Unidad 2. 2. Ciclos biogeoquímicos.

 

¿Qué es un ciclo bioquímico? Es el movimiento de elementos de un sistema, el cual se da entre los seres vivos y su ambiente por medio de una serie de procesos de producción y descomposición de los siguientes elementos: carbono, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, calcio, sodio, azufre, fosforo, potasio, entre otros; estos ciclos se dan tanto en los ecosistemas terrestres como en los acuáticos. En los ciclos biogeoquímicos se describen también los movimientos e interacciones de los elementos químicos que son esenciales para la vida en la Tierra, por medio de los procesos físicos, químicos y biológicos. Estos movimientos o flujos de elementos pueden ser abiertos (ejemplo de ello es el flujo de energía) o cerrados (como es el ciclo de la materia).

El concepto de ciclo biogeoquímico se utiliza para hacer la descripción de la distribución y transportación de material dentro de un ecosistema. Los ciclos biogeoquímicos controlan el cambio y la transformación de los sistemas terrestres, acuáticos y atmosféricos, y constituyen el sistema regulador de la capa de la Tierra conocida como hidrosfera y la biosfera; dentro de esta última, la materia se encuentra limitada de manera que si vida útil depende del reciclaje de esta y es un punto importante para lograr el mantenimiento de la vida en un sistema dado; es decir, los nutrientes se agotarían y la vida se acabaría.

La mayoría de las sustancias o elementos químicos que existen en la Tierra no están disponibles de forma útil para los organismos, es por ello que los elementos y compuestos deben encontrarse de manera que nos permitan que los nutrientes sean asimilados por los organismos vivos dentro de un ecosistema, estos elementos químicos tienen que ser continuamente reciclados a formas más complejas por las partes vivas y no vivas de la biosfera, y ser convertidos para que tengan una utilidad en la combinación que se da en los procesos biológicos, geológicos y químicos.

Por medio de los ciclos biogeoquímicos, los elementos que los componen y que encontramos disponibles en el ambiente pueden ser usados una y otra vez por los seres vivos, sin su presencia los organismos dejarían de existir, es ahí donde radica su importancia.

El término ciclos biogeoquímicos se deriva del movimiento cíclico de los elementos y/o compuestos con los que están formados todos los organismos biológicos (bio), el ambiente geológico (geo) y los cambios químicos (qui), de ahí su nombre compuesto, por lo que interactúa la parte biológica, geológica y química.

Los ciclos se encuentran divididos en dos tipos interconectados entre sí:

·         Gaseoso: En este ciclo los nutrientes circulan entre la atmósfera y los organismos. Los elementos que pertenecen a este grupo son el ciclo del carbono, hidrógeno y nitrógeno, los cuales son reciclados de forma rápida, es decir en horas o días.

·         Sedimentario: Los nutrientes tienen una circulación principalmente a nivel de corteza terrestre, es decir, suelo, rocas y sedimento, de ahí su nombre, también abarca la hidrosfera y a los organismos. Se reciclan generalmente de manera muy lenta a diferencia del gaseoso. En este se estudian también los ciclos de los contaminantes: ciclo del fósforo y el azufre.

Ilustración 1. Ciclo de materia dentro de la cadena alimenticia.

En síntesis, podemos decir que dentro de un sistema y entre los mismos, la materia prima con que están construidos los seres vivos circula: desde los componentes inertes también llamado ambienta abiótico, hasta los organismos vivos llamado ambiente biótico, y posteriormente tiene un retorno a lo inerte, de ahí nuevamente a los seres vivos y así sucesivamente; esto lo puedes observar en la figura arriba expuesta.

Los ciclos biogeoquímicos son considerados parte de los fenómenos naturales que ocurren de manera constante y cíclica para el mantenimiento de la vida dentro de la biosfera, por lo que a continuación se abordará la descripción de los ciclos de carbono, nitrógeno, fósforo, azufre y del agua.

2. 2. 1. Ciclos de carbono, nitrógeno, fósforo, azufre y del agua.

