ECOLOGÍA GENERAL: Ciclos Biogeoquímicos

Ciclos Biogeoquímicos

Todos los seres vivos necesitan materia y energía para llevar acabo sus funciones vitales, existiendo una constante interacción entre sus componentes en los ecosistemas dándose así el flujo de energía que no es más que el aprovechamiento de los productos primarios y secundarios por organismos que a su vez utilizaron consumidores primarios herbívoros de los cuales se alimentan los consumidores secundarios; es básica para el funcionamiento de cualquier ecosistema. Gracias a las interacciones que se dan entre diferentes organismos, la energía fluye de especie a especie, por eso se dice que la energía que atraviesa un ecosistema es unidireccional, es decir, fluye en una sola dirección; y va perdiéndose irreversiblemente a lo largo de ese flujo.

La materia, no obstante, sufre una serie de transformaciones y es utilizada de nuevo de manera cíclica del entorno abiótico al biótico y viceversa, es por ello, que la materia constituye un ciclo cerrado en el ecosistema.

Hay ~27 elementos necesarios para la síntesis de materia orgánica y la presencia de los productores, consumidores y descomponedores en los ecosistemas hace posible que el flujo de la materia sea cíclico: los distintos elementos químicos que forman parte de los seres vivos vuelven al mundo inorgánico y son reutilizados. El carbono, el oxígeno, el hidrógeno se encuentran en grandes cantidades; mientras que el nitrógeno, fósforo, y azufre no resultan tan fáciles de obtener. Pese a que haya luz y agua en cantidades suficientes, el nitrógeno y el fósforo son los elementos que limitan la productividad primaria, y de éstos, el fósforo es el elemento limitante de primer orden.

Recordando que los nutrientes son elementos y compuestos que los organismos necesitan para vivir, crecer y reproducirse, en dicho proceso conectan a las formas de vida pasadas, presentes y futuras y a todos estos procesos y fenómenos se les llama ciclos ecológicos, también se conocen como ciclos de reciclamiento de materia en los ecosistemas. Estos ciclos reciclan los nutrientes a través de la tierra, del aire, del agua y de los organismos vivos; se efectúan debido a la conjugación entre: Fenómenos astronómicos, Fenómenos geológicos y Procesos biogeoquímicos que realizan los seres vivos.

La tierra con todos sus ecosistemas toma parte de los ciclos astronómicos. Estos son producto de la interacción del planeta con el Sol y la Luna; la noche y el día, los cambios de la luna y las estaciones del año son manifestaciones de estos ciclos. No obstante, un ciclo geológico se refiere a los movimientos y transformaciones de la corteza terrestre que han tenido una gran repercusión en la vida sobre el planeta. Por medio de fenómenos como la tectónica de placas y la deriva continental, se tiene la actual distribución de los seres vivos en la Tierra.

Ahora bien, como mencionamos, la materia circula desde los seres vivos hacia el ambiente abiótico, y viceversa. Esa circulación comprende una serie de caminos realizados por la materia, que escapa de la biósfera a través de otros sistemas (atmósfera, hidrosfera o litosfera) antes de retornar a ella. Permiten el movimiento de los elementos básicos que componen la materia viva. Estas sustancias en algún momento son parte de la materia inerte y tienen su principal depósito en el suelo, la atmósfera o el agua y luego se trasladan al cuerpo de los seres vivos. Esto inicia con las plantas y circulan a través de las cadenas alimentarias a todos los organismos del ecosistema, para ir de vuelta al entorno abiótico.

Toda la materia está formada por átomos, los cuales son reciclados entre las partes bióticas y abióticas de un ecosistema. Las actividades involucradas en los ciclos de átomos pueden ser: Biológicas, Geológicas y Químicas. Sin embargo, a todos estos procesos y fenómenos de movimientos de las sustancias inorgánicas que circulan por los distintos niveles tróficos y pasan por el biotipo reciclándose continuamente constituyen lo que se denomina ciclos biogeoquímicos que son ciclos de nutrición.

Las principales características de los Ciclos Biogeoquímicos son: proceso natural de reciclaje con los seres vivos y no vivos, regulan la atmosfera, biosfera y la hidrosfera, están presente el flujo de energía y ciclo de la materia, intervienen diferentes formas de vida, hacen posible la vida en la tierra. Por su actividad como constituyentes esenciales de la materia viva, al Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno, Fósforo, Azufre se les conoce como elementos biogenésicos o bioelementos. Debido a que los seres requieren cantidades relativamente grandes de éstos, se les llama también macronutrientes.

Los ciclos biogeoquímicos se dividen en: Gaseosos o Atmosféricos y Sedimentarios. Dependiendo del estado físico del elemento durante la mayor parte del tiempo que permanezca en el ambiente abiótico.

