El agua y el ciclo del oxígeno

Tema: Hace unos días mi sobrino, que está cursando biología en secundaria, me pidió que le explicara el ciclo del oxígeno y me mostró una infografía que estaba realizando sobre el mismo. Me percaté que, desde el punto de vista de la bioquímica, que es la ciencia que estudia todas las reacciones químicas que suceden en los seres vivos, el ciclo de la infografía estaba incompleto y se lo hice saber a mi sobrino. Sin embargo, él me comentó que la imagen del ciclo se las había proporcionado el profesor de biología y que era la misma que aparece en múltiples páginas, imágenes y videos en internet, tanto en español como en inglés (https://concepto.de/ciclo-del-oxigeno/, https://www.significados.com/ciclo-del-oxigeno/, https://www.britannica.com/science/oxygen-cycle, https://www.youtube.com/watch?v=ERWEJzIupwk), los anteriores son solo algunos ejemplos. Lo comenté con unos colegas y nos pareció importante explicar las razones por las que el ciclo del oxígeno, que enseñan en la escuela, está incompleto, por lo que, escribimos esta nota aclaratoria.

1. Introducción

El oxígeno (O₂) es un elemento esencial para la vida en la tierra, muchos seres vivos lo requieren para la respiración aeróbica, por ejemplo, un ser humano respira 5 litros de aire por minuto. El oxígeno es incoloro, inodoro e insípido, por lo que es indetectable para nuestros sentidos. El oxígeno comprende un 21% del volumen de nuestra atmósfera y en su forma de ozono (O₃) constituye la barrera, capa de ozono, que protege la vida en la tierra de la radiación ultravioleta dañina, producida por el sol. De hecho, la mayor parte del oxígeno atmosférico es producido por los seres vivos, por lo que, el ciclo del oxígeno es imprescindible para la vida, ya que recicla de manera constante este elemento en nuestra atmósfera (Mediavilla Pérez, 2010). Las fuentes principales del oxígeno atmosférico son los organismos fotosintéticos, principalmente el fitoplancton en los océanos (que producen entre el 50% y el 85% del total) y, en menor medida, las plantas terrestres (responsables de alrededor del 30%) (Fontúrbel y Molina, 2004). El fitoplancton de los océanos está compuesto por una diversidad de microorganismos fotosintéticos, principalmente microalgas (como diatomeas y dinoflagelados) y bacterias (cianobacterias). De esto, se desprende que es muy importante cuidar y reforestar los bosques, así como, evitar la contaminación de ríos, lagos y mares que nos proporcionan este elemento vital. Por lo anteriormente mencionado, conocer el ciclo de este elemento a fondo, así como, a partir de que compuesto se genera, es indispensable.

2. El Ciclo del Oxígeno

Para empezar, es conveniente mencionar que el ciclo del oxígeno puede dividirse en dos partes una lenta y otra rápida. El ciclo lento del oxígeno, o etapa geológica, es el proceso mediante el cual el oxígeno es almacenado y liberado en la litosfera y la biosfera durante largos periodos de tiempo, involucrando procesos geológicos como la erosión de rocas, la formación de compuestos oxidados y la descomposición de materia orgánica, además de procesos hidrológicos y atmosféricos muy lento. Por otro lado, está el ciclo rápido del oxígeno, que llevan a cabo los seres vivos, en muchas publicaciones de internet este ciclo se describe de la siguiente manera:

1. Las plantas, los árboles y el fitoplancton, al realizar la fotosíntesis y nutrirse con minerales y agua, liberan oxígeno a la atmósfera.

2. El oxígeno que se encuentra en la atmósfera es tomado por animales, así como por plantas durante la noche, mediante el proceso de respiración.

3. Los animales y las plantas, al respirar, exhalan dióxido de carbono (CO₂) a la atmósfera.

4. El dióxido de carbono es tomado nuevamente por las plantas, los árboles y el fitoplancton como parte del proceso metabólico. A partir de este proceso, estos seres vuelven a liberar oxígeno a la atmósfera.

