CICLOS BIOGEOQUIMICOSINTRODUCCION
Hemos visto que el flujo de energa a travs de labiosferaes en un
solo sentido. La energa radiante del sol es interceptada por la
biosfera. Despus de pasar a travs de las transformaciones que
mantienen vivos a los organismos retorna al espacio exterior en
forma decalor. De esta manera no hay "ciclo de energa".La
intercepcin y utilizacin de la energa por los organismos vivos
depende delalmacenamientode la energa en forma de enlaces qumicos y
del aprovechamiento de esta energa cuando los enlaces se rompen.
Lamateriaviva est hecha a partir de un numero pequeo de tomos
diferentes: quizs 25. Algunos de estos tomos abundan en el mundo no
viviente. Otros son muy escasos. Sin embargo, en uno y otro caso la
vida ha persistido en este planeta a lo largo de un periodo de ms
de 3000 millones de aos, pues existen mecanismos que permiten
utilizar estos tomos una y otra vez. Por consiguiente, los tomos de
la vida en realidad circulan. Lanaturalezade algunos de estos
ciclos es ahora objeto de nuestraatencin.CICLOS
BIOGEOQUIMICOSCualquier elemento que un organismo necesite para
vivir, crecer y reproducirse se llamanutrimentoonutriente. Los
organismos vivos necesitan de 30 a 40 elementos qumicos, aunque el
nmero y tipos de estos elementos pueden variar con los distintos
organismos. En general, tales nutrientes se encuentran en diversos
compuestos.Los elementos requeridos por los organismos en grandes
cantidades se denominanmacronutrientes. Son ejemplos:
elcarbono,oxgeno,hidrgeno, nitrgeno, fsforo, azufre, calcio,
magnesio y potasio. Estos elementos y sus compuestos constituyen el
97% de la masa delcuerpo humano, y ms de 95% de la masa de todos
los organismos. Los 30 o ms elementos requeridos por los organismos
en cantidades pequeas, o trazas, se llamanmicronutrientes. Son
ejemplos elhierro,cobre, zinc, cloro y yodo.La mayor parte de las
sustancias qumicas dela tierrano ocurren en formas tiles para los
organismos que viven en el planeta. Afortunadamente, los elementos
y sus compuestos necesarios como nutrientes para la vida sobre
latierra, son ciclados continuamente en vas complejas a travs de
las partes vivas y no vivas de la ecsfera, y convertidas en formas
tiles por una combinacin deprocesosbiolgicos, geolgicos y
qumicos.Este ciclamento de los nutrientes desde elambienteno vivo
(depsitos en laatmsfera, la hidrosfera y la corteza de la tierra)
hasta los organismos vivos, y de regreso al ambiente no vivo, tiene
lugar en losciclos biogeoqumicos(literalmente, de la vida (bio) en
la tierra (geo), estos ciclos, activados directa o indirectamente
por la energa que proviene del Sol, incluyen los del carbono,
oxgeno, nitrgeno, fsforo, azufre y delagua(hidrolgicos).De este
modo, una sustanciaqumicapuede ser parte de un organismo en un
momento y parte del ambiente del organismo en otro momento. Por
ejemplo, una de las molculas de oxgeno que usted acaba de inhalar,
puede ser una inhalada anteriormente por usted, o su abuela, o
porun dinosaurio hace millones de aos. En forma semejante, alguno
de los tomos de carbono de lapielque cubre su mano derecha puede
haber sido parte de la hoja de una planta, la piel de un dinosaurio
o de una capa de roca caliza.Estos elementos circulan a travs
delaire, elsuelo,el aguay los seres vivos.Gracias a los ciclos
biogeoqumicos es posible que los elementos se encuentres
disponibles para ser usados una y otra vez por otros organismos;
sin estos la vida se extinguira.El trmino ciclo biogeoqumico se
deriva delmovimientocclico de los elementos que forman los
organismos biolgicos (bio) y el ambiente geolgico (geo) e
intervienen en uncambioqumico.Hay tres tipos de ciclos
biogeoqumicos interconectados.En los ciclos gaseosos, los
nutrientes circulan principalmente entre la atmsfera (agua) y los
organismos vivos. En la mayora de estos ciclos los elementos son
reciclados rpidamente, con frecuencia en horas o das. Los
principales ciclos gaseosos son los del carbono, oxgeno y
nitrgeno.En los ciclos sedimentarios, los nutrientes circulan
principalmente en la corteza terrestre (suelo,rocasy sedimentos) la
hidrosfera y los organismos vivos. Los elementos en estos ciclos,
generalmente reciclados mucho ms lentamente que en los ciclos
atmosfricos, porque los elementos son retenidos en las rocas
sedimentarias durante largotiempo, con frecuencia de miles a
millones de aos y no tienen una fase gaseosa. El fsforo y el azufre
son dos de los 36 elementos reciclados de esta manera.En el ciclo
hidrolgico; el agua circula entre el ocano, el aire, la tierra y
los organismos vivos, este ciclo tambin distribuye el calor solar
sobre la superficie del planeta.1. Aunque el carbono es un elemento
muy raro en el mundo no viviente de la tierra, representa alrededor
del 18% de la materia viva. La capacidad de los tomos de carbono de
unirse unos con otros proporciona la base para la diversidad
molecular y el tamao molecular, sin los cuales la vida tal como la
conocemos no podra existir.Fuera de la materia orgnica, el carbono
se encuentra en forma de bixido de carbono (CO2) y en las rocas
carbonatadas (calizas, coral). Los organismos auttrofos
-especialmente lasplantasverdes- toman el bixido de carbono y lo
reducen a compuestos orgnicos:carbohidratos,protenas,lpidosy otros.
