- Característiques
- origen
- atmosfera primitiva
- Energies que impulsen el cicle
- Relació amb altres cicles biogeoquímics
- reservorios
- geosfera
- atmosfera
- hidrósfera
- criosfera
- O
- etapes
- -Etapa ambiental de reservori i font: atmosfera-hidrosfera-criosfera-geosfera
- atmosfera
- estratosfera
- hidrósfera
- criosfera
- geosfera
- -Etapa fotosintètica
- -Etapa de retorn atmosfèric
- -Etapa respiratòria
- fotorrespiración
- importància
- alteracions
- efecte hivernacle
- referències
El cicle de l'oxigen es refereix a el moviment circulatori de l'oxigen a la Terra. Es tracta d'un cicle biogeoquímic gasós. L'oxigen és el segon element més abundant en l'atmosfera després del nitrogen, i el segon més abundant a la hidrosfera després del hidrogen. En aquest sentit, el cicle de l'oxigen es connecta amb el cicle de l'aigua.
El moviment circulatori de l'oxigen inclou la producció de dioxigen o oxigen molecular de dos àtoms (O 2). Això passa per la hidròlisi durant la fotosíntesi realitzada pels diferents organismes fotosintètics.
Reservori d'oxigen: Bosc ennuvolat, Parc Nacional Waraira Repano, Veneçuela. Arnaldo Noguera Sifontes, from Wikimedia Commons
L'O 2 és emprat pels organismes vius en la respiració cel·lular, generant la producció de diòxid de carboni (CO 2), sent aquest últim una de les matèries primeres per al procés de fotosíntesi.
D'altra banda, en l'atmosfera superior ocorre la fotòlisi (hidròlisi activada per l'energia solar) de el vapor d'aigua causada per la radiació ultraviolada de el sol. L'aigua es descompon alliberant l'hidrogen que es perd en l'estratosfera i l'oxigen s'integra a l'atmosfera.
A l'interactuar una molècula d'O 2 amb un àtom d'oxigen, es produeix l'ozó (O 3). L'ozó conforma l'anomenada capa d'ozó.
Característiques
L'oxigen és un element químic no metàl·lic. El seu nombre atòmic és 8, és a dir, posseeix 8 protons i 8 electrons en el seu estat natural. En condicions normals de temperatura i pressió està present en forma de gas dioxigen, incolor i inodor. La seva fórmula molecular és O 2.
El O 2 inclou tres isòtops estables: 16 O, 17 O i 18 O. La forma predominant en l'univers és el 16 O. A la Terra representa el 99,76% de l'total d'oxigen. El 18 O representa el 0,2%. La forma 17 O és molt rara (~ 0,04%).
origen
L'oxigen és el tercer element en abundància en l'univers. La producció de l'isòtop 16 O va començar en la primera generació de cremat d'heli solar que va ocórrer després del Big Bang.
L'establiment de el cicle de nucleosíntesi de el carboni-nitrogen-oxigen en les generacions posteriors d'estrelles ha proporcionat la font predominant d'oxigen en els planetes.
Altes temperatures i pressions produeixen l'aigua (H 2 O) en l'Univers a l'generar la reacció de l'hidrogen amb l'oxigen. L'aigua forma part de la conformació de el nucli de la Terra.
Els afloraments de magma desprenen l'aigua en la forma de vapor i aquest entra en el cicle de l'aigua. L'aigua és descomposta per fotòlisi en oxigen i hidrogen mitjançant la fotosíntesi, i per radiació ultraviolada en els nivells superiors de l'atmosfera.
atmosfera primitiva
L'atmosfera primitiva abans de l'evolució de la fotosíntesi per part dels cianobacteris era anaeròbica. Per als organismes vius adaptats a aquella atmosfera, l'oxigen era un gas tòxic. Encara avui una atmosfera d'oxigen pur produeix danys irreparables a les cèl·lules.
En el llinatge evolutiu de les actuals cianobacteris es va originar la fotosíntesi. Això va començar a canviar la composició de l'atmosfera terrestre fa aproximadament 2.300-2.700 milions d'anys.
La proliferació d'organismes fotosintetitzadors va canviar la composició de l'atmosfera. La vida va evolucionar cap a l'adaptació a una atmosfera aeròbica.
