7.1: El ciclo del carbono
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El carbono, al igual que todos los demás elementos, recorre el medio ambiente y está constantemente en proceso de cambiar formas y ubicaciones. En esta sección, como en muchas otras piezas de literatura científica, periódicamente nos referiremos al carbono por su símbolo químico, C. No hay carbono nuevo en el mundo, más bien, todo el carbono se recicla continuamente de una forma a otra. Todas las plantas, animales (¡incluidos los humanos!) , hongos, bacterias y arqueas están hechos principalmente de moléculas basadas en carbono como lípidos, carbohidratos, proteínas y ácidos nucleicos. El carbono también es prevalente en suelos, rocas y sedimentos, cuerpos de agua (disueltos) y la atmósfera. Estas ubicaciones donde reside el carbono se conocen como charcas o reservorios, y los procesos que mueven el carbono de una ubicación a otra se denominan flujos. La Figura 7.1.1 muestra una versión simplificada del ciclo global del carbono.
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Algunos embalses se aferran al carbono por poco tiempo. Los organismos aeróbicos (que usan oxígeno) convierten los carbohidratos creados por otros organismos en dióxido de carbono (CO 2) casi instantáneamente, que exhalan a la atmósfera. Al considerar el flujo de la respiración, los organismos vivos son la fuente de carbono, y la atmósfera es el sumidero. El carbono permanece en el reservorio de organismos vivos por un tiempo relativamente corto, dependiendo de su vida útil, desde horas y días hasta años y décadas. En contraste, el tiempo de residencia del carbono en el estanque fósil es dramáticamente diferente. Los combustibles fósiles se forman en un transcurso de 300-400 millones de años, formándose a partir de plantas y animales antiguos que se descomponían lentamente en condiciones muy específicas, anaeróbicas (sin oxígeno) en ambientes de humedales. Sus cuerpos fueron transformados gradualmente por el calor y la presión de la corteza terrestre en los combustibles fósiles que hoy extraemos para proporcionar petróleo, gas natural y carbón (ver más sobre esto en el capítulo 4).
Embalses y fundentes de importancia
Los dos mayores reservorios de carbono de la Tierra son los océanos, que cubren la mayor parte de la superficie terrestre, y la litosfera (la fracción mineral de la Tierra: suelos, rocas y sedimentos). Cada uno de estos embalses contiene más carbono que todos los demás embalses combinados. Gran parte del carbono almacenado en estos embalses, especialmente en lo profundo de la litosfera o en ambientes oceánicos profundos, tiene un tiempo de residencia extremadamente largo y no participa activamente en flujos rápidos. Las notables excepciones aquí, por supuesto, son los combustibles fósiles, que son minados por los humanos y convertidos en formas gaseosas de carbono a través de la combustión.
La biomasa, que es material biológico derivado de organismos vivos, o recientemente vivos, es un reservorio de carbono mucho más pequeño. La cantidad de carbono almacenado en toda la vegetación terrestre (550 Gt C) (Gt = gigatonne = 10 9 toneladas métricas = 10 15 g) es solo una fracción del almacenado en los océanos (38,000 Gt C) y la litosfera (18,000 Gt C). Todo el carbono que actualmente se encuentra almacenado en toda la vegetación de la Tierra llegó allí a través del proceso de fotosíntesis. Las plantas y otros organismos fotosintéticos se denominan productores primarios, porque “fijan” el CO 2 atmosférico en carbono orgánico, como el azúcar, una forma que es utilizable por los animales y otros organismos que necesitan consumir sus moléculas de carbono.
Los organismos fotosintéticos, como las plantas, las algas y las cianobacterias, traen CO 2 de la atmósfera y, utilizando la energía del sol, convierten el CO 2 y el agua en moléculas de glucosa (carbono orgánico). Los productos de la fotosíntesis son oxígeno y glucosa (Ecuación\(\PageIndex{1}\)). Estas moléculas de glucosa son azúcares simples que los autótrofos (“autoalimentadores”) pueden “quemar” para obtener energía, o transformar en otras moléculas de carbono utilizables a través del proceso de respiración celular (descrito en el siguiente párrafo), o para construir biomasa vegetal. La fotosíntesis se realiza en orgánulos llamados cloroplastos, mostrados en la Figura\(\PageIndex{2}\). La fotosíntesis representa 123 Gt de C por año que se retira de la atmósfera y se almacena en biomasa vegetal. Una cantidad tan masiva de fotosíntesis ocurre en la Tierra que ningún otro flujo único mueve tanto carbono en el mismo período de tiempo.
