Ciclos biogeoquímicos

Los nutrientes son los elementos y moléculas que constituyen la estructura básica de la vida.

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Ciclos biogeoquímicos

Ciclos biogeoquímicos

Los nutrientes son los elementos y moléculas que constituyen la estructura básica de la vida. Los ciclos biogeoquímicos describen los caminos que siguen estos nutrientes de las partes abióticas a las partes bióticas de los ecosistemas y su regreso a las partes abióticas. Gracias a los ciclos biogeoquímicos es posible que los elementos se encuentren disponibles para ser usados una y otra vez por diferentes organismos: sin ellos, la vida se extinguiría. Las principales reservas de estos nutrientes se encuentran en el ambiente abiótico.

Los ciclos biogeoquímicos se pueden dividir en ciclos atmosféricos, cuya principal reserva se encuentra en la atmósfera, como el del carbono y el nitrógeno; y los ciclos sedimentarios como el del fósforo y el azufre, cuya principal reserva se encuentra en el suelo y rocas sedimentarias.

El carbono (C) es el elemento básico de los compuestos orgánicos. Todas las macromoléculas (carbohidratos, lípidos, proteínas, etc.) están formadas por cadenas de carbono. La capacidad de los átomos de carbono de unirse unos con otros proporciona la base para la diversidad y el tamaño molecular de la vida. Fuera de la materia orgánica, el carbono se encuentra en la atmósfera en forma de bióxido de carbono (CO2) y en las rocas carbonatadas (calizas, coral).

El ciclo del carbono se inicia en la atmósfera, donde las plantas terrestres toman el bióxido de carbono para realizar la fotosíntesis (proceso de fijación del carbono). Los productores acuáticos lo utilizan disuelto en el agua (en forma de bicarbonato, HCO3-). En este proceso el CO2 se utiliza en la síntesis de la glucosa y de esta forma pasa a los consumidores primarios, que a su vez sirven de alimento al siguiente eslabón de la cadena y así sucesivamente.

En cada nivel trófico de una red alimenticia, el carbono regresa a la atmósfera o al agua como resultado de la respiración, ya que al hacerlo liberamos CO2. A medida que mueren las plantas y los animales, las bacterias y los hongos se encargan de liberar el carbono de los cadáveres para dejarlo disponible como alimento para otros niveles tróficos.

Por medio del metabolismo de plantas y animales, se libera el CO2 de carbono y el ciclo puede volver a comenzar.

Otra fase que complementa el ciclo en forma más lenta es la que ocurre con algunos protistas y moluscos (caracoles y ostiones). Extraen del agua el CO2 para formar carbonato de calcio (Ca2CO3) con el que construyen sus conchas. Cuando estos organismos mueren, las conchas se acumulan en el fondo marino y con el tiempo se transforman en piedra caliza que, al disolverse, reincorpora el carbono al medio acuático y vuelve a estar disponible para los organismos.

Los combustibles fósiles constituyen una reserva importante de carbono y se forman a lo largo de millones de años a partir de la transformación de las moléculas orgánicas de las plantas y animales antiguos. Así se forman los depósitos de hulla, petróleo y gas natural que se utilizan en los procesos de combustión en fábricas y vehículos. Cuando quemamos combustibles fósiles se reintegra el CO2 a la atmósfera.

El nitrógeno (N) es el elemento más abundante en la atmósfera, ocupa alrededor del 78% de la materia y es el más importante para la vida por formar parte de las proteínas, aminoácidos y ácidos nucleicos. Sin embargo, no puede ser utilizado directamente por los seres vivos, necesita de la participación de las bacterias fijadoras del nitrógeno que lo toman directamente del aire en forma de gas (N2) y lo combinan con el hidrógeno para convertirlo en amoniaco (NH3). El amoniaco se absorbe directamente por las plantas a través de las raíces y hojas.