La lectura de los incisos anteriores o la observación de las imágenes disponibles en internet del ciclo rápido del oxígeno, generan la idea, de que los organismos fotosintéticos, como plantas y fitoplancton, toman el CO₂ de la atmósfera, y a partir del mismo, liberan oxígeno, posteriormente, los animales y otros organismos heterótrofos, que son aquellos que se alimentan a partir de productos orgánicos preformados y que normalmente clasificamos como consumidores primarios (herbívoros) o como consumidores secundarios (carnívoros) y que también incluyen a bacterias, hongos y protozoarios (descomponedores), toman el oxígeno de la atmósfera, mediante el proceso de respiración, y liberan CO₂, que es tomado nuevamente por las plantas para cerrar el ciclo. Esta forma de redactar y representar en imágenes el ciclo rápido del oxígeno está equivocada, ya que muchos estudiantes desarrollan la idea de que el oxígeno es producido a partir del CO₂ y esto deja fuera a la fuente verdadera del oxígeno, un compuesto muy abundante en nuestro planeta y esencial para todos los organismos vivos. Este compuesto es el AGUA.

Otra razón por la que puede darse esta percepción equivocada de la fuente química del oxígeno, producido por los seres vivos, se debe a que los ciclos biológicos del oxígeno y del carbono están interconectados (Fig. 1, Panel B) y que al enseñarlos en secundaria y preparatoria estos ciclos se simplifican, por lo que las interacciones complejas de los mismos no son completamente representadas y explicadas en los modelos escolares.

Figura 1. Ciclo del oxígeno. Panel A: Ciclo rápido del oxígeno modificado, para incluir el agua como una de las dos moléculas centrales del ciclo. Panel B: Procesos metabólicos de producción y consumo del oxígeno en los seres vivos, donde se emplea el agua para su generación y se observa la interconexión del ciclo del oxígeno y del carbono.

En realidad, las plantas y otros organismos fotosintéticos producen el oxígeno a partir de la descomposición del AGUA, mediante la energía obtenida del sol a través de la fase luminosa de la fotosíntesis, liberando al ambiente el oxígeno, como un residuo de este proceso, y obteniendo, también a partir del agua, energía química almacenada en forma de moléculas de Adenosina Trifosfato (ATP), electrones y protones (H⁺), que a su vez son almacenados en una molécula llamada Nicotin Adenina Dinucleótido Fosforilado (NADPH). Las moléculas energéticas de ATP y NADPH, producidas en la fase luminosa de la fotosíntesis, son utilizadas por las plantas para transformar el CO₂ en glucosa, en un proceso conocido como fase oscura de la fotosíntesis o Ciclo de Calvin. En los animales y otros organismos heterótrofos, este proceso se invierte y el oxígeno es convertido en agua. En este caso los animales, hongos, bacterias y protozoos convierten la glucosa y otros alimentos en CO₂, a través de su oxidación por dos procesos metabólicos acoplados, llamados Glucólisis y Ciclo de Krebs. Obteniendo a partir de ambos ATP, electrones y protones, almacenado los últimos dos en moléculas de nicotina adenina dinucleótido (NADH) y flavina adenina dinucleótido (FADH₂), estas moléculas son utilizadas por los organismos heterótrofos para sintetizar los compuestos que se requieren para crecer, pero también pueden ser utilizadas para obtener más ATP, a través del proceso bioquímico de respiración aerobia (conocida también como cadena de transporte de electrones), y que los organismos vivos utilizan para sus funciones vitales. Finalmente, los electrones obtenidos de los alimentos deben ser liberados por los organismos vivos al concluir estos procesos metabólicos, por lo que, estos electrones son donados al final del proceso de respiración al oxígeno, que obtenemos mediante su inhalación a través de la respiración, y que se une a átomos de hidrógeno (H⁺) para producir molécula de agua (Fig. 1, Panel B), que junto con las moléculas de CO₂, producidas a partir de la descomposición de los alimentos, son liberadas por exhalación a la atmósfera. Estas moléculas de agua pueden ser tomadas por las plantas y el fitoplancton, para producir nuevamente oxígeno, cerrando así el ciclo rápido del oxígeno. En la figura 2, se presenta un resumen de estos procesos metabólicos, donde se pueden observar las etapas que intervienen, así como la interconexión y ciclado de sus componentes.

