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20 CICLOS BIOGEOQUÍMICOS El término ciclo biogeoquímico deriva del movimiento cíclico de los elementos que forman los organismos biológicos y el ambiente geológico geológico en donde interviene interviene un cambio cambio químico.
Figura 1 Ciclos biogeoquímicos Pero mientras que el flujo de energía en el ecosistema es abierto, puesto que al ser utilizada en el seno de los niveles tróficos para el mantenimiento de las funciones vitales de los seres vivos se degrada y disipa en forma de calor, no sigue un ciclo y fluye en una sola dirección. El flujo de materia es cerrado ya que los nutrientes se reciclan. La energía solar que permanentemente incide sobre la corteza terrestre, permite mantener el ciclo de dichos nutrientes y el mantenimiento mantenimiento del ecosistema. Por tanto est os ciclos biogeoquímicos son activados directa o indirectamente indirectamente por la energía que proviene del sol. Se refiere en resumen al estudio del intercambio intercambio de sustancias químicas químicas entre formas bióticas y abióticas. La materia circula desde los seres vivos hacia el ambiente abiótico, y viceversa. Esa circulación constituye los ciclos biogeoquímicos, que son los movimientos de agua, de carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo, azufre y otros elementos que en forma permanente se conectan con los componentes bióticos y abióticos de la Tierra. Las sustancias utilizadas por los seres vivos no se "pierden" aunque pueden llegar a sitios donde resultan inaccesibles 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. Nuestro planeta actúa como un sistema cerrado donde la cantidad de materia existente permanece constante, pero sufre permanentes cambios cambios en su estado químico químico dando lugar a la producción de co mpuestos simples y complejos. Es por ello ello que los ciclos de los elementos químicos gobiernan la vida sobre la Tierra, partiendo desde un estado elemental para formar componentes inorgánicos, inorgánicos, luego orgánicos y regresar a su estado elemental. En las cadenas alimentarias, los productores utilizan la materia inorgánica y la convierten en orgánica, que será la fuente alimenticia para todos los consumidores. La importancia de los descomponedores radica en la conversión que hacen de la materia orgánica en inorgánica, actuando sobre los restos depositados en la tierra y las aguas. Esos compuestos inorgánicos inorgánicos quedan a disposición disposición de los distintos productores que inician nuevamente el ciclo. Los ciclos biogeoquímicos más importantes corresponden al agua, oxígeno, carbono y nitrógeno. Gracias a estos ciclos es posible que los elementos principales (carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre) estén disponibles para ser usados una y ot ra vez por otros o rganismos. rganismos.
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20.1 Tipos de ciclos biogeoquímicos Los ciclos biogeoquímicos pueden ser gaseosos, sedimentarios y mixtos.
Ciclos gaseosos Los elementos casi siempre se distribuyen tanto en la atmósfera como en el agua y de ahí a los organismos, y así sucesivamente. Los elementos que cumplen ciclos gaseosos son el carbono, el oxígeno y el nitrógeno. La transformación de elementos de un estado a otro es relativamente rápida.
Ciclos sedimentarios Son aquellos donde los elementos permanecen formando parte de la tierra, ya sea en las rocas o en el fondo marino, y de ahí a los organismos. En estos, la transformación y recuperación de estos elementos es mucho más lenta. Ejemplos de ciclos sedimentarios son el del fósforo y el del azufre.
Ciclos mixtos El ciclo del agua es una combinación de los ciclos gaseoso y sedimentario, ya que esa sustancia permanece tanto en la atmósfera como en la corteza terrestre. Los ciclos biogeoquímicos más importantes corresponden al agua, oxígeno, carbono y nitrógeno.
