46.3C: El Ciclo del Carbono
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- Distinguir entre los ciclos biológicos y biogeoquímicos del carbono
El carbono, el segundo elemento más abundante en los organismos vivos, está presente en todas las moléculas orgánicas. Su papel en la estructura de las macromoléculas es de primordial importancia para los organismos vivos. Los compuestos de carbono contienen formas especialmente altas de energía, que los humanos usan como combustible. Desde el siglo XIX (inicio de la Revolución Industrial), aumentó el número de países que utilizan cantidades masivas de combustibles fósiles, lo que elevó los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera. Este incremento en el dióxido de carbono se ha asociado con el cambio climático y otras perturbaciones de los ecosistemas terrestres. Es una preocupación ambiental importante a nivel mundial.
El ciclo del carbono se estudia más fácilmente como dos subciclos interconectados: uno que se ocupa del intercambio rápido de carbono entre organismos vivos y el otro se ocupa del ciclo a largo plazo del carbono a través de procesos geológicos.
El Ciclo Biológico del Carbono
Los organismos vivos están conectados de muchas maneras, incluso entre ecosistemas. Un buen ejemplo de esta conexión es el intercambio de carbono entre autótrofos y heterótrofos. El dióxido de carbono es el componente básico que la mayoría de los autótrofos utilizan para construir compuestos multicarbonados y de alta energía, como la glucosa. La energía aprovechada del sol es utilizada por estos organismos para formar los enlaces covalentes que unen los átomos de carbono entre sí. Estos enlaces químicos almacenan esta energía para su posterior uso en el proceso de respiración. La mayoría de los autótrofos terrestres obtienen su dióxido de carbono directamente de la atmósfera, mientras que los autótrofos marinos lo adquieren en forma disuelta (ácido carbónico, H 2 CO 3 −). Sin embargo se adquiere dióxido de carbono, un subproducto del proceso es el oxígeno. Los organismos fotosintéticos son los encargados de depositar aproximadamente el 21 por ciento del contenido de oxígeno en la atmósfera que hoy observamos.
Los heterótrofos adquieren los compuestos de carbono de alta energía de los autótrofos al consumirlos y descomponerlos por respiración para obtener energía celular, como el ATP. El tipo de respiración más eficiente, la respiración aeróbica, requiere oxígeno obtenido de la atmósfera o disuelto en agua. Así, existe un intercambio constante de oxígeno y dióxido de carbono entre los autótrofos (que necesitan el carbono) y los heterótrofos (que necesitan el oxígeno). El intercambio de gases a través de la atmósfera y el agua es una forma en que el ciclo del carbono conecta todos los organismos vivos de la Tierra.
El Ciclo Biogeoquímico del Carbono
El movimiento del carbono a través de la tierra, el agua y el aire es complejo y, en muchos casos, ocurre mucho más lentamente que el ciclo biológico del carbono. El carbono se almacena durante largos períodos en lo que se conoce como reservorios de carbono, que incluyen la atmósfera, cuerpos de agua líquida (principalmente océanos), sedimentos oceánicos, suelos, sedimentos terrestres (incluidos los combustibles fósiles) y el interior de la tierra.
Como se dijo, la atmósfera, un importante reservorio de carbono en forma de dióxido de carbono, es esencial para el proceso de fotosíntesis. El nivel de dióxido de carbono en la atmósfera está muy influenciado por el reservorio de carbono en los océanos. El intercambio de carbono entre la atmósfera y los reservorios de agua influye en la cantidad de carbono que se encuentra en cada ubicación; cada uno afecta recíprocamente al otro. El dióxido de carbono (CO 2) de la atmósfera se disuelve en agua, combinándose con moléculas de agua para formar ácido carbónico. Luego se ioniza a iones carbonato y bicarbonato.
Más del 90 por ciento del carbono en el océano se encuentra como iones bicarbonato. Algunos de estos iones se combinan con calcio de agua de mar para formar carbonato de calcio (CaCo 3), un componente importante de las conchas de organismos marinos. Estos organismos eventualmente forman sedimentos en el fondo oceánico. A lo largo del tiempo geológico, el carbonato de calcio forma piedra caliza, que comprende el mayor reservorio de carbono de la tierra
En tierra, el carbono se almacena en el suelo como resultado de la descomposición de organismos vivos o la meteorización de rocas terrestres y minerales. Este carbono puede ser lixiviado en los depósitos de agua por escorrentía superficial. Más profundo bajo tierra, en tierra y en el mar, son los combustibles fósiles: los restos anaeróbicamente descompuestos de plantas que tardan millones de años en formarse. Los combustibles fósiles se consideran un recurso no renovable porque su uso excede con creces su tasa de formación. Un recurso no renovable o bien se regenera muy lentamente o no se regenera en absoluto. Otra forma para que el carbono ingrese a la atmósfera es desde tierra por la erupción de volcanes y otros sistemas geotérmicos. Los sedimentos de carbono del fondo oceánico son capturados profundamente dentro de la tierra por el proceso de subducción: el movimiento de una placa tectónica debajo de otra. El carbono se libera como dióxido de carbono cuando un volcán entra en erupción o desde respiraderos hidrotermales volcánicos.
El dióxido de carbono también se agrega a la atmósfera por la cría y crianza del ganado. El gran número de animales terrestres criados para alimentar a la creciente población de la tierra da como resultado un aumento de los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera debido a las prácticas agrícolas, la respiración y la producción de metano. Este es otro ejemplo de cómo la actividad humana afecta indirectamente a los ciclos biogeoquímicos de manera significativa. Si bien gran parte del debate sobre los efectos futuros del aumento del carbono atmosférico sobre el cambio climático se centra en los combustibles fósiles, los científicos toman en cuenta los procesos naturales, como los volcanes y la respiración, a medida que modelan y predicen el impacto futuro de este incremento.
Puntos Clave
- El carbono está presente en todas las moléculas orgánicas; los compuestos de carbono contienen grandes cantidades de energía, que los humanos usan como combustible.
- El ciclo biológico del carbono es el rápido intercambio de carbono entre los seres vivos; los autótrofos utilizan el dióxido de carbono producido por los heterótrofos para producir glucosa y oxígeno, que luego son utilizados por los heterótrofos.
- El ciclo biogeoquímico ocurre a una velocidad mucho más lenta que el ciclo biológico ya que el carbono se almacena en reservorios de carbono durante largos períodos de tiempo.
- El dióxido de carbono de la atmósfera se disuelve en agua, combinándose con moléculas de agua para formar ácido carbónico, que luego se ioniza a iones carbonato y bicarbonato.
- La mayor parte del carbono en el océano está en forma de iones bicarbonato, que pueden combinarse con el calcio del agua de mar para formar carbonato de calcio (CaCO3), un componente importante de las conchas de organismos marinos.
- El carbono puede ingresar al suelo como resultado de la descomposición de organismos vivos, la meteorización de rocas, la erupción de volcanes y otros sistemas geotérmicos.
Términos Clave
- subducción: movimiento de una placa tectónica debajo de otra
- recurso no renovable: recurso, como el combustible fósil, que se regenera muy lentamente o no se regenera en absoluto
- autótrofo: Cualquier organismo que pueda sintetizar su alimento a partir de sustancias inorgánicas, utilizando el calor o la luz como fuente de energía
- heterótrofo: un organismo que requiere un suministro externo de energía en forma de alimento, ya que no puede sintetizar el suyo propio