1.2: Ciclo de la Materia

INTRODUCCIÓN

Los sistemas biogeoquímicos de la tierra involucran procesos complejos y dinámicos que dependen de muchos factores. Los tres factores principales de los que depende la vida en la tierra son:

1. El flujo unidireccional de energía solar hacia los sistemas terrestres. Como energía radiante, es utilizada por las plantas para la producción de alimentos. Como calor, calienta el planeta y alimenta el sistema meteorológico. Eventualmente, la energía se pierde en el espacio en forma de radiación infrarroja. La mayor parte de la energía necesaria para ciclar la materia a través de los sistemas terrestres proviene del sol.
2. El ciclismo de la materia. Debido a que solo hay cantidades finitas de nutrientes disponibles en la tierra, deben ser reciclados para asegurar la existencia continua de organismos vivos.
3. La fuerza de la gravedad. Esto permite que la tierra mantenga la atmósfera abarcando su superficie y proporciona la fuerza impulsora para el movimiento descendente de los materiales en procesos que involucran el ciclo de la materia.

Estos factores son componentes críticos para el funcionamiento de los sistemas terrestres, y sus funciones están necesariamente interconectadas. Los principales sistemas de ciclo de materia involucran nutrientes importantes como agua, carbono, nitrógeno y fósforo.

CICLO DEL AGUA

A la tierra se le conoce a veces como el “planeta acuático” porque más del 70 por ciento de su superficie está cubierta por agua. Las características físicas del agua influyen en la forma en que existe la vida en la tierra. Estas características incluyen:

• El agua es un líquido a temperatura ambiente y permanece como tal en un rango de temperatura relativamente amplio (0-100° C). Este rango se superpone a la temperatura media anual de la mayoría de los ambientes biológicos.
• Se necesita una cantidad relativamente grande de energía para elevar la temperatura del agua (es decir, tiene una alta capacidad calorífica). Por esta razón, los vastos océanos actúan como amortiguador contra cambios repentinos en la temperatura global promedio.
• El agua tiene un calor de vaporización muy alto. La evaporación del agua proporciona así un buen medio para que un organismo disipe el calor no deseado.
• El agua es un buen disolvente para muchos compuestos y proporciona un buen medio para las reacciones químicas. Esto incluye compuestos y reacciones biológicamente importantes.
• El agua líquida tiene una tensión superficial muy alta, la fuerza que mantiene unida la superficie del líquido. Esto permite el transporte ascendente de agua en plantas y suelo por acción capilar.
• El agua sólida (hielo) tiene una densidad menor que el agua líquida en la superficie de la tierra. Como resultado, el hielo flota en la superficie de ríos, lagos y océanos después de que se forma, dejando agua líquida debajo donde los peces y otros organismos pueden continuar viviendo. Si el hielo fuera más denso que el agua líquida, se hundiría, y los cuerpos de agua en climas fríos podrían eventualmente congelarse sólidos.

Todos los organismos vivos requieren agua para su existencia continua. El ciclo del agua (ciclo hidrológico) está compuesto por las interconexiones entre los reservorios de agua en el ambiente y los organismos vivos y los procesos físicos (por ejemplo, evaporación y condensación) involucrados en su transporte entre esos reservorios. Los océanos contienen alrededor del 97 por ciento del agua total del planeta, lo que deja alrededor del tres por ciento como agua dulce. La mayor parte del agua dulce está encerrada en hielo glacial y capuchón o enterrada en lo profundo de la tierra donde es económicamente inviable extraerla. Una estimación da que la cantidad de agua dulce disponible para uso humano es aproximadamente 0.003 por ciento de la cantidad total de agua dulce. Sin embargo, en realidad se trata de un suministro más que adecuado, siempre y cuando el ciclo natural del agua no se vea severamente perturbado por una fuerza externa como es la actividad humana.

Existen varios procesos importantes que afectan el transporte del agua en el ciclo del agua. La evaporación es el proceso por el cual el agua líquida se convierte en vapor de agua. La fuente de energía para este proceso suele ser el sol. Por ejemplo, la radiación del sol calienta el agua superficial en un lago provocando que se evapore. El vapor de agua resultante se agrega así a la atmósfera donde puede ser transportado a otro lugar. Dos efectos importantes de la evaporación son el enfriamiento y el secado.

La transpiración es un proceso por el cual el agua se evapora de las plantas vivas. El agua del suelo es absorbida por las raíces de una planta y transportada a las hojas. Allí, algunos se pierden como vapor a la atmósfera a través de pequeñas aberturas superficiales.

