¿Qué son los ciclos biogeoquímicos?
Los ciclos biogeoquímicos son el conjunto de circuitos de intercambio entre los distintos elementos químicos, el ambiente y los seres vivos, que garantizan el reciclado constante de los elementos necesarios para la vida. Entre ellos se produce un circuito de transporte, producción y descomposición.
En la Tierra, la vida data de unos 3.000 millones de años, donde se han reciclado una y otra vez la misma reserva de nutrimentos. La reserva de los nutrimentos se localiza en los componentes abióticos del ecosistema, como la atmósfera, las piedras, los combustibles fósiles o los océanos, entre otros. Los ciclos describen los recorridos de los nutrientes desde estos reservorios, pasando por los seres vivos y volviendo a los reservorios.
Así, los ciclos biogeoquímicos describen las trayectorias de estos elementos, que forman parte de la vida, entre los componentes bióticos y abióticos de los ecosistemas.
Como estos ciclos son extremadamente complejos, los biólogos suelen describir sus etapas más importantes, que se resumen en la localización o reservorio del elemento en cuestión, su ingreso a los organismos vivos (generalmente a los productores primarios), seguido de su continuidad por la cadena trófica, y finalmente la reintegración del elemento en el reservorio gracias a los organismos descomponedores, cuyo papel en estos procesos es vital.
La influencia de los humanos no ha pasado desapercibida en el tránsito de los nutrientes, ya que las actividades antropogénicas –particularmente la industrialización y los cultivos– han alterado las concentraciones, y por ende, el equilibrio de los ciclos. Estos disturbios tienen consecuencias ecológicas importantes.
Los micro y macronutrimentos más destacados en el planeta son: agua, carbono, oxígeno, fósforo, azufre, nitrógeno, calcio, sodio, potasio, azufre.
Clasificaciones de los ciclos biogeoquímicos
No existe una sola manera de clasificar los ciclos biogeoquímicos. Cada autor sugiere una clasificación adecuada siguiendo distintos criterios. A continuación presentaremos tres de las clasificadas usadas:
- Micro y macronutriente. El ciclo puede clasificarse según el elemento que se movilice. Los macronutrientes son elementos usados en cantidades apreciables por los seres orgánicos, a saber: carbono, nitrógeno, oxígeno, fósforo, azufre y el agua. Otros elementos solo se necesitan en pequeñas cantidades, como fósforo, azufre, potasio, entre otros. Además, los micronutrientes se caracterizan por tener una movilidad bastante reducida en los sistemas. A pesar de que estos elementos se usen en cantidades reducidas, siguen siendo vitales para los organismos. En caso de que falte algún nutriente, este limitará el crecimiento de los seres vivos que habitan el ecosistema en cuestión. Por ello, los componentes biológicos del hábitat son un buen marcador para determinar la eficiencia del movimiento de los elementos.
- Sedimentarios y atmosféricos. No todos los nutrientes se encuentran en la misma cantidad o están fácilmente a la disposición de los organismos. Y esto depende, principalmente, de la fuente o reservorio abiótico. Algunos autores los clasifican en dos categorías, dependiendo de la capacidad de movimiento del elemento y del reservorio, en ciclos sedimentarios y atmosféricos. En los sedimentarios, el elemento no puede moverse hasta la atmósfera y se acumula en el suelo (fósforo, calcio, potasio), mientras que los atmosféricos comprenden los ciclos gaseosos (carbono, nitrógeno, etc.). En ellos, los elementos se alojan en la capa inferior de la troposfera, y quedan a disposición de los individuos que integran la biosfera. En el caso de los ciclos sedimentarios, la liberación del elemento de su reservorio requiere de la acción de factores ambientales, como la radiación solar, la acción de las raíces de las plantas, lluvia, entre otros. En casos puntuales, un solo ecosistema puede que no cuente con todos los elementos necesarios para que se lleve a cabo el ciclo completo. En estos casos, otro ecosistema vecino puede ser el proveedor del elemento faltante, conectando múltiples regiones.
- Local y global. Una tercera clasificación es la escala a la cual se estudia el sitio, que puede ser en un hábitat local o global. Esta clasificación está íntimamente ligada con la anterior, pues los elementos con reservas atmosféricas tienen amplia distribución y se pueden entender a nivel global, mientras que los elementos son reservas sedimentarias tienen una capacidad limitada de movimiento.
Ciclo del agua
Papel del agua
El agua es un componente vital para la vida en la Tierra. Los seres orgánicos están compuestos de altas proporciones de agua. Por ello, es el medio donde ocurren la inmensa cantidad de reacciones químicas en el interior de los organismos. También es un disolvente casi universal (las moléculas apolares no se disuelven en agua), que permite formar infinidades de soluciones con solventes polares.
