Ciclos Biogeoquimicos
LECTURA
Ciclos Biogeoquímicos
Aprendizajes:
El alumno explica los ciclos biogeoquímicos como procesos básicos para el funcionamiento del ecosistema.
¿Qué pasa con el cuerpo de un ser cuando éste muere? La respuesta a esta pregunta todos la podemos responder, pues aunque nunca lo hayamos constatado personalmente, forma parte del cúmulo de conocimientos de la humanidad; incluso algunas religiones la han incorporado a la sabiduría de la que son portadoras: “Polvo eres y en polvo te convertirás”.
¿Te imaginas un mundo lleno de cadáveres? ¿Cuántos organismos habrán existido desde que la vida se originó en nuestro planeta hace unos 2800 millones de años? Sin el conocido proceso de descomposición, en la actualidad ya casi no existiría materia disponible para conformar nuestro cuerpo, ya que los principales elementos de que nos constituimos (CHONSP), estarían estancados en los cadáveres incorruptos de los seres que existieron antes que nosotros.
Pero no son solo los cadáveres, sino también los desechos y restos de los cuerpos que se desprenden antes de que el ser pierda la vida; nos referimos a las heces, pelo, plumas, trozos de uñas, garras y pezuñas, así como células que se nos descaman de manera constante, y en el caso de los vegetales a las hojas y ramas caídas periódicamente. Si bien la respuesta a la pregunta que abre esta lectura es respondida casi por cualquier persona, los procesos que permiten reciclar la materia no son conocidos por todos; especialmente por los citadinos, que nos encontramos tan alejados de semejantes procesos. Así, han sido los científicos quienes han estudiado estos procesos, a los que han llamado ciclos biogeoquímicos, y de manera general, los conocemos desde hace décadas.
A estos ciclos se les ha llamado biogeoquímicos por los componentes del ambiente que participan en ellos, siendo el suelo, las masas de agua, la atmósfera, los procesos químicos y los sistemas vivos quienes tienen efecto determinante en la movilidad y reciclamiento de los cerca de 40 elementos químicos necesarios para que un organismo se conforme sanamente. Así, la biogeoquímica es el estudio del intercambio de los materiales químicos entre los componentes biótico y abiótico de la biosfera (Odum, 1975).
En esta lectura vamos a estudiar de manera particular algunos de los ciclos más importantes, pero antes de entrar en materia, es necesario que todos tengamos claros algunos conceptos generales como los Factores Limitantes. Factores Limitantes. Los científicos han demostrado que los factores abióticos del ecosistema pueden adquirir valores cambiantes a través del tiempo. Esta variabilidad de las condiciones abióticas de los ecosistemas pueden afectar profundamente a las poblaciones vegetales y animales, pues valores muy bajos en un factor medioambiental (sea la concentración de nutrientes o de gases en el medio), pueden determinar que una especie no se reproduzca, que los individuos de la población no se desarrollen adecuadamente e incluso que la especie sufra una extinción local. Del mismo modo, valores muy elevados del mismo factor pueden provocar situaciones similares. Fue quizá Justus Liebig, el primero en expresar estas ideas, ya que en 1840 propuso lo que ahora se conoce como “Ley del Mínimo de Liebig”. Este principio señala que cada especie tiene ciertos requisitos básicos para reproducirse y prosperar. En estado de equilibrio (estado “constante”), el material esencial disponible que se encuentra en concentraciones cercanas al mínimo crítico para la especie en cuestión, tenderá a ser el material limitativo.
Por su parte, en 1913 V. E. Shelford propuso la “Ley de Tolerancia”, que señala que la existencia y prosperidad de un organismo dependen del carácter completo de un conjunto de condiciones; la ausencia o declinación de una especie en un ambiente determinado podrá deberse a la deficiencia o al exceso cualitativo o cuantitativo de uno o varios factores medioambientales que se acerquen a los límites de tolerancia del organismo en cuestión.