En este subtema se describirán los ciclos de carbono nitrógeno, fósforo, azufre y del agua para que conozcas cómo funcionan y como interactúan dentro del exosistema. Se comenzará con la descripción de los ciclos gaseosos: ciclo del carbono y ciclo del nitrógeno. Posteriormente, se abordarán los sedimentarios: ciclo del fósforo y ciclo del azufre. Finalmente, se revisará el ciclo del agua, ya que pertenece tanto a los gaseosos como a los sedimentarios.

Ciclo del carbono.

En este ciclo se comprende la función de transferencia del bióxido de carbono (CO₂) y lo referente al carbono orgánico que se da entre algunas capas de la Tierra y comprenden a la biosfera, atmósfera, hidrosfera y litosfera. Este ciclo es de suma importancia en la regulación del clima en la Tierra, además del sostenimiento de la vida.

El carbono como principal elemento en este ciclo, puede ser almacenado en el aire, cuerpos de agua y en el suelo. Se encuentra en el aire como un gas, denominado dióxido o bióxido de carbono (CO₂); mientras que dentro del agua y suelo aparece disuelto, de tal forma que el CO₂ es abundante en el medio.

En la siguiente figura puedes observar la manera en que circula el CO₂ en el medio terrestre y acuático:

La reserva natural del carbono en el ambiente, como moléculas de dióxido o bióxido de carbono, la ubicamos en la atmósfera y la hidrosfera, de ahí es asimilada por los organismos vivos en un ecosistema. El siguiente paso del carbono en un ecosistema es la formación de biomoléculas que constituyen a los organismos formando moléculas orgánicas conformadas por cadenas de carbono entrelazadas entre sí.

Este gas lo podemos encontrar en la atmósfera con una concentración de más del 0.03%, y en cada año alrededor de un 5% de esta reserva se consume en el proceso de la fotosíntesis, es decir, se renueva en la atmósfera cada 20 años.

El retorno de CO₂ a la atmósfera se realiza a través del proceso de respiración que efectúan los seres vivos, donde se oxidan los alimentos generando con ello el CO₂. Dentro de la biosfera, la respiración la hacen las raíces de las plantas y los organismos que andan en el suelo.

Así como los seres vivos terrestres toman el CO₂ de la atmósfera, los organismos lo toman del agua, por ejemplo, del ácido carbónico. La solubilidad que tiene este gas es superior a la que poseen otros gases, como el oxígeno o el nitrógeno. Dentro de los ecosistemas marinos, los organismos realizan la conversión del CO₂ en CaCO₃ (carbonato de calcio), el cual utilizan para la elaboración de sus conchas, caparazones y arrecifes. Al morir estos organismos sus caparazones se van al fondo marino y forman rocas sedimentarias calizas, quedando el carbono fuera del ciclo durante muchos millones de años. Este vuelve de manera muy lenta al ciclo al irse disolviendo de las rocas.

Por último, el ciclo del carbono es el constituyente básico en todos los compuestos orgánicos y se le involucra en la fijación de la energía mediante el proceso de la fotosíntesis, la relación es tan intima que el ciclo de carbono y la fotosíntesis son inseparables.

Ciclo del nitrógeno.

El nitrógeno también es importante para los organismos, por ser un componente esencial de las proteínas; se encuentra en estado gaseoso, formando parte de la atmósfera y del aire que respiramos en una proporción del 78%. Sin embargo, para utilizarlo, los organismos necesitan tomarlo en forma de compuestos llamados nitritos y nitratos. Las bacterias conocidas como nitrificante o fijadoras de nitrógeno, transforman el nitrógeno del aire en esos compuestos y así las raíces de las plantas aprovechan los nitratos. Cuando un animal ingiere dichas plantas, indirectamente está utilizando el nitrógeno que le servirá para formar proteínas.

El nitrógeno es devuelto a la atmósfera por medio de las excreciones de los organismos y de los restos en descomposición, que son atacados por bacterias y hongos para formar nitratos. De este nitrógeno, una parte se deposita en el suelo para ser aprovechado nuevamente por las plantas, otra se va a la atmósfera en forma de gas y el resto hacia los sedimentos profundos de la tierra.

