Ciclos Biogeoquímicos
Ciclos
biogeoquímicos: Ciclo del
carbono | Ciclo del nitrógeno |
Fijación del nitrógeno |
Nitrificación |
Asimilación |
Amonificación |
Desnitrificación | Ciclo
del agua
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| Bibliografía |
- Interpretar las reacciones químicas que ocurren en los ciclos del carbono,
nitrógeno y del agua.
- Diagramar los ciclos biogeoquímicos.
La materia circula desde el mundo vivo hacia el ambiente abiótico y de
regreso; esa circulación constituye los ciclos biogeoquímicos.
Estos son procesos naturales que
reciclan elementos en diferentes formas químicas desde el medio ambiente
hacia los organismos, y luego a la inversa. Agua, carbono, oxígeno,
nitrógeno, fósforo y otros elementos recorren estos ciclos, conectando los
componentes vivos y no vivos de la Tierra.
La tierra es un sistema cerrado donde no entra ni sale materia. Las
sustancias utilizadas por los organismos 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.
Se conocen los siguientes ciclos biogeoquímicos:
El carbono es parte fundamental y soporte de los organismos vivos, porque
proteínas, ácidos nucleicos, carbohidratos,
lípidos y otras moléculas esenciales para la vida contienen carbono.
Se lo encuentra como dióxido de carbono en
la atmósfera, en los océanos y en los combustibles fósiles almacenados
bajo la superficie de la Tierra.
El movimiento global del carbono entre el ambiente abiótico y los organismos
se denomina ciclo del carbono.
El CO2 se encuentra: |
en el océano y en el agua dulce como |
en la atmósfera (gas) como |
CO2 disuelto, CO2-3
(carbonato), HCO3- (bicarbonato), Ca CO3(rocas calizas) |
CO2 (en un 0,03%) |
El ciclo básico comienza cuando las plantas, a través de la fotosíntesis, hacen uso del dióxido de
carbono (CO2)
presente en la atmósfera o disuelto en el agua. El carbono (del CO2) pasa a formar
parte de los tejidos vegetales en forma de hidratos de carbono, grasas y proteínas,
y el oxígeno es devuelto a la atmósfera o al agua mediante la respiración.
Así, el carbono pasa a los herbívoros que comen las plantas y de ese modo
utilizan, reorganizan y degradan los compuestos de carbono. Gran parte de éste
carbono es liberado:
- en forma de CO2 por la respiración, o
- como producto
secundario del metabolismo,
pero parte se almacena en los tejidos animales y pasa a los
carnívoros, que se alimentan de los herbívoros.
En última
instancia, todos los compuestos del carbono se degradan por descomposición, y
el carbono que es liberado en forma de CO2,
es utilizado de nuevo por las plantas.
En resumen, los pasos más importantes del ciclo del
carbono son los siguientes:
- El dióxido de carbono de la atmósfera es
absorbido por las plantas y convertido en azúcar, por el proceso de
fotosíntesis.
- Los animales comen plantas y al descomponer
los azúcares dejan salir carbono a la atmósfera, los océanos o el
suelo.
- Bacterias y hongos descomponen las plantas
muertas y la materia animal, devolviendo carbono al medio ambiente.
- El carbono también se intercambia entre los
océanos y la atmósfera. Esto sucede en ambos sentidos en la interacción
entre el aire y el agua.
Combustibles fósiles:
En algunos casos el carbono presente en las moléculas biológicas no
regresa inmediatamente al ambiente abiótico, por ejemplo el carbono
presente en la madera de los árboles. O el que formó parte de los
depósitos de hulla a partir de restos de árboles antiguos que
quedaron sepultados en condiciones anaerobias antes de descomponerse.
Hulla, petróleo y
gas natural son llamados combustibles fósiles porque
se formaron a partir de restos de organismos antiguos y contienen grandes
cantidades de compuestos carbonados como resultado de la fotosíntesis
ocurrida hace millones de años.
Efecto invernadero:
A través de las actividades humanas se liberan grandes
cantidades de carbono a la atmósfera a un ritmo mayor de aquel con que
los productores y el océano pueden absorberlo, éstas actividades han
perturbado el presupuesto global del carbono, aumentando, en forma lenta
pero continua el CO2 en la atmósfera; propiciando cambios en
el clima con consecuencias en el ascenso en el nivel del mar, cambios en
las precipitaciones, desaparición de bosques , extinción de organismos y
problemas par la agricultura.
Gases como el CO2, ozono superficial (O3)4,
óxido nitroso (N2O) y clorofluoralcanos se acumulan en la
atmósfera como resultado de las actividades humanas, derivando en un
aumento del calentamiento global, esto ocurre porque los gases
acumulados frenan la pérdida de radiación infrarroja (calor) desde la
atmósfera al espacio. Una parte del calor es transferida a los océanos,
aumentando la temperatura de los mismos, lo que implica un aumento de la
temperatura global del planeta. Como el CO2 y otros gases
capturan la radiación solar de manera semejante al vidrio de un
invernadero, el calentamiento global producido de este modo se conoce
como efecto invernadero.