Ciclos gaseosos o atmosféricos: estos ciclos tienen como principal depósito de sus elementos a la atmósfera; y su circulación se realiza con cierta rapidez, ya que estos gases suelen reciclarse debido a su gran disponibilidad. Aquí podemos encontrar el Carbono, Hidrógeno, Oxígeno y Nitrógeno donde son elementos de forma gaseosa; y el Carbono, principalmente, en unión con Oxígeno forma CO₂. Mientras que el Hidrogeno, Oxígeno y Nitrógeno en forma diatónica (que no es más que aquellas moléculas que están formadas por dos átomos del mismo o distinto elemento químico) (H₂, O₂, N₂) se encuentran como constituyentes constantes de la atmósfera.
Ciclos sedimentarios: los elementos tienen como depósito principal al suelo, particularmente las rocas sedimentarias. Suelen ser ciclos lentos; pues los elementos no se encuentran siempre disponibles, por lo que se consideran agentes limitantes para la vida. Entre estos se encuentran el azufre y el fósforo.

Los principales tipos o clases de ciclos biogeoquímicos más importantes:

Ciclo del Carbono: Los seres vivos están compuestos de moléculas orgánicas que contienen átomos de carbono que forma parte de las moléculas orgánicas (proteínas, lípidos y azúcares). En este ciclo se captura moléculas inorgánicas de carbono, luego se transforman en moléculas orgánicas utilizadas por los organismos y posteriormente se liberan en forma de moléculas inorgánicas de carbono al ambiente abiótico.

Suele considerarse que este ciclo está constituido por cuatro reservorios principales de carbono interconectados por rutas de intercambio. Los reservorios son la atmósfera, la biósfera terrestre (que, por lo general, incluye sistemas de agua dulce y material orgánico no vivo, como el carbono del suelo), los océanos (que incluyen el carbono inorgánico disuelto, los organismos marítimos y la materia no viva), y los sedimentos (que incluyen los combustibles fósiles).

La circulación del elemento carbono involucra los procesos de la respiración, la fotosíntesis, la descomposición, la sedimentación y la combustión. El ciclo del carbono principia con la fijación que realizan los organismos fotosintéticos. El carbono es absorbido y utilizado en la generación de carbohidratos y otras moléculas orgánicas. Al realizar la respiración, todos los seres vivos oxidan y rompen molécula de la glucosa para producir energía. Como resultado se produce nuevamente dióxido de carbono (CO₂) que en algún momento será fijado de nuevo por los autótrofos para ser reciclado.

Diagrama del Ciclo del Carbono

Fuente: (Blog Ciencias Biológicas, 2008)

Ciclo del Nitrógeno: El nitrógeno es un elemento importante para todos los organismos, pues participa en la composición de sus proteínas y ácidos nucleicos. Tiene su proceso de ciclización en el suelo y en la atmósfera donde las cianobacterias cumplen un proceso fundamental en la fijación del nitrógeno atmosférico al suelo. En otras palabras, a través de su ciclo, el nitrógeno se transporta entre el medio abiótico y el biótico. El nitrógeno se encuentra en forma libre en la atmósfera, a pesar de ser el gas más abundante en la atmósfera, 78%, la mayoría de los organismos no lo aprovecha como nitrógeno solo; sino cuando se ha convertido en nitratos o en proteínas.

Está compuesto por las siguientes etapas.

Fijación del nitrógeno: Las bacterias y cianobacterias que habitan en el suelo combina con el nitrógeno atmosférico con el hidrógeno y lo convierten en amoniaco (NH₃).
Amonificación: En ésta fase las bacterias actúan sobre los desechos nitrogenados de los animales y los restos de organismos muertos, degradando los aminoácidos y liberando el gas amoniaco (NH₃).
Nitrificación: Aquí el amoniaco se convierte primero en moléculas de nitrito simple (NO₂) por acción de las bacterias del nitrito, posteriormente los nitritos pueden convertirse en nitratos (NO₃) y éstos son aprovechados por los vegetales para la producción de aminoácidos.
Desnitrificación: Se presenta por acción de algunas bacterias anaerobias desnitrificantes, el nitrato se convierte en nitrógeno y es devuelto a la atmósfera.

Diagrama del Ciclo del Nitrógeno

Ciclo del Oxígeno: Se encuentra en la atmósfera a una concentración de 21% al nivel del mar; este porcentaje es resultado del trabajo de los organismos fotosintéticos que lo producen como un residuo metabólico, en particular de las cianobacterias, las primeras en producirlo en la historia del planeta. El oxígeno participa en los dos procesos bioquímicos más importantes de los seres vivos: La fotosíntesis (donde se produce), la respiración celular aerobia (donde se utiliza para facilitar la liberación de la energía contenida en los alimentos).