Reservorio
El reservorio más grande de agua en la Tierra son los océanos, que abarca casi el 97% total del planeta y cubre más de sus tres cuartas partes. El porcentaje restante está representado por ríos, lagos y hielo.
Motores del ciclo hidrológico
Existe una serie de fuerzas físicas que propulsan el movimiento del líquido vital por el planeta y le permiten cumplir el ciclo hidrológico. Estas fuerzan incluyen la energía solar, que favorece el paso del agua de estado líquido a estado gaseoso, y la gravedad, que impulsa las moléculas de agua a regresar a la Tierra en forma de lluvia, nieve o rocío.
- Evaporación: el cambio de estado de agua está impulsado por la energía proveniente del Sol y ocurre principalmente en el océano.
- Precipitación: el agua regresa a los reservorios gracias a precipitación en distintas formas (nieve, lluvia, etc.) y tomando diferentes rutas, ya sea a los océanos, a los lagos, al suelo, a depósitos subterráneos, entre otros.
En el componente oceánico del ciclo, el proceso de evaporación excede la precipitación, lo cual trae como consecuencia una ganancia neta de agua que va hacia la atmósfera. El cierre del ciclo ocurre con el movimiento del agua a través de las vías subterráneas.
Incorporación del agua en los seres vivos
Un porcentaje significativo del cuerpo de los seres vivos está compuesto por agua. En los humanos, dicho valor oscila alrededor del 70%. Por esta razón, parte del ciclo del agua ocurre en el interior de los organismos.
Las plantas utilizan sus raíces para obtener agua mediante la absorción, mientras que los organismos heterótrofos y activos pueden consumirla directamente del ecosistema o en los alimentos.
A diferencia del ciclo del agua, el ciclo de los demás nutrimentos incluye modificaciones importantes en las moléculas a lo largo de sus trayectorias, mientras que el agua se mantiene prácticamente inalterada (solo ocurren cambios en el estado).
Cambios en el ciclo del agua gracias a la presencia humana
El agua es uno de los recursos más valiosos para las poblaciones humanas. Hoy en día, la escasez del líquido vital crece a niveles exponenciales y representa un problema de interés mundial. A pesar de que hay gran cantidad de agua, solamente una pequeña porción corresponde a agua dulce.
Uno de los inconvenientes es la reducción en la disponibilidad del agua para la irrigación. La presencia de superficies asfaltadas y de concreto disminuye la superficie en la que el agua podría penetrar.
Los extensos campos de cultivo también representan una disminución en el sistema de raíces que mantiene una cantidad de agua adecuada. Además, los sistemas de riego remueven enormes cantidades de agua.
Por otro lado, el tratamiento de agua salada a dulce es un procedimiento que se realiza en plantas especializadas. Sin embargo, el tratamiento es costoso y representa un incremento en los niveles de contaminación general, lo cual es un problema importante para los países en desarrollo.
Ciclo del carbono
Papel del carbono
La vida está basada en carbono. Este átomo es el marco estructural de todas las moléculas orgánicas que forman parte de los seres vivos.
El carbono permite la formación de estructuras altamente variables y muy estables, gracias a su propiedad de formación de simples, dobles y triples enlaces covalentes con otros átomos y consigo mismo.
Gracias a esto puede formar un número casi infinito de moléculas. Hoy en día se conocen casi 7 millones de compuestos químicos. De este número tan elevado, aproximadamente el 90% son sustancias orgánicas, cuya base estructural es el átomo de carbono. La gran versatilidad molecular del elemento pareciera ser la causa de su abundancia.
Reservorios
El ciclo del carbono involucra múltiples ecosistemas, a saber: regiones terrestres, cuerpos de agua y la atmósfera. De estos tres reservorios de carbono, el más importante es el océano. La atmósfera también es un reservorio destacado, a pesar de que es relativamente más pequeña.
También toda la biomasa de los organismos vivos representa un importante reservorio para este nutrimento.
La fotosíntesis y la respiración: procesos centrales
Tanto en las regiones acuáticas como en las terrestres, el punto central del reciclaje del carbono es la fotosíntesis. Este proceso lo hacen tanto las plantas como una serie de algas que poseen la maquinaria enzimática requerida.
Es decir, el carbono ingresa a los seres vivos cuando estos los captan en forma de dióxido de carbono y lo usan como sustrato para la fotosíntesis.
En el caso de los organismos acuáticos fotosintéticos, la toma del dióxido de carbono ocurre directamente por la integración del elemento disuelto en el cuerpo de agua, que está en una cantidad mucho mayor que en la atmósfera.