Figura 2. Flujo de energía en los seres vivos: en las plantas y el fitoplancton. Panel verde de la imagen: la fotosíntesis transforma la luz solar en energía química a través de reacciones luminosas y oscuras, al dividir el agua en protones y electrones para liberar oxígeno molecular y fijar el CO₂ para producir carbohidratos. Al quemar (oxidar) los animales y otros organismos heterótrofos las moléculas orgánicas. Panel rosa de la imagen: a través de la oxidación de carbohidratos y la respiración aerobia se libera la energía que contienen en forma de energía química ATP, el proceso inverso de la fotosíntesis se pone en movimiento produciendo CO₂ a partir de los carbohidratos y agua a partir del oxígeno moléculas. Los componentes de la imagen en óvalos azules representan moléculas oxidadas sin energía y los que están en explosiones amarillas representan moléculas reducidas altamente energéticas.

Por lo anteriormente expuesto, los pasos del ciclo rápido del oxígeno, que se llevan a cabo en los seres vivos, deben expresarse de la siguiente manera (Fig. 1, Panel A):

1. Las plantas y el fitoplancton, al realizar la fotosíntesis para obtener energía y nutrirse mediante el uso de minerales y agua, liberan a partir de la descomposición del agua oxígeno a la atmósfera.

2. El oxígeno que se encuentra en la atmósfera es tomado por animales mediante el proceso de respiración, así como por plantas durante la noche.

3. Los animales, al respirar, exhalan a la atmósfera dióxido de carbono (CO₂) y agua, esta última es producida a partir de la combinación del oxígeno con hidrógeno y electrones.

4. El agua producida por los animales durante la respiración puede ser tomada nuevamente por las plantas y el fitoplancton como parte de sus procesos metabólicos. A partir del proceso de fotosíntesis, estos organismos vuelven a liberar oxígeno a la atmósfera, cerrando el ciclo.

Esta nueva redacción de los pasos del ciclo rápido del oxígeno deja claro que el oxígeno es producido a partir del AGUA, un compuesto esencial para todos los seres vivos, y no del CO₂ que se genera por la descomposición (oxidación) de los alimentos. Si estás interesado en conocer más sobre la fotosíntesis y la producción de oxígeno por las plantas puedes realizar los experimentos sugeridos en el siguiente video: https://www.youtube.com/watch?v=Esrw5Znvhrc. Estos experimentos te permitirán observar la producción de oxígeno por las plantas.

3. Referencias

1. Bender D. A., Botham K. M., Weil P. A., Kennelly P. J. y Rodwell V. W. (Eds.). (2018). Harper, Bioquímica Ilustrada. 30ª ed. México. McGraw-Hill.

2. Ciclo del Oxígeno. (2025, 21 de enero). Obtenido de: Enciclopedia de significados. https://www.significados.com/ciclo-del-oxigeno/

3. Ciclo del Oxígeno. (2025, 21 de enero). Obtenido de: Unidad de Apoyo para el Aprendizaje UNAM. https://uapa.cuaed.unam.mx/node/866/

4. Fontúrbel F., Molina C. (2004). Origen del agua y el oxigeno molecular en la Tierra: efecto sobre la biodiversidad. Elementos. 53, pp. 3-5

5. Mediavilla Pérez M. J. (2023). Origen y evolución del oxígeno atmosférico. Enseñanza de las Ciencias de la Tierra. pp. 16-24.