20.2 Ciclo del agua
Figura 2 El ciclo del agua
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Toda el agua de la Tierra forma la hidrosfera, que se distribuye en tres reservorios principales: los océanos, los continentes y la atmósfera. Entre estos reservorios existe una circulación continua. Alrededor del 70% de la superficie del planeta está cubierta por las aguas de los océanos, lagos, ríos, arroyos, manantiales y glaciares. Al perforar el subsuelo, por lo general se puede encontrar agua a profundidades diversas (agua subterránea o mantos freáticos). La luz solar es la fuente de energía térmica necesaria para el paso del agua desde las fases líquida y sólida a la fase de vapor, y también es el origen de las circulaciones atmosféricas que transportan el vapor de agua y mueven las nubes. Los rayos solares calientan las aguas. El vapor sube a la troposfera en forma de gotitas. El agua se evapora y se concentra en las nubes. El viento traslada las nubes desde los océanos hacia los continentes. A medida que se asciende bajan las temperaturas, por lo que el vapor se condensa. Es así que se desencadenan precipitaciones en forma de lluvia y nieve. El agua caída forma los ríos y circula por ellos. Además, el agua se infiltra en la tierra y se incorpora a las aguas subterráneas (mantos freáticos). Por último, el agua de los ríos y del subsuelo desemboca en los mares. Para comprender este ciclo, es necesario entender algunos conceptos importantes como: a) Evaporación: Corresponde a la parte de agua que se devuelve a la atmósfera desde la superficie del suelo o desde las hojas de los árboles. A este último fenómeno se le denomina Intercepción, y en lluvias de corta duración sobre zonas de bosque puede devolver a la atmósfera una gran parte del agua precipitada sin haber tocado el suelo. b) Infiltración: Divide al agua entregada a la superficie del suelo en flujo superficial y agua en el suelo, pudiendo seguir caminos como: b.1) Evaporación: Se evapora desde el suelo húmedo, sin relación con la posible vegetación. b.2) Transpiración: Las ra íces de las plantas absorben el agua infiltrada en el suelo, una pequeña parte es retenida para su crecimiento y la mayor parte es transpirada. De esta forma, la suma de Evaporación + Transpiración, forma la Evapotranspiración. b.3) Escorrentía sub-superficial: Corresponde al flujo de agua que tras un corto recorrido subterráneamente vuelve a salir a la superficie. c) Escorrentía Superficial: El agua de las precipitaciones que no es evaporada ni infiltrada, escurre superficialmente. Aun así, puede ocurrir que: c.1) Una parte es evaporada: desde la superficie de ríos, lagos y embalses también se evapora una pequeña parte (proporcionalmente pequeña, si consideramos el tot al de una gran cuenca, pero puede ser muy importante en lugares áridos que se abastecen con un e mbalse). c.2) Otra parte, puede quedar retenida como nieve o hielo o en lagos o embalses (escorrentía superficial diferida). c.3) Finalmente una parte importante es la escorrentía superficial rápida que sigue su camino hacia el mar.
¿Cuál es la importancia de las plantas en el ciclo del agua? Las plantas juegan un rol importante en el ciclo del agua, ya que la purifican mediante el proceso de transpiración: las raíces de las plantas absorben agua desde el suelo, la cual se desplaza hacia arriba a través de los tallos o troncos, al llegar hacia las hojas y flores se evapora hacia el aire en forma de vapor de agua. Esta es una de las maneras que tiene la naturaleza de crear vapor de agua, el cual se eleva para formar nubes, las que eventualmente darán origen a las La lluvia que cae sobre un terreno que tiene una capa vegetal, se distribuye aproximadamente de la siguiente manera: El 80% del agua lluvia cae al suelo en forma directa, pero pierde su acción erosiva al amortiguarse con las partes del árbol.
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El suelo mayoritariamente desnudo en el que se establecen los cultivos forestales se vuelve poroso, por lo que el agua se infiltra, llegando a las napas freáticas. El 20% del agua lluvia es interceptada por las copas de los árboles y se devuelve a la atmósfera mediante la evaporación. Del agua que se infiltra, el 50% llega a los depósitos subterráneos; el 25% es usado por las plantas y devuelto posteriormente a la atmósfera por medio de la transpiración de los vegetales y el 25% restante, se evapora desde las capas superficiales del suelo y se devuelve al ciclo del agua. Según el tipo de árbol se necesitan hasta 4 milímetros de lluvia para humedecer la superficie de las hojas. Luego las gotas de agua alcanzan un tamaño que supera la tensión superficial de las hojas y caen al suelo. A la vez, gran parte del agua retenida en la superficie de las hojas se evapora. Es decir, la intercepción produce pérdida de agua.
