CICLOS BIO-GEO-QUÍMICOS

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Ciclos Bio-Geo-Químicos

El ciclo de los nutrientes inorgánicos pasa a través de varios organismos, además entran a la atmósfera, agua e inclusive a las rocas. Así, estos ciclos químicos pasan también por los biológicos y los geológicos, por lo cual se los denomina ciclos bio-geo-químicos.

Cada compuesto químico tiene su propio y único ciclo, pero todos los ciclos tienen características en común:

Reservorios: son aquellas partes del ciclo donde el compuesto químico se encuentra en grandes cantidades por largos períodos de tiempo.
Fondos de recambio: son aquellas partes del ciclo donde el compuesto químico es mantenido por cortos períodos. Este período de tiempo se denomina tiempo de residencia.

Los océanos son reservorios de agua, y las nubes son fondos de recambio. En el océano el agua permanece por cientos de años y en las nubes el tiempo de residencia no supera unos cuantos días.

La comunidad biótica incluye todos los organismos vivos. Esta comunidad puede servir como un fondo de recambio (a pesar de que algunos compuestos como el carbono, forman parte de los árboles de Sequoia por cientos de años, lo cual parece más un reservorio), y también sirven para mover elementos químicos de un estado del ciclo a otro. Por ejemplo, los árboles toman el agua del suelo y la evaporan a la atmósfera. La energía para la mayoría de las trasformaciones de los compuestos químicos es provista tanto por el sol como por el calor liberado por la tierra.

Ciclo del agua

En el ciclo del agua la energía es provista por el sol, el cual produce la evaporación ya sea de los océanos como de cualquier superficie de agua libre. El sol también 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).

Las precipitaciones ocurren cuando el vapor de agua se condensa desde el estado gaseoso de la atmósfera y cae a la tierra.
La evaporación es el proceso inverso por el cual el líquido pasa a gaseoso.
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).

En ambos casos, 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 nievo 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.

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.

Ciclo del Carbono

Desde la perspectiva biológica, los eventos claves aquí son la fotosíntesis y respiración como reacciones complementarias. La respiración toma los carbohidratos y el oxígeno y los combina para producir CO₂, agua y energía. La fotosíntesis toma el CO₂, agua y produce carbohidratos y oxígeno. Estas reacciones son complementarias tanto en sus productos como en lo referente a la cantidad de energía utilizada.
La fotosíntesis toma la energía del sol y la acumula en las cadenas carbonadas de los carbohidratos; la respiración libera esta energía rompiendo dichas cadenas.

Plantas y animales respiran, pero sólo las plantas (y otros productores como las cianobacterias) pueden realizar fotosíntesis. El reservorio principal de CO₂ está en los océanos y en las rocas. El CO₂ se disuelve rápidamente en el agua. Una vez en el agua, precipita como roca sólida conocida como carbonato de calcio (calcita). El CO₂ convertido en carbohidratos en las plantas tiene tres rutas posibles: puede liberarse a la atmósfera con la respiración, puede ser consumido por animales o es parte de la planta hasta que ésta muere.

Los animales obtienen todo el carbono de su alimento, así que todo el carbono en el sistema biológico proviene al final de los organismos autótrofos. En los animales, el carbono tiene las mismas tres rutas. Cuando las plantas y animales mueren pueden ocurrir dos hechos: la energía contenida en las moléculas es utilizada por los descomponedores (bacterias y hongos del suelo) y el carbono es liberado a la atmósfera en forma de CO₂ o puede permanecer intacto y finalmente transformarse en combustibles minerales. Los combustibles fósiles al ser utilizados liberan a la atmósfera CO₂.

El ser humano ha alterado enormemente este ciclo del carbono, ya que al quemar los combustibles fósiles se han liberado a la atmósfera excesivas cantidades de dióxido de carbono a la atmósfera. Esta condición es la principal responsable del calentamiento global ya que el CO₂ presente en grandes cantidades en la atmósfera impide que el calor del sol escape de la tierra al espacio.

El ciclo del Oxígeno

Si observamos nuevamente el ciclo del Carbono, notaremos que también describe el ciclo del Oxígeno, ya que estos átomos están frecuentemente combinados. El Oxígeno está presente en el dióxido de carbono, en los carbohidratos y en el agua, como una molécula con dos átomos de hidrógeno. El oxígeno es liberado a la atmósfera por los autótrofos durante la fotosíntesis y tomado por autótrofos y heterótrofos durante la respiración. De hecho, todo el oxígeno de la atmósfera es biogénico; esto significa que fue liberado desde el agua mediante la fotosíntesis de los organismo autótrofos. Les tomó cerca de 2 mil millones de años a los autótrofos (principalmente cianobacterias) para liberar el 21 % de oxígeno de la atmósfera actual; lo que le abrió la puerta a organismos complejos como los animales multicelulares, que necesitan de grandes cantidades de oxígeno para vivir.