Puesto que existen organismos que, con respecto a algún factor pueden soportar cambios drásticos, mientras otros organismos sólo soportan ligeras fluctuaciones, se ha desarrollado una terminología para referirse a ellos. Se utiliza el prefijo esteno (angosto) para aquéllos organismos con poca capacidad para soportar fluctuaciones y euri (amplio, ancho) para aquéllos organismos que soportan amplios rangos del factor en cuestión, seguidos de la palabra que indique el factor. Por ejemplo, para designar a un organismo con poca capacidad para soportar cambios en la salinidad, se emplea el término estenohalino, en contraparte a eurihalino, que sería una especie capaz de soportar grandes cambios en la concentración de salinidad.
Generalidades de los Ciclos Biogeoquímicos
Como ya se mencionó, los materiales necesarios para la constitución de los sistemas vivos pueden circular entre éstos y el ambiente abiótico que les rodea, pero su disponibilidad inmediata varía. Se dice que un elemento está disponible cuando forma parte de los organismos del ecosistema y no disponible cuando, aunque se encuentre en el mismo ecosistema, su acceso sea difícil por su estado geológico o químico. Un ejemplo aclarará lo antes dicho: el nitrógeno constituyente de las proteínas de un productor (planta), está disponible para los herbívoros; a su vez, el N de las proteínas de los herbívoros está disponible para los carnívoros; y el N de la orina de un carnívoro está disponible para bacterias y productores. Mientras tanto, el nitrógeno atmosférico (N2) no está disponible para los productores. Es importante que quede claro que esta idea es útil siempre y cuando entendamos que es relativa, pues lo accesible puede llegar a ser inaccesible y lo no disponible puede ser accesible en ciertas condiciones. En el caso anterior, el N2 estaría disponible a través de descargas eléctricas (rayos) o gracias a las bacterias nitrificantes. Por su parte, el nitrógeno contenido en la orina de los carnívoros podría convertirse en nitrógeno molecular por la acción de las bacterias desnitrificantes.
Por otra parte, varios de los ciclos biogeoquímicos pueden tener una fase sedimentaria, lo que implica que cierta proporción del elemento quede fuera de la disponibilidad de los sistemas vivos durante eones (cientos o miles de millones de años). En efecto, cuando algunos elementos como el fósforo se depositan en lo profundo de los océanos, pueden llegar a formar rocas sedimentarias, cuyos componentes volverían a estar disponibles hasta que los procesos de formación de continentes las elevasen fuera de la masa acuática y, eventualmente se llegase a la desintegración de dichas rocas por el intemperismo.
El punto de vista del párrafo anterior ha sido señalado por Odum (1975), quien propone un esquema a manera de diagrama de flujo de energía (figura 1) para explicar los ciclos biogeoquímicos. En dicho diagrama, los materiales son impulsados por la energía. Los elementos se encuentran en compartimentos o en el fondo común, presentándose una tasa de intercambio entre ellos; así, la caja señalada como fondo común de nutrientes representa la fase abiótica, con materiales no accesibles, mientras que el círculo obscuro representa el recurso disponible que pasa de autótrofos a heterótrofos una y otra vez. Pg y Pn representan la producción primaria neta y la producción primaria bruta respectivamente. Observa que la energía es unidireccional, mientras que los materiales se reciclan.
Figura 1. Según Odum, un ciclo biogeoquímico (círculo obscuro), superpuesto sobre un diagrama de flujo energético simplificado, contrastando el ciclo cerrado del material con el flujo unidireccional de la energía.
El Ciclo del Nitrógeno
El principal depósito de nitrógeno en la Tierra se encuentra en la atmósfera. En efecto, como se puede ver en la tabla 1, el nitrógeno molecular (N2) constituye el 78% de la atmósfera. No obstante, esto no es de gran utilidad para los sistemas vivientes, ya que dicho elemento no puede ser asimilado por los organismos fotosintéticos para incorporarlo en las redes tróficas. Sin embargo, existen ciertas bacterias que sí son capaces de metabolizar al N2 para incorporarlo en su biomasa.
Según cálculos, se sabe que existen entre 100 y 200 especies de bacterias que, gracias a la enzima nitrogenasa convierten el nitrógeno molecular en amoníaco, incorporándolo en sus moléculas vitales, de modo que cuando mueren, dicho nitrógeno puede ahora sí ser aprovechado por las plantas. A lo largo de la evolución, han surgido especies vegetales capaces de entablar relaciones de beneficio (simbiosis) con estas bacterias, como es el caso de todo el grupo de las leguminosas.