Durante la fotosíntesis el carbono del medio ambiente es incorporado en los tejidos del organismo. Contrariamente, las reacciones por las cuales ocurre la respiración celular realizan el proceso contrario: liberar el carbono que ha sido incorporado a los seres vivos desde la atmosfera.
Incorporación del carbono en los seres vivos
Los consumidores primarios,o herbívoros, se alimentan de los productores y se apropian del carbono almacenado en sus tejidos. En este punto el carbono toma dos vías: es almacenado en los tejidos de estos animales y otra porción es liberada a la atmósfera por medio de la respiración, en forma de dióxido de carbono.
Así, el carbono sigue su curso a lo largo de toda la cadena trófica de la comunidad en cuestión. En algún punto, el animal morirá y su cuerpo será descompuesto por los microorganismos, el dióxido de carbono regresa a la atmósfera y el ciclo puede continuar.
Vías alternativas del ciclo
En todos los ecosistemas –y dependiendo de los organismos que allí habiten– el ritmo del ciclo varía. Por ejemplo, los moluscos y otros organismos microscópicos que viven en el mar tienen la capacidad de extraer el dióxido de carbono disuelto en el agua y combinarlo con el calcio para rendir una molécula llamada carbonato de calcio.
Este compuesto formará parte de las conchas de los organismos. Luego de que estos organismos mueren, sus conchas se van acumulando paulatinamente en depósitos que, a medida que transcurre el tiempo, se transformarán en piedra caliza.
Dependiendo del contexto geológico al que se vea expuesto el cuerpo de agua, la piedra caliza puede quedar expuesta y empezar a disolverse, lo que se traduce en el escape de dióxido de carbono.
Otra vía de larga duración en el ciclo del carbono es la relacionada con la producción de los combustibles fósiles. En el próximo apartado veremos cómo la quema de estos recursos afectan el curso normal o natural del ciclo.
Cambios en el ciclo del carbono gracias a la presencia humana
Los humanos llevamos miles de años influenciando el curso natural del ciclo del carbono. Todas nuestras actividades, como las industriales y la deforestación, afectan la liberación y las fuentes de este elemento vital.
Particularmente, el uso de combustibles fósiles afecta el ciclo. Cuando quemamos combustible, movemos cantidades inmensas de carbono que se encontraba en un reservorio geológico inactivo hacia la atmósfera, la cual es un reservorio activo. Desde el siglo pasado, el incremento de liberación de carbono ha sido dramático.
La liberación del dióxido de carbono a la atmósfera es un hecho que nos afecta directamente, ya que aumenta las temperaturas del planeta y es uno de los gases de efecto invernadero.
Ciclo del nitrógeno
Papel del nitrógeno
En los seres orgánicos, el nitrógeno está en dos de sus macromoléculas fundamentales: las proteínas y los ácidos nucleicos.
Las primeras se encargan de una amplia variedad de funciones, tanto estructurales como de transporte, y los segundos son las moléculas encargadas de almacenar la información genética y traducirla hasta las proteínas. Además, es un componente de algunas vitaminas, elementos vitales para las vías metabólicas.
Reservorios
La reserva principal de nitrógeno es la atmósfera. En este espacio, el 78% de los gases presentes en el aire es nitrógeno gaseoso (N2).
A pesar de que es un elemento indispensable para los seres vivos, ni plantas ni animales tienen la capacidad de extraer este gas directamente de la atmósfera, como ocurre con el dióxido de carbono, por ejemplo.
Fuentes asimilables de nitrógeno
Por esta razón, el nitrógeno debe presentarse como una molécula asimilable. Es decir, que se encuentre en su forma reducida o “fijada”. Ejemplo de ello son los nitratos (NO3–) o amoniaco (NH3).
Existen bacterias que establecen una relación simbiótica con algunas plantas (como las leguminosas) y a cambio de protección y alimento les comparten estos compuestos nitrogenados.
Otros tipos de bacterias también producen amoniaco usando como sustrato los aminoácidos y otros compuestos nitrogenados, que están almacenados en los cadáveres y desechos biológicos.
Organismos fijadores de nitrógeno
Existen dos grupos principales de fijadores. Algunas bacterias, algas verde-azules y hongos actinomicetos pueden tomar la molécula de gas nitrógeno e incluirlo directamente como parte de sus proteínas, liberando el exceso en forma de amoniaco. Este proceso se denomina amonificación.
Otro grupo de bacterias que habitan en los suelos son capaces de tomar el amoniaco o el ion amonio en nitrito. Este segundo proceso se llama nitrificación.
