Mirando hacia el futuro

looking_ahead
Para una explicación detallada de la fotosíntesis, consulta el Capítulo de Energía.

Como se explicó anteriormente, los ciclos biogeoquímicos mueven elementos a través de la biósfera, la litósfera, la atmósfera y la hidrósfera. Mediante estos ciclos y otros procesos biológicos, los elementos que sirven como bloques de construcción de la vida en la Tierra se incorporan en los microorganismos, las plantas y los animales, y se transforman de formas orgánicas a inorgánicas y viceversa a distintas velocidades. Algunos ciclos procesan los elementos rápidamente, en la escala de una vida humana o menos, y dan como resultado recursos renovables. Sin embargo, los ciclos de los recursos no renovables duran mucho más tiempo, ya que operan en escalas de tiempo geológicas. Los ciclos biogeoquímicos de cuatro elementos de particular importancia ambiental se describen a continuación.

El ciclo del carbono

El carbono actúa como el “esqueleto estructural” de cada tipo de molécula orgánica. Entra en la biósfera como el dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera. Las plantas utilizan (CO2) de la atmósfera. Las plantas utilizan CO2 en la fotosíntesis. La luz solar alimenta la reacción de la fotosíntesis que transforma las moléculas de carbono (CO2) y agua (H2O) en glucosa, moléculas simples de azúcar (C6H12O6) y de oxígeno (O2). Aprenderás los detalles del proceso fisiológico de la fotosíntesis en el Capítulo de Energía, ya que el azúcar que producen las plantas es la principal fuente de energía calórica para las cadenas tróficas.

La glucosa producida por las plantas es consumida por animales y microorganismos aeróbicos (que requieren oxígeno), que aprovechan su energía química mediante el proceso de la respiración celular. En la respiración celular, las moléculas de glucosa se descomponen para proporcionar la energía que alimenta los procesos metabólicos básicos. El metabolismo aeróbico de la glucosa produce productos de desecho: CO2 y H2O. Estos productos de desecho son liberados en la atmósfera o hidrósfera para ser reutilizados por las plantas y los microbios, formando así un ciclo mutuamente dependiente de elementos y compuestos (carbono, agua, oxígeno) entre las plantas y los animales. En la naturaleza no hay acumulación de residuos. Los subproductos del metabolismo de un organismo son los nutrientes necesarios para otro. De esta manera, los ciclos biogeoquímicos mantienen a los organismos vivos en los ecosistemas en equilibrio con sus recursos naturales.

En ambientes sin oxígeno, como los sedimentos finos de los pantanos, el agua y los sedimentos en las profundidades del océano o los estómagos de los rumiantes (mamíferos que tienen un compartimento digestivo anaeróbico especializado donde fermentan los materiales vegetales antes de digerirlos), los microorganismos anaeróbicos (por ejemplo, los que no requieren oxígeno) utilizan un tipo diferente de metabolismo. Ellos extraen su energía de los enlaces químicos de CO2 y la liberación de metano (CH4) como un producto de desecho a través del proceso de metanogénesis.

Carbon cycle
Figura 10. El ciclo global del carbono. Este diagrama del ciclo del carbono muestra el movimiento del carbón entre la tierra, la atmósfera y los océanos en miles de millones de toneladas de carbono por año. Los números amarillos son flujos naturales, los rojos son las contribuciones humanas en miles de millones de toneladas de carbono por año. Los números blancos indican carbono almacenado.1

Además de los procesos biológicos (“bombeo biológico” de CO2) a través de la fotosíntesis y la respiración que dominan el ciclo natural del carbono en la tierra, existen procesos químicos no biológicos en los que las moléculas de carbono fluyen. Por ejemplo, las moléculas CO2 y CH4 pueden ser emitidas a la atmósfera desde la litósfera a través de la actividad volcánica, y los carbonatos de la litosfera (por ejemplo, carbonato de calcio, CaCO3) pueden ser disueltos en agua y entrar en la hidrósfera. 

Mirando hacia el futuro

looking_ahead

La idea de “equilibrio” también es importante cuando se considera la ética de los recursos naturales. Esto se analizará en la sección de ética.