Cuando el vapor de agua en la atmósfera se enfría, puede transformarse en pequeñas gotas de agua líquida. Este proceso se llama condensación, y puede ocurrir a medida que el vapor de agua se transporta a la atmósfera superior más fría. El polvo y el polen en la atmósfera ayudan a iniciar el proceso al proporcionar centros de condensación. Si las gotitas permanecen lo suficientemente pequeñas como para ser soportadas por movimientos de aire, pueden agruparse para formar una nube. La condensación también puede ocurrir en el aire cerca del suelo como niebla o en las hojas de las plantas como rocío.

Cuando las gotas de agua condensada crecen tan grandes que el aire ya no las puede soportar contra el tirón de la gravedad, caen a la tierra. Este es el proceso llamado precipitación.

Si las gotas de agua caen como líquido, se llama lluvia. Si la temperatura de la masa de aire circundante es lo suficientemente fría como para congelar las gotas de agua, la precipitación resultante puede llamarse nieve, aguanieve o granizo, dependiendo de su morfología.

El agua que cae sobre el suelo (por ejemplo, como precipitación o riego), puede moverse cuesta abajo sobre la superficie (por ejemplo, escorrentía superficial) o penetrar en la superficie (por ejemplo, infiltración). La cantidad de escurrimiento superficial e infiltración depende de varios factores: tasa de infall de agua, humedad superficial, textura del suelo o roca, tipo y cantidad de cobertura superficial (por ejemplo, hojas y plantas enraizadas) y topografía superficial. La escorrentía superficial es el proceso predominante que ocurre después de la precipitación, con la mayor parte del agua fluyendo hacia arroyos y lagos. En una ladera desprotegida por la vegetación, la escorrentía puede ocurrir muy rápidamente y resultar en una erosión severa.

El agua que se infiltra en la superficie puede moverse lentamente hacia abajo a través de las capas de suelo o roca porosa en un proceso conocido como percolación. Durante este proceso, el agua puede disolver minerales de la roca o del suelo a medida que pasa. El agua se acumula en los poros de las rocas como agua subterránea cuando es detenida por una capa impermeable de roca. El límite superior de esta agua subterránea se conoce como el nivel freático y la región de roca anegada se conoce como acuífero. El agua subterránea puede fluir lentamente cuesta abajo a través de los poros de las rocas hasta que sale de la superficie como un manantial o se filtra en un arroyo o lago.

El agua es la esencia de la vida. No habría vida tal como la conocemos sin agua. Los vastos océanos de agua ejercen una poderosa influencia en el clima y el clima. El agua es también el agente por el cual los accidentes geográficos son constantemente remodelados. Por lo tanto, el ciclo del agua juega un papel importante en el equilibrio de la naturaleza.

La actividad humana puede alterar el equilibrio natural del ciclo del agua. La acumulación de sales que resulta del riego con agua subterránea puede causar infertilidad en el suelo y el riego también puede agotar los acuíferos subterráneos causando hundimiento de la tierra o intrusión de agua salada desde el océano. La limpieza de tierras para la agricultura, la construcción o la minería puede aumentar la escorrentía superficial y la erosión, disminuyendo así la infiltración. El aumento de las poblaciones humanas y su concentración en ciertas localidades geográficas seguirán estresando los sistemas hídricos. Se necesita una reflexión cuidadosa a escala local, regional y global respecto al uso y manejo de los recursos hídricos para humedales, agricultura, industria y hogar.

CICLO DE CARBONO

El carbono es el componente básico de todos los materiales orgánicos y, por tanto, de los organismos vivos. Sin embargo, la gran mayoría del carbono reside como minerales inorgánicos en las rocas de la corteza. Otros reservorios de carbono incluyen los océanos y la atmósfera. Varios procesos físicos afectan al carbono a medida que se mueve de un reservorio a otro. Las interrelaciones entre el carbono y la biosfera, la atmósfera, los océanos y la tierra cortical —y los procesos que la afectan— son descritas por el ciclo del carbono.

El ciclo del carbono en realidad está compuesto por varios ciclos interconectados. El efecto general es que el carbono se recicla constantemente en los procesos dinámicos que tienen lugar en la atmósfera, en la superficie y en la corteza terrestre. Por ejemplo, la combustión de la madera transfiere dióxido de carbono a la atmósfera. El dióxido de carbono es absorbido por las plantas y convertido en nutrientes para su crecimiento y sustento. Los animales comen las plantas como alimento y exhalan dióxido de carbono a la atmósfera cuando respiran.

El dióxido de carbono atmosférico se disuelve en el océano donde finalmente precipita como carbonato en sedimentos. Los sedimentos oceánicos son subcanalizados por las acciones de la tectónica de placas, fundidos y luego regresados a la superficie durante la actividad volcánica. El gas dióxido de carbono se libera a la atmósfera durante las erupciones volcánicas. Algunos de los átomos de carbono en su cuerpo hoy en día pueden haber residido hace mucho tiempo en el cuerpo de un dinosaurio, o tal vez alguna vez fueron enterrados en lo profundo de la corteza terrestre como minerales de roca carbonatada.