¿Cuál es la importancia de los bosques para el ciclo del agua? Los bosques filtran y limpian el agua, amortiguan las lluvias fuertes que de otra manera erosionarían los suelos al golpear directamente, y ayudan en mantienen los caudales de los ríos. A su vez, el agua transporta nutrientes disueltos y los distribuye por todo el suelo del bosque. Los bosques actúan como "esponjas", capaces de recoger y almacenar grandes cantidades del agua de lluvia. Los suelos forestales absorben cuatro veces más agua de lluvia que los suelos cubiertos por pastos, y 18 veces más que el suelo desnudo. Con sus profundos sistemas de raíces, los árboles son capaces de extraer agua de zonas profundas del suelo. El agua se mueve por el árbol y se usa en la fotosíntesis, en el enfriamiento, y en otros procesos de crecimiento. Se evapora, como vapor de agua, desde las hojas. En este ciclo, los árboles son "fuentes de agua" vivientes que redistribuyen el líquido: la humedad, que se quedaría atrapada en forma subterránea si no fuera por los árboles, es liberada a través de sus hojas hacia el aire, donde luego se condensa formando nubes y cae de nuevo en forma de lluvia. El bosque evita que la erosión ya que, el agua que cae en el dosel del bosque, luego cae suavemente al suelo con mucho menor fuerza que la lluvia directa.
¿La presencia de bosques mejora la calidad del agua? La calidad del agua, para cualquier tipo de uso, depende de sus características físicas, químicas y biológicas . Sin embargo, la cubierta vegetal, y el bosque como estrato superior de un ecosistema forestal, contribuye a que a través de las escorrentías, tanto superficiales como subterráneas, el agua se acerque progresivamente, a la composición del agua destilada (agua que es sometida a un proceso de pureza, eliminando microorganismos, sales minerales y otros agentes extraños a la constitución propia del agua). La inexistencia de sedimentos en las aguas que drenan las áreas del bosque, dan lugar a una gran calidad de agua en cuanto a materias en suspensión. Por otro lado, hay que considerar la menor temperatura del agua en estos cursos, que propicia un mayor contenido en oxígeno y, por tanto, una mayor capacidad de depuración. Un curso de agua que fluye por una zona deforestada mantiene una temperatura entre 3 y 7 grados por e ncima del que corre entre una zona con bosques. Los árboles controlan además la cantidad de nutrientes que salen del ecosistema arrastrados por las aguas de escorrentía, frenando los procesos de eutrofización.
¿Cómo es el ciclo hidrológico en un terreno sin vegetación?
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Completamente diferente, cuando no hay una vegetación que proteja los suelos o las laderas que forman una cuenca hidrográfica, el agua de lluvia que precipita al no encontrar algo que la retenga con sus hojas, ramas y raíces en el suelo, escurre rápidamente hacia las partes bajas, provocando bruscas subidas de caudales, pero también violentas disminuciones. Además, como no hay vegetación que produzca sombra, el agua está totalmente expuesta a los rayos solares, lo que aumenta su evaporación disminuyendo su utilidad. El agua es esencial para la vida en el planeta y por lo tanto para las sociedades humanas.
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.
20.3 Ciclo del carbono Es uno de los elementos más importantes de la naturaleza. Combinado con oxígeno forma dióxido de carbono y monóxido de carbono. La atmósfera contiene alrededor de 0.03 % de dióxido de carbono. Es el elemento básico de los compuestos orgánicos (hidratos de carbono, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos). El carbono también forma parte de sales llamadas carbonatos, como el carbonato de sodio y e l carbonato de calcio, entre otras. El carbono, como dióxido de carbono, inicia su c iclo de la siguiente manera:
Figura 3: El ciclo del carbono