Procesos no biológicos fijadores de nitrógeno
También existen procesos no biológicos capaces de producir óxidos de nitrógeno, como las tormentas eléctricas o los incendios. En estos eventos, el nitrógeno se combina con el oxígeno, rindiendo un compuesto asimilable.
El proceso de fijación de nitrógeno es lento, siendo un paso limitante para la productividad de los ecosistemas, tanto terrestres como acuáticos.
Incorporación del nitrógeno en los seres vivos
Una vez que las plantas han encontrado el reservorio de nitrógeno en su forma asimilable (amoniaco y nitrato), las incorporan en diferentes moléculas biológicas, a saber: aminoácidos (bloques estructurales de las proteínas), ácidos nucleicos, vitaminas, etc.
Cuando el nitrato es incorporado en las células vegetales, ocurre una reacción y se reduce nuevamente a su forma de amonio.
Las moléculas nitrogenadas siguen el ciclo cuando un consumidor primario se alimenta de las plantas e incorpora el nitrógeno en sus propios tejidos. También pueden ser consumidas por comedores de detritos o por organismos descomponedores.
Así, el nitrógeno avanza a todo lo largo de la cadena alimenticia. Una parte importante del nitrógeno se libera con los desechos y cadáveres en descomposición.
Las bacterias que viven en el suelo y en los cuerpos de agua son capaces de tomar este nitrógeno y convertirlo nuevamente en sustancias asimilables.
No es un ciclo cerrado
Luego de esta descripción, pareciera que el ciclo de nitrógeno es cerrado y autoperpetuado. Sin embargo, esto es solo a simple vista. Existen diversos procesos que causan la pérdida de nitrógeno, como las cosechas, la erosión, la presencia de fuego, la infiltración del agua, etc.
Otra causa es la denominada desnitrificación, y es generada por bacterias que lideran el proceso. Cuando se encuentran en un ambiente libre de oxígeno, estas bacterias toman los nitratos y los reducen, liberándolo a la atmósfera nuevamente en forma de gas. Este evento es común en suelos cuyo drenaje no es eficiente.
Cambios en el ciclo del nitrógeno gracias a la presencia humana
Los compuestos nitrogenados usados por el humano dominan el ciclo del nitrógeno. Estos compuestos incluyen fertilizantes sintéticos ricos en amoniaco y nitratos.
Este exceso de nitrógeno ha causado un desbalance en la trayectoria normal del compuesto, particularmente en la alteración de las comunidades vegetales, ya que ahora sufren de una fertilización excesiva. Este fenómeno se denomina eutrofización. Uno de los mensajes de este evento es que no siempre el aumento de nutrientes es positivo.
Una de las consecuencias más graves es la destrucción de las comunidades de bosques, lagos y ríos. Como no hay un balance adecuado, algunas especies, denominadas especies dominantes, crecen en exceso y dominan el ecosistema, disminuyendo la diversidad.
Ciclo del fósforo
Papel del fósforo
En los sistemas biológicos, el fósforo está presente en las moléculas denominadas “monedas” energéticas de la célula, como el ATP, y en otras moléculas de transferencia energética, como el NADP. También está presente en las moléculas de la herencia, tanto en el ADN como en el ARN, y en las moléculas que conforman las membranas lipídicas.
También juega papeles estructurales, pues existe en estructuras óseas del linaje de los vertebrados, incluyendo huesos y dientes.
Reservorios
A diferencia del nitrógeno y el carbono, el fósforo no es un gas libre en la atmósfera. Su reservorio principal son las rocas, unido al oxígeno en forma de moléculas llamadas fosfatos.
Como puede esperarse, este proceso de desprendimiento es lento. Por ello, el fósforo se considera como un nutriente escaso en la naturaleza.
Incorporación del fósforo en los seres vivos
Cuando las condiciones geográficas y climáticas son adecuadas, las rocas empiezan un proceso de erosión o desgaste. Gracias a la lluvia, los fosfatos empiezan a diluirse y ser tomados por las raíces de las plantas o por otra serie de organismos productores primarios.
Esta serie de organismos fotosintéticos se encargan de incorporar el fósforo en sus tejidos. Partiendo de estos organismos basales, el fósforo inicia su tránsito por los niveles tróficos.
En cada eslabón de la cadena parte del fósforo es excretado por los individuos que la componen. Cuando los animales mueren, una serie de bacterias especiales toman el fósforo y lo incorporan nuevamente a los suelos en forma de fosfatos.
Los fosfatos pueden tomar dos caminos: ser absorbidos nuevamente por los autótrofos o iniciar su acumulación en los sedimentos para retomar su estado rocoso.