Los principales procesos de ciclo del carbono que involucran a los organismos vivos son la fotosíntesis y la respiración. Estos procesos son en realidad recíprocos entre sí con respecto al ciclo del carbono: la fotosíntesis elimina el dióxido de carbono de la atmósfera y la respiración lo devuelve. Por lo tanto, una interrupción significativa de un proceso puede afectar la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera.

Durante un proceso llamado fotosíntesis, se utilizan materias primas para fabricar azúcar. La fotosíntesis ocurre en presencia de clorofila, un pigmento vegetal verde que ayuda a la planta a utilizar la energía de la luz solar para impulsar el proceso. Aunque el proceso global implica una serie de reacciones, la reacción neta se puede representar por lo siguiente:

El azúcar proporciona una fuente de energía para otros procesos de la planta y también se utiliza para sintetizar materiales necesarios para el crecimiento y mantenimiento de las plantas. El efecto neto con respecto al carbono es que se elimina de la atmósfera y se incorpora a la planta como materiales orgánicos.

El proceso recíproco de la fotosíntesis se llama respiración. El resultado neto de este proceso es que el azúcar se descompone por el oxígeno en dióxido de carbono y agua. La reacción neta es:

Este proceso ocurre no sólo en las plantas, sino también en humanos y animales. A diferencia de la fotosíntesis, la respiración puede ocurrir tanto de día como de noche. Durante la respiración, el carbono se elimina de los materiales orgánicos y se expulsa a la atmósfera como dióxido de carbono.

Otro proceso por el que se recicla el material orgánico es la descomposición de plantas y animales muertos. Durante este proceso, las bacterias descomponen los compuestos orgánicos complejos.

El carbono se libera al suelo o al agua como material inorgánico o a la atmósfera como gases. El material vegetal descompuesto a veces se entierra y comprime entre capas de sedimentos. Después de millones de años se forman combustibles fósiles como el carbón y el petróleo. Cuando se queman combustibles fósiles, el carbono se devuelve a la atmósfera como dióxido de carbono.

El ciclo del carbono es muy importante para la existencia de la vida en la tierra. El mantenimiento diario de los organismos vivos depende de la disponibilidad inmediata de diferentes formas de carbono. Los combustibles fósiles proporcionan una importante fuente de energía para los humanos, así como las materias primas utilizadas para la fabricación de plásticos y otros compuestos orgánicos de importancia industrial. Los procesos componentes del ciclo del carbono han proporcionado a los seres vivos las fuentes de carbono necesarias durante cientos de millones de años. Si no fuera por los procesos de reciclaje, el carbono podría haberse secuestrado por completo hace mucho tiempo en las rocas y sedimentos de la corteza, y la vida ya no existiría.

La actividad humana amenaza con perturbar el ciclo natural del carbono. Dos formas importantes por las que los humanos han afectado el ciclo del carbono, especialmente en la historia reciente, son: 1) la liberación de dióxido de carbono a la atmósfera durante la quema de combustibles fósiles, y 2) la tala de árboles y otras plantas (deforestación) que absorben dióxido de carbono de la atmósfera durante fotosíntesis. El efecto neto de estas acciones es incrementar la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera. Se estima que el dióxido de carbono atmosférico global está aumentando en aproximadamente 0.4% anual. El dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero (es decir, evita que la radiación infrarroja de la superficie terrestre escape al espacio). En cambio, el calor es absorbido por la atmósfera. Muchos científicos creen que el aumento de la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera está resultando en el calentamiento global.

Este calentamiento global puede a su vez causar cambios significativos en el clima global, lo que podría afectar negativamente a toda la vida en la tierra. Sin embargo, el aumento de la fotosíntesis (resultante del aumento en la concentración de dióxido de carbono) puede contrarrestar de alguna manera los efectos. Desafortunadamente, los temas de la quema de combustibles fósiles, la deforestación y el calentamiento global están entrelazados con consideraciones económicas y políticas. Además, aunque muy estudiados, los procesos aún no se entienden bien y sus ramificaciones no se pueden predecir con confianza.

CICLO DE NITRÓGENO

El elemento Nitrógeno es importante para los organismos vivos y se utiliza en la producción de aminoácidos, proteínas y ácidos nucleicos (ADN, ARN). El nitrógeno molecular (N2) es el gas más abundante en la atmósfera. Sin embargo, solo unos pocos organismos unicelulares son capaces de utilizar esta forma de nitrógeno directamente. Estas incluyen la especie bacteriana Rhizobium, que vive en los nódulos radiculares de las leguminosas, y las cianobacterias (a veces llamadas algas verdeazuladas), que son ubicuas en los ambientes del agua y del suelo. Para que los organismos multicelulares utilicen nitrógeno, su forma molecular (N2) debe convertirse en otros compuestos, por ejemplo, nitratos o amoníaco. Este proceso se conoce como fijación de nitrógeno. Los organismos microbianos como las cianobacterias realizan la mayor parte de la fijación de nitrógeno terrestre. La fabricación industrial de fertilizantes, las emisiones de los motores de combustión y la quema de nitrógeno en los rayos representan una fracción menor.