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Durante la fotosíntesis, los organismos productores (vegetales terrestres y acuáticos) absorben el dióxido de carbono, ya sea disuelto en el aire o en el agua, para transformarlo en compuestos orgánicos. Los consumidores primarios se alimentan de esos productores utilizando y degradando los elementos de carbono presentes en la materia orgánica. Gran parte de ese carbono es liberado en forma de CO 2 por la respiración, mientras que otra parte se almacena en los tejidos animales y pasa a los carnívoros (consumidores secundarios), que se alimentan de los herbívoros. Es así como el carbono pasa a los animales colaborando en la formación de materia orgánica. Los organismos de respiración aeróbica (los que utilizan oxígeno) aprovechan la glucosa durante ese proceso y al degradarla, es decir, cuando es utilizada en su metabolismo, el carbono que la forma se libera para convertirse nuevamente en dióxido de carbono que regresa a la atmósfera o al agua. Los desechos de las plantas, de los animales y de restos de organismos se descomponen por la acción de hongos y bacterias. Durante este proceso de putrefacción por parte de los descomponedores, se desprende CO2. En niveles profundos del planeta, el carbono contribuye a la formación de combustibles fósiles, como el petróleo. Este importante compuesto se ha originado de los restos de organismos que vivieron hace miles de años. Durante las erupciones volcánicas se libera parte del carbono constituyente de las rocas de la corteza terrestre. Una parte del dióxido de carbono disuelto en las aguas marinas ayuda a determinados organismos a formar estructuras como los caparazones de los caracoles de mar. Al morir, los restos de sus estructuras se depositan en el fondo del mar. Con el paso del tiempo, el carbono se disuelve en el agua y es utilizado nuevamente durante su ciclo. Los océanos contienen alrededor del 71% del carbono del planeta en forma de carbonato y bicarbonato. Un 3% adicional se encuentra en la materia orgánica muerta y el fitoplancton. El carbón fósil representa un 22%. Los ecosistemas terrestres, donde los bosques constituyen la principal reserva, contienen alrededor del 3-4% del carbono total, mientras que un pequeño porcentaje se encuentra en la atmósfera circulante y es utilizado en la fotosíntesis.
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 océa no pueden absorberlo, éstas actividades han perturbado el presupuesto global del carbono, aumentando, en forma lenta pero continua el CO 2 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 para la agricultura. Gases como el CO 2, ozono superficial (O3), óxido nitroso (N2O) y clorofluoralcanos se acumulan en la atmósfera como resultado de las actividades humanas, derivando en un au mento 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. Cambios en niveles de carbono
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Durante el día por fotosíntesis, los niveles de CO2 descienden Durante la primavera y el verano por mayor radiación solar y duración de los días, los niveles de CO2 bajan En las noches por respiración de plantas y animales el CO2 aumenta. En otoño y primavera, con la caída de las hojas, los niveles de CO 2 aumentan. Bajos niveles de fotosíntesis. Recordar las diferencias que hay en masas terrestres entre el hemisferio norte y el sur Movimiento del carbono
Fotosíntesis retira CO2 del aire y lo convierte en energía química (alimentos) Consumidores asimilan esta energía, primero herbívoros y luego carnívoros Tanto plantas como animales liberan CO 2 (respiración) Carbón en organismos muertos es devuelto a la atmósfera. Carbono en sistemas acuáticos
Similar al ambiente terrestre: Fitoplancton hace fotosíntesis: El CO2 disuelto en agua o como carbonato se convierte en tejidos de plantas. Las plantas son consumidas por herbívoros y luego por carnívoros. Los organismos (plantas y animales) respiran liberando CO2. Los organismos cuando mueren, se descomponen y devuelven carbono. El carbono no reintegrado puede formar parte de los arrecifes coralinos y piedras calizas.
