geodesy and Geophysics 1991-1994. pp. 1253-1262.
  5. Purves WK, D Sadava, GH Orians y HC Heller (2003) Life. The Science of Biology. 6º Edt. Sinauer Associates, Inc. and WH Freeman and Company. 1044 p.
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Licenciada en Biología. Mención Ecología. Universidad Central de Venezuela.

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