El fósforo presente en los ecosistemas oceánicos también finaliza en los sedimentos de estos cuerpos de agua, y parte de ellos puede ser absorbido por sus habitantes.
Cambios en el ciclo del fósforo gracias a la presencia humana
La presencia del humano y de sus técnicas de agricultura afecta el ciclo del fósforo de manera muy similar a como afecta el ciclo del nitrógeno. La aplicación de fertilizantes produce un aumento desproporcionado del nutrimento, llevando a la eutrofización del área, causando desbalances en la diversidad de sus comunidades.
Se calcula que en los últimos 75 años, la industria de los fertilizantes ha causado el aumento de casi cuatro veces las concentraciones de fósforo.
Ciclo del azufre
Papel del azufre
Algunos aminoácidos, aminas, NADPH y la coenzima A son moléculas biológicas que cumplen distintas funciones en el metabolismo. Todas contienen azufre en su estructura.
Reservorios
Los reservorios de azufre son muy variados, incluyendo los cuerpos de agua (dulce y salada), ambientes terrestres, atmósfera, rocas y sedimentos. Se encuentra principalmente como dióxido de azufre (SO2).
Incorporación del azufre en los seres vivos
De los reservorios, el sulfato empieza a disolverse y los primeros eslabones de la cadena alimenticia pueden captarlo en forma de ion. Posteriormente a las reacciones de reducciones, el azufre está listo para incorporarse a las proteínas.
Una vez incorporado, el elemento puede seguir su paso por la cadena trófica, hasta la muerte de los organismos. Las bacterias son las encargadas de liberar el azufre que queda atrapado en los cadáveres y desechos, devolviéndolo al medio ambiente.
Ciclo del oxígeno
Papel del oxígeno
Para los organismos con respiración aeróbica y facultativa, el oxígeno representa el aceptor de electrones en las reacciones metabólicas involucradas en dicho proceso. Por ello, es vital para la obtención de energía.
Reservorios
El reservorio de oxígeno más importante del planeta es la atmósfera. La presencia de esta molécula le otorga a la región un carácter oxidante.
Incorporación del oxígeno en los seres vivos
Como ocurre en el ciclo del carbono, la respiración celular y la fotosíntesis son dos vías metabólicas cruciales que orquestan la trayectoria del oxígeno en la Tierra.
En el proceso de respiración, los animales toman el oxígeno y generan como producto de desecho dióxido de carbono. El oxígeno proviene del metabolismo de las plantas, que a su vez pueden incorporar el dióxido de carbono y usarlo como sustrato para futuras reacciones.
Ciclo del calcio
Reservorios
El calcio se encuentra en la litosfera, incrustado en los sedimentos y rocas. Estas rocas pueden ser producto de la fosilización de animales marinos cuyas estructuras externas eran ricas en calcio. También se encuentra en las cuevas.
Incorporación del calcio en los seres vivos
Las lluvias y demás eventos climáticos causan la erosión de las piedras que contienen el calcio, liberándolo y permitiendo que los organismos vivos puedan absorberlo en cualquier punto de la cadena trófica.
Este nutriente será incorporado en el ser vivo, y al momento de su muerte las bacterias realizarán las reacciones de descomposición correspondientes para la liberación de este elemento y la continuidad del ciclo.
Si el calcio se libera en un cuerpo de agua, puede ser conservado en el fondo y empezar nuevamente la formación de rocas. El desplazamiento del agua subterránea también juega un papel importante en la movilización del calcio.
La misma lógica aplica para el ciclo del ion potasio, que forma parte de los suelos arcillosos.
Ciclo del sodio
Papel del sodio
El sodio es un ion que desempeña múltiples funciones en el cuerpo de los animales, como impulso nervioso y contracciones musculares.
Reservorio
El mayor reservorio de sodio está en el agua de mar, donde está disuelto en forma de ion. La sal común está formada por la unión entre el sodio y el cloro.
Incorporación del sodio en los seres vivos
El sodio es incorporado principalmente por los organismos que viven en el mar, quienes lo absorben y pueden transportarlo a la tierra, ya sea por el agua o por los alimentos. El ion puede viajar disuelto en el agua, siguiendo el camino descrito en el ciclo hidrológico.
Referencias
- Berg, J.M., Stryer, L., & Tymoczko, J.L. Bioquímica. Reverté.
- Devlin, T.M. Textbook of biochemistry. John Wiley & Sons.
- Freeman, S. Biological science. Pearson Education.
- Galan, R., & Torronteras, S. Biología fundamental y de la salud. Elsevier.
- Gama, M. Biologia: un Enfoque Constructivista. (Vol. 1). Pearson Educación.