jueves, 8 de diciembre de 2016

4 CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

El intercambio de nutrientes entre uno organismo y su medioambiente es uno de los aspectos esenciales de la función de un ecosistema, ya que en ella podemos evaluar directamente las relaciones entre los factores bióticos y los factores abióticos. Una diatomea que vive en las aguas superficiales de un lago absorbe el ion fosfato de las aguas que la rodean, lo cual debe hacerse de forma activa ya que dicho ion es bastante raro en solución y todos sus vecinos compiten por obtenerlo. Una vez en el interior de sus fluidos, el ion fosfato será incorporado tanto a su ADN para hacer más células o permanecerá en espera para ser parte del metabolismo energético. Si la diatomea hace fotosíntesis la energía de las reacciones de la luz será almacenada en forma de enlaces pirofosfato entre los iones fosfato y la adenosina, formando la unidad energética del metabolismo de los seres vivos, el ATP. Posteriormente el ATP será empleado para construir otras moléculas de almacenamiento energético como azucares y grasas. Una vez que la diatomea ha alcanzado el tamaño suficiente puede realizar los procesos de mitosis o meiosis produciendo células hijas o gametos. 

Unas horas más tarde alguna de las células hijas de la diatomea es consumida por un cladocerano, un microorganismo que se alimenta de las algas y que generalmente clasificamos como miembro del zooplancton. El cladocerano destruye los azúcares y grasas de la diatomea para producir su propio ATP a partir del fosfato que venía en la propia diatomea y la energía de sus biomoléculas. Este cladocerano vivirá dos días más y luego será consumido por una carpita cabezona. Al interior de la carpita los procesos se repiten, la grasa, azúcares y fosfato son reorganizados para hacer parte del cuerpo de la carpita quien genera su propio ADN, azúcares y grasas. Unas semanas más tarde la carpita es devorada por un gran lucio y nuevamente el proceso se repite. Finalmente en el invierno el lucio no logra sobrevivir al frio y muere. Sus tejidos son atacados por las bacterias y hongos, y durante la des composición parte del ion fosfato regresa a las aguas circundantes. En la siguiente primavera la misma molécula de ion fosfato es tomada por otra diatomea y el ciclo da inicio nuevamente.

En el capítulo anterior vimos que la energía realiza un viaje únicamente de ida a través de los niveles tróficos, aunque no discutimos hacia donde se marcha. La energía debe seguir la segunda ley de la termodinámica, lo cual implica que en cada transferencia energética cerca del 90% de la energía debe perderse en forma de calor al universo, finalmente no hay más niveles tróficos debido a que la mayor parte de la energía se dispersa y no es aprovechable por los seres vivos, en otras palabras la energía no puede reciclarse, una vez empleada jamás podrá ser recuperada para que el universo pueda emplearla para algo útil NUNCA JAMAS.

Sin embargo cuando hablamos de materia como electrones o átomos la cosa cambia, la materia no se destruye, y sus estados energéticos pueden recuperarse siempre y cuando exista un influjo de energía externa, como es el caso del Sol o de un boquete volcánico submarino. Nada sale de la nada, y aun así pareciera que nuestro planeta posee una cantidad inacabable de recursos. Aun así nuestro planeta es como una gran nave espacial que viaja por el cosmos, y que además recibe muy poca materia extra por parte de los meteoritos y cometas. Lo anterior implica que la materia debe realizar movimientos cíclicos de gasto y reposición, desde un ecosistema a otro, desde un ser vivo a otro, desde la química de la vida a la química a la química no viva y viceversa de manera periódica, dando la ilusión  de que los recursos nunca se acaban. Ciertos materiales son muy propensos a moverse en ciclos que pueden involucrar grandes porciones del planeta, y debido a que en algunas partes están contenidos en materia viviente y no viviente alternativamente se los denomina ciclos biogeoquímicos (materiales químicos que se mueven en la vida y en el suelo)

En niveles prácticos podemos despreciar la cantidad de materia que puede escapar de la atmósfera y la que ingresa, así que podemos teorizar con bastante seguridad que los ciclos de estos materiales se realizan sin pérdida de materia para el planeta, aun cuando un ecosistema puede perder mucho de ciertos materiales o ganar de manera exagerada algunos de estos materiales. Cualquiera de los dos picos se lo considera un disturbio en la comunidad biológica y puede dar lugar a alteraciones en la diversidad. Aunque los materiales de los que están hechos los seres vivos son muy diversos, por lo general en los cursos de introducción a la ecología se consideran los siguientes: el ciclo del carbono, el ciclo del agua, el ciclo del nitrógeno y el ciclo del fósforo.

