LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
En los ecosistemas, la circulación de los elementos químicos presentes en los seres vivos se da de manera permanente: del ambiente hacia los seres vivos, y de estos hacia el ambiente. Esa circulación constituye los ciclos biogeoquímicos, que son los movimientos de agua, de carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo, azufre y otros elementos que en forma permanente se conectan con los componentes bióticos y abióticos de la Tierra. Las sustancias utilizadas por los seres vivos no se "pierden" aunque pueden llegar a sitios donde resultan inaccesibles para los organismos por un largo período. Sin embargo, casi siempre la materia se reutiliza y a menudo circula varias veces, tanto dentro de los ecosistemas como fuera de ellos.
Nuestro planeta actúa como un sistema cerrado donde la cantidad de materia existente permanece constante, pero sufre permanentes cambios en su estado químico dando lugar a la producción de compuestos simples y complejos. Es por ello que los ciclos de los elementos químicos gobiernan la vida sobre la Tierra, partiendo desde un estado elemental para formar componentes inorgánicos, luego orgánicos y regresar a su estado elemental. En las cadenas alimentarias, los productores utilizan la materia inorgánica y la convierten en orgánica, que será la fuente alimenticia para todos los consumidores. La importancia de los descomponedores radica en la conversión que hacen de la materia orgánica en inorgánica, actuando sobre los restos depositados en la tierra y las aguas. Esos compuestos inorgánicos quedan a disposición de los distintos productores que inician nuevamente el ciclo.
Los ciclos biogeoquímicos más importantes corresponden al agua, oxígeno, carbono y nitrógeno. Gracias a estos ciclos es posible que los elementos principales (carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre) estén disponibles para ser usados una y otra vez por otros organismos.
CICLO DEL NITROGENO
CICLO DEL CARBONO
CICLO DEL OXIGENO
ALTERACIONES EN LOS CICLOS BIOGEOQUIMICOS
En el caso del nitrógeno, nos encontramos ante un proceso semejante, en cierto modo, al de la fotosíntesis. Es lo que se denomina fijación biológica del nitrógeno, y se produce tanto en la tierra como en los océanos.
La materia orgánica muerta, como los excrementos o la orina animales, contienen compuestos orgánicos complejos ricos en nitrógeno. Una serie de bacterias y hongos presentes en los suelos transforman el nitrógeno de estos aminoácidos y proteínas, y se deshacen del nitrógeno restante en forma de iones amonio. Este proceso recibe el nombre de amonificación. Cada año se transforman unos dos millones de toneladas de nitrógeno en este proceso.Otras bacterias presentes en los suelos oxidan estos iones amonio y los transforman en iones de nitrato, desprendiendo energía en un proceso denominado nitrificación. Algunos de estos nitratos pasan a las aguas subterráneas, junto con el agua procedente de lluvias, que finalmente llegan a los océanos.
Estos iones de nitrato penetran en las células de las plantas, donde son nuevamente reducidos a iones amonio y transformados en componentes que contienen carbono para producir aminoácidos y otros componentes orgánicos ricos en nitrógeno. Esta transformación se denomina aminación.Al morir las plantas, estos aminoácidos y componentes orgánicos pasan a los suelos. Igualmente pueden pasar a ella a través de los excrementos y orines de los animales que se comen las plantas. De este modo vuelve a dar comienzo el proceso inicial: La amonificación.
Sin embargo, en todo este proceso se producen pérdidas de nitrógeno. En efecto, numerosos microorganismos que viven sobre todo en ambientes de poco oxigeno, como son los suelos inundados o los pantanos, reducen los nitratos a formas volátiles de nitrógeno: el gas nitrógeno y el óxido nitroso . Es lo que se conoce como desnitrificación. La energía necesaria para este proceso proviene de la descomposición de la materia orgánica.
En el suelo se debe presentar una substitución rápida del nitrógeno utilizado. Ciertas bacterias, como el Rhizobium, que vive en simbiosis con leguminosas, tienen la capacidad de fijar nitrógeno atmosférico en presencia de la enzima nitrogenasa y transformarlo en iones amonio.
En los océanos se produce un ciclo semejante. Los organismos marinos fijan el nitrógeno atmosférico y el nitrógeno disuelto en el agua. Durante las descargas eléctricas producidas por los rayos durante las tormentas y la combustión en los vehículos motorizados se forman óxidos de nitrógeno que se oxidan en la atmósfera, con la consiguiente producción de nitratos, los cuales se precipitan con la lluvia sobre la superficie terrestre. En el ciclo del nitrógeno el papel crucial lo realizan los microorganismos, en los procesos de fijación biológica de este elemento, esencial para los seres vivos y por lo tanto para el mantenimiento de la vida.