El nitrógeno atmosférico también puede transformarse durante las descargas eléctricas de las tormentas y como producto de la actividad volcánica y los compuestos nitrogenados son arrastrados por las lluvias para depositarse en el suelo o ser llevados al fondo del mar en forma de nitratos. El nitrógeno que llega al fondo oceánico es aprovechado por vegetales marinos y posteriormente, por los peces y aves acuáticas.

En el siguiente esquema se puede observar cómo funciona y cuáles son las etapas que sigue el nitrógeno durante su estancia en los diferentes estratos, como son la atmósfera, la biosfera y la hidrosfera.

Ilustración 2. Ciclo del nitrógeno.

Como puedes observar en la figura, las flechas amarillas son las fuentes de origen humano emisoras de nitrógeno al ambiente, las rojas indican las transformaciones que realizan los organismos microbianos del nitrógeno, las flechas azules marcan las fuerzas físicas que actúan sobre el nitrógeno, mientras que las verdes nos indican que son derivados de procesos naturales y que afectan la forma y destino del nitrógeno.

Este ciclo es necesario para suministrar nitrógeno a los seres vivos, quienes en su composición química tienen una gran cantidad de dicho elemento. Su fijación puede ocurrir de dos formas, de manera abiótica o biológica, con la finalidad de realizar su incorporación del suelo y de los organismos vivos. En el proceso abiótico ocurren procesos químicos espontáneos, como son la oxidación; mientras que el proceso biológico es un fenómeno fundamental que siempre depende de la habilidad metabólica en unos pocos organismos denominados diazótrofos.

Ahora bien, existen tres maneras más de aprovechar o desechar el nitrógeno en los seres vivos, estas son la amonificación, nitrificación y desnitrificación.

La amonificación es el procedimiento por el cual los organismos vivos se deshacen de este elemento que producen o tienen en exceso; por ejemplo, los animales terrestres lo realizan mediante la descarga de su orina, cuyo principal compuesto es la urea, la cual está formada por nitrógeno.

La nitrificación es la oxidación biológica que se realiza del amonio o nitritos por aquellos microorganismos que utilizan el oxígeno para hacerlo.

Y finalmente, la desnitrificación que es la reducción de los iones nitratos que están presentes en el agua y en el suelo, transformándolos a nitrógeno molecular; este es un elemento que se encuentra en demasía como parte de la composición del aire.

Ciclo del fósforo.

En este ciclo se produce la mineralización de este y se van solubilizando las formas insolubles, mientras se realiza la asimilación de los fosfatos inorgánicos; este ciclo es uno de los que pertenecen a los sedimentarios.

El fósforo es un factor limitante para el crecimiento de los ecosistemas, ya que está ampliamente relacionado con su movimiento entre los ecosistemas terrestres y acuáticos. Es diferente al ciclo del nitrógeno, porque el ciclo del fósforo no tiene una fase gaseosa en el aire.

El ciclo del fósforo forma parte importante en los ácidos nucleicos, como el ADN, de algunas sustancias intermedias en el proceso de la fotosíntesis y en el proceso de la respiración celular, que combinadas con el fósforo proporcionan la pase para formar enlaces de alto contenido energético de ATP (del inglés Adenosine Triphosphate / trifosfato de adenosina). También localizamos al fósforo en los huesos, los dientes de animales, incluyendo al ser humano.

La reserva primordial del fosforo dentro de la naturaleza, la encontramos en la corteza terrestre y en los depósitos de rocas marinas que se generan con la deposición de este durante el fenómeno de la meteorización de las rocas, o sacado por las cenizas volcánicas, de esta forma está disponible para que pueda ser utilizado por las plantas como un nutriente. Con facilidad es arrastrado por las aguas y llega al mar, algo de lo que es arrastrado se sedimenta en el fondo de los cuerpos de agua y empieza a formar rocas que tardaran millones de años en emerger y nuevamente liberar las sales de fósforo. Una parte de dichas sales llegan a ser absorbidas por el plancton, que, a su vez, es ingerido por otros organismos filtradores, como son los peces que finalmente alimentan a las aves, devolviendo el fósforo a través de las heces que depositan en la corteza terrestre, estas heces son arrastradas nuevamente al agua y así se inicial el ciclo otra vez.