La mayor parte del amoníaco producido por descomposición se convierte en nitratos. Este proceso se realiza en dos pasos. Las bacterias nitrificantes que viven en el suelo o asociadas a las raíces de las plantas legunimosas como el frijol, chícharo, lenteja, oxidan el NH3 y lo convierten en nitritos (NO21-), luego los nitritos son oxidados nuevamente por bacterias del género Nitrobacter y se convierten en nitratos (NO31-). De esta forma, el nitrógeno se pone a disposición de las raíces de las plantas. También, el efecto eléctrico de los relámpagos transforma el nitrógeno atmosférico en ácido nítrico que se disuelve con la lluvia y se precipita al suelo donde puede ser utilizado. En los campos de arroz, algunas cianofitas capaces de fijar el N2 desempeñan un papel importante en el mantenimiento de la fertilidad en los medios semiacuáticos.

Cuando un consumidor primario ingiere una planta, recibe el nitrógeno y lo utiliza para sintetizar las proteínas que necesita; de esta forma, el nitrógeno pasa por los siguientes eslabones de la cadena alimenticia: los consumidores primarios, secundarios, terciarios y/o cuaternarios.

En cada nivel trófico se producen desprendimientos de nitrógeno hacia el ambiente en forma de excreciones. Los últimos beneficiados de los compuestos orgánicos nitrogenados son los microorganismos descomponedores que viven a cierta profundidad en el suelo y en los sedimentos acuáticos donde existe escasez de oxígeno. Las bacterias utilizan los nitratos durante la respiración y al hacerlo cierran el ciclo del nitrógeno.

La necesidad de nitratos para la fabricación de explosivos condujo al desarrollo de un proceso industrial de fijación del nitrógeno. En este proceso el hidrógeno (derivado generalmente del gas natural o del petróleo) y el nitrógeno reaccionan para formar NH3. Para que la reacción pueda desarrollarse eficientemente, tiene que elevarse a temperaturas de 600ºC, bajo gran presión y en la presencia de un catalizador. Actualmente, un tercio de la fijación del nitrógeno que tiene lugar en la biosfera se efectúa industrialmente y se utiliza como fertilizante.

El azufre (S) es un elemento importante en ciertas funciones metabólicas; esta incorporado dentro de aminoácidos y proteínas, los átomos de azufre actúan como puentes y ayudan a ligar las cadenas polipeptídicas; también forman parte de compuestos orgánicos como la coenzima A y vitaminas, por tanto es esencial para los seres vivos. En la corteza terrestre, el azufre forma compuestos como sulfuros y sulfatos. Los compuestos sulfúricos se encuentran en forma de sulfuro de hidrógeno (H2S) y dióxido de azufre (SO2), que provienen de las industrias y de fuentes naturales como la actividad volcánica y pantanos. Del suelo se absorben por las plantas y otra parte son arrastrados al fondo de lagos y los océanos donde se acumulan.

Los sulfatos son compuestos solubles que las plantas utilizan para sintetizar aminoácidos. Cuando un consumidor primario se alimenta de la planta, toma el azufre y lo transfiere al consumidor secundario y finalmente, por la acción de los desintegradores, el azufre se reintegra al suelo en forma de compuestos inorgánicos. El ciclo del azufre se lleva a cabo en tres medios: la atmósfera, el agua y el suelo.

Las bacterias desempeñan un papel crucial en el ciclo del azufre. Cuando el azufre se encuentra en el aire, la descomposición de los compuestos del azufre (incluyendo la descomposición de las proteínas) produce sulfato (SO42-). Bajo condiciones anaeróbicas, el ácido sulfhídrico (H2S gas de olor a huevos podridos) y el sulfuro de dimetilo (CH3SCH3) son los productos principales. Cuando estos dos últimos gases llegan a la atmósfera, se oxidan y se convierten en bióxido de azufre. La oxidación ulterior del bióxido de azufre y su disolución en el agua de lluvia produce ácido sulfhídrico y sulfatos, formas principales bajo las cuales regresa el azufre a los ecosistemas terrestres. También el carbón mineral y el petróleo contienen azufre, y su combustión libera bióxido de azufre en la atmósfera.