En general, los elementos necesarios para mantener la productividad de un ecosistema son denominados nutrientes. Los ecólogos se refieren al uso, transformación, movimiento, y retorno de nutrientes al ecosistema como el reciclaje de nutrientes. A pesar de su importancia, estos nutrientes son escasos en los ecosistemas, y cuando no lo son, se encuentran en formas minerales que son muy difíciles de aprovechar pos los seres vivos, lo cual los convierte en elementos limitantes de la productividad primaria de un ecosistema, lo cual genera tenciones de competencia, parasitismo o depredación para su apropiada obtención.

Por muchos años el estudio del ciclo de los elementos a través de los ecosistemas, ya sea en los reservorios vivos o en los reservorios minerales fue realizado con un mero interés académico, sin embargo su estudio en la actualidad puede ser considerado un asunto de salud pública, debido a que los seres humanos hemos alterado radicalmente los equilibrios de estas sustancias, además de haber introducido otras sustancias que pueden denominarse como toxinas, pero que se mueven por los mismos mecanismos que los nutrientes, es decir las relaciones de depredador-presa en los niveles tróficos.

Tal vez el ciclo mejor entendido y más estudiado es el ciclo del carbono, pues es al mismo tiempo el que los humanos más hemos alterado, lo cual ha traído diversas consecuencias no biológicas como el efecto de invernadero o la acidificación de los océanos. Sin embargo otros elementos críticos para los seres vivos también se encuentran fuera de balance, y la mayoría de la comunidad científica se encuentra de acuerdo en que el futuro de la biosfera, la cual incluye no solo a los bosques, lagos y montañas, sino también a la economía planetaria, sea esta capitalista o comunista, dependerá de nuestra capacidad de entender y responder a dichos cambios, para mantener la homeostasis planetaria.
A continuación analizaremos los ciclos más importantes de nutrientes, y en el siguiente capítulo analizaremos los de las toxinas.

Referencias generales: (Begon et al., 2006; Belk & Maier, 2013; Cunningham & Cunningham, 2007; Hoefnagels, 2015; Mason et al., 2014; Molles, 2013; Odum & Barrett, 2004; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2008; Starr et al., 2013; Tarbuck et al., 2014)


4.1 Ciclo del carbono

Es el elemento del cual están hechos todos los biocompuestos de importancia, y que a su vez conforman la célula, estos son las proteínas, los lípidos, os carbohidratos y algunos cofactores. El carbono se puede encontrar en dos fases, una disuelta en gas en el aire atmosférico, donde representa el 0.04% de la atmósfera. 

El dióxido de carbono también se puede presentar en forma diluida y molecular en el agua. El dióxido de carbono atmosférico, el dióxido de carbono en el agua, el ácido carbónico molecular, el ion bicarbonato y el ion carbonato son todos miembros de un sistema complejo de equilibrio químico, si se incrementa la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera, el equilibrio químico tiende a incrementar la cantidad de iones del ácido carbónico en  agua haciendo que los océanos se hagan más salados.


Todas las formas anteriores del carbono se encuentran en forma molecular, ya sea unidas con oxígeno, con hidrogeno o con los dos. El carbono también se encuentra en el suelo, en diferentes tipos de minerales como el carbonato de calcio, la hulla, la antracita, el lignito, la turba, el grafito, el bitumen, el petróleo, el gas natural y los valiosos diamantes.

Como sucede con los demás bioelementos, por lo general el carbón encerrado en forma mineral es inaccesible a los seres vivos, y solo cuando se calienta lo suficiente para oxidarse con oxígeno es que el carbón mineral puede hacerse accesible a los seres vivos. Por lo anterior, el dióxido de carbono siempre se habrá de encontrar en tres grandes zonas, la vida, la atmósfera y el agua.