Los productores terrestres obtienen el bixido de carbono de la
atmsfera y los productores acuticos lo utilizan disuelto en el agua
(en forma de bicarbonato, HCO3-). Lasredesalimentarias dependen del
carbono, no solamente en lo que se refiere a suestructurasino
tambin a su energa.En cada nivel trfico deuna redalimentaria, el
carbono regresa a la atmsfera o al agua como resultado de
larespiracin. Las plantas, los herbvoros y los carnvoros respiran y
al hacerlo liberan bixido de carbono. La mayor parte de la materia
orgnica en cada nivel trfico superior sino que pasa hacia el nivel
trfico "final", los organismos de descomposicin. Esto sucede a
medida que mueren las plantas y losanimaleso sus partes (por
ejemplo, las hojas). Lasbacteriasy loshongosdesempean el papel
vital de liberar el carbono de los cadveres o de los fragmentos que
ya no podrn utilizarse como alimento para otros niveles trficos.
Mediante elmetabolismode los animales y de las plantas se libera el
bixido de carbono y el ciclo del carbono puede volver a comenzar.2.
CICLO DEL CARBONO.3. El oxgeno molecular (O2) representa el 20% de
la atmsfera terrestre. Estepatrimonioabastece las necesidades de
todos los organismos terrestres respiradores y cuando se disuelve
en el agua, las necesidades de los organismos acuticos. En
elprocesode la respiracin, el oxgeno acta como aceptor final para
los electrones retirados de los tomos de carbono de losalimentos.
Elproductoes agua. El ciclo se completa en lafotosntesiscuando se
captura la energa de laluzpara alejar los electrones respecto de
los tomos de oxgeno de las molculas de agua. Los electrones reducen
los tomos de carbono (de bixido de carbono) a carbohidrato. Al
final se produce oxgeno molecular y as el ciclo se completa.Por
cada molcula de oxgeno utilizada en la respiracin celular, se
libera una molcula de bixido de carbono. Inversamente, por cada
molcula de bixido de carbono absorbida en lafotosntesis, se libera
una molcula de oxgeno.4. EL CICLO DEL OXIGENO5. CICLO DEL
NITROGENO.Todos los seres vivos requieren de tomos de nitrgeno para
lasntesisde protenas de una variedad de otras molculas orgnicas
esenciales. El aire, que contiene 79% de nitrgeno, se utiliza como
el reservorio de esta sustancia. A pesar del gran tamao del
patrimonio de nitrgeno, a menudo es uno de los ingredientes
limitantes de los seres vivos. Esto se debe a que la mayora de los
organismos no puede utilizar nitrgeno en forma elemental, es decir:
comogasN2. Para que las plantas puedan sintetizar protena tienen
que obtener el nitrgeno en forma "fijada", es decir: incorporado en
compuestos. La forma ms comnmente utilizada es la de iones de
nitrato, NO3-. Sin embargo, otras sustancias tales como el amonaco
NH3 y la urea (NH2) 2CO, se utilizan conxitotanto en
lossistemasnaturales como en forma de fertilizantes en
laagricultura.Fijacin del Nitrgeno.La molcula de nitrgeno, N2, es
bastante inerte. Para separar los tomos, de tal manera que puedan
combinarse con otros tomos, se necesita el suministro de grandes
cantidades de energa. Tres procesos desempean un papel importante
en la fijacin del nitrgeno en la biosfera. Uno de estos es el
relmpago. La energa enorme de un relmpago rompe las molculas de
nitrgeno y permite que se combinen con el oxgeno del aire. Los
xidos de nitrgeno formados se disuelven en el agua de lluvia y
forman nitratos. En esta forma pueden ser transportados a la
tierra. La fijacin atmosfrica del nitrgeno probablemente representa