El ciclo del oxígeno es relativamente simple, está estrechamente vinculado al del carbono. Consiste en que las plantas producen oxígeno durante la fotosíntesis, que se libera al aire. El oxígeno pasa entonces a la atmósfera. Los animales, los seres humanos y demás seres vivos autótrofos y heterótrofos que respiran obtienen oxígeno y este pasa a su cuerpo donde es llevado a las células y tejidos para que estos puedan funcionar. Una vez que ha sido utilizado, regresa al aire como desecho de la respiración en forma de dióxido de carbono (CO₂). las algas en los océanos y las plantas verdes de la tierra absorben el dióxido de carbono y lo usan durante la fotosíntesis para sintetizar proteínas y conseguir la glucosa que necesitan para vivir. De nuevo, como resultado de la fotosíntesis las plantas liberan el oxígeno al aire. Así se completa el ciclo.

Diagrama del Ciclo del Oxígeno

Ciclo del Azufre: El azufre está presente dentro de todos los organismos en pequeñas cantidades, principalmente en los aminoácidos (sustancias que dan lugar a la formación de proteínas). Es esencial para que tanto vegetales como animales puedan realizar diversas funciones. El depósito principal de este elemento se encuentra en el suelo. El azufre puede depositarse también en los fondos marinos.

El azufre circula por el ecosistema siguiendo las redes tróficas. Al llegar a los descomponedores, éstos lo liberan al ambiente principalmente en forma de sulfatos. Después es absorbido por los vegetales para llegar a todos los seres vivos.

Diagrama del Ciclo del Azufre

Ciclo del Fósforo: El fósforo de los seres vivos es uno de los componentes de los ácidos nucleicos, ADN y ARN, compuestos importantes porque son moléculas transmisoras de la información genética. Forma parte de las moléculas que transfieren energía en las reacciones celulares (ATP, NADP); y casi todas las reacciones celulares necesitan fósforo. De ahí la importancia del ciclo de este elemento para todos los seres vivos. La mayor reserva de fósforo está en la corteza terrestre y en los depósitos de rocas marinas.

Inicia cuando éste es disuelto de los sedimentos por el agua, que lo arrastra hacia el mar, donde puede sedimentarse en los fondos marinos. El fósforo disuelto que no llega al mar es absorbido por las raíces de los vegetales, tras lo que se incorpora a estos organismos. Posteriormente, los animales, al alimentarse de los vegetales, absorben el fósforo. Al morir los vegetales y animales o al excretar productos de desecho estos últimos, las bacterias fosfatizantes los degradan y los transforman en fosfatos inorgánicos que cierran el ciclo.

Diagrama del Ciclo del Fósforo

Ciclos Hidrológicos: describe la presencia y el movimiento del agua en la Tierra y sobre ella. Tiene gran relevancia para el planeta, ya que el agua ocupa 71% de la superficie terrestre y constituye entre 65 y 95% del peso de los seres vivos. El agua de la Tierra está siempre en movimiento y constantemente cambiando de estado, desde líquido, a vapor, a hielo, y viceversa. El ciclo del agua ha estado ocurriendo por billones de años, y la vida sobre la Tierra depende de él; la Tierra sería un sitio inhóspito si el ciclo del agua no tuviese lugar.

El agua permanece en constante movimiento. El vapor de agua de la atmósfera se condensa y cae sobre continentes y océanos en forma de lluvia o nieve. El agua que cae en los continentes va descendiendo de las montañas en ríos, o se infiltra en el terreno acumulándose en forma de aguas subterráneas. Gran parte de las aguas continentales acaban en los océanos, o son evaporadas o transpiradas por las plantas volviendo de nuevo a la atmósfera. También de los mares y océanos está evaporándose agua constantemente. La energía del sol mantiene este ciclo en funcionamiento continuo.

Diagrama del Ciclo del Agua

Las diferentes formas de estos elementos en sus ciclos biogeoquímicos están naturalmente en equilibrio y proporcionan a los seres humanos y a todas las demás formas de vida un suministro sostenible de los recursos necesarios para la vida.

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Enlaces:

Flujo de energía: https://www.youtube.com/watch?v=9N134jd-F3A

Productividad primaria: https://aprendedeecologiageneral.blogspot.com/p/la-energia-en-los-ecosistemas.html

Biósfera: https://aprendedeecologiageneral.blogspot.com/p/biosfera.html

Niveles tróficos: https://aprendedeecologiageneral.blogspot.com/p/la-energia-en-los-ecosistemas.html

Ciclos biogeoquímicos: https://www.youtube.com/watch?v=zREW83ILc8Q

Atmósfera: https://aprendedeecologiageneral.blogspot.com/p/biosfera.html

Ciclo del Carbono: https://www.youtube.com/watch?v=7SgQA9j5W-c&list=PLlJ-LmCi75Kb0s4MFi-7HJ2Z3BR681h7h&index=8

Ciclo del Nitrógeno: https://www.youtube.com/watch?v=JXVovib1IDo&list=PLlJ-LmCi75Kb0s4MFi-7HJ2Z3BR681h7h&index=10

Ciclo del Oxígeno: https://www.youtube.com/watch?v=Il8yhRDsYgw

Ciclo del Azufre: https://www.youtube.com/watch?v=3MVk_YhUVtA&list=PLlJ-LmCi75Kb0s4MFi-7HJ2Z3BR681h7h&index=9