Energies que impulsen el cicle
Les forces i energies que actuen impulsant el cicle de l'oxigen poden ser geotèrmiques, quan el magma expulsa vapor d'aigua, o pot provenir de l'energia solar.
Aquesta última aporta l'energia fonamental per al procés de fotosíntesi. L'energia química en forma de carbohidrats resultant de la fotosíntesi, al seu torn impulsa tots els processos vius a través de la cadena alimentària. De la mateixa manera el Sol produeix l'escalfament diferencial planetari i provoca els corrents marins i atmosfèriques.
Relació amb altres cicles biogeoquímics
A causa de la seva abundància ia la seva alta reactivitat, el cicle de l'oxigen es connecta amb altres cicles com el de l'CO 2, el nitrogen (N 2) i el cicle de l'aigua (H 2 O). Això li dóna un caràcter multicíclico.
Els reservoris de O 2 i de CO 2 estan vinculats per processos que involucren la creació (fotosíntesi) i destrucció (respiració i combustió) de matèria orgànica. A curt termini, aquestes reaccions d'òxid-reducció són la major font de variabilitat de la concentració d'O 2 a l'atmosfera.
Els bacteris desnitrificadoras obtenen l'oxigen per a la seva respiració dels nitrats de terra, alliberant nitrogen.
reservorios
geosfera
L'oxigen és un dels principals components dels silicats. Per tant, constitueix una fracció important de el mantell i l'escorça terrestre.
- Nucli terrestre: en el mantell extern líquid de l'nucli terrestre hi ha, a més de ferro, altres elements, entre ells l'oxigen.
- El sòl: en els espais entre partícules o porus de terra es difon l'aire. Aquest oxigen és emprat per la microbiota de terra.
atmosfera
El 21% de l'atmosfera està composta d'oxigen en forma de dioxigen (O 2). Les altres formes de presència atmosfèrica de l'oxigen són el vapor d'aigua (H 2 O), el diòxid de carboni (CO 2) i l'ozó (O 3).
- Vapor d'aigua: la concentració de vapor d'aigua és variable, depenent de la temperatura, la pressió atmosfèrica i corrents de circulació atmosfèrica (cicle de l'aigua).
- El diòxid de carboni: el CO 2 representa aproximadament el 0,03% de l'volum de l'aire. Des de l'inici de la Revolució Industrial ha augmentat la concentració de CO 2 a l'atmosfera en un 145%.
- L'ozó: és una molècula que està present en l'estratosfera en una baixa quantitat (0,03-0,02 parts per milió per volum).
hidrósfera
El 71% de la superfície terrestre està coberta per aigua. En els oceans es concentra més de l'96% de l'aigua present en la superfície de la terra. El 89% de la massa dels oceans la constitueix l'oxigen. El CO 2 també aquesta dissolt en l'aigua i és objecte d'un procés d'intercanvi amb l'atmosfera.
criosfera
La criosfera fa referència a la massa d'aigua congelada que cobreix determinades àrees de la Terra. Aquestes masses de gel contenen aproximadament el 1,74% de l'aigua de l'escorça terrestre. D'altra banda, el gel conté quantitats variables d'oxigen molecular atrapat.
O
La majoria de les molècules que conformen l'estructura dels éssers vius contenen oxigen. D'altra banda, una alta proporció dels éssers vius és aigua. Per tant, la biomassa terrestre és també una reserva d'oxigen.
etapes
En termes generals, el cicle que segueix l'oxigen com a agent químic comprèn dues grans àrees que conformen el seu caràcter de cicle biogeoquímic. Aquestes àrees es representen en quatre etapes.
L'àrea geoambiental abasta els desplaçaments i contenció en l'atmosfera, hidrosfera, criosfera i geosfera de l'oxigen. Aquesta inclou l'etapa ambiental de reservori i font, i l'etapa de retorn a l'ambient.
Cicle de l'oxigen. Ema Chicano, from Wikimedia Commons
A l'àrea biològica s'inclouen també dues etapes. Les mateixes estan associades a la fotosíntesi i la respiració.
-Etapa ambiental de reservori i font: atmosfera-hidrosfera-criosfera-geosfera
atmosfera
La principal font d'oxigen atmosfèric és la fotosíntesi. Però hi ha altres fonts des de les que l'oxigen pot incorporar-se a l'atmosfera.
