(Ciencias de Joseleg) (Biología) (Ecología) (El ecosistema) (Introducción) (Generalidades) (Factores abióticos) (Productividad) (Ciclos biogeoquímicos) (Ciclos biogeoquímicos alterados) (Ingeniero de ecosistemas) (Servicios de los ecosistemas) (Interacciones complejas) (Nicho) (Referencias bibliográficas)
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.
Figura 33. El fósforo fluye en el
ecosistema. En el esquema anterior podemos ver que aunque la línea que
representa la energía es unidireccional, la que representa al fósforo (P) es
cíclica, pues los materiales pueden ser reciclados, siempre y cuando se tenga
energía disponible para esa labor.
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
camarón 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 camarón 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 atmosfera 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.
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.
Figura 34. El ciclo del carbono. 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.
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 atmosfera y el agua.
Durante la fotosíntesis, las plantas arrebatan dióxido de
carbono de la atmosfera 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.
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.
Figura 35. El ciclo del nitrógeno. 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.
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.
Figura 36. El ciclo del fósforo. En el modelo
anterior tenemos: (1) Erosión de las rocas "difícil", (2) y (3) ciclo biológico interno de radicales fosfato,
(4) mineralización, (5) levantamiento por tectónica de placas.
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
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.
El fósforo no existe en fase gaseosa, por lo que
se encuentra contenido en dilución, 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.
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.
Figura 37. Precipitación sobre el continente, (2)
evaporación desde el océano o el continente, (3) transpiración vegetal, (4)
flujo desde las montañas al océano por medio de ríos, (5) filtración a
acuíferos subterráneos. De todos estos, debemos enfatizar la evaporación por
transpiración, pues en la selva húmeda tropical, puede generar literalmente
ríos en el cielo de nubes que pueden transportar materiales desde el continente
americano hasta el africano, pasando por todo el océano, y así fertilizando grandes
porciones del planeta.
De manera opuesta, las plantas en la primera 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.
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