16.1C: Papel de los microbios en el ciclo biogeoquímico

Los microbios forman la columna vertebral de cada sistema ecológico al controlar el ciclo biogeoquímico global de elementos esenciales para la vida.

Objetivos de aprendizaje

• Explicar el papel que juegan los microbios en el ciclo biogeoquímico

Puntos Clave

• Un ciclo biogeoquímico es una vía por la cual un elemento químico (como el carbono o el nitrógeno) circula y es reciclado por un ecosistema.
• Los microorganismos juegan un papel primordial en la regulación de los sistemas biogeoquímicos en prácticamente todos los entornos de nuestro planeta.
• Los microbios participan en eventos esenciales de ciclo biogeoquímico como la fijación de carbono y nitrógeno.

Términos Clave

• fotosíntesis: Proceso por el cual las plantas y otros fotoautótrofos generan carbohidratos y oxígeno a partir del dióxido de carbono, el agua y la energía lumínica en los cloroplastos.
• biogeoquímica: El estudio científico de los procesos biológicos, geológicos y químicos en el medio natural y especialmente de sus relaciones mutuas.
• nitrogenasa: La enzima, en bacterias fijadoras de nitrógeno, que cataliza la conversión del nitrógeno atmosférico en amoníaco.

Papel microbiano en el ciclo biogeoquímico

Los nutrientes se mueven a través del ecosistema en ciclos biogeoquímicos. Un ciclo biogeoquímico es una vía por la cual un elemento químico (como el carbono o el nitrógeno) circula a través de los factores bióticos (vivos) y abióticos (no vivos) de un ecosistema. Los elementos que se mueven a través de los factores de un ecosistema no se pierden sino que se reciclan o acumulan en lugares llamados embalses (o “sumideros”) donde pueden ser retenidos por un largo periodo de tiempo. Elementos, compuestos químicos y otras formas de materia pasan de un organismo a otro y de una parte de la biosfera a otra a través de estos ciclos biogeoquímicos.

Los ecosistemas tienen muchos ciclos biogeoquímicos operando como parte del sistema. Un buen ejemplo de una molécula que es ciclada dentro de un ecosistema es el agua, que siempre se recicla a través del ciclo del agua. El agua se somete a evaporación, condensación, y luego vuelve a caer a la Tierra como lluvia (u otras formas de precipitación). Esto tipifica el ciclo que se observa para todos los elementos principales de la vida.

Figura: El ciclo del agua: El agua se recicla en un ecosistema a través del ciclo del agua.

Aunque los ciclos biogeoquímicos en un ecosistema determinado están coordinados por el complemento completo de organismos vivos y factores abióticos que conforman ese sistema, los microorganismos juegan un papel primordial en la regulación de los sistemas biogeoquímicos en prácticamente todos los entornos de nuestro planeta. Esto incluye ambientes extremos como lagos ácidos y respiraderos hidrotermales, e incluso incluye sistemas vivos como el intestino humano. Los procesos metabólicos colectivos clave de los microbios (incluyendo la fijación de nitrógeno, la fijación de carbono, el metabolismo del metano y el metabolismo del azufre) controlan eficazmente el ciclo biogeoquímico global. Increíblemente, la producción por microbios es tan inmensa que la biogeoquímica global probablemente no cambiaría incluso si la vida eucariota estuviera totalmente ausente.

Los microbios constituyen la columna vertebral de todo sistema ecológico, particularmente aquellos en los que no hay luz (es decir, sistemas en los que la energía no puede ser recolectada a través de la fotosíntesis). A continuación se discuten dos ejemplos clave de procesos biogeoquímicos críticos llevados a cabo por microorganismos.

El ciclo del carbono

Figura: Cianobacterias: Las cianobacterias, también conocidas como bacterias verdeazuladas, algas verdeazuladas y Cyanophyta, son un filo de bacterias que obtienen su energía a través de la fotosíntesis

El carbono es crítico para la vida porque es el componente esencial de todos los compuestos orgánicos. Las plantas y los animales utilizan el carbono para producir carbohidratos, grasas y proteínas, que luego pueden usarse para construir sus estructuras internas o para obtener energía.

El carbono en forma de dióxido de carbono (CO ₂) se obtiene fácilmente de la atmósfera, pero antes de que pueda incorporarse a organismos vivos debe transformarse en una forma orgánica utilizable. El proceso transformador por el cual el dióxido de carbono es tomado del reservorio atmosférico y “fijado” en sustancias orgánicas se llama fijación de carbono. Quizás el ejemplo más conocido de fijación de carbono es la fotosíntesis, proceso mediante el cual se aprovecha la energía derivada de la luz solar para formar compuestos orgánicos. La fotosíntesis depende de la actividad de microorganismos como las cianobacterias; en efecto, el hecho de que haya oxígeno en la atmósfera terrestre es consecuencia de la actividad fotosintética de microbios antiguos.

El Ciclo del Nitrógeno

El nitrógeno es esencial para todas las formas de vida porque se requiere para la síntesis de los componentes básicos de la vida (por ejemplo, ADN, ARN y aminoácidos). La atmósfera terrestre está compuesta principalmente por nitrógeno, pero el nitrógeno atmosférico (N ₂) es relativamente inutilizable para los organismos biológicos. En consecuencia, el procesamiento químico del nitrógeno (o fijación de nitrógeno) es necesario para convertir el nitrógeno gaseoso en formas que los organismos vivos puedan usar. Casi toda la fijación de nitrógeno que se produce en el planeta es realizada por bacterias que tienen la enzima nitrogenasa, la cual combina N ₂ con hidrógeno para producir una forma útil de nitrógeno (como el amoníaco). Por lo tanto, los microorganismos son absolutamente esenciales para las formas de vida vegetal y animal, que no pueden fijar el nitrógeno por sí mismos.

Figura: El papel de los microbios en el ciclo del nitrógeno: El procesamiento del nitrógeno en una forma biológicamente útil requiere la actividad de microorganismos.