Ciclos Biogeoquímicos

Ciclos Biogeoquímicos

En contraste con la energía de la luz solar, los nutrientes no descienden sobre la Tierra en un flujo continuo. Los nutrientes son elementos y pequeñas moléculas que forman los bloques constructores químicos de la vida. Algunos llamados macronutrientes, a estos los requieren los organismos en grandes cantidades; algunos de ellos son agua, carbono, hidrógeno, oxigeno, nitrógeno, fósforo, azufre y calcio. Los micronutrientes, incluidos el zinc, molibdeno, hierro, selenio y yodo, sólo se requieren en pequeñas cantidades. Los ciclos de nutrientes también llamado ciclos biogeoquímicos, describen las rutas que siguen estas sustancias conforme se mueven desde las porciones abióticas de los ecosistemas a través de las comunidades y de vuelta a los sitios de almacenamiento no vivos.

Patrones y Tipos Básicos de Ciclos Biogeoquímicos

Las principales fuentes de almacenamiento de los nutrientes se llaman depósitos, y casi siempre están en el ambiente no vivo o abiótico.

- Ciclos Gaseosos 

Son aquellos en los cuales los nutrientes circulan principalmente entre la atmósfera y los organismos vivos. En estos ciclos los elementos son reciclados rápidamente, con frecuencia en horas o días. El carbono, oxigeno y nitrógeno son elementos que tienen ciclos gaseosos, o sea que su reservorio es la atmósfera.

- Ciclo del Carbono

Las cadenas de átomos de carbono forman el armazón de todas las moléculas orgánicas, los bloques constructores de la vida. El ciclo del carbono describe el movimiento del carbono desde sus principales depósitos a corto plazo en la atmósfera y los océanos, a través de los productores y hacia los cuerpos de los consumidores y detritófagos, y luego de vuelta nuevamente a sus depósitos. El carbono entra en la comunidad viviente cuando los productores capturan dióxido de carbono (CO₂) durante la fotosíntesis. En tierra, los organismos fotosintéticos  adquieren CO₂ de la atmósfera, donde representa 0.038% de todos los gases atmosféricos. Los productores acuáticos como el fitoplancton obtienen el CO₂ (que necesitan para la fotosíntesis) del agua, donde está disuelto.

Los productores regresan parte del CO₂ a la atmósfera o agua durante la respiración celular, e incorporan el resto en sus cuerpos. La quema de bosques regresa dióxido de carbono desde estos productores de vuelta a la atmósfera. Cuando los consumidores primarios comen productores, adquieren el carbono almacenado en los tejidos de los productores. Como ocurre con los productores, dichos herbívoros y los organismos en los niveles tróficos superiores que los consumen liberan CO₂ la respiración, excretan compuestos de carbono en sus heces y almacenan en resto en sus tejidos. Todos los seres vivientes eventualmente mueren, y sus cuerpos se descomponen con ayuda de los detritófagos y los saprófitos. La respiración celular por parte de estos organismos regresa CO₂ a la atmósfera y a los océanos.

Los procesos complementarios de ingesta por fotosíntesis y liberación por respiración celular continuamente transfieren carbono desde las porciones abióticas hacia las bióticas de un ecosistema y de vuelta.

Sin embargo parte del carbono se recicla de una manera mucho más lenta. Gran parte del carbono de la Tierra está ligado en la piedra caliza, que se forma con carbonato de calcio (CaCO₃) depositado en el lecho marino en las conchas de fitoplancton prehistórico. Pero dado que el movimiento del carbono desde esta fuente hasta la atmósfera y de vuelta requiere de millones de año, este proceso es extremadamente largo tiene muy poca aportación para el carbono en circulación que sostiene los ecosistemas.

Otro depósito a largo plazo de carbono está en los combustibles fósiles, que incluyen carbón, petróleo y gas natural. Estas sustancias se produjeron a través de millones de años a partir de restos de organismos prehistóricos enterrados profundo en el subsuelo y sujetos a elevadas temperaturas y presiones. Además del carbono, la energía de la luz solar prehistórica (que fue capturada por organismos fotosintéticos) está atrapada en dichos depósitos. Cuando los seres humanos queman combustibles fósiles para usar esta energía almacenada, se libera CO₂ en la atmósfera con consecuencias potencialmente severas.