un 5-8% del total.La necesidad de nitratos para la fabricacin de
explosivos condujo aldesarrollode un proceso industrial de fijacin
del nitrgeno. En este proceso, el hidrgeno (derivado generalmente
delgas naturalo delpetrleo) y el nitrgeno reaccionan para formar
amonaco, NH3. Para que la reaccin pueda desarrollarse
eficientemente, tiene que efectuarse a elevadas temperaturas
(600C), bajo granpresiny en la presencia de un catalizador. Hoy en
da, la mayor parte del nitrgeno fijado industrialmente se utiliza
como fertilizante. Quizs un tercio de toda la fijacin del nitrgeno
que hoy en da tiene lugar en la biosfera se efecta
industrialmente.Las bacterias son capaces de fijar el nitrgeno
atmosfrico tanto para su husped como para s mismas. En efecto, la
capacidad para fijar nitrgeno parece ser exclusiva de los
procariotes.Otras bacterias fijadoras del nitrgeno viven libremente
en el suelo. Tambin algunas algas verde-azules son capaces de fijar
en nitrgeno y desempean un papel importante en elmantenimientode la
fertilidad enmediossemiacuticos como campos de arroz.A pesar de la
ampliainvestigacindesarrollada, todava no es claro de que manera
los fijadores del nitrgeno son capaces de vencer las barreras de
alta energa inherentes al proceso. Ellos requieren de una enzima,
llamada nitrogenasa, y un altoconsumode ATP. Aunque el primer
producto estable del proceso es el amonaco, este es incorporado
rpidamente en las protenas y en otros compuestos orgnicos que
contienen nitrgeno. Podemos decir, entonces, que la fijacin del
nitrgeno en las protenas de la planta (y de los microbios). Las
plantas carentes de los beneficios de la asociacin con fijadores
del nitrgeno, sintetizan sus protenas con fijadores de nitrgeno
absorbido del suelo, generalmente en forma de
nitratos.Descomposicin.Las protenas sintetizadas por las plantas
entran y atraviesan redes alimentarias al igual que los
carbohidratos. En cada nivel trfico se producen desprendimientos
hacia el ambiente, principalmente en forma de excreciones. Los
beneficiarios terminales de los compuestos nitrogenados orgnicos
son microorganismos de descomposicin. Mediante sus actividades, las
molculas nitrogenadas orgnicas de las excreciones y de los cadveres
son descompuestas y transformadas en amoniaco.Nitrificacin.El
amoniaco puede ser absorbido directamente por las plantas a travs
de sus races y, como se ha demostrado en algunas especies, a travs
de sus hojas. (Estas ltimas, cuando se exponen a gas de amoniaco
previamente marcado con istopos radiactivos, incorporan amoniaco en
sus protenas). Sin embargo, la mayor parte del amonaco producido
por descomposicin se convierte en nitratos. Este proceso se cumple
en dos pasos. Las bacterias delgneronitrosomonas oxidizan el NH3 y
lo convierten en nitritos (NO2-). Los nitritos son luego oxidados y
se convierten en nitratos (NO3-) mediante bacterias del gnero
Nitrobacter. Estos dosgruposde bacterias quimioautotrficas se
denominan bacterias nitrificantes. A travs de sus actividades (que
les suministran toda la energa requerida para sus necesidades), el
nitrgeno es puesto a disposicin de las races de las
plantas.Desnitrificacin.Si el proceso descrito antes comprendiera
el ciclo completo del nitrgeno, estaramos ante el problema de la
reduccin permanente del patrimonio de nitrgeno atmosfrico libre, a
medida que es fijado comienza el ciclaje a travs de
diversosecosistemas. Otro proceso, la desnitrificacin, reduce los
nitratos a nitrgeno, el cual se incorpora nuevamente a la atmsfera.