El ciclo del nitrógeno depende en gran medida de los procesos microbianos. Las bacterias fijan el nitrógeno de la atmósfera en forma de amoníaco (NH3) y convierten el amoníaco en nitrato (NO3-).

El amoníaco y el nitrato son absorbidos por las plantas a través de sus raíces. Los humanos y los animales obtienen sus suministros de nitrógeno comiendo plantas o animales comedores de plantas. El nitrógeno se devuelve al ciclo cuando las bacterias descomponen los desechos o cuerpos muertos de estos organismos superiores, y en el proceso, convierten el nitrógeno orgánico en amoníaco. En un proceso llamado desnitrificación, otras bacterias convierten el amoníaco y el nitrato en nitrógeno molecular y óxido nitroso (N2O). El nitrógeno molecular se devuelve así a la atmósfera para comenzar de nuevo el ciclo.

Los humanos han perturbado el ciclo del nitrógeno en la historia reciente por actividades que implican una mayor fijación de nitrógeno. La mayor parte de esta mayor fijación de nitrógeno resulta de la producción comercial de fertilizantes y el aumento de la quema de combustibles (que convierte el nitrógeno molecular en óxido nítrico, NO). El uso de fertilizantes comerciales en tierras agrícolas aumenta la escorrentía de nitratos hacia ambientes acuáticos.

Este aumento de la escorrentía de nitrógeno estimula el rápido crecimiento de las algas. Cuando las algas mueren, el agua se agota en oxígeno y otros organismos mueren. Este proceso se conoce como eutrofización. El uso excesivo de fertilizantes también estimula la desnitrificación microbiana del nitrato a óxido nitroso. Se cree que el aumento de los niveles atmosféricos de óxido nitroso contribuye al calentamiento global. El óxido nítrico agregado a la atmósfera se combina con el agua para formar ácido nítrico (HNO3), y cuando el ácido nítrico se disuelve en gotas de agua, forma lluvia ácida. La lluvia ácida daña árboles sanos, destruye los sistemas acuáticos y erosiona materiales de construcción como el mármol y la piedra caliza.

CICLO DE FÓSFORO

El fósforo en los sistemas terrestres suele estar en forma de fosfato (PO43-). En los organismos vivos es un constituyente esencial de las membranas celulares, los ácidos nucleicos y el ATP (el portador de energía para todas las formas de vida). También es un componente de hueso y dientes en humanos y animales. El ciclo del fósforo es relativamente simple en comparación con los otros ciclos de materia, ya que hay menos reservorios y procesos involucrados. El fósforo no es un constituyente nominal de la atmósfera, existiendo allí solo en partículas de polvo.

La mayor parte del fósforo ocurre en las rocas de la corteza o en los sedimentos oceánicos. Cuando se erosiona la roca portadora de fosfato, el fosfato se disuelve y termina en ríos, lagos y suelos. Las plantas absorben fosfato del suelo, mientras que los animales ingieren fósforo al comer plantas o animales que comen plantas. El fosfato se devuelve al suelo a través de la descomposición de desechos animales o materiales vegetales y animales. Este ciclo se repite una y otra vez. Algo de fósforo se lava a los océanos donde finalmente encuentra su camino hacia los sedimentos del fondo oceánico.

Los sedimentos se entierran y forman rocas sedimentarias portadoras de fosfato. Cuando esta roca es levantada, expuesta y desgastada, el fosfato vuelve a ser liberado para su uso por organismos vivos.

El movimiento del fósforo de la roca a los organismos vivos es normalmente un proceso muy lento, pero algunas actividades humanas aceleran el proceso. La roca portadora de fosfato a menudo se extrae para su uso en la fabricación de fertilizantes y detergentes. Esta producción comercial acelera en gran medida el ciclo del fósforo. Además, la escorrentía de tierras agrícolas y la liberación de aguas residuales en los sistemas de agua pueden provocar una sobrecarga local de fosfato. La mayor disponibilidad de fosfato puede provocar un crecimiento excesivo de algas. Esto reduce el nivel de oxígeno, provocando la eutrofización y la destrucción de otras especies acuáticas. Las aves marinas juegan un papel único en el ciclo del fósforo. Estas aves absorben fósforo de los peces oceánicos. Sus excrementos en tierra (guano) contienen altos niveles de fósforo y a veces se extraen para uso comercial.