En el esquema siguiente puedes observar lo mencionado anteriormente.

Ilustración 3. Ciclo del fósforo.

Con las considerables cantidades de fósforo que se extraen de los grandes depósitos acumulados en diferentes lugares de la Tierra se abonan las tierras de cultivo, pero el uso desmesurado de este como abono origina problemas de eutrofización en los terrenos, lo que provoca una desertificación de estos. Con esto se puede decir que es importante como ciclo y perjudicial como abono, por lo que siempre hay que estar llevando un control de él.

Ciclo del azufre.

Como nutriente, el azufre es un elemento secundario, requerido por las plantas y animales para poder realizar diversas funciones; lo puedes encontrar en casi todas las proteínas, por lo tanto, se le considera un elemento esencial para la vida de los organismos vivos.

Una parte de la circulación del azufre a través de la biosfera inicia en el suelo, o bien, desde el agua, si es que hablamos del sistema acuático, es decir, inicia en las plantas, de ahí para a los animales y por medio de las excreciones de estos regresa de nuevo al suelo o al agua. Algunos de sus compuestos como los sulfúricos, que están presentes en la tierra, son conducidos a los ríos por la escorrentía y posteriormente al mar; y a su vez es devuelto a la tierra por algunos mecanismos cuya función es convertirlos en compuestos gaseosos. Estos compuestos gaseosos penetran en la atmósfera y vuelven a la tierra por medio de las lluvias, aunque parte de estos gases pueden ser absorbidos por las plantas directamente de la atmósfera. Los compuestos gaseosos que se forman son el ácido sulfhídrico (H₂S) y el dióxido de azufre (SO₂).

Las actividades industriales generadas por la humanidad provocan un exceso de emisiones de los gases sulfurosos a la atmósfera, lo que ocasiona muchos problemas, pues cuando estos reaccionan, como es el caso del ácido sulfhídrico, regresan a la tierra en forma de lluvia acida, ocasionando problemas de salud, en los cultivos, entre otros. En el siguiente esquema puedes ver lo mencionado.

Ilustración 4. Ciclo del azufre

Ciclo del agua.

El elemento agua parece ser la cosa más simple del mundo; el agua pura no tiene color, olor, ni sabor, pero realmente no es tan simple ni sencilla, ya que es un líquido vital para la vida de toda la Tierra, es decir, donde hay agua hay vida, y donde el agua es escaza, los organismos luchan por sobrevivir. El agua es el compuesto más abundante en los organismos vivos y sin la presencia de ella, la vida en la biosfera sería imposible.

Aunque el agua se mantiene en constante movimiento, está se llega a almacenar en repositorios de manera superficial como son los océanos, lagos, ríos, arroyos, cuencas y en el subsuelo como ríos subterráneos y mantos acuíferos, pero ¿Qué es el ciclo del agua y cómo funciona?

Este ciclo es uno de los más importantes que se da en la biosfera y es el que apoya y amortigua la vida, también llamado ciclo hidrológico. Este ciclo describe la presencia y el movimiento del vital líquido en la biosfera y sobre ella. El agua está sobre la Tierra y siempre se encuentra en movimiento con un constante cambio de estado: líquido-gaseoso-sólido; este ciclo ha estado ocurriendo desde hace billones de años, y la vida en la Tierra depende de él, ya que la biosfera sería un lugar inhóspito si este ciclo no se llevara a cabo.

En la siguiente ilustración se observan los pasos que sigue el ciclo del agua.

Ilustración 5. Ciclo del agua.