Ciclo del Carbono

Ciclo del Nitrógeno

El nitrógeno es un componente crucial de aminoácidos, proteínas, muchas vitaminas, nucleótidos (como el ATP) y ácidos nucleicos (como el ADN). El ciclo del nitrógeno describe el proceso por el cual el nitrógeno se mueve desde su depósito principal, el gas nitrógeno en la atmósfera, hacia los depósitos de amoniaco y nitrato en el suelo y el agua, a través de los productores y hacia los consumidores y detritófagos, para regresar de nuevo hacia sus depósitos.

La atmósfera contiene alrededor de 78% de gas nitrógeno (N₂), pero entre todas las formas de vida, solo algunos tipos de bacterias son capaces de convertir N₂ en una forma útil para las plantas y otros productores. Estos microorganismos proporcionan el mayor conducto natural entre el depósito atmosférico y las comunidades ecológicas. En un proceso llamado fijación de nitrógeno,las bacterias que fijan el nitrógeno en el suelo y el agua descomponen los enlaces en el N₂ y lo combinan con átomos de hidrógeno para formar amoniaco (NH₃). Algunas bacterias que fijan nitrógeno entraron en una asociación simbiótica con las plantas, de tal manera que las bacterias viven en los tubérculos especiales en las raíces. Dichas plantas llamadas leguminosas (soya, guisantes, trébol, etc.) se siembran extensamente en las granjas, en parte porque liberan el amoniaco en exceso producido por las bacterias, y fertilizantes en el suelo. Otras bacterias en el suelo y el agua convierten este amoniaco en nitrato que también pueden usar los productores. Los nitratos también se producen durante tormentas eléctricas, cuando la energía de los relámpagos combina los gases nitrógeno y oxígeno, que se disuelve en la lluvia. Cuando la lluvia cae, enriquece el suelo y el agua con este importante nutriente.

Los detritófagos y los saprófitos también tienen un papel en el ciclo del nitrógeno, y producen amoniaco a partir de los compuestos que contienen nitrógeno de los cuerpos muertos y desechos. Los productores absorben el amoniaco y el nitrato y los incorporan en varias moléculas biológicas. Estas se transmiten a niveles tróficos sucesivamente más altos conforme a los consumidores primarios comen a los productores y ellos mismos son comidos.

En cada nivel trófico, los cuerpos y desechos se descomponen por la actuación de los saprófitos, lo que libera el amoniaco de vuelta al depósito en el suelo y el agua: El ciclo del nitrógeno se completa mediante bacterias desnitrificantes. Dichas residentes del suelo húmedo, pantanos y estuarios descomponen el nitrato y liberan gas nitrógeno de vuelta a la atmósfera.

Las fábricas de fertilizantes usan energía de combustibles fósiles y de N₂ de la atmósfera para sintetizar amoniaco, nitrato y urea (un compuesto nitrogenado orgánico que también se encuentra en la orina). La quema de combustibles fósiles combina N₂ y O₂ atmosféricos, lo que genera óxidos de nitrógeno que forman nitratos. Los compuestos de nitrógeno introducidos en los ecosistemas por los campos agrícolas que se fertilizan y por la quema de combustibles fósiles ahora dominan el ciclo del nitrógeno, lo que crea serias preocupaciones ambientales.

Ciclos Sedimentarios

Son aquellos en los cuales los nutrientes circulan, principalmente, entre la corteza terrestre (suelos, rocas y sedimentos tanto sobre la tierra como sobre los fondos marinos). El tiempo de reciclaje en este caso es grande, debido a que los elementos pueden quedar retenidos en las rocas durante miles o millones de años. El fósforo y el potasio son elementos con ciclos sedimentarios, o sea que su reservatorio es la corteza terrestre.d

- Ciclo del Fósforo

Se describe como el proceso mediante el cual el fósforo se mueve desde su depósito principal, la roca rica en fosfato, hacia los depósitos de fósforo en el suelo y el agua, a través de los productores y hacia los consumidores y detritogagos, y luego de vuelta a sus depósitos. El fósforo se encuentra en las moléculas biológicas que incluyen nucleótidos (como el ATP) y los fosfolípidos de las membranas celulares. También forma un componente principal de los dientes y huesos de los vertebrados.

En contraste con el carbono y el nitrógeno, el fósforo no tiene un depósito atmosférico. A lo largo de su ciclo, el fósforo permanece enlazado al oxígeno en la forma de fosfato. A medida que las rocas ricas en fosfato se exponen mediante procesos geológicos, parte del fosfato se disuelve por la lluvia y el agua que fluye, lo que lleva al suelo, los lagos y el océano, y forma los depósitos de fósforo que están directamente disponibles para las comunidades ecológicas. El fosfato disuelto se absorbe con facilidad por los productores, que lo incorporan en moléculas biológicas que contienen fosfato. A partir de estos productores, el fósforo se transmite a través de las redes tróficas; en cada nivel, el fosfato en exceso se expulsa. Al final, los detritófagos y saprofitos regresan el fosfato al suelo y al agua, donde entonces lo pueden reabsorber los productores o puede regresar al sedimento oceánico y eventualmente volver a formar se en roca.

Parte del fosfato disuelto en agua se transporta hacia los océanos. Aunque gran parte de este fosfato termina en sedimentos marinos, cierta cantidad es adsorbida por los productores marinos y eventualmente se incorpora en los cuerpos de invertebrados y preces. Algunos de estos, a su vez, los consumen las aves marina, que excretan grandes cantidades de fosforo de vuelta a la tierra. En una época, el excremento de las aves marina llamado (guano) depositado a los largo de la costa occidental de América de Sur se recolectaba y constituía una fuente importante de fósforo en el mundo. Conforme se agotaba este recurso se minó roca rica en fosforo, principalmente para producir fertilizante. El suelo que se erosiona de los campos fertilizados transporta grandes cantidades de fosfatos, hacia lagos, ríos y el océano, donde estimula el crecimiento de los productores. En los lagos, el escurrimiento rico en fosfato desde la tierra puede estimular un crecimiento excesivo de algas y bacterias cuyas interacciones comunitarias naturales son perturbadas.

  

Ciclo del Fosforo

- El Ciclo Hidrológico

Describe la ruta que sigue el agua mientras viaja, desde su principal deposito, los océanos, a través de la atmósfera, a los depósitos en lagos, ríos y acuíferos de agua dulce y luego de vuelta nuevamente a los océanos.

El ciclo hidrológico difiere significativamente de los otros ciclos de nutrientes en que la porción biótica de los ecosistemas tiene solo un pequeño papel; el proceso fundamental del ciclo hidrológico continuaría incluso si la vida sobre la tierra desapareciera.

El ciclo hidrológico es impulsado por energía térmica solar, que evapora el agua e impulsa los vientos que la transportan como vapor de agua en la atmósfera. La gravedad lleva al agua de vuelta al suelo en forma de precipitación (principalmente lluvia y nieve), la empuja y hace que fluya en ríos que se vacían en los océanos. Estos cubren casi tres cuartos de superficie de la tierra y contienen más de 97% del agua total de la Tierra, con otro 2% del agua atrapada en hielo, lo que deja solo 1% como agua dulce líquida. La mayor evaporación ocurre desde los océanos y la mayoría de la precipitación cae de vuelta sobre ellos. Del agua que cae sobre el suelo, una parte se evapora del mismo, así como de las plantas, de lagos y torrentes; una porción corre de vuelta a los océanos, y una pequeña cantidad entra a depósitos subterráneos naturales llamados acuíferos. Los acuíferos están compuestos de sedimentos permeables al agua como cieno, arena o grava, que están saturados con agua. Con frecuencia se explotan para suministrar agua para cultivos de riego.

Por desgracia, en muchas áreas del mundo (entre ellas, China, India, África del Norte y el Medio Oriente estadounidense) los acuíferos subterráneos han sido minados por la actividad de la agricultura; esto es, el agua se saca más rápido de lo que se vuelve a llenar. Los suministros de agua subterránea se agotan con rapidez en India, que ahora supera los 1000 millones de habitantes, podría verse afectadas si sus cultivos mueren en la medida que el agua subterránea se agote.

Los cuerpos de los seres vivientes son aproximadamente 70% agua, pero solo una pequeña porción del agua total involucrada en el ciclo hidrológico global entra a las comunidades vivientes de ecosistemas terrestres. Una parte es absorbida por las raíces de las plantas y muchas de ésta se evapora de vuelta a la atmosfera desde sus hojas mediante un proceso llamado transpiración. Una cantidad relativamente minúscula de agua participa en las reacciones químicas de la fotosíntesis, y se vuelve a sintetizar y a liberar durante la respiración celular.

El ciclo hidrológico es crucial para las comunidades terrestres porque continuamente restaura el agua dulce necesaria para la vida terrestre. El agua es un solvente para todos los otros nutrientes y ninguno puede entrar o salir de las células de un organismo a menos que se disuelva en agua.

Las hojas de las plantas solo pueden absorber dióxido de carbono gaseoso después de disolverse en una pequeña capa de agua que recubre las células dentro de la hoja. El ciclo hidrológico no depende de los organismos terrestres, pero ellos desaparecerían rápidamente sin dicho ciclo.