Durante la fotosíntesis, las plantas arrebatan dióxido de carbono de la atmósfera y lo fijan en la materia viviente junto con protones provenientes del agua para generar todos los biocomuestos necesarios para la construcción de las células. En este punto el carbono es cargado con energía y empleado para realizar funciones metabólicas. Algunas veces cuando la célula necesita energía, oxida a estos materiales de carbono rompiéndolos. Sin embargo el carbono solo puede escapar de los subciclos del metabolismo de la vida si es oxidado completamente a dióxido de carbono como ocurre en la respiración celular aeróbica.

Una vez se da la oxidación total del dióxido de carbono este retorna a la atmosfera completando un ala del ciclo. El carbono secuestrado por el sistema metabólico de la vida puede mantenerse en este sistema por cientos o miles de años.

El carbono encerrado en la materia viva puede mineralizarse en ciertas condiciones análogas a la fosilización, en este caso la materia viva en lugar de servir de marco para formar roca alrededor de ella, se convierte en carbón mineral como la hulla y el lignito, haciéndose inaccesible para los seres vivos. De todas las formas de carbón mineral la que más ha impactado el modo de vida de la era moderna es el petróleo. Actualmente las actividades humanas han reintegrado al ciclo una gran cantidad de carbono mineral a la atmósfera, lo cual ha afectado el clima del planeta.


En el modelo anterior podemos ver: (1) fijación por fotosíntesis (2) respiración celular aeróbica de animales, plantas, bacterias del suelo y descomponedores, (3) mineralización a lignito, (4) y (6) mineralización a gas natural y petróleo, (5)  liberación de carbón mineral por quema de combustibles fósiles, (7) erosión de rocas de carbonatos por lluvia, (sin número, extremo superior derecho), disolución y entablado de equilibrio químico del dióxido de carbono con sus formas ácidas en el agua. 

Referencias generales: (Begon et al., 2006; Belk & Maier, 2013; Cunningham & Cunningham, 2007; Hoefnagels, 2015; Mason et al., 2014; Molles, 2013; Odum & Barrett, 2004; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2008; Starr et al., 2013; Tarbuck et al., 2014)

4.2 El ciclo del nitrógeno

La dificultad de visualizar el ciclo del nitrógeno surge de la nomenclatura de sus materiales, el nitrógeno puede estar presente en una infinidad de materiales químicos inorgánicos, aunque los más importantes son el nitrógeno molecular, los radicales de nitrato y el amoniaco/amonio.

El nitrógeno molecular, que es gaseoso y se encuentra en la atmosfera siendo el componente dominante de esta,  casi el 78.1% de la atmosfera del planeta es nitrógeno, mientras que el 20.1 es oxígeno.



El nitrógeno también se puede encontrar en forma disuelta, en varias especies, por ejemplo en los radicales de nitrato, producto de la disociación de varias sales, o en forma de amoniaco/amonio. Todas las demás formas contribuyen poco al ciclo del nitrógeno, pues por ejemplo las sales del nitrógeno que no se disuelven a radicales, permanecen inaccesibles para los seres vivos.

Las formas en que el nitrógeno es contenido en la materia viva son por lo general en las proteínas y cofactores, aunque algunos lípidos pueden llegar a contener algún átomo de nitrógeno. 

El nitrógeno es un bioelemento limitante, es decir, siempre es escaso en la materia viva, de hecho muchos parásitos atacan a sus víctimas en búsqueda de este elemento. Más aun, el nitrógeno es uno de los elementos más importantes que se almacenan en los fertilizantes para los cultivos de producción a gran escala, la pregunta es ¿Por qué?, después de todo al examinar la composición de la atmosfera hay más que suficiente nitrógeno.

La respuesta a esta pregunta es eminentemente metabólica, así como los animales no poseen las rutas metabólicas para fijar el carbono de la atmosfera, las plantas y los animales carecen de las rutas metabólicas necesarias para fijar el nitrógeno de la atmosfera. En otras palabras, las plantas están rodeadas de nitrógeno que no pueden utilizar.