20.4 Ciclo del nitrógeno La reserva fundamental es la atmósfera, que está compuesta por un 78% de nitrógeno. No obstante, la mayoría de los seres vivos no lo puede utilizar en forma directa, con lo cual dependen de los minerales presentes en el suelo para su utilización. En los organismos productores el nitrógeno ingresa en forma de nitratos, y en los consumidores en forma de grupos amino
Figura 4: El ciclo del nitrógeno
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Existen algunas bacterias especiales que pueden utilizar directamente el nitrógeno atmosférico. Esas bacterias juegan un papel muy importante en el ciclo al hacer la fijación del nitrógeno. De esta forma convierten el nitrógeno en otras formas químicas como amonio y nitratos, para que puedan ser aprovechadas por las plantas. Está compuesto por las siguientes et apas: Fijación: Se produce cuando el nitrógeno atmosférico (N2) es transformado en amoníaco (NH3) por bacterias presentes en los suelos y en las aguas. Rhizobium es un género de bacterias que viven en simbiosis dentro de los nódulos que hay en las raíces de plantas leguminosas. En ambientes acuáticos, las cianobacterias son importantes fijadoras de nitrógeno. Amonificación: Es la transformación de compuestos nitrogenados orgánicos en amoníaco. En los animales, el metabolismo de los compuestos nitrogenados da lugar a la formación de amoníaco, siendo eliminado por la orina como urea (humanos y otros mamíferos), ácido úrico (aves e insectos) o directamente en amoníaco (algunos peces y organismos acuáticos). Estas sustancias son transformadas en amoníaco o en amonio por los descomponedores presentes en los suelos y aguas. Ese amoníaco queda a disposición de otro tipo de bacterias en las siguientes etapas. Nitrificación: es la transformación del amoníaco o amonio (NH4+) en nitritos (NO2 – ) por un grupo de bacterias del género nitrosomas para luego esos nitritos convertirse en nitratos (NO3 – ) mediante otras bacterias del g énero Nitrobacter. Asimilación: Las plantas toman el amonio (NH4+) y el nitrato (NO3 – ) por las raíces para po der utilizarlos en su metabolismo. Usan esos átomos de nitrógeno para la síntesis de clorofila, de proteínas y de ácidos nucleicos (ADN y ARN). Los consumidores obtienen el nitrógeno al alimentarse de plantas y de otros animales. .Desnitrificación: Proceso llevado a cabo por bacterias desnitrificantes que necesitan utilizar el oxígeno para su respiración en suelos poco aireados y mal drenados. Para ello, degradan los nitratos y liberan el nitrógeno no utilizado a la atmósfera. Nitrificación: transformación bacteriana de amoníaco en nitratos. Desnitrificación: transformación bacteriana de nitratos en nitrógeno. Amonificación: transformación de los desechos orgánicos en amoníaco por los descomponedores. Asimilación: absorción de nitratos y amonio por las raíces de las plantas. Fijación: transformación bacteriana del nitrógeno atmosférico en amoníaco.
20.5 Ciclo del fósforo La proporción de fósforo en la materia viva es bastante pequeña, pero el papel que desempeña es vital. Es componente de los ácidos nucleicos como el ADN. Se encuentra presente en los huesos y piezas dentarias. En la fotosíntesis y en la respiración celular, muchas sustancias intermedias están combinadas con el fósforo, tal el caso del trifosfato de adenosina (ATP) que almacena energía. El fósforo es el principal factor limitante del crecimiento para los ecosistemas, porque su ciclo está muy relacionado con su movimiento entre los continentes y los océanos.
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Figura 5: El ciclo del fósforo La mayor reserva de fósforo está en la corteza terrestre y en los depósitos de rocas marinas. El fósforo se encuentra en forma de fosfatos (sales) de calcio, hierro, aluminio y manganeso La lluvia disuelve los fosfatos presentes en los suelos y los pone a disposición de los vegetales. El lavado de los suelos y el arrastre de los organismos vivos fertilizan los océanos y mares. Parte del fósforo incorporado a los peces es extraído por aves acuáticas que lo llevan a la tierra por medio de la defecación (guano). Otra parte del fósforo contenido en organismos acuáticos va al fondo de las rocas marinas cuando éstos mueren. Las bacterias fosfatizantes que están en los suelos transforman el fósforo presente en cadáveres y excrementos en fosfatos disueltos, que son absorbidos por las raíces de los vegetales. Movimiento del fósforo
El fósforo de las rocas se libera vía meteorización -acción de los elementos ambientales - agua, viento- sobre la roca-. Fósforo inorgánico El fósforo luego es arrastrado por viento y/o agua a locaciones más alejadas -sigue el ciclo del agua en la parte terrestre- y es asimilado por las plantas. Así como el Carbono y Nitrógeno, el fósforo sigue la cadena alimenticia a medida que un organismo consumo a otro. Los descomponedores liberan fosforo de desechos y organismos muertos
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El ciclo del fósforo ecosistemas acuáticos
Similar al terrestre. El fósforo disuelto en el agua es asimilado por las plantas y algas. Los moluscos y peces consumen las plantas. Los descomponedores liberan fosfato inorgánico de los desechos y organismos muertos, listo para ser usado por las plantas. El fosforo no absorbido se sedimenta y queda aislado del ciclo biológico. El fósforo tiende a ser arrastrado por los ríos hacia los océanos. Allí puede permanecer millones de años. El surgimiento de los fondos oceánicos puede hacer disponible este material de nuevo
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