Los átomos de carbono constituyen la estructura de una gran variedad de moléculas orgánicas; como resultado de su capacidad para formar cadenas largas y anillos de enlaces covalentes. Además depósitos grandes de carbonatos interactúan con el agua, donde ejercen el principal control sobre l24a capacidad buffer y la salinidad. Las escalas de tiempo varían desde segundos (para el intercambio de gases, o las transformaciones bioquímicas) a millones de años (para la formación de rocas calcáreas). El ciclo biogeoquímico del carbono es muy complejo e incluye tanto las dimensiones físicas, químicas, como biológicas.
Además todos compuestos que forman a los seres vivos son moléculas orgánicas. Este ciclo gira alrededor del dióxido de carbono, ya que éste es el compuesto predominante en la atmósfera. El ciclo funciona a través de la fotosíntesis, la respiración, las emisiones por el uso de combustibles fósiles y las erupciones volcánicas.
El flujo de CO2 está estrechamente unido a la actividad biótica. El metano es producido por bacterias anaeróbicas, que derivan su energía de la oxidación de moléculas orgánicas simples tales como metanol y acetato o de hidrógeno molecular. Sitios importantes de producción de metano son los cultivos de arroz, sedimentos lacustres, humedales y el intestino del ganado y las termites.
Una gran variedad de organismos autótrofos fijan grandes cantidades de CO2 o bicarbonato en las moléculas orgánicas por fotosíntesis o chemosíntesis. El CO2 se libera en la respiración aeróbica y anaeróbica de los organismos vivos y en los procesos de descomposición de los organismos muertos, realizados por hongos y bacterias.
Los ácidos orgánicos y el dióxido de carbono inorgánico, el cual es 10-100 veces más abundante en el suelo que en la atmósfera, contribuyen significativamente a la meteorización de rocas y minerales y controlan de esta forma el ciclo biogeoquímico de otros elementos. La materia orgánica del suelo está constituida de restos animales y vegetales en varios estadios de descomposición, células microbiales y sustancias producidas durante el proceso de descomposición. La descomposición de la materia orgánica es selectiva y generalmente incompleta, especialmente en suelos ácidos, húmedos y fríos. Como resultado, los compuestos orgánicos tienden a acumularse en los suelos como agregados coloidales (humus). Las sustancias húmicas son moléculas complejas ácidas que colorean de oscuro y con peso molecular entre unos cientos a cientos de miles.
En la atmósfera hay 700 billones de dióxido de carbono. El 20% de esta cantidad es transformada cada año por plantas y microorganismos, a través de la fotosíntesis, en hidratos de carbono. El uso de combustibles fósiles está causando un incremento constante de CO2 atmosférico (caso 0.5% por año) y de CH4 (>65%, que el período preindustrial). Estos incrementos se esperan que contribuyan significativamente en el calentamiento global por absorción de la radiación infrarroja en la atmósfera y el cambio en el balance del calor global.
El oxígeno es uno de los principales constituyentes de la materia viva y se requiere en grandes cantidades. El ciclo del oxígeno es, en buena parte, complementario del ciclo del carbono, pero es más complicado, entre otras cosas, por su capacidad de combinación química que le hace presentarse bajo múltiples formas. Debido a lo cual se presentan varios subciclos de oxígeno entre la litosfera y la atmósfera y entre la hidrosfera y las dos fases anteriores.
El oxígeno presente, tanto en la atmósfera como en las rocas superficiales, es de origen biológico, es decir, ha sido producido por los organismos autótrofos, ya que en un comienzo la atmósfera carecía de este elemento. La formación de una capa de ozono que impidió la penetración excesiva de las radiaciones ultravioletas, favoreció el desarrollo de organismos fotosintéticos que produjeron mayor cantidad de oxígeno.
El oxígeno molecular puede ser formado por disociación de las moléculas de agua en las capas altas de la atmósfera, bajo el efecto de las radiaciones de alta energía, pero el oxígeno atmosférico es únicamente de origen biológico.
Existe una doble relación entre los gases de la atmósfera y los sistemas terrestre y marino. Por un lado, a través de la fotosíntesis, tanto terrestre como oceánica, el dióxido de carbono presente en la atmósfera se transforma en oxígeno útil para los seres vivos. Esta es la principal vía de formación de oxígeno, se calcula en 400 mil millones de toneladas la cantidad de oxígeno emitido anualmente a través de la fotosíntesis.
Los seres vivos devuelven dióxido de carbono a la atmósfera al respirar. Este último proceso es el que se conoce con el nombre de descomposición oxidativa. También forma parte de este proceso la emisión de dióxido de carbono, que se produce durante la descomposición de la materia orgánica que tiene lugar en los suelos.