Por lo general solo existen dos formas de fijar nitrógeno, la artificial y la natural.

La fijación de nitrógeno artificial se basa en el uso industrial del proceso de Haber y en la reducción de nitrógeno ambiental, el cualquier caso el producto que se busca es una forma de nitrógeno que se pueda emplear para los fertilizantes. Otra forma de obtener nitrógeno artificial aunque en menor escala es el que es contenido en algunos hidrocarburos naturales, aunque en formas mínimas. 

La forma natural ha tenido una gran de confusiones a lo largo de la literatura biológica por años. Por ejemplo, a pesar de que  es bien sabida la influencia de las micorrizas “hongos simbióticos con raíces de plantas” en la fijación del nitrógeno, y aunque en la literatura original de cuando se descubrieron estos hongos se decía que eran los hongos quienes realizaban la fijación, actualmente se sabe que la simbiosis es más compleja, y es representada por al menos tres grupos. La planta, el hongo y las bacterias nitrificantes.

Son las bacterias y únicamente las bacterias quienes poseen las rutas metabólicas necesarias para fijar el carbono inorgánico en formas orgánicas, que luego pueden ser trasladadas a los hongos y de estos a las plantas. Los dos grupos más importantes de bacterias fijadoras de nitrógeno son el Rhizobium que se encuentra asociado a las raíces de algunas plantas, ya sea con presencia de hongo o no “las leguminosas son particularmente ricas en esta simbiosis” y las cianobacterias en los océanos.

La fijación de nitrógeno es costosa, un grupo de bacterias es necesario oxidar 12 gramos de glucosa para poder fijar un solo gramo de nitrógeno, es por esta razón que el nitrógeno es escaso en los sistemas biológicos, convirtiéndose en un elemento limitante para el desarrollo de biomasa.

Luego de la nitrificación, el nitrógeno orgánico puede ser transferido a las plantas y otros seres vivos el suelo, ya sea por una asociación simbiótica, por depredación, o por absorción del nitrógeno segregado por las bacterias que mueren constantemente en los microambientes del suelo.

El siguiente paso en el ciclo del nitrógeno es la amonificación, ocurre cuando los seres vivos oxidan compuestos biológicos que contienen nitrógeno hasta límites tóxicos y los excretan fuera de sus cuerpos. Otra forma de amonificación es cuando un ser vivo grande muere, dejando los restos de su cuerpo biológico para que se pudran en el amiente. En términos químicos la amonificación es la oxidación de compuestos altamente complejos a amonio/amoniaco, el cual es soluble en agua. El amonio/amoniaco disuelto puede ser reingresado a los sistemas biológicos con mucha facilidad a diferencia del nitrógeno molecular.

Por último, el nitrógeno puede escapar de los sistemas vivientes, mediante su reducción, esto se logra mediante bacterias que emplean a los compuestos del nitrógeno de una manera análoga que las plantas emplean el agua, de esta forma generan rutas metabólicas cuyo producto de desecho es nitrógeno molecular que regresa a la atmosfera.




En el modelo anterior tenemos: (1) Fijación del nitrógeno por bacterias o de manera industrial, (2) nitrificación, (3) asimilación y absorción por parte de plantas y luego animales, (4) Descomposición y retorno a la forma de amoníaco/amonio, (5) desnitrificación.

Referencias generales: (Begon et al., 2006; Belk & Maier, 2013; Cunningham & Cunningham, 2007; Hoefnagels, 2015; Mason et al., 2014; Molles, 2013; Odum & Barrett, 2004; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2008; Starr et al., 2013; Tarbuck et al., 2014)

4.3 El ciclo del fósforo

El fósforo no existe en fase gaseosa, por lo que se encuentra contenido en disolución, en forma mineral o en forma biológica. La forma química más importante del fósforo es sin duda el radical fosfato, pues como tal hace parte del esqueleto de los ácidos nucleicos, sus enlaces son la clave del almacenamiento energético del ATP, y también le otorga gran parte de su polaridad a los fosfolípidos de la membrana biológica.