Una d'aquestes és el mantell exterior líquid de l'nucli terrestre. L'oxigen arriba a l'atmosfera en forma de vapor d'aigua a través de les erupcions volcàniques. El vapor d'aigua puja a l'estratosfera on pateix fotòlisi com a conseqüència de la radiació d'alta energia de el sol i es produeix oxigen lliure.
D'altra banda, la respiració emet oxigen sota la forma de CO 2. Els processos de combustió, especialment els processos industrials, també consumeixen oxigen molecular i aporten CO 2 a l'atmosfera.
En l'intercanvi entre l'atmosfera i la hidrosfera, l'oxigen dissolt en les masses d'aigua passa a l'atmosfera. Per la seva banda, el CO 2 atmosfèric és dissolt en l'aigua com a àcid carbònic. L'oxigen dissolt en l'aigua prové fonamentalment de la fotosíntesi d'algues i cianobacteris.
estratosfera
En els nivells superiors de l'atmosfera les radiacions d'alta energia hidrolitzen a el vapor d'aigua. Les radiacions d'ona curta activen a les molècules d'O 2. Aquestes es desdoblen en àtoms lliures d'oxigen (O).
Aquests àtoms lliures O reaccionen amb molècules d'O 2 i produeixen ozó (O 3). Aquesta reacció és reversible. Per efecte de la radiació ultraviolada l'O 3 es descompon en àtoms lliures d'oxigen novament.
L'oxigen com a component de l'aire atmosfèric forma part de diverses reaccions d'oxidació passant a integrar diversos compostos terrestres. Un embornal important d'oxigen és l'oxidació de gasos provinents de les erupcions volcàniques.
hidrósfera
La més gran concentració d'aigua a la Terra són els oceans, on hi ha una concentració uniforme d'isòtops d'oxigen. Això és a causa de l'intercanvi constant d'aquest element amb l'escorça terrestre a través dels processos de circulació hidrotermal.
En els límits de les plaques tectòniques i les dorsals oceàniques, es genera un procés constant d'intercanvi gasós.
criosfera
Les masses de gel terrestre, inclòs les masses de gels polars, les glaceres i el permafrost, constitueixen un embornal important d'oxigen en forma d'aigua en estat sòlid.
geosfera
Igualment l'oxigen participa en l'intercanvi gasós amb el terra. Allà constitueix l'element vital per als processos respiratoris dels microorganismes de terra.
Un embornal important a terra són els processos d'oxidació mineral i el cremat de combustible fòssil.
L'oxigen que forma part de la molècula d'aigua (H 2 O) segueix el cicle de l'aigua en els processos d'evaporació-transpiració i condensació-precipitació.
-Etapa fotosintètica
La fotosíntesi es realitza en els cloroplasts. Durant la fase lumínica de la fotosíntesi es requereix un agent reductor, és a dir, una font d'electrons. Dit agent en aquest cas és l'aigua (H 2 O).
A l'agafar el hidrogen (H) de l'aigua, s'allibera oxigen (O 2) com a producte de rebuig. L'aigua ingressa de terra a la planta a través de les arrels. En el cas d'algues i cianobacteris prové de l'entorn aquàtic.
Tot l'oxigen molecular (O 2) produït durant la fotosíntesi prové de l'aigua emprada en el procés. En la fotosíntesi es consumeix CO 2, energia solar i aigua (H 2 O), i s'allibera oxigen (O 2).
-Etapa de retorn atmosfèric
El O 2 generat en la fotosíntesi és expulsat a l'atmosfera a través dels estomes en el cas de les plantes. Les algues i cianobacteris ho retornen a l'ambient per difusió de membrana. De la mateixa manera, els processos respiratoris tornen oxigen a l'ambient en forma de diòxid de carboni (CO 2).
-Etapa respiratòria
Per realitzar les seves funcions vitals, els organismes vius necessiten fer efectiva l'energia química generada per la fotosíntesi. Aquesta energia està emmagatzemada en forma de molècules complexes de carbohidrats (sucres) en el cas de les plantes. La resta dels organismes l'obtenen de l'alimentació
El procés mitjançant el qual els éssers vius desdoblen els compostos químics per alliberar l'energia requerida, es denomina respiració. Aquest procés es realitza en les cèl·lules i té dues fases; 1 aeròbica i una altra anaeròbica.
La respiració aeròbica es porta a terme a les mitocòndries en plantes i animals. En els bacteris es realitza en el citoplasma, ja que no tenen mitocondris.