Ciclo del Nitrógeno

Este es posiblemente uno de los ciclos más complicados, ya que el N se encuentra en varias formas y porque los organismos son los responsables de las interconversiones. Recuerden que el N es uno de los constituyentes de los aminoácidos y proteínas del cuerpo. Las proteínas constituyen la piel y los músculos, además de otras estructuras del cuerpo. Todas las enzimas son proteínas, responsables de todas las reacciones químicas del cuerpo. Teniendo esto en cuenta, es fácil notar la importancia del N y su ciclo.

El principal reservorio de nitrógeno es la atmósfera, con 78%. Este nitrógeno gaseoso está compuesto de dos átomos de nitrógeno unidos, el N₂ es un gas inerte, y se necesita una gran cantidad de energía para romper esta unión y combinarlo con otros elementos como el carbono y el oxígeno. Esta ruptura puede hacerse por dos mecanismos: las descargas eléctricas y la fijación fotoquímica proveen suficiente energía para romper la unión del nitrógeno y unirse a tres átomos de Oxígeno para formar nitratos (NO₃^-). Este procedimiento es reproducido en las plantas productoras de fertilizantes.

La segunda forma de fijación del nitrógeno es llevada a cabo por bacterias quienes usan enzimas especiales en lugar de la luz solar o las descargas eléctricas. Entre estas bacterias se encuentran las pueden vivir libres en el suelo, aquellas en simbiosis con raíces de ciertas plantas (Leguminosas) y las cianobacterias fotosintéticas (las antiguas "algas verde-azuladas") que viven libres en el agua. Las tres fijan N, tanto como nitratos (NO₃^-) o como amonio (NH₃). Las plantas toman los nitratos y los convierten en aminoácidos, los cuales pasan a los animales que las consumen. Cuando las plantas y animales mueren (o liberan sus desechos) el nitrógeno retorna al suelo. La forma más común en que el nitrógeno regresa al suelo es como amonio. El amonio es tóxico, pero afortunadamente, existen bacterias nitrificantes (Nitrosomonas y Nitrosococcus) que oxidan el amonio a nitritos, con dos oxígenos. Otro tipo de bacteria (Nitrobacter) continúa la oxidación del nitrito (NO₂^-) a nitrato (NO₃^-) el cual es absorbido por las plantas que completan el ciclo.

Existe un tercer grupo de bacterias desnitrificantes (entre ellas Pseudomonas desnitrificans) que convierten nitritos y nitratos en nitrógeno gaseoso.

Redacción y diagramación a cargo de :

Dra. Ana María Gonzalez, amgonza@unne.edu.ar
Dr. Jorge S. Raisman, lito@unne.edu.ar

Actualizado en Enero del 2000. Reproducción autorizada únicamente con fines educativos. Se agradecen comentarios y sugerencias.

Atmósfera: envoltura de gases que rodea la Tierra; consiste esencialmente en un 21% de oxígeno, 78% de Nitrógeno y un 0,3 % de anhídrido carbónico el resto corresponde a "gases raros".
Autótrofos (del griego autos = propio; trophe = nutrición): termino utilizado para nombrar a organismos que sintetizan sus propios nutrientes a partir de materia prima inorgánica.
Comunidad: Es la relación entre grupos de diferentes especies. Por ejemplo, las comunidades del desierto pueden consistir en conejos, coyotes, víboras, ratones, aves y plantas como los cactus.
Heterotrofos (del griego heteros = otro, diferente, trophe = nutrición): Organismos que obtienen sus alimentos rompiendo moléculas orgánicas sintetizadas por otros organismos, incluyen a animales y hongos.
Nutrición (del latín nutritio: acción y efecto de nutrir): Nutrir: del latín nutrire aumentar la sustancia viva del organismo
Simbiosis ( del griego syn = junto, con; bioonai = vivir) Asociación entre dos o más organismos de diferentes especies. Incluye 1) mutualismo donde la asociación es beneficiosa para ambos 2) comensalismo donde uno se beneficia y el otro no es dañado ni beneficiado 3) parasitismo uno se beneficia y el otro es dañado.