As, otra vez, las bacterias son los agentes implicados. Estos
microorganismos viven a cierta profundidad en el suelo y en los
sedimentos acuticos donde existeescasezde oxgeno. Las bacterias
utilizan los nitratos para sustituir al oxgeno como aceptor final
de los electrones que se desprenden durante la respiracin. Al
hacerlo as, las bacterias cierran el ciclo del nitrgeno.4. CICLO
DEL AZUFRE.El azufre esta incorporado prcticamente en todas las
protenas y de esta manera es un elemento absolutamente esencial
para todos los seres vivos. Se desplaza a travs de la biosfera en
dos ciclos, uno interior y otro exterior. El ciclo interior
comprende el paso desde el suelo (o desde el agua en los ambientes
acuticos) a las plantas, a los animales, y de regreso nuevamente al
suelo o al agua. Sin embargo, existen vacos en este ciclo interno.
Algunos de los compuestos sulfricos presentes en la tierra (por
ejemplo, el suelo) son llevados al mar por los ros. Este azufre se
perdera y escapara del ciclo terrestre si no fuera por un mecanismo
que lo devuelve a la tierra. Tal mecanismo consiste en convertirlo
en compuestos gaseosos tales como el cido sulfhidrico (H2S) y el
bixido de azufre (SO2). Estos penetran en la atmsfera y son
llevados a tierra firme. Generalmente son lavados por las lluvias,
aunque parte del bixido de azufre puede ser directamente absorbido
por las plantas desde la atmsfera.Las bacterias desempean un papel
crucial en el ciclaje del azufre. Cuando est presente en el aire,
la descomposicin de los compuestos del azufre (incluyendo la
descomposicin de las protenas) produce sulfato (SO4=). Bajo
condiciones anaerbicas, el cido sulfhidrico (gas de olor a huevos
podridos) y el sulfuro de dimetilo (CH3SCH3) son
losproductosprincipales. Cuando estos dos ltimosgasesllegan a la
atmsfera, son oxidadas y se convierten en bixido de azufre. La
oxidacin ulterior del bixido de azufre y su disolucin en el agua
lluvia produce cido sulfhidrico y sulfatos, formas principales bajo
las cuales regresa el azufre a los ecosistemas terrestres.El carbn
mineral y elpetrleocontienen tambin azufre y sucombustinlibera
bixido de azufre en la atmsfera.5. EL CICLO DEL FOSFORO.Aunque la
proporcin de fsforo en la materia viva es relativamente pequea, el
papel que desempea es absolutamente indispensable.
Loscidosnucleicos, sustancias que almacenan y traducen
elcdigogentico, son ricos en fsforo. Muchas sustancias intermedias
en lafotosntesis y en la respiracin celular estn combinadas con
fsforo, y los tomos de fsforo proporcionan la base para la formacin
de los enlaces de alto contenido de energa del ATP, que a su vez
desempea el papel de intercambiador de la energa, tanto en la
fotosntesis como en la respiracin celular.El fsforo es un elemento
ms bien escaso del mundo no viviente. Laproductividadde la mayora
de los ecosistemas terrestres pueden aumentarse si se aumenta la
cantidad de fsforo disponible en el suelo. Como los rendimientos
agrcolas estn tambin limitados por la disponibilidad de nitrgeno y
potasio, losprogramasde fertilizacin incluyen estos nutrientes. En
efecto, la composicin de la mayora de los fertilizantes se expresa
mediante tres cifras. La primera expresa el porcentaje de nitrgeno
en el fertilizante; la segunda, el contenido de fsforo (como s
estuviese presente en forma de P2O5); y la tercera, el contenido de
potasio (expresada s estuviera en forma de xido K2O).El fsforo, al
igual que el nitrgeno y el azufre, participa en un ciclo interno,
como tambin en un ciclo global, geolgico. En el ciclo menor, la
materia orgnica que contiene fsforo (por ejemplo: restos de
vegetales, excrementos animales) es descompuesta y el fsforo queda
disponible para ser absorbido por las races de la planta, en donde
se unir a compuestos orgnicos. Despus de atravesar las cadenas
alimentarias, vuelve otra vez a los descomponedores, con lo cual se
cierra el ciclo. Hay algunos vacos entre el ciclo interno y el
ciclo externo. El agua lava el fsforo no solamente de las rocas que
contienen fosfato sino tambin del suelo. Parte de este fsforo es
interceptado por los organismos acuticos, pero finalmente sale
hacia el mar.El ciclaje global del fsforo difiere con respecto de
los del carbn, del nitrgeno y del azufre en un aspecto principal.