Debido a que la absorción y liberación del carbono es mediada en gran parte por la actividad biológica, el carbono se transporta más rápidamente que la mayoría de los otros elementos. Sin embargo, mientras que la gran mayoría de los átomos de carbono en la Tierra circulan relativamente rápido entre la atmósfera, la biósfera y la hidrósfera (Figura 10), algunos otros han residido durante cientos de millones de años en la litósfera como combustibles fósiles. La mayor alteración del ciclo natural del carbono es la extracción humana relativamente reciente y la combustión de las reservas geológicas de carbono orgánico almacenadas en forma de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural), que se transforman cuando se queman y se liberan como CO2 a la atmósfera.

La extracción y la combustión de estos combustibles fósiles han desequilibrado el ciclo natural del carbono de la Tierra. Las concentraciones atmosféricas de CO2 de la Tierra (el principal gas de efecto invernadero), han incrementado recientemente de 280 ppm (partes por millón) antes de la era industrial a más de 400 ppm en la actualidad, provocando el cambio climático global y la acidificación de los océanos.

El ciclo del nitrógeno

El nitrógeno es un componente esencial de varios tipos diferentes de moléculas orgánicas, incluidas las proteínas, el ADN (ácido desoxirribonucleico) y la clorofila (el principal pigmento fotosintético de las plantas). En la atmósfera, el nitrógeno se produce como una forma estable, inerte, diatómica (que consta de 2 átomos), N2.

El N2 es el elemento más abundante que se encuentra en la atmósfera y representa 78% de todos los gases atmosféricos. Sin embargo, para que el nitrógeno diatómico se utilice en la biósfera, debe ser convertido en una forma biológicamente disponible, es decir, en una forma que pueda ser metabolizada por organismos vivos. Esta transformación se produce a través de un proceso biológicamente mediado llamado fijación de nitrógeno (Figura 11), que cambia el gas N2 en la forma más bio-utilizable de amoníaco (NH3).

Existen dos formas naturales en que el gas nitrógeno se fija en el amoníaco; una cantidad muy pequeña de N2 es fijada por medio de los rayos y la gran mayoría de N2 está fijada por la actividad de las bacterias especializadas en fijación de nitrógeno y cianobacterias (algas verde-azules), que llamamos fijadores de nitrógeno. Las bacterias fijadoras de nitrógeno y cianobacterias poseen una enzima llamada nitrogenasa. Las enzimas son un tipo de proteínas producidas por organismos que actúan como catalizadores para facilitar reacciones bioquímicas específicas en las células. La función de la nitrogenasa es catalizar la fijación de N2 en NH3, rompiendo primero los tres enlaces químicos fuertes que se adhieren a los dos átomos N juntos formando N2, facilitando la creación de nuevos enlaces en NH3 (amoníaco).

El ciclo biogeoquímico del nitrógeno incluye la transformación de numerosas formas de nitrógeno. Estas transformaciones son facilitadas, en gran medida, por grupos especializados de microorganismos. En primer lugar, tenemos los fijadores de nitrógeno que transforman el gas N2 en amoníaco NH3. Cuando se encuentra en el suelo o en los sedimentos de agua dulce o en sistemas marinos, el amoníaco (NH4+) puede convertirse posteriormente en amonio (NH3+) a través de un proceso llamado amonificación, logrado por otro grupo especializado de bacterias llamadas amonificadores. El amonio puede transformarse en nitritos (NO2) y nitratos (NO3) a través del proceso llamado nitrificación. Ambos pasos de nitrificación son facilitados por bacterias especializadas llamadas bacterias nitrificantes. Por último, los estados de oxidación del nitrógeno (NO2 y NO3) se pueden reducir a gas N2 a través del proceso de desnitrificación, que es facilitado por otro grupo de bacterias especializadas llamadas desnitrificadoras. Donde los fijadores de nitrógeno comienzan el ciclo del nitrógeno mediante el secuestro del gas N2 de la atmósfera, la bacteria desnitrificante completa el ciclo mediante la transformación de nitrógeno de regreso a gas N2.