La atmósfera es el principal reservorio
de nitrógeno, donde constituye hasta un 78 % de
los gases. Sin embargo, como la mayoría de los seres
vivos no pueden utilizar el nitrógeno atmosférico para
elaborar aminoácidos y otros compuestos nitrogenados,
dependen del nitrógeno presente en los minerales del
suelo. Por lo tanto, a pesar de la gran cantidad de
nitrógeno en la atmósfera, la escasez de nitrógeno en
el suelo constituye un factor limitante para el
crecimiento de los vegetales.
El proceso a través del
cual circula nitrógeno a través del mundo orgánico y
el mundo físico se denomina ciclo del nitrógeno.
Este ciclo consta de las siguientes
etapas:
-
Fijación del nitrógeno: consiste e
la conversión del nitrógeno gaseoso (N2)
en amoníaco (NH3), forma utilizable para
los organismos. En esta etapa intervienen bacterias
(que actúan en ausencia de oxígeno),
presentes en el suelo y en ambientes acuáticos, que
emplean la enzima nitrogenasa para romper el
nitrógeno molecular y combinarlo con hidrógeno.
N2
--------------------> NH3
nitrogenasa Ejemplos
de bacterias fijadoras de nitrógeno:
-
Nitrificación: proceso de oxidación
del amoníaco o ion amonio, realizado por dos tipos de
bacterias: Nitrosomonas y Nitrobacter
(comunes del suelo). Este proceso genera energía que
es liberada y utilizada por estas bacterias como
fuente de energía primaria.
Este proceso ocurre en dos etapas:
-
Un grupo de bacterias, las Nitrosomonas y
Nitrococcus, oxidan el amoníaco a nitrito (NO2-):
2 NH3 + 3 O2 g
2 NO2 - +
2 H+ + 2 H2O
-
Otro grupo de bacterias, Nitrobacter, transforman el nitrito en
nitrato, por este motivo no se encuentra nitrito en el suelo, que
además es tóxico para las plantas.
2 NO2 - + O2
g 2 NO3 -
-
Asimilación: las raíces de las plantas absorben
el amoníaco (NH3)
o el nitrato (NO3 -), e
incorporan el nitrógeno en proteínas, ácidos
nucleicos y clorofila. Cuando los animales se
alimentan de vegetales consumen compuestos
nitrogenados vegetales y los transforman en
compuestos nitrogenados animales.
-
Amonificación:
consiste en la conversión de compuestos nitrogenados
orgánicos en amoníaco, se inicia cuando los
organismos producen desechos como urea (orina) y
ácido úrico (excreta de las aves), sustancias que
son degradadas para liberar como amoníaco el
nitrógeno en el ambiente abiótico. El amoníaco queda
disponible para los procesos de nitrificación y
asimilación. El nitrógeno presente en el suelo
es el resultado de la descomposición de materiales
orgánicos y se encuentra en forma de compuestos
orgánicos complejos, como proteínas, aminoácidos,
ácidos nucleicos y nucleótidos, que son degradados a
compuestos simples por microorganismos - bacterias y
hongos - que se encuentran en el suelo. Estos
microorganismos usan las proteínas y los aminoácidos
para producir sus propias proteínas y liberan el
exceso de nitrógeno en forma de amoníaco (NH3)
o ion amonio (NH4+).
-
Desnitrificación: es
el proceso que realizan algunas bacterias ante la
ausencia de oxígeno, degradan nitratos (NO3 -)
liberando nitrógeno (N2) a la atmósfera a fin de utilizar el
oxígeno para su propia respiración. Ocurre en suelos mal drenados. A
pesar de las pérdidas de nitrógeno, el ciclo se mantiene gracias a la
actividad de las bacterias fijadoras de nitrógeno, capaces de incorporar el
nitrógeno gaseoso del aire a compuestos orgánicos nitrogenados.
El ciclo del agua (o ciclo
hidrológico) es la circulación del agua de la tierra: el agua fresca de los lagos y ríos, los mares y
océanos salados y la atmósfera. Comprende el proceso
que recoge, purifica y distribuye el suministro fijo del
agua en la superficie terrestre, abarcando algunos pasos
importantes:
- A través de la evaporación, el agua
que está sobre la tierra y en los océanos
se convierte en vapor de agua.
- A través de la condensación, el vapor de agua se convierte en
gotas del líquido, las cuales forman las nubes o la
niebla.
- En el proceso de precipitación, el agua regresa a la Tierra bajo la
forma de rocío, de lluvia, granizo o nieve.
- A través de la transpiración, el agua es absorbida por las raíces
de las plantas, pasa a través de los tallos y de
otras estructuras y es liberada a través de sus
hojas como vapor de agua.
- El agua se mueve desde
la tierra hacia el mar, o bien desde la tierra hacia
el suelo donde es almacenada y de donde regresa
eventualmente a la superficie o a lagos, arroyos y
océanos.