Por otro lado, el oxígeno de la atmósfera captado a través de la fotosíntesis (y el que existe en el aire) contribuye a la oxidación de sustancias inorgánicas. También colabora en la meteorización de sedimentos orgánicos fósiles, como el carbón y el petróleo. Otros procesos de oxidación muy importantes son: la del carbono elemental, que produce dióxido de carbono, la de los sulfuros minerales, que produce sulfatos, y la del nitrógeno gaseoso, que produce nitratos.
CICLO DEL FÓSFORO
El fósforo es esencial para todos los sistemas vivos como componente de las moléculas portadoras de energía tales como el ATP y también de los nucleótidos de DNA y RNA . Al igual que otros minerales, es liberado de los tejidos muertos por las actividades de los descomponedores, absorbido del suelo y del agua por las plantas y las algas, y circulado a través del ecosistema.
La proporción de fósforo en la materia viva es relativamente pequeña, pero el papel que desempeña es vital.
La mayor reserva de fósforo está en la corteza terrestre y en los depósitos de rocas marinas.
Los seres vivos toman el fósforo, en forma de fosfatos a partir de las rocas fosfatadas, que se descomponen y liberan los fosfatos.Una parte de estos fosfatos son arrastrados por las aguas del mar, en el cual lo toman las algas, peces y aves marinas, las cuales producen guano, el cual se usa como abono en la agricultura ya que libera grandes cantidades de fosfatos.
Los animales obtienen fósforo al alimentarse de las plantas o de otros animales que hayan ingerido.En la descomposición bacteriana de los cadáveres , el fósforo se libera en forma de ortofosfatos que pueden ser utilizados directamente por los vegetales verdes.El fósforo no forma compuestos volátiles que le permitan pasar de los océanos a la atmósfera y desde allí retornar a tierra firme.El hombre también moviliza el fósforo cuando explota rocas que contiene fosfato.
CICLO DEL AZUFRE
El azufre es un nutriente secundario requerido por plantas y animales para realizar diversas funciones, además el azufre está presente en prácticamente todas las proteínas y de esta manera es un elemento absolutamente esencial para todos los seres vivos.
El azufre circula a través de la biosfera de la siguiente manera, por una parte se comprende el paso desde el suelo o bien desde el agua, si hablamos de un sistema acuático, a las plantas, a los animales y regresa nuevamente al suelo o al agua.
Algunos de los compuestos sulfúricos presentes en la tierra son llevados al mar por los ríos. Este azufre es devuelto a la tierra por un mecanismo que consiste en convertirlo en compuestos gaseosos tales como el ácido sulfhídrico (H2S) y el dióxido de azufre (SO2). Estos penetran en la atmósfera y vuelven a tierra firme. Generalmente son lavados por las lluvias, aunque parte del dióxido de azufre puede ser directamente absorbido por las plantas desde la atmósfera.
CICLO DEL AGUA
El agua existe en la Tierra en tres estados:sólido(hielo,nieve),líquido y gas (vapor de agua).Océanos ,rios, nubes y lluvia están en constante cambio:el agua de la superfivie se evapora, el agua de las nubes , la lluvia se filtra por la tierra,etc.
La circulación y conservación del agua en la tierra se llama ciclo hidrológico , o ciclo del agua.
El magma, cargado de gases vapor de agua , emergió a la superficie gracias a las constantes erupciones .Luego la tierra se enfrió , el vapor de agua se condensó y cayó nuevamenta al suelo en forma de lluvia.
El ciclo hidrológico comienza con la evaporación del agua desde la superficie del océano.A medida que se eleva , el aire humedecido se enfria y el vapor se transforma en agua: es la condensación.Si en la atmósferahace mucho frio, el agua cae como nieve o granizo.
Otro poco de agua se filtra a través del suelo , formando capas de agua subterránea.
Por eso el ciclo del agua nos entrega un elemento puro.Pero hay otro pero tambien hay otro proceso que también purifica el agua y es parte del ciclo: la transpiración de las plantas.
Al llegar a las hojas y flores, se evapora hacia el aire en forma de vapor de agua.
Hasta hace muy poco, la capacidad del ser humano para influir sobre el medio era limitada y puntual. Desde que comenzó a utilizar combustibles fósiles (carbón y petróleo), su capacidad de alterar el entorno se ha incrementado constantemente. En la actualidad, el enorme crecimiento de la población mundial y la extensión del modelo de vida que asocia el bienestar con la posibilidad de consumir grandes cantidades de energía agudizan cada vez más el problema. No solo crece de forma preocupante el número de habitantes del planeta, sino que igualmente aumenta el consumo de energía y de otros recursos que hace cada persona.
Hoy se acepta ya que la humanidad tiene capacidad para influir en el planeta de forma global. El problema de las lluvias ácidas, el agujero de la capa de ozono y el aumento de la concentración de gases en la atmósfera que incrementan su capacidad para absorber calor son problemas originados por alteraciones de los ciclos biogeoquímicos.