L'element fonamental per a la respiració és l'oxigen com a agent oxidant. En la respiració es consumeix oxigen (O 2) i s'allibera CO 2 i aigua (H 2 O), produint energia útil.
El CO 2 i l'aigua (vapor d'aigua) són alliberats a través dels estomes en les plantes. En animals el CO 2 és alliberat per les fosses nasals i / o la boca, i l'aigua per transpiració. En algues i bacteris el CO 2 és alliberat per difusió de membrana.
fotorrespiración
A les plantes en presència de la llum es desenvolupa un procés que consumeix oxigen i energia anomenat fotorespiració. La fotorespiració s'incrementa amb l'augment de la temperatura, a causa de l'augment de la concentració de CO 2 respecte a la concentració d'O 2.
La fotorespiració estableix un balanç energètic negatiu per a la planta. Consumeix O 2 i energia química (produïda per la fotosíntesi) i allibera CO 2. Per això han desenvolupat mecanismes evolutius per contrarestar-(metabolismes C4 i CAN).
importància
Actualment la gran majoria de la vida és aeròbica. Sense la circulació d'O 2 en el sistema planetari, la vida tal com la coneixem avui seria impossible.
A més, l'oxigen constitueix una proporció important de les masses d'aire terrestre. Per tant, contribueix als fenòmens atmosfèrics vinculats a la mateixa i les seves conseqüències: efectes erosius, regulació climàtica, entre altres.
De forma directa, genera els processos d'oxidació a terra, dels gasos volcànics i sobre estructures artificials metàl·liques.
L'oxigen és un element amb una alta capacitat oxidativa. Tot i que les molècules d'oxigen són molt estables a causa que formen doble enllaç, a l'tenir l'oxigen una alta electronegativitat (capacitat d'atreure electrons), té una alta capacitat reactiva. A causa d'aquesta alta electronegativitat l'oxigen intervé en moltes reaccions d'oxidació.
alteracions
La gran majoria dels processos de combustió que es presenten en la naturalesa requereixen la participació de l'oxigen. Igualment en aquells generats per l'ésser humà. Aquests processos compleixen funcions tant positives com negatives en termes antròpics.
La combustió de combustibles fòssils (carbó, petroli, gas) contribueix a el desenvolupament econòmic, però a el mateix temps representa un greu problema per la seva contribució a l'escalfament global.
Els grans incendis forestals afecten la biodiversitat, encara que en alguns casos són part de processos naturals en determinats ecosistemes.
efecte hivernacle
La capa d'ozó (O 3) a l'estratosfera, és l'escut protector de l'atmosfera contra l'entrada en excés de la radiació ultraviolada. Aquesta radiació altament energètica augmenta l'escalfament de la Terra.
D'altra banda, és altament mutagènica i nociva per als teixits vius. En l'ésser humà i altres animals és cancerígena.
L'emissió de diversos gasos provoca la destrucció de la capa d'ozó i per tant faciliten l'entrada de la radiació ultraviolada. Alguns d'aquests gasos són els clorofluorocarbonis, hidroclorofluorocarbonis, bromur d'etil, òxids de nitrogen dels fertilitzants i halons.
referències
- Anbar AD, I Duan, TW Lyons, GL Arnold, B Kendall, RA Creaser, AJ Kaufman, WG Gordon, S Clinton, J Garvin i R Buick (2007) A Whiff of Oxygen Before the Great Oxidation Event? Science 317: 1903-1906.
- Bekker A, HD Holland, PL Wang, D Rumble, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee i NJ Beukes. (2004) Dating the rise of atmospheric oxygen. Nature 427: 117-120.
- Farquhar J i DT Johnston. (2008) The Oxygen Cycle of the Terrestrial Planets: Insights into the Processing and History of Oxygen in Surface Environments. Reviews in Mineralogy and Geochemistry 68: 463-492.
- Keeling RF (1995) The atmospheric oxygen cycle: The oxygen Isotopes of atmospheric CO 2 and O 2 and the O 2 / N 2 Reviws of Geophysics, supplement. US National Report to International Union of Geodesy and Geophysics 1991-1994. pp. 1253-1262.
- Purves WK, D Sadava, GH Orians i HC Heller (2003) Life. The Science of Biology. 6è Edt. Sinauer Associates, Inc and WH Freeman and Company. 1044 pàg.