Nitrogen_Cycle
Figura 11. El ciclo del nitrógeno. 2

Las formas iónicas de nitrógeno, especialmente el NH4+ y NO3 son las formas de nitrógeno que están biológicamente más disponibles y que son fácilmente utilizadas por los caminos metabólicos de las plantas. Los animales herbívoros no poseen vías metabólicas para consumir NH4+ inorgánico y NO3. Por tanto, sus necesidades de nitrógeno se satisfacen al consumir plantas ricas en nitrógeno que ya han hecho el trabajo de convertir el nitrógeno inorgánico en formas orgánicas, como el nitrógeno presente en los aminoácidos y proteínas de las plantas. Los animales carnívoros consumen herbívoros, obteniendo su nitrógeno principalmente en la forma de aminoácidos y proteínas de origen animal.

Cuando plantas y animales mueren son descompuestos por la acción del grupo de microorganismos llamados degradadores (hongos y bacterias), el nitrógeno en sus tejidos se reduce a formas inorgánicas que regresan a la tierra y al agua para su aprovechamiento por las plantas (Figura 11).

Mirar en detalle

closer_look

Lee acerca de cómo el desequilibrio actual del ciclo del nitrógeno puede afectar la salud en este artículo.

Debido a que el ciclo del nitrógeno, a través de sus diversas formas moleculares, está mediado por tantas bacterias especializadas diferentes, es un ciclo biogeoquímico relativamente rápido. Este ciclo mantiene naturalmente un equilibrio en la cantidad del nitrógeno que se encuentra en sus diversas formas en la biósfera, la litósfera, la hidrósfera y la atmósfera. Sin embargo, como veremos más adelante en esta sección, los seres humanos han modificado el ciclo del nitrógeno a través de la fijación industrial de nitrógeno, por lo que está muy lejos de su equilibrio natural. Hoy este desequilibrio plantea graves amenazas a la estabilidad de nuestros ecosistemas naturales. La Figura 12 se introdujo por primera vez en el Capítulo de la Biodiversidad (Figura 24) para demostrar los límites planetarios de diversos procesos naturales. Observa de nuevo que el ciclo del nitrógeno en su estado actual es uno de los más desbalanceados de su homeostasis natural.

beyon the boundary image
Figura 12. El sombreado verde interior representa el espacio de operación segura propuesto para los seres humanos dentro de las nueve amenazas del sistema planetario. Las cuñas rojas representan una estimación de la posición actual para cada variable. Los límites en los tres sistemas (tasa de pérdida de biodiversidad, el cambio climático y la interferencia humana en el ciclo del nitrógeno) ya se han superado. La tasa de pérdida de la biodiversidad ha sido rebasada ampliamente.3

El ciclo del fósforo

Figura 13. La roca de fosfato es un material sólido que varía desde una roca dura hasta granos ligeramente consolidados. Se encuentra en la corteza terrestre y el color de su superficie puede ser marrón, gris, gris azulado, blanco o negro, dependiendo con qué otros minerales está ligado.4

Al igual que el nitrógeno, el fósforo es un elemento esencial para la vida, presente en el ADN, el ARN (ácido ribonucleico), membranas celulares y ATP (adenosina trifosfato, la molécula crítica responsable de almacenar energía química en las células y de soltarla para los procesos metabólicos). A diferencia del carbono y del nitrógeno, el ciclo del fósforo no está mediado por la actividad de los organismos. El fósforo se encuentra en la corteza terrestre. Es el undécimo elemento químico más abundante en la corteza y existe principalmente como fosfato de calcio (Ca3 (PO4)2) (Figura 13), un mineral llamado apatita. El fósforo, como roca sedimentaria que contiene apatita, se transporta por medio de la lluvia y por la erosión del viento. De esta forma, el fosfato de calcio se disuelve en agua y es transportado en suelos, ríos, lagos y océanos.

Las plantas secuestran el fósforo inorgánico disuelto en forma de ortofosfato (PO23-), y lo incorporan a moléculas orgánicas que componen las moléculas metabólicas y tejidos estructurales de las plantas (Figura 14). Los animales, a su vez, cumplen con sus requisitos de fósforo al comer las plantas que contienen estas formas orgánicas sintetizadas de fósforo. En los ecosistemas terrestres, los animales y los microorganismos devuelven el fosfato a la tierra a través de la excreción de los desechos. El fosfato también regresa al suelo y a la hidrósfera a través de la descomposición de plantas y animales muertos. Una vez en el suelo, el fosfato es rápidamente secuestrado por el crecimiento de una planta nueva y así se completa el ciclo.