Así, fue en 1850 cuando dos científicos agrícolas alemanes, Hermann Hellriegel y Hermann Wilfarth, sugirieron la existencia de algún tipo de simbiosis que permitía a los chícharos desarrollarse adecuadamente en suelos pobres en nitrógeno, aunque fue en 1888, cuando un joven científico holandés llamado Martinus Biejerinck aisló la bacteria perteneciente al género Rhizobium que crecía dentro de pequeños nódulos visibles en la raíz de las plantas leguminosas y se demostró que esta bacteria es la responsable de fijar el nitrógeno atmosférico y ponerlo a disponibilidad para la planta.
Una vez incorporado en la biomasa de los productores, el nitrógeno puede fluir entre los diferentes niveles tróficos: de los productores a los herbívoros, de estos a los carnívoros y a los desintegradores, que convierten a las biomoléculas nitrogenadas en amoníaco, nitritos y nitratos, e incluso existen unas bacterias llamadas desnitrificantes que convierten los nitratos nuevamente en N2.
No debemos olvidar que también existen mecanismos abióticos que permiten la fijación de nitrógeno en forma de nitratos; tales procesos son las descargas eléctricas y la caída de asteroides. La energía de estos fenómenos permite la oxidación del nitrógeno, que formará ácidos con el agua de lluvia y nitrato de calcio al reaccionar en el suelo. Se calcula que un solo rayo es capaz de generar varias toneladas de nitratos; considerando que en el planeta caen unos 1000 rayos por segundo, este proceso es una considerable fuente de nitrógeno para la biosfera.
En resumen, podemos decir que el nitrógeno molecular puede ser fijado al suelo por los rayos y las bacterias nitrificantes; de allí puede recorrer varias veces los distintos niveles tróficos: productores – herbívoros – carnívoros – desintegradores – productores, etc. Pero en algún momento los desintegradores, a través de las bacterias desnitrificantes pueden convertirlo nuevamente en nitrógeno molecular, pasando nuevamente a formar parte del depósito no accesible hasta que en algún momento futuro, sea fijado nuevamente.
El Ciclo del Agua
Este ciclo es uno de los más importantes y mejor conocidos. El depósito principal son los océanos, que cubren tres cuartas partes de la superficie terrestre y acumulan poco más del 97% de toda el agua planetaria (ver tabla 2).
La puesta en marcha del ciclo está determinada por la energía proveniente del sol, que evapora el agua, transportándola a la atmósfera, donde bajo ciertas condiciones físicas se precipita en forma de lluvia, escurre por las laderas de las montañas y constituye ríos, lagos y lagunas (tanto superficiales como subterráneos), para finalmente desembocar nuevamente en el mar.
La cantidad de lluvia está determinada por la evaporación; se calcula que el tiempo promedio de residencia del agua en la atmósfera es de unas 2 semanas. Se calcula que cerca del 25% de la energía proveniente del sol es utilizada para mover este ciclo.
A través de todas las fases del ciclo antes mencionado, pueden participar los sistemas vivos, quienes toman parte de este líquido para realizar sus funciones vitales. En efecto, desde la fotosíntesis, que es el motor que mueve casi todos los ciclos a través de su fase biótica; hasta el medio o vehículo donde se realizan las reacciones necesarias para el metabolismo celular, el agua es la materia prima. Desde luego, la ruta del agua es la típica del flujo de materia en el ecosistema: de los productores a los herbívoros, los carnívoros y los desintegradores. Los procesos de evapotranspiración de los sistemas vivos reciclan hacia la atmósfera una elevada proporción del agua disponible en las redes tróficas.
La dependencia de los sistemas vivos hacia el agua es total y definitiva, aunque existe diversidad en la economía de este recurso. En un extremo, tenemos una gran cantidad de organismos acuáticos que viven obligatoriamente dentro de la masa acuosa, como los peces o las medusas, que llegan a estar conformadas hasta en un 98% de agua. En otro extremo, tenemos algunos roedores como ciertas tuzas (Geomys bursarius) que pueden no beber agua en toda su vida, obteniendo el líquido necesario de sus alimentos y gracias al diseño de su guarida, que almacena la humedad liberada de la respiración.