A pesar de que el primer paso del ciclo del fósforo es su arrebatamiento de minerales orgánicos, tal ideas es más fácil decirla que hacerla. De manera análoga a lo que ocurre con el nitrógeno gaseoso, el fósforo mineral es virtualmente imposible de obtener de la roca por parte de los sistemas vivientes. Más aun, en los modelos para el origen de la vida uno de los problemas que más cabezas ha roto en los últimos 50 años ha sido precisamente la carencia de fósforo.

Debido a su ubicuidad en los bioelementos, pero a su difícil obtención, el fósforo es un bioelemento limitante de la biomasa de una comunidad biológica.

Aunque de manera muy limitada, el agua puede erosionar el fósforo mineral que se encuentra en forma de sales diluyéndolas para formar iones fosfato. Una vez como ion fosfato disuelto en agua, las células pueden absorberlo por transporte activo o transporte activo facilitado. 

El fosfato se puede perder fácilmente de los ecosistemas terrestres, un suelo sin raíces puede lavar el fosfato de la superficie y llevarlo hasta el océano donde se deposita en el lecho marino, volviendo a ser secuestrado de manera mineral.

Por otro lado, en términos de la química prebiótica, el fosfato necesario para las primeras reacciones de la vida pudo haber provenido de meteoritos y no de la roca terrestre.


En el modelo anterior tenemos: (1) Erosión de las rocas "dificil", (2) y (3)  ciclo biológico interno de radicales fosfato, (4) mineralización, (5) levantamiento por tectónica de placas.

Referencias generales: (Begon et al., 2006; Belk & Maier, 2013; Cunningham & Cunningham, 2007; Hoefnagels, 2015; Mason et al., 2014; Molles, 2013; Odum & Barrett, 2004; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2008; Starr et al., 2013; Tarbuck et al., 2014)

4.4 El ciclo del agua

El ciclo del agua a pesar de ser uno de los primeros en ser reconocido como tal “ya desde la época de los sumerios”, no es tan sencillo como uno podría suponer. Todos sabemos que el agua puede alternarse como liquido en los ríos, océanos y el interior de los seres vivos y como vapor en la atmósfera  sin embargo también experimenta un ala cíclica de reacciones.

El ciclo del agua en términos de las reacciones comienza en la respiración celular aeróbica, allí el oxígeno molecular es unido a dos protones ácidos para formar agua, la cual puede ser empleada por la célula para otros propósitos. Cuando el ser vivo suda o exhala emite vapor de agua, tanto del agua absorbida como tal, como de la que es sintetizada a partir del oxígeno atmosférico.

De manera opuesta, las plantas en la primer reacción de la fotosíntesis bajo el fotosistema del tipo II lo primero que hacen es romper agua, para generar dos protones ácidos, electrones de baja energía y oxigeno molecular que es emitido al ambiente. En este sentido el ciclo del agua también contiene implícitamente el ciclo del oxígeno y el ciclo del hidrógeno

Existen muchos otros elementos que deben fluir en ciclos biogeoquímicos como el hierro, el calcio, y el magnesio, así como todos los demás elementos empleados por los seres vivos, pero los anteriores son los que con mayor normalidad son expuestos en los libros de texto de introducción a la biología y de ecología especializados.

Referencias generales: (Begon et al., 2006; Belk & Maier, 2013; Cunningham & Cunningham, 2007; Hoefnagels, 2015; Mason et al., 2014; Molles, 2013; Odum & Barrett, 2004; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2008; Starr et al., 2013; Tarbuck et al., 2014)

6 comentarios:

  1. Hola!

    Espero que te encuentres bien. Me preguntaba si podrías darme las referencias completas de las imágenes que utilizaste, quisiera leer el libro o artículo de donde salieron.

    Muchas gracias por la ayuda, de antemano.

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    1. Creo que fue de la Tarbuck et al., 2014

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    2. No creo, ese libro es de introducción a la geología.

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    3. Revisando esa imagen es de la Solomon, aunque cualquier biología general las presenta.

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  2. Muchas gracias! La encontré en el libro de Biología de Solomon 2008.

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  3. profe como se hace para que no haya espacio entre parrafos

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