\[ 6 CO_{2} + 6H_{2}O + \text {solar energy} \rightarrow C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2}\]
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La biomasa en el ciclo del carbono, incluyendo plantas y animales, es el reservorio de carbono con el que probablemente estamos más familiarizados, y también el reservorio que está más fácilmente disponible para nosotros. Todos participamos en el flujo de consumo de carbono cuando comemos alimentos. Todos nuestros alimentos son simplemente biomasa vegetal y/o animal. Nuestro cuerpo toma las moléculas de carbono contenidas en esta biomasa, y las utiliza, junto con el oxígeno que respiramos, para la respiración celular para crear el trifosfato de adenosina (ATP) que necesitamos para la energía. Los productos de la respiración celular incluyen el CO 2 que exhalamos, el agua y la energía que se almacena en ATP (Ecuación\(\PageIndex{2}\)). Nuestros cuerpos también construyen biomasa adicional a partir de las moléculas de carbono en este alimento, lo que nos permite crear nuevas células para su crecimiento o reposición. Esta es la única forma en que nosotros, y todos los demás heterótrofos (“otros comedores”), podemos traer el carbono que necesitamos para construir y mantener nuestros cuerpos. Recuerda, ¡eres lo que comes!
\[ C_{6}H_{12}O_{6} + CO_{2} \rightarrow 6CO_{2} + 6H_{2}O + \text {energy} \]
La respiración celular es un flujo importante en el ciclo del carbono, y uno que aporta carbono a la atmósfera. Recuerda que los animales y otros heterótrofos completan la respiración celular usando las moléculas de carbono que traen a través de sus alimentos. Las plantas y otros autótrofos fotosintéticos completan la respiración celular usando las moléculas de carbono que formaron a partir del CO 2 a través de la fotosíntesis. Cualquier molécula de carbono que quede después de que el organismo haya adquirido suficiente energía a través de la respiración celular conforman la biomasa de la planta. A medida que las plantas y los animales mueren y se descomponen, sus cuerpos son consumidos por organismos descomponedores como hongos y bacterias. A través del flujo de descomposición, parte de la biomasa en descomposición es convertida en carbono atmosférico por los descomponedores, mientras que la mayor parte de la biomasa se entierra en el suelo, contribuyendo al carbono del suelo. En ambientes ricos en oxígeno, los descomponedores consumen rápidamente biomasa muerta y en descomposición utilizando el mismo proceso de respiración celular aeróbica descrito anteriormente. En ambientes deficientes de oxígeno, los descomponedores completan otras vías metabólicas y consumen muy lentamente la materia orgánica. Algunos de los gases producidos por la descomposición anaeróbica incluyen metano (CH 4), óxido nitroso (N 2 O) y el sulfuro de hidrógeno maloliente (H 2 S).
El reservorio de biomasa del ciclo del carbono también es importante para nosotros como fuente de energía. A través del flujo de combustión, convertimos la energía potencial contenida en la biomasa en energía térmica que podemos usar, y liberamos dióxido de carbono en el proceso. Si alguna vez has quemado troncos en una fogata, o incluso has quemado comida en la estufa, has completado este flujo de combustión de biomasa. Por supuesto, esto también sucede naturalmente, el mejor ejemplo son los incendios forestales naturales causados por los rayos. La reacción química para la combustión es idéntica a la reacción química para la respiración celular. La diferencia es que en la respiración celular, la energía se libera de manera controlada, y se captura en las moléculas de ATP. En la combustión, toda esta energía se libera rápidamente en forma de luz y calor.
Como todos los flujos que hemos discutido hasta ahora involucran a la atmósfera, aún no hemos discutido el flujo que conecta la atmósfera con los océanos. El carbono puede ingresar a los océanos a través de dos flujos primarios: primero a través de la fotosíntesis por algas o cianobacterias (también llamado fitoplancton en la Figura\(\PageIndex{1}\)), y segundo a través de la reacción química del intercambio océano-atmósfera. El océano, como ocurre con todos los cuerpos de agua superficiales, siempre contiene algo de CO 2 disuelto. Este CO 2 está en equilibrio con el CO 2 en el aire. Algo de CO 2 atmosférico se disuelve constantemente en el océano, mientras que algo de CO 2 disuelto se difunde constantemente en la atmósfera. En condiciones normales, estos dos flujos estarán ocurriendo a tasas iguales. Como puede ver en la Figura\(\PageIndex{1}\), sin embargo, este ya no es el caso. En la sección Impactos humanos en el ciclo del carbono, discutiremos por qué es así.
Actividad: Mejor comprensión del ciclo del carbono
Para revisar más a fondo el ciclo del carbono, y comprender mejor los impactos humanos en él, utilice este gráfico interactivo de los laboratorios Woods Hole: http://www.whoi.edu/feature/carboncycle/. Como verán, la información descrita en este texto es sólo una pequeña porción del ciclo total del carbono en la Tierra. Por último, completar la Tabla\(\PageIndex{1}\) como una forma de revisar la relación fregadero/fuente dentro de este ciclo. Vea si puede identificar correctamente la fuente y el sumidero de carbono para cada uno de estos flujos importantes en el ciclo del carbono.
| Flujo de carbono | Fuente de carbono | Fregadero de carbono |
|---|---|---|
| Respiración celular | Carbohidratos en organismos vivos | CO 2 en la atmósfera |
| Fotosíntesis | ||
| Consumo | ||
| Combustión | ||
| Descomposición | ||
| Intercambio océano/atmósfera | ||
| Formación de combustibles fósiles |