El ciclo del agua no tiene un inicio o lugar específico, pero considerando que inicia en los océanos, el sol es quien lo gobierna, pues calienta el agua de estos, generando la evaporación hacia el aire como vapor de agua, posteriormente las corrientes ascendentes del aire trasladan al vapor hacia las capas superiores de la atmósfera, donde a menor temperatura el agua sufre una condensación y se forman las nubes. Nuevamente, las corrientes de aire mueven las nubes, donde las partículas que las componen empiezan a colisionar, crecen y caen en forma de precipitación (lluvia, rocío, nieve), parte de está precipitación también puede caer en forma de nieve, que se acumula en capas de hielo en las altas montañas y en las zonas extremadamente frías de la Tierra, y cuando los climas son más cálidos la nieve se empieza a derretir, y el agua comienza a correr por gravedad hacia los repositorios donde se acumula, mientras otra se filtra al subsuelo formando ríos subterráneos y depósitos de agua llamados mantos acuíferos; otra parte de está agua corre sobre la superficie como escorrentía, hasta llegar de nuevo a los océanos o mares, y nuevamente tener contacto con los rayos solares, se calienta y reinicia el ciclo; las transpiraciones que tienen las plantas y los organismos vivos también son parte del ciclo del agua.

Para concluir este subtema, es importante mencionar que el individuo es un sistema de paso de las sustancias inorgánicas, ya que en el ecosistema estas sustancias circulan entre los seres vivos y el medio ambiente en el que se encuentran, por lo que reciben el nombre de ciclo, y estos reciben la denominación de biogeoquímicos por transitar de los seres vivos (bios=vida), al suelo (geo=tierra) y estar expuestos a reacciones químicas, donde usan y liberan energía. La falta o disminución de estos elementos y sustancias dentro de la biosfera pueden producir grandes y serios problemas en los procesos de producción (producción primaria), es decir, sin las plantas, los consumidores tendrían una deficiencia de crecimiento y reproducción que mermaría su población, provocando una reducción en ellos y hasta su posible desaparición de las cadenas tróficas. A estas alteraciones que se dan en los ciclos biogeoquímicos se les conoce como perturbaciones, las cuales se revisaran a continuación.

2. 2. 2. Perturbación de los ciclos.

Las perturbaciones de los ciclos biogeoquímicos son las alteraciones que se presentan en ellos, afectando la reincorporación del elemento químico y biogeoquímico. Dichas perturbaciones pueden ocurrir de la siguiente forma:

·         En la eliminación o alteración directa sobre el elemento químico principal del ciclo. Por ejemplo, en la contribución de los ecosistemas forestales, el ciclo del carbono es de suma importancia, por lo que, al afectar dicho ecosistema con la tala, se estaría alterando directamente, impidiendo así la reincorporación del carbono en los suelos, y, por lo tanto, modificando la captación de está al disminuirlo.

·         En la alteración de los ciclos en su fase atmosférica, por la adición de contaminantes, se modifica el ciclo del elemento originando secundariamente cambios en el equilibrio del ecosistema.

Actualmente, tres cuartas partes de estas perturbaciones a los ciclos son causadas directamente por las actividades del ser humano.

Las perturbaciones son sucesos discretos en el tiempo, donde se altera las estructuras dentro de los ecosistemas, de las comunidades o poblaciones, así como el cambio de los recursos, y la disponibilidad de los hábitats con medios físicos en los sistemas dentro de la biosfera. Estas no tienen efecto en los ecosistemas, sino que dependen del régimen de perturbaciones que son características especiales y temporales dentro de un patrón, a estas también se les denomina la alteración este los ciclos, ya sea por cuestiones externas o internas dentro del ecosistema.

Las perturbaciones son parte integral de los sistemas terrestres, por la acción continua de los mismos, provocando la adaptación y evolución de las especies, además de generar un cambio en la diversidad del planeta; de igual forma, tienen un papel importante dentro de los ciclos biogeoquímicos de la materia.

Las perturbaciones se clasifican en dos tipos:

·         Naturales. Entre las que se encuentran el fuego, las avalanchas de nieve o tierra, dos fenómenos meteorológicos extremos, inundaciones, deposición de partículas, plagas y algunos mamíferos.

·         Antropogénicas. Son las que realice el ser humano: generación de contaminantes, pérdida de biodiversidad, deforestación, quema en demasía de combustibles fósiles, crecimiento de la mancha urbana y utilización de espacios para depositar residuos sólidos.

Los efectos de las perturbaciones sobre los diversos ecosistemas dependen exclusivamente de la magnitud de la acción del agente perturbador, así como la susceptibilidad de los ecosistemas. Cuando se realizan o se detectan estas perturbaciones, se consideran factores limitativos dentro de los sistemas.