Aunque la proporción de fósforo en la materia viva es relativamente pequeña, el papel que desempeña es indispensable. Los ácidos nucleicos que almacenan la información genética son ricos en fósforo. Varias sustancias intermedias de la fotosíntesis y de la respiración celular están combinadas con fósforo y los átomos de fósforo proporcionan la base para la formación de los enlaces de alto contenido de energía del ATP, que a su vez desempeña el papel de intercambiador de energía, en la fotosíntesis y en la respiración celular.

El fósforo (P) es un elemento importante que forma parte de dientes y huesos, esencial en las macromoléculas como el ATP, fosfolípidos de la membrana y ácidos nucleicos. En el ambiente se encuentra en forma de fosfatos en las rocas expuestas al intemperismo. Los fosfatos se disuelven fácilmente en agua de lluvia, donde pueden ser absorbidos por las plantas y otros productores. Los consumidores utilizamos el fosfato que obtenemos de los productores y de esta forma el fosfato va pasando a lo largo de la cadena alimenticia.

Generalmente, los seres vivos excretan el fósforo excedente y cuando los organismos mueren, los descomponedores convierten el fósforo orgánico en fósforo inorgánico, el cual pasa al suelo, se disuelve en agua en forma de fosfato y puede ser utilizado por los productores o reincorporarse a las rocas por el proceso de sedimentación. A los océanos llega parte del fosfato que se disuelve y se incorpora a los organismos marinos.

El fósforo, al igual que el nitrógeno y el azufre, participa en un ciclo interno y también en un ciclo global, geológico. En el ciclo menor, la materia orgánica que contiene fósforo (por ejemplo: restos de vegetales, excrementos animales) se descompone y el fósforo queda disponible para ser absorbido por las raíces de la planta, en donde se unirá a compuestos orgánicos. Después de atravesar las cadenas alimenticias, vuelve otra vez a los descomponedores, con lo cual se cierra el ciclo. El agua lava el fósforo no solamente de las rocas que contienen fosfato sino también del suelo. Los organismos acuáticos interceptan parte de este fósforo, pero finalmente sale hacia el mar.

El ciclo global del fósforo difiere del carbón, del nitrógeno y del azufre en un aspecto principal. El fósforo no forma compuestos volátiles que le permitan pasar de los océanos a la atmósfera y desde allí retornar a tierra firme. Una vez en el mar, sólo existen dos mecanismos para el reciclaje del fósforo desde el océano hacia los ecosistemas terrestres: las aves marinas que recogen el fósforo que pasa a través de las cadenas alimenticias marinas y que lo devuelven a la tierra por sus excrementos (el guano es comunmente utilizado como fertilizante natural) y por el levantamiento geológico lento de los sedimentos del océano para formar tierra firme, es un proceso medido en millones de años.

Autoevaluación

Ahora, pongamos a prueba los conocimientos adquiridos, para ello te vamos a pedir que organices el siguiente mapa mental de aspectos generales de los ciclos biogeoquímicos, verás que podrás reconocer similitudes y difrencias. Para ello identifica el concepto que corresponde a cada número en el mapa mental. Los cuadros cafés son procesos y los cuadros azules son elementos.

Concepto

1
2
3
4
5
6
7

Definición

CO2
Lluvia
Combustión
SO2
NH3
Respiración
CO2

Retroalimentación

Como verás en el mapa mental que has complementado, los ciclos biogeoquímicos se llevan a cabo en el aire suelo y agua (a excepción del fósforo que no se encuentra en forma volátil).

En cuanto a la representación en el mapa, podrás ver que en el ciclo biogeoquímico no tienes los elementos puros, si no como parte de diferentes compuestos. Puedes identificar al elemento por su símbolo y conocer su ruta ya que como habrás visto en la revisión del tema en la interacción en el medio y en el ecosistema los elementos los encontramos conformando diversos compuestos químicos.