Mirar en detalle

closer_look_video
Da un vistazo a esta demonstración en video del ciclo del fósforo.

El ortofosfato soluble también puede ser llevado a los océanos por ríos, donde es utilizado por los organismos marinos en forma similar a la descrita anteriormente para los organismos terrestres. Una vez que los organismos marinos mueren, sus restos se hunden hasta el fondo del océano y el fosfato retorna a los sedimentos. En las condiciones anaerobias de los lagos profundos y fondos oceánicos, el fosfato es muy soluble y puede volver al agua aerobia superior a través de las corrientes. A lo largo de cientos de miles o millones de años, la elevación geológica regresa el antiguo fósforo sedimentario a la superficie de la Tierra (Figura 14).

Así como en los otros ciclos biogeoquímicos, la propia naturaleza mantiene el equilibrio dentro del ciclo del fósforo a través de la litósfera, la hidrósfera y la biósfera. Notarás que no hay formas gaseosas de fósforo, por tanto, este elemento no circula a través de la atmósfera.

Phosphorous Cycle
Figura 14: El ciclo del fósforo. 5
Figura 15: Azufre; a temperatura ambiental el azufre elemental es un sólido cristalino de color amarillo brillante. Visita periodictable.com para ver imágenes, historias, y hechos acerca del azufre.6

El ciclo del azufre

El azufre es uno de los 16 elementos más abundantes en la Tierra. La gran mayoría del azufre está enlazado a la roca como sales de azufre (Figura 15), como yeso (CaSO4) y pirita (FeS2),o como aniones sulfato (SO4) (Figura 16) en cuerpos de agua dulce y océanos. De los 20 aminoácidos necesarios para construir todos los diversos tipos de proteínas vegetales y animales, dos de ellos (cisteína y metionina) contienen azufre, por lo que el azufre es un elemento indispensable para todas las formas de vida. Las plantas secuestran el azufre desde el suelo en forma de sulfato inorgánico disuelto (SO42-).

Como el fósforo, el azufre puede estar limitado en formas biológicamente no disponibles en la corteza terrestre durante milenios. Está biológicamente disponible a través de la meteorización de sulfito –o roca que contiene sulfuro (Figura 17). Las bacterias especializadas pueden extraer energía química para alimentar su metabolismo celular extrayendo sulfato disuelto (SO42-), reduciéndolo a sulfuro de hidrógeno (H2S) mediante un proceso llamado reducción de sulfato. El sulfuro de hidrógeno puede ser oxidado luego a SO42- por diferentes bacterias en un proceso llamado oxidación bacteriana.

sulfur spring
Figura 16. El azufre Dallol sale de la Depresión del Afar en Etiopía y Djibouti, África. Durante la primavera se liberan sulfatos disueltos en el suelo. La alta concentración de sulfatos se precipita fuera del agua como sólidos blancos y grises, que luego se vuelven amarillos y después anaranjados a medida que se oxidan más por el oxígeno en el aire. Mira este video y ver la Depresión del Afar. 7

Como el carbono y el nitrógeno, el azufre también se produce en una fase gaseosa (principalmente como SO2). Cuando el azufre en su estado gaseoso se combina con el vapor de agua (H2O) en la atmósfera forma un ácido (H2SO4 o ácido sulfúrico), que contribuye al fenómeno llamado lluvia ácida.

No obstante que sólo hemos visto cuatro de los muchos ciclos biogeoquímicos, los otros elementos de la Tierra pasan por ciclos similares. Las diferentes formas de estos elementos en sus ciclos biogeoquímicos están naturalmente en equilibrio y proporcionan a los seres humanos y a todas las demás formas de vida un suministro sostenible de los recursos necesarios para la vida.

sulfur cycle
Figura 17. El ciclo del azufre. 8

Preguntas para considerar

¿Dónde buscarías evidencias del ciclo del carbono en el área donde vives? ¿Cómo explicarías el ciclo del carbono con este ejemplo en el área donde vives? Y de los otros ciclos: nitrógeno, fósforo y azufre, ¿encuentras evidencia de estos ciclos donde vives? Explica.