- Con la condensación del agua, la
gravedad provoca la caída al suelo.
- La gravedad continúa operando empujando
al agua a través del suelo (infiltración) y sobre el mismo en el
sentido de las pendientes del terrenos (escurrimiento).
La gravedad provoca que el
agua alcance nuevamente los océanos y depresiones. El agua congelada
atrapada en regiones heladas de la tierra ya sea como nieve o hielo,
constituye reservorios que pueden permanecer largos períodos de tiempo.
Lagos, lagunas, esteros y pantanos son reservorios temporales. Los océanos
tienen agua salada por la presencia de minerales, los cuales no pueden
llevarse con el vapor de agua. Así, la lluvia y la nieve contienen agua
relativamente limpia, con la excepción de los contaminantes que el agua
arrastra de la atmósfera.
En el ciclo del agua la energía es provista por el sol, el cual
produce la evaporación y, además, provee la energía para los sistemas
climáticos que permiten el movimiento del vapor de agua (nubes) de un
lugar a otro (de otro modo siempre llovería solo sobre los océanos).
Los organismos juegan un rol muy importante en el ciclo del agua, la
mayoría contienen importantes cantidades de agua (hasta un 90% en
peso). Animales y plantas pierden agua de sus cuerpos por evaporación.
En las plantas el agua tomada por las raíces se mueve hacia las hojas
donde se pierde por transpiración. Tanto en plantas como en animales,
la ruptura de los carbohidratos (azúcares) para producir energía
(respiración) produce CO2 y agua como productos de desecho.
La fotosíntesis invierte esta reacción, el agua y el CO2 se
combinan para formar carbohidratos
Curiosidad:
¿Cómo afecta la acción humana al ciclo del agua?
Las
acciones humanas pueden agotar el suministro del agua
subterránea, causando una escasez de ésta y el
consecuente hundimiento de la tierra al ser extraído el
líquido. Al remover la vegetación, el agua fluye sobre
el suelo más rápidamente de modo que tiene menos
tiempo para absorberse en la superficie. Esto provoca un
agotamiento del agua subterránea y la erosión
acelerada del suelo.
-
Amonificación:
proceso por el cual los descomponedores degradan las proteínas y
los aminoácidos, liberando el exceso de nitrógeno en forma de
amoníaco (NH3) o ion amonio (NH4+)
- Asimilación (de nitrógeno):
conversión de nitrógeno inorgánico a moléculas inorgánicas de los seres
vivos.
- Carbohidrato:
compuesto que contiene carbono, hidrógeno y oxígeno en la proporción
aproximada de C:2H:O; por ejemplo: azúcares, almidón y celulosa.
-
Condensación: cambio físico en el que el agua en estado de vapor
o gaseoso pasa al estado líquido.
-
Desnitrificación:
proceso por el cual ciertas bacterias que viven en suelos pobremente
aireados degradan nitratos utilizando el oxígeno para su propia
respiración y devolviendo el nitrógeno a la atmósfera.
-
Evaporación:
cambio físico en el que un líquido pasa al estado gaseoso o de
vapor.
- Fijación del nitrógeno:
conversión de nitrógeno atmosférico en amoníaco.
-
Fotosíntesis:
serie completa de reacciones químicas en las que se utiliza la energía
de la luz para sintetizar moléculas orgánicas energéticas, por lo
general carbohidratos, a partir de moléculas inorgánicas poco
energéticas, generalmente dióxido de carbono y agua.
- Gas natural:
El que procede de formaciones geológicas o aceites naturales.
Ej.: la calefacción de casa funciona con gas natural.
- Hulla:
mineral fósil negro y brillante, muy rico en carbono (entre 75 y 90 %),
se usa como
combustible, y un
contenido en volátiles que oscila entre 20 y 35 %. Tiene un poder
calorífico
-
Nitrificación: la oxidación del
amoníaco o del amonio a nitritos y nitratos, como ocurre por la acción
de las bacterias nitrificantes.
- Nitrogenasa: enzima utilizada por
las bacterias fijadoras de nirógeno.
- Petróleo:
Líquido natural oleaginoso e inflamable, constituido por una mezcla de
hidrocarburos, que se extrae de lechos geológicos continentales y
marítimos y tiene múltiples aplicaciones químicas e industriales: el
gasoil y la nafta se obtienen del petróleo.
-
Precipitación:
agua en forma de lluvia, granizo o nieve que cae desde la atmósfera
sobre la tierra y cuerpos de agua.
-
Transpiración: evaporación de agua a
través de los estomas de una hoja.
-
Audesirk, T.Y Audesirk, G. Biología. La Vida en la Tierra. Prentice Hall.
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Campbell, Neil A., Mitchell, Lawrence G., Reece, Jane B. Biología. Conceptos y Relaciones. Tercera Edición. Pearson Educación.
- G. Tyler Miller, Jr. Ecología y Medio Ambiente. Grupo
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