El fsforo no forma compuestos voltiles que le permitan pasar de los
ocanos a la atmsfera y desde all retornar a tierra firme. Una vez
en el mar, solo existen dos mecanismos para elreciclajedel fsforo
desde el ocano hacia los ecosistemas terrestres. El uno es mediante
lasavesmarinas que recogen el fsforo que pasa a travs de las
cadenas alimentarias marinas y que pueden devolverlo a la tierra
firme en sus excrementos. Adems de la actividad de estos animales,
hay la posibilidad del levantamiento geolgico lento de los
sedimentos del ocano para formar tierra firme, un proceso medido en
millones de aos.Elhombremoviliza el ciclaje del fsforo cuando
explota rocas que contienen fosfato.6. CICLO DEL AGUA (Ciclo
Hidrolgico).Elciclo del aguaociclo hidrolgico, que colecta,
purifica y distribuye el abasto fijo del agua de la tierra. El
ciclo hidrolgico est enlazado con los otros ciclos biogeoqumicos,
porque el agua es un medio importante para el movimiento de los
nutrientes dentro y fuera de los ecosistemas.La energa solar y la
gravedad convierten continuamente el agua de unestadofsico a otro,
y la desplazan entre el ocano, el aire, la tierra y los organismos
vivos. Los procesos principales en este reciclamiento y ciclo
purificador del agua, son laevaporacin(conversin del agua en vapor
acuoso),condensacin(conversin del vapor de agua en gotculas de agua
lquida),transpiracin(proceso en el cual es absorbida por los
sistemas de races de las plantas y pasa a travs de los poros
(estomas) de sus hojas u otras partes, para evaporarse luego en la
atmsfera,precipitacin(roco, lluvia, aguanieve, granizo, nieve)
yescurrimientode regreso al mar para empezar el ciclo de nuevo.La
energa solar incidente evapora el agua de los mares y ocanos,
corrientes fluviales, lagos, suelo yvegetacin, hacia la atmsfera.
Los vientos y masas de aire transportan este vapor acuoso sobre
varias partes de la superficie terrestre. La disminucin de
latemperaturaen partes de la atmsfera hacen que el vapor de agua se
condense y forme gotculas de agua que se aglomeran como nubes o
niebla. Eventualmente, tales gotculas se combinan y llegan a ser lo
suficientemente pesadas para caer a la tierra y a masas de agua,
como precipitacin.Parte del agua dulce que regresa a la superficie
de la tierra como precipitacin atmosfrica queda detenida en los
glaciares. Gran parte de ella se colecta en charcos y arroyos, y es
descargada en lagos y en ros, que llevan el agua de regreso a los
mares, completando el ciclo. Este escurrimiento de agua superficial
desde la tierra reabastece corrientes y lagos, y tambin
causaerosindel suelo lo cual impulsa a varias sustancias qumicas a
travs de porciones de otros ciclos biogeoqumicos.Una gran parte del
agua que regresa a la tierra penetra o se infiltra en las capas
superficiales del suelo, y parte se resume en el terreno. All, es
almacenada como agua fretica o subterrnea en los poros y grietas de
las rocas. Esta agua, como el agua superficial, fluye cuesta abajo
y se vierte en corrientes y lagos, o aflora en manantiales.
Eventualmente, dicha agua, como el agua de superficies, se evapora
o llega al mar para iniciar el ciclo de nuevo. La intensidad media
de circulacin del agua subterrnea en el ciclo hidrolgico es
extremadamente lenta (en cientos de aos), comparada con la de la
superficie (10 a 120 das) y la de la atmsfera (10 a 12 das).En
algunos casos, los nutientes son transportados cuando se disuelven
en el agua corriente, en otros casos, los compuestos nutrientes
ligeramente solubles o insolubles del suelo o del fondo del mar,
son desplazados de un lugar a otro por el flujo del
agua.BIBLIOGRAFIAANGEL SOTO.Ciencias9. Bogot. McGraw Hill. 1997.
Pg. 195.KIMBAL.Biologa. 4Edicin. Massachusetts, USA. Addison Wesley
Dominicana. 1986. Pg. 772 782.SAMACA, Nubia Elsy. Ciencias
Naturales 7. Bogot. Santillana. 1999. Pg. 117, 118.MILLER Jr., G.
Tyler.Ecologay Medio Ambiente. Iberoamericana. Pg. 91, 113 115.
El Ciclo del AguaEl Ciclo hidrolgico
