Ciclo de oxigeno

El ciclo biogeoquímico del oxígeno dentro de sus cuatro reservorios principales: la atmósfera, la biosfera, la hidrosfera y la litosfera.

Principales depósitos y flujos (en unidad 10 ¹² mol / año) del ciclo global moderno del O ₂ en la Tierra. Hay cuatro reservorios principales: biosfera terrestre (verde), biosfera marina (azul), litosfera (marrón) y 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, la flecha violeta está relacionada con el espacio (no un reservorio). , pero también contribuye al O ₂ atmosférico ). ^[1] El valor de la fotosíntesis o la productividad primaria neta.(NPP) se puede estimar a través de la variación en la abundancia y 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 son las transiciones biogeoquímicas 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 se refiere típicamente al oxígeno alótropo más común, 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 fuente ( producción de O ₂ ) o sumidero ( consumo de O ₂ ). ^{[1] [2]}

Embalses

El oxígeno es uno de los elementos más abundantes en la Tierra y representa una gran parte de cada depósito principal. Con mucho, el depósito más grande 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 , los átomos de oxígeno adicionales están presentes en diversas formas repartidas por los depósitos superficiales 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 , AlO , SiO 2 y PO 4 . ^[7]

Atmósfera

La atmósfera tiene 20,9% 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 es un 22% de oxígeno en volumen presente principalmente como un componente de moléculas orgánicas (C _x H _x N _x O _x ) y moléculas de agua.

Hidrosfera

La hidrosfera es 33% de oxígeno por volumen ^{[ cita requerida ]} presente principalmente como un componente de moléculas de agua con moléculas disueltas que incluyen oxígeno libre y ácidos carbónicos (H _x CO ₃ ).

Litosfera

La litosfera tiene un 46,6% de oxígeno en volumen presente principalmente como minerales de sílice (SiO ₂ ) y otros minerales de óxido.

Fuentes y sumideros

Si bien existen muchas fuentes abióticas y sumideros de O ₂ , la presencia de la profusa concentración de oxígeno libre en la atmósfera y el océano modernos de la Tierra se atribuye a la producción de O _{2 a} partir del proceso biológico de la fotosíntesis oxigenada junto con un sumidero biológico conocido como el biológico. bomba y un proceso geológico de enterramiento de carbono que involucra placas tectónicas . ^{[8] [9] [10] [7] La} biología es el principal impulsor del flujo de O ₂ en la Tierra moderna y la evoluciónde la fotosíntesis oxigenada por bacterias , que se discute como parte de El gran evento de oxigenación , se cree que es directamente responsable de las condiciones que permiten el desarrollo y la existencia de todo el metabolismo eucariota complejo . ^{[11] [12] [13]}

Producción biológica

La principal fuente de oxígeno libre atmosférico es la fotosíntesis, que produce azúcares y oxígeno libre a partir del dióxido de carbono y el 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 áreas terrestres, así como el fitoplancton de los océanos. La diminuta cianobacteria marina Prochlorococcus fue descubierta en 1986 y representa hasta la mitad de la fotosíntesis del océano abierto. ^{[14] [15]}

Producción abiótica

Una fuente adicional de oxígeno libre atmosférico proviene de la fotólisis , mediante la cual la radiación ultravioleta de alta energía descompone el agua atmosférica y el óxido nitroso en átomos componentes. Los átomos libres de H y N ^{[ aclarar ]} 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 el 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 los flujos del depósito del ciclo del oxígeno. Estos números se basan principalmente en estimaciones de (Walker, JCG): ^[9]

Reservorio	Capacidad (kg O 2 )	Flujo de entrada / salida (kg O 2 por año)	Tiempo de residencia (años)
Atmósfera	1,4 × 10 18	3 × 10 14	4500
Biosfera	1,6 × 10 16	3 × 10 14	50
Litosfera	2,9 × 10 20	6 × 10 11	500 000 000

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

Fotosíntesis (tierra) Fotosíntesis (océano) Fotólisis de N 2 O Fotólisis de H 2 O	16.500 13.500 1,3 0,03
Ganancias totales	~ 30 000
Pérdidas: respiración y descomposición
Respiración aeróbica Oxidación microbiana Combustión de combustibles fósiles (antropogénica) Oxidación fotoquímica Fijación de N 2 por rayo Fijación de N 2 por industria (antropogénica) Oxidación de gases volcánicos	23.000 5.100 1.200 600 12 10 5
Pérdidas - meteorización
Envejecimiento químico Reacción superficial del O 3	50 12
Pérdidas totales	~ 30 000

Ozono

Artículo principal: ciclo ozono-oxígeno

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 + O ₂  : - O ₃

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

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

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". Naturaleza . 358 (6389): 723–727. Código Bibliográfico : 1992Natur.358..723K . doi : 10.1038 / 358723a0 .
4. Holanda HD (2002). "Gases volcánicos, fumadores negros 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 evolución del ciclo del oxígeno de la Tierra" . Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres. 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 por el aumento del oxígeno en la Tierra" . Investigación de la fotosíntesis . 107 (1): 7–10. doi : 10.1007 / s11120-010-9602-4 . PMID 21190137 . 
8. Holanda HD (junio de 2006). "La oxigenación de la atmósfera y los océanos" . Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres. Serie B, Ciencias Biológicas . 361 (1470): 903-15. doi : 10.1098 / rstb.2006.1838 . PMC 1578726 . PMID 16754606 .  
9. Walker JC (1980). "El ciclo del oxígeno". El medio natural y los ciclos biogeoquímicos . El manual de química ambiental. Springer Berlín Heidelberg. págs. 87-104. doi : 10.1007 / 978-3-662-24940-6_5 . ISBN 9783662229880.
10. Sigman DM, Haug GH (diciembre de 2003). "La bomba biológica en el pasado". Tratado de geoquímica . 6 (2ª ed.). pag. 625. doi : 10.1016 / b978-0-08-095975-7.00618-5 . ISBN 978-0-08-098300-4.
11. Fischer WW, Hemp J, Johnson JE (junio de 2016). "Evolución de la fotosíntesis oxigenada". Revista anual de ciencias terrestres y planetarias . 44 (1): 647–83. Código bibliográfico : 2016AREPS..44..647F . doi : 10.1146 / annurev-earth-060313-054810 .
12. Lyons TW, Reinhard CT, Planavsky NJ (febrero de 2014). "El aumento del oxígeno en el océano y la atmósfera tempranos de la Tierra". Naturaleza . 506 (7488): 307–15. Código Bibliográfico : 2014Natur.506..307L . doi : 10.1038 / nature13068 . PMID 24553238 . 
13. 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. Código bibliográfico : 2016PNAS..113.8933R . doi : 10.1073 / pnas.1521544113 . PMC 4987840 . PMID 27457943 .  
14. Nadis S (noviembre de 2003). "Las células que gobiernan los mares". Scientific American . 289 (6): 52–53. Código Bibliográfico : 2003SciAm.289f..52N . doi : 10.1038 / scientificamerican1203-52 . PMID 14631732 . 
15. Morris JJ, Johnson ZI, Szul MJ, Keller M, Zinser ER. (2011). "Dependencia de la Cyanobacterium Prochlorococcus en microbios captadores de peróxido de hidrógeno para el crecimiento en la superficie del océano" . PLoS One . 6 (2): e16805. doi : 10.1371 / journal.pone.0016805 . PMC 3033426 . PMID 21304826 .  

Lectura adicional

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