El Ciclo del Carbono
En el caso de este ciclo, el principal depósito es de tipo sedimentario, constituido por roca caliza y dolomita. El carbono depositado en estas rocas puede ser fácilmente removido por la actividad de ácidos suaves presentes en el agua de lluvia o de los ríos, pasando a incorporarse en los sistemas vivos gracias a la actividad fotosintética. Debemos recordar que el armazón bioquímico de los sistemas vivos en nuestro planeta está basado en la química del carbono, lo que determina su gran importancia. El flujo del carbono dentro de las redes tróficas es el típico: de los productores a los herbívoros, a los carnívoros y a los desintegradores, eliminándose en cada paso una gran cantidad de carbono por medio de la respiración (CO2). De hecho, se considera que en los casos más eficientes, solo el 10% del carbono consumido por los herbívoros o los carnívoros se fijan en forma de biomasa; el resto es desechado en forma de heces fecales y CO2.
El CO2 desechado a la atmósfera (ver tabla 1) queda disponible para el proceso fotosintético, reiniciándose así el ciclo. El bióxido presente en la atmósfera está siempre disponible, pero existe un fenómeno interesante, ya que el agua tiene una gran capacidad para aceptar este gas en solución; de hecho, los océanos contienen 50 veces más CO2 que la atmósfera.
Los incendios de bosques o pastizales actúan de una manera parecida a la respiración, ya que arrojan el carbono a la atmósfera en forma de bióxido, solo que de una manera brutal, ya que lo hacen en un tiempo excesivamente corto en comparación con el proceso respiratorio.
El CO2 es un gas de invernadero que, debido a la actividad industrial de los últimos siglos ha aumentado su concentración en la atmósfera (ver gráfica 1), siendo el principal responsable del calentamiento global junto con el metano (CH4), otro gas derivado del carbono, cuya concentración es alta debido a la producción constante de este gas por las plantas (desconocida hasta hace poco y puesta en evidencia por Keppler, Hamilton, Brass y Röckman en 2006); así como la actividad humana en campos como la cría de ganado rumiante, la producción de energía y el crecimiento en los campos de cultivo de arroz. En efecto, según estudios realizados, se sabe que la cantidad de metano producido anualmente en la Era preindustrial era de unos 223 millones de toneladas; mientras que en la actualidad es de unos 600 millones de toneladas (ver tablas 3 y 4).
No cabe duda que la actividad humana ha alterado el ciclo del carbono, y que esto ha traído como consecuencia el calentamiento global que genera fenómenos meteorológicos cada vez más intensos debido al incremento en la cantidad de energía presente en el ambiente.
El Ciclo del Fósforo
De los elementos hasta ahora estudiados, posiblemente el fósforo sea el más limitante de todos. Esto es debido a dos razones: su principal depósito es de tipo sedimentario, constituyendo rocas fosfatadas en la corteza terrestres ya que es un elemento que se sedimenta muy fácilmente. La erosión coloca al fósforo al alcance de los organismos fotosintéticos, de donde circula al resto de los niveles tróficos y puede permanecer reciclándose repetidamente. Los animales eliminan el exceso de fósforo en forma de sales a través de la orina, de donde puede nuevamente ser tomado por las plantas. Las bacterias fosfatizadoras también pueden convertir el fósforo orgánico de los detritos en sales disponibles para las plantas.
Si el fósforo por lixiviación termina en masas acuáticas, debe ser utilizado con rapidez, puesto que fácilmente se enlaza con partículas de arcilla y constituye compuestos insolubles que se precipitan y llegan a formar rocas sedimentarias que sacan este recurso de circulación por eones.
Bibliografía
Audesirk, Teresa, et al. La vida en la Tierra. Prentice Hall, México, 2003
Keppler, Frank y Thomas Röckman. Metano, plantas y cambio climático. Investigación y Ciencia, No. 367, Abril de 2007.
Mosqueira, P. S. Salvador. Introducción a la Química y el Ambiente. Publicaciones Cultural, México, 2004.
Odum, P. Eugene. Ecología. CECSA. México, 1979
Ricklefs, E. Robert. Invitación a la Ecología, La Economía de la Naturaleza. Editorial Médica Panamericana, España, 2001
Wolfe, W. D. “Out of Thin Air”. Natural History. Vol. 110, No. 7